전기전자/정보통신

Nikkei Network_2023.12 특집 요약 (p24-39)

의외로 잘 모르는 LAN 케이블
실제로 기술이 가득

네트워크를 이야기할 때 잊어서는 안 되는 것이 있다. LAN(Local Area Network) 케이블이다. LAN 케이블이 기기와 기기 사이를 연결해 신호를 운반하고 있다. 네트워크 엔지니어조차 평소에는 그다지 의식하지 않는 LAN 케이블의 역할과 만드는 방법, 부설 방법에 초점을 맞추어 깊이 파헤쳐 본다.

Part 1. 안다
메탈과 빛의 차이를 소재를 통해 이해하다, 노이즈 대책과 전반사에 빛나는 기술

LAN(Local Area Network) 케이블은 네트워크를 뒷받침하는 기초 중의 기초라고 할 수 있는 존재다. 하지만 네트워크 엔지니어조차 그 구조나 제조 방법을 자세하게 모르는 사람은 많다. 그 숨겨진 기술을 이해해 보자.

그리고 본 특집에서는 LAN 케이블을 넓게 해석한다. 기업 등의 거점 내에 부설하는 케이블뿐만 아니라 거점 사이를 연결하는 광케이블을 포함한 네트워크 케이블 전반을 LAN 케이블이라고 칭한다.

-- 소재에 따라 두 종류가 있다 --
우선 LAN 케이블의 소재에 따른 특성 차이와 그 사용법을 해설한다. LAN 케이블은 소재에 따라 크게 두 종류로 나뉜다. 메탈케이블과 광케이블이다.

RJ45 플러그(통신케이블을 연결하는 커넥터로, 접속수가 8개인 8심형을 말한다)가 양쪽 끝에 달린, 기업 등에서 흔히 볼 수 있는 케이블은 메탈케이블이다. 메탈케이블은 금속제 도선을 8개 묶어, 도선을 절연/보호하는 피복으로 덮고 있다. 도선은 일반적으로 구리로 되어 있다.

케이블 1개로 신호를 보낼 수 있는 최대 전송거리는 통신규격에 따라 30~100m. 최대 전송속도는 40Gbps(기가비트/초)다.

한쪽의 광케이블은 투명한 유리나 수지로 만든 섬유인 광섬유를 도선으로 사용한다. 중계기 없이 가능한 최대 전송거리는 수십 km에 달해, 메탈케이블과는 차이가 상당히 크다. 최대 통신속도에서는 400Gbps를 넘는 통신규격이 있으며, 한층 더 고속인 규격과 그것을 실현하기 위한 통신기기의 개발도 진행되고 있다.

성능에서는 압도적 우위에 있는 광케이블이지만 메탈케이블에 비해 비용이 비싸다. 현재는 광신호를 직접 제어하는 기기는 개발 도중이며, 제어하려면 광전변환(광신호를 전기신호로, 혹은 전기신호를 광신호로 변환하는 것)이 필요하기 때문에 그만큼 불필요한 기기 비용이 들기 때문이다. 따라서 집 안이나 시설 내에는 메탈케이블을 사용하고, 거점 간이나 액세스 회선에는 광케이블을 사용하는 것이 일반적이다.

인터넷 접속 회선을 보면 광케이블을 사용한 통신의 점유율은 계속 증가하고 있고, 메탈케이블을 사용한 통신의 점유율은 계속 감소하고 있다. FTTH(Fiber To The Home, 광케이블을 이용한 인터넷 접속 서비스로 주로 가정용)의 계약 회선수는 20년부터 3년간 약 16% 증가했지만 DSL(Digital Subscriber Line, 전화 회선을 사용한 인터넷 접속 서비스)는 같은 기간에 약 76% 감소했다.

-- 좋은 밸런스의 구리를 채택 --
지금부터는 메탈케이블에 대해 해설한다. 일단 소재다. 수많은 금속 중 구리를 사용하는 이유는 ‘전기저항률’ ‘온도에 따른 변화에 대한 내성’ ‘가격’의 밸런스가 뛰어나기 때문이다.

소재로서는 구리보다 은이 뛰어나다. 전기저항률이 낮고 온도특성도 좋다. “전기저항률은 메탈케이블에서는 작을수록 유리하다”(오카노전선의 와타나베(渡邉) 과장). 온도에 따른 저항값의 변화 정도를 나타내는 저항온도계수도 낮다. 저항온도계수가 높으면 온도에 따라 저항이 커져 전송거리나 통신속도에 영향을 준다. 다만 은은 구리보다 훨씬 비싸서, kg당 가격에 100배 가까이 차이가 난다. 그 외의 금속도 특성이나 비용에서 케이블의 소재에 적합하지 않아 밸런스가 좋은 구리에 정착했다.

-- 고속규격은 노이즈 대책을 중시 --
다음으로 메탈케이블의 종류를 나타내는 '카테고리'의 차이를 설명한다. 이더넷(LAN이나 WAN(Wide Area Network)에서 사용되는 통신 규격)에는 복수의 전송 규격이 있어 규격에 따라 최대 전송속도가 다르다. 규격별로 카테고리도 바뀐다. 참고로 카테고리에는 최대 전송속도가 1Gbps까지의 LAN에서 주류였던 카테고리 5e, 10GBASE-T의 수요 증가에 맞춰 보급되고 있는 카테고리 6A, 그리고 고속통신에 대응하는 카테고리 7이나 카테고리 8 등이 있다.

카테고리에 따른 차이는 노이즈 대책에서도 찾아볼 수 있다. 이더넷에서는 전송 속도를 높일수록 고주파 전기신호를 내보낼 필요가 있다. 전기신호는 고주파일수록 노이즈의 발생원이 되기 쉽고, 외부 노이즈의 영향도 받기 쉽다. 주파수에 따른 적절한 노이즈 대책을 강구하지 않으면 에러가 늘어나 실효 속도가 저하되거나 접속이 불안정하게 된다.

메탈케이블의 단면도를 보면 노이즈 대책의 차이를 알 수 있다. 전제로서 일반적인 메탈케이블에는 트위스트 페어 케이블(연선)이 사용되고 있다. 두 가닥의 도선을 꼰 것이다. 이것을 4개 조합해 시스(Sheath, 외피)로 감싼다.

연선은 그 자체가 하나의 노이즈 대책으로서 기능한다. 케이블을 구성하는 각 동선 사이를 외부 전자파의 자력선이 가로지르는 경우가 있다. 그 증감에 의해 기전력이 발생하고, 동선에 유도전류가 흐른다. 이 유도 전류가 노이즈가 돼 잔류하면서 통신에 악영향을 주는 것이다.

연선도 자력선이 가로지르면 유도전류가 흐르는 이치는 같다. 그러나 연선의 경우, 2개 동선의 '꼬인 부분'마다 발생하는 유도전류가 역방향으로 되면서 상쇄된다. 이것이 노이즈에 대한 대책이 된다.

카테고리 5e의 노이즈 대책은 심플하게 연선에 의한 대책뿐이다. 카테고리 6은 4쌍의 연선 사이에 수지로 된 ‘십자 칸막이’를 넣어 연선끼리의 밀착을 방지해 대책을 강화하고 있다.

카테고리6A부터는 '쉴드'가 사용된다. 쉴드는 금속제 보호막으로, 시스 안쪽에 설치함으로써 케이블 외부로부터의 노이즈를 방지한다. 아울러 카테고리6A의 시스는 단면이 일그러진 '부등 단면'이어서 연선이 더 밀착되기 어려워진다.

카테고리7과 카테고리8은 연선마다 쉴드를 감는다. 시스 안쪽에도 그물코 모양의 실드를 감아 강력한 노이즈 대책을 실시하고 있다. 다만 지금까지 예로 든 구조는 일례이며, 제품에 따라 노이즈 대책 방법은 다를 수 있다. 예를 들어 카테고리6A 케이블에는 시스 안쪽에 쉴드가 아닌 메탈테이프를 감는 제품이나 연선마다 쉴드를 감는 제품이 있다.

-- 전반사로 광신호를 전달하다 --
이제 광케이블 해설로 넘어간다. 도선인 광섬유는 빛의 '전반사(Total Reflection)'라는 현상을 이용해 광신호를 보낸다. 전반사는 빛이 굴절률이 높은 곳에서 낮은 곳을 향해 지나가려고 할 때만 발생한다. 예를 들어 물은 공기보다 굴절률이 높다. 그 때문에 수중에서 나오는 빛이 수면에서 전반사하는 일이 있다. 반대로 공기 중의 빛이 수면에서 전반사하는 일은 없다.

광섬유는 중심부인 코어의 굴절률은 높고, 바깥둘레 부분의 클래드는 낮은 소재로 만든다. 전반사에 의해서 광신호의 감쇠를 최소한으로 억제해 전송거리를 늘리고 있다.

또한 광섬유에는 싱글 모드와 멀티 모드라고 하는 두 종류가 존재한다. 양자의 주요 차이점은 코어의 굵기로, 싱글 모드 쪽이 코어가 가늘다. 싱글 모드에서는 빛이 지나가는 길은 1개로, 코어 안을 직선에 가까운 경로로 진행한다. 멀티 모드는 코어가 굵고 빛은 여러 경로를 거친다. 경로에 따라 상대 측에 닿는 시간에 차이가 발생하기 때문에 싱글 모드보다 통신이 안정되기 어렵다.

싱글 모드와 멀티 모드는 내구성이나 비용 면에서도 차이가 있다. 싱글 모드의 케이블은 가늘고 부러지기 쉬워 다루기 어렵다. 그리고 성능을 활용하려면 고출력 광신호를 낼 수 있는 고가의 송신장치가 필요하다. 한편, 멀티 모드의 케이블은 싱글 모드에 비해 튼튼해서 다루기 쉽다. 송신장치는 싱글 모드와 비교해 저렴하다.

Part 2. 제조
꼬거나 감거나 덮거나, 제조 공정에 기술의 정수

한마디로 ‘LAN 케이블’이라고 부르지만 업체에 따라서 다양한 고안이 이루어지고 있다. 제조의 흐름을 알고 더 깊이 이해하자.

Part 3. 설치한다
케이블은 어디까지나 이어진다, 외부의 적이나 장소에 따른 보호를 위해 노력

케이블은 깔아야 사용할 수 있다. ‘어떻게 깔 것인가?’를 알고, 케이블을 깊게 이해하자. 오피스 등 기업의 거점 내부, 데이터센터, 옥외의 3개로 나누어 살펴본다.

 -- 끝 --

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