139. 1000BASE-T (Gigabit Ethernet) - 4페어 사용, 5단계 PAM 변조

💡 핵심 인사이트
1000BASE-T는 기존의 Cat 5e 케이블을 그대로 유지하면서 속도를 100Mbps에서 1Gbps로 10배 끌어올린 기가비트 이더넷의 표준입니다.
이를 위해 기존에 쓰지 않던 예비 선까지 4쌍(8가닥) 모두를 사용하고, 하나의 선망에서 동시에 데이터를 주고받는 에코 상쇄(Echo Cancellation) 기술과 **PAM-5 (5단계 진폭 변조)**라는 복잡한 신호 처리 기술이 총동원되었습니다.

Ⅰ. 1000BASE-T (Gigabit Ethernet) 개요

**1000BASE-T (IEEE 802.3ab)**는 데스크톱 및 서버의 기본 유선 네트워크 속도를 기가비트(1 Gbps) 단위로 격상시킨 역사적인 표준입니다.

Fast Ethernet(100BASE-TX)까지는 UTP 케이블 4쌍 중 2쌍만 송신/수신용으로 나누어 썼지만, 기가비트로 넘어가면서 구리선(UTP)의 물리적 한계에 부딪혔습니다. 이를 극복하기 위해 케이블의 구조를 바꾸는 대신(하위 호환성을 위해 Cat 5e 사용), 랜카드 내부의 통신 칩(PHY)의 신호 처리 알고리즘을 비약적으로 발전시켰습니다.

Ⅱ. 1Gbps 달성을 위한 3가지 핵심 기술

1000BASE-T는 주파수를 무작정 높이는 대신, 수학과 신호 처리 기술로 속도를 높였습니다.

1. 4 Pairs (8가닥) 전체 동시 양방향 사용 (Full Duplex on all pairs)

10/100BASE에서는 송신 선(Tx)과 수신 선(Rx)이 독립되어 있었습니다. 하지만 1000BASE-T는 놀고 있던 나머지 2쌍을 포함해 총 4쌍의 선을 모두 사용하며, 각 쌍이 송신과 수신을 동시에 수행합니다.

[100BASE-TX]            [1000BASE-T]
 Pair 1: 송신 (Tx) ──▶   Pair 1: 송수신 동시 ◀──▶ (250 Mbps)
 Pair 2: 수신 (Rx) ◀──   Pair 2: 송수신 동시 ◀──▶ (250 Mbps)
 Pair 3: (미사용)        Pair 3: 송수신 동시 ◀──▶ (250 Mbps)
 Pair 4: (미사용)        Pair 4: 송수신 동시 ◀──▶ (250 Mbps)
                        ------------------------------------
                                            Total: 1,000 Mbps

하나의 쌍에서 250Mbps씩 처리하여 4쌍 합계 1Gbps를 만들어냅니다.

2. 에코 상쇄 (Echo Cancellation)

하나의 구리 선에서 송신과 수신 신호가 동시에 달리면 파동이 충돌하여 엉망이 됩니다(에코 현상). 1000BASE-T의 PHY 칩 내부에는 고도의 **DSP(Digital Signal Processor)**가 탑재되어 있습니다. 이 칩은 자신이 송신한 신호의 패턴을 정확히 기억하고 있다가, 혼합되어 들어오는 수신 신호에서 **자신의 송신 신호 성분을 수학적으로 빼버림(상쇄)**으로써 상대방이 보낸 순수한 수신 신호만 걸러냅니다. 이는 '노이즈 캔슬링 이어폰'의 원리와 정확히 같습니다.

3. PAM-5 (Pulse Amplitude Modulation 5) 변조

데이터를 전기 신호로 바꿀 때, 기존 0과 1의 두 가지 전압만 쓰면 신호가 너무 많이 깜빡여야 해서 주파수(대역폭)가 모자랍니다. 1000BASE-T는 PAM-5를 사용하여 전압 레벨을 5단계(-2, -1, 0, +1, +2)로 쪼개어 전송합니다.

전압이 5단계이므로 한 번의 신호(심볼)로 더 많은 비트를 전송할 수 있습니다. (실제로는 4단계를 이용해 데이터를 인코딩하고, 1단계는 에러 정정(FEC) 등의 여분으로 사용합니다.)
덕분에 250Mbps의 데이터를 보내기 위해 클럭 속도를 125MHz로 낮게 유지할 수 있어, 저렴한 Cat 5e 케이블로도 전송이 가능해집니다.

📢 섹션 요약 비유: 1000BASE-T는 놀고 있던 나머지 2개의 차선을 모두 개통하고(4 Pairs), 왕복 1차선에서 사고 없이 차가 교행하도록 **고도의 자율주행 AI를 탑재(에코 상쇄)**했으며, 트럭의 짐칸을 위로 5층으로 쌓아(PAM-5) 한 번에 엄청난 짐을 실어 나르는 도로 혁신입니다.

Ⅲ. 실무 고려사항 (케이블 불량의 영향)

기가비트 네트워크 환경에서 흔히 겪는 실무 장애는 **"랜선을 꽂았는데 1Gbps가 아니라 100Mbps로 연결돼요"**라는 문제입니다.

100BASE-TX는 1, 2, 3, 6번 핀만 사용하므로, 케이블이 낡거나 커넥터 압착 불량으로 4, 5, 7, 8번 선 중 하나라도 끊어지면 100Mbps 환경에서는 증상이 나타나지 않고 멀쩡히 동작합니다. 하지만 1000BASE-T는 8가닥을 모두 완벽하게 사용해야 하므로, 한 가닥이라도 단선되거나 저항이 높으면 Auto-Negotiation에 의해 자동으로 100Mbps로 속도가 강등(Fallback) 됩니다. 따라서 기가비트망 장애 조치 시, 랜 테스터기로 8가닥 모두 정상 결선되었는지 확인하는 것이 첫 번째 단계입니다.