디지털 데이터는 본질적으로 이진 비트(0과 1)의 집합이지만, 이를 실제 물리적 전송 매체(구리선, 광섬유 등)를 통해 송수신하려면 전기적 또는 광학적 신호로 변환하는 과정이 필수적이다. 이 변환 과정은 단순히 비트를 전압 레벨로 바꾸는 것 이상의 복잡한 기술적 과제를 수반한다. 가장 주요한 두 가지 과제는 DC 성분(직류 성분)의 축적과 수신기 클럭 동기화이다. 동일한 비트(예: ‘00000…’ 또는 ‘11111…’)가 장시간 연속되면 전압이 한쪽 극성으로만 유지되어 신호에 직류 성분이 누적된다. 또한, 신호의 전이(transition)가 사라져 수신기 측의 위상 동기 루프(Phase-Locked Loop, PLL) 회로가 클럭을 추출하지 못해 데이터 비트의 경계를 식별하는 데 실패한다. 이러한 문제들은 데이터 전송의 신뢰성과 무결성을 심각하게 저해한다.
이러한 근본적인 문제를 해결하기 위해 고안된 것이 바로 **라인 코딩(Line Coding)**이다. 라인 코딩은 디지털 데이터를 물리적 전송 매체에 적합한 디지털 신호로 변환하는 규칙을 의미하며, 그 역변환 과정인 디코딩 규칙까지 포함한다. 라인 코딩의 목적은 단순히 데이터를 변환하는 것을 넘어, 신호 왜곡을 줄이고, 오류를 감지하며, 전송 매체의 특성에 맞춰 신호를 최적화함으로써 특히 클럭 동기화 문제를 효과적으로 해결하는 데 있다.
클럭 동기화 (Synchronization)
고속 직렬 통신 환경에서는 데이터와 클럭 신호를 별도의 선으로 전송하는 것이 비효율적이다. 따라서 대부분의 시스템은 자기 클럭킹(Self-clocking) 방식을 채택하여 데이터 스트림 자체에 클럭 정보를 내장한다. 수신기에서는 데이터 신호의 전이(High에서 Low, 또는 Low에서 High로의 변화)를 감지하여 PLL 회로를 통해 클럭을 복구한다. 그러나 만약 ‘11111…’ 또는 ‘00000…’과 같이 동일한 전압 레벨이 장기간 지속되면, 신호 전이가 발생하지 않아 수신기 PLL이 클럭을 펄스 정보를 상실하게 된다. 이는 데이터 비트의 시작과 끝을 구분하지 못하게 하여 결국 데이터 손실 및 동기화 상실로 이어진다. 라인 코딩은 의도적으로 신호 전이를 유발하는 패턴을 추가함으로써, 아무리 긴 동일 비트 연속이 발생하더라도 일정 간격 내에 반드시 신호 변화가 있도록 보장하여 이 문제를 해결한다.
DC 성분 제거 (DC Component Elimination)
디지털 신호는 특정 전압 레벨을 통해 0과 1을 표현한다. 만약 긴 ‘1’의 연속이 발생하면 양의 전압이, 긴 ‘0’의 연속이 발생하면 음 또는 0의 전압이 장시간 유지된다. 이와 같이 한쪽 극성의 전압이 지속적으로 흐르는 현상을 **DC 성분(직류 성분)**이라고 한다. 많은 통신 채널은 DC 성분을 통과시키지 못하는 특성을 갖는다. 예를 들어, 이더넷에 사용되는 변압기 결합(transformer-coupled) 채널이나 광 수신기의 자동 게인 제어(AGC) 회로는 DC 성분에 민감하다. DC 성분이 누적되면 신호의 평균 전압이 0에서 멀어지게 되어 신호 왜곡 및 에러를 유발하는 주된 원인이 된다. 라인 코딩은 전송되는 ‘0’과 ‘1’의 개수를 균등하게 유지함으로써 신호의 평균 전압을 장기적으로 0에 가깝게 만드는 **DC 밸런스(DC-balance)**를 달성한다.
대표적인 라인 코딩 방식 개요
라인 코딩의 여러 방식 중 가장 단순한 **NRZ(Non-Return-to-Zero)**는 1과 0을 각각 양의 전압과 0 또는 음의 전압으로 표현한다. 그러나 이 방식은 동일 비트가 연속될 때 동기화 및 DC 성분 문제가 심각하게 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 등장한 방식이
맨체스터(Manchester) 인코딩이다. 맨체스터 코딩은 각 비트의 중간에 강제적으로 신호 전이를 삽입하여 클럭 동기화 문제를 완벽하게 해결한다. 그러나 한 비트를 전송하기 위해 두 번의 신호 전이를 사용하기 때문에,
100%의 높은 오버헤드가 발생하여 실제 데이터 전송률 대비 필요한 대역폭이 2배로 증가하는 단점이 있다.
기술적 진화의 맥락
맨체스터 코딩은 DC 성분 및 클럭 동기화 문제를 효과적으로 해결했지만, 그 대가로 대역폭 효율성을 희생했다. 한 비트당 두 개의 신호 요소를 사용하는 맨체스터의 100% 오버헤드는 저속 통신 환경에서는 문제가 되지 않았으나, 기가비트 이상의 고속 통신 시대에 접어들면서 막대한 비효율성으로 부각되었다. 예를 들어, 1 Gbps의 데이터를 전송하기 위해 맨체스터 방식으로는 2 Gbps의 신호 전송률이 필요하게 된다.
이러한 비효율성 문제는 통신 시스템의 발전에서 새로운 제약 조건으로 작용했다. 즉, 데이터 전송 속도가 높아질수록 맨체스터 코딩의 100% 오버헤드는 감당하기 어려운 비효율성이 되었고, 이를 극복하기 위해 오버헤드를 줄이면서도 필수적인 기능을 유지하는 새로운 라인 코딩 방식의 필요성이 대두되었다. 이러한 기술적 요구에 대한 응답으로 탄생한 것이 바로 8B/10B와 같은 블록 코딩 방식이다. 8B/10B는 데이터를 블록 단위로 처리하여 맨체스터 방식보다 훨씬 효율적이면서도 DC 밸런스와 클럭 복구라는 핵심 기능을 보장한다.
8B/10B의 기본 개념 및 구조
8B/10B 인코딩은 IBM의 Al Widmer와 Peter Franaszek에 의해 1983년 처음 기술되었다. 이름에서 알 수 있듯이, 이 방식은 8비트의 디지털 데이터를 10비트의 **심볼(symbol)**로 변환하는 블록 코딩 기술이다. 이 과정에서 2비트의 추가적인 오버헤드가 발생하며, 이는 전체 대역폭의 20%를 손실하는 것을 의미한다. 그러나 맨체스터 코딩의 100% 오버헤드와 비교하면 획기적으로 효율성이 개선된 방식이다.
8B/10B 인코딩은 8비트 입력 데이터(HGF EDCBA)를 하위 5비트(EDCBA)와 상위 3비트(HGF)의 두 부분으로 분할하여 처리한다. 각각의 분할된 데이터는 5b/6b 및 3b/4b 인코딩 과정을 거친 후, 그 결과가 결합되어 최종 10비트 심볼(abcdei fghj)을 형성한다. 이처럼 세분화된 인코딩 구조는 후술할 런닝 디스패리티 관리 메커니즘을 보다 정교하게 구현하는 기반이 된다.
핵심 원리 A: 런닝 디스패리티(RD)를 이용한 DC 밸런스 유지
8B/10B의 가장 독특하고 중요한 특징은 **런닝 디스패리티(Running Disparity, RD)**라는 개념을 통해 DC 밸런스를 동적으로 관리한다는 점이다. **디스패리티(Disparity)**는 특정 비트열 내에서 ‘1’의 개수와 ‘0’의 개수 차이를 의미하며, 런닝 디스패리티는 지금까지 전송된 전체 비트 스트림의 누적된 디스패리티를 추적하는 값이다.
8B/10B 인코딩의 핵심은 일부 8비트 입력 데이터에 대해 ‘1’과 ‘0’의 개수가 다른 두 가지 대안적 10비트 출력 심볼을 제공한다는 점이다. 인코더는 이 두 가지 중 어느 것을 선택할지 결정하기 위해 현재의 런닝 디스패리티 값을 확인한다.
런닝 디스패리티 규칙:
- 직전 RD가 양수(
+1)이면, ‘0’의 개수가 더 많은 심볼을 선택하여 전체 RD를 감소시킨다. - 직전 RD가 음수(
-1)이면, ‘1’의 개수가 더 많은 심볼을 선택하여 전체 RD를 증가시킨다. - 만약 보낼 심볼 내의 ‘1’과 ‘0’의 개수가 동일하다면, RD의 상태는 변화 없이 유지된다.
이러한 동적 선택 메커니즘을 통해 8B/10B 인코딩은 전송되는 ‘1’과 ‘0’의 비율을 장기적으로 정확히 50%에 가깝게 유지하며, 신호의 평균 전압을 0으로 맞추는 DC 밸런스를 달성한다. 8B/10B 시스템에서 RD의 초기값은 일반적으로 음수(-1)로 설정되며 , 이 값은 항상 ±1 또는 ±2의 범위 내에 제한된다. 이는 DC 밸런스를 보장하는 직접적인 결과다.
핵심 원리 B: Bounded Disparity와 Run Length 제한
**바운디드 디스패리티(Bounded Disparity)**는 런닝 디스패리티의 절대값이 항상 특정 값(8B/10B에서는 ±2)을 넘지 않도록 제한하는 것을 의미한다. 이는 장기적인 DC 밸런스를 보장하는 중요한 특성이다.
또한, 8B/10B 인코딩은 연속된 ‘1’ 또는 ‘0’의 개수가 5개를 넘지 않도록 제한한다. 이 규칙은 수신기 측의 PLL이 클럭을 복구하는 데 필수적인 신호 전이를 보장하는 직접적인 역할을 한다. Run Length가 5개 이하로 제한됨으로써, 아무리 긴 데이터 스트림이라도 일정 간격 내에 반드시 신호 변화가 발생하게 되어 클럭 동기화 상실 문제를 효과적으로 방지한다.
제어 심볼(K 코드)의 역할과 의미
8B/10B 인코딩은 256개의 데이터 심볼(D 코드) 외에 12개의 특수한 **제어 심볼(K 코드)**을 정의한다. K 코드는 D 코드와는 다른 고유한 인코딩 규칙을 가지며, 데이터 전송 외에 링크 계층의 하위 제어 기능을 수행하는 데 사용된다. 예를 들어, K 코드는 프레임의 시작과 종료, 링크의 유휴 상태(Idle), 스킵(Skip) 등을 나타내는 데 사용된다.
특히 K.28.5와 K.28.7과 같은 특정 K 코드는 **콤마 심볼(Comma Symbol)**이라고 불리며, 비트 스트림 내에서 10비트 심볼의 경계(word boundary)를 정의하는 동기화 기능에 사용된다. 수신기는 데이터 스트림 내에서 이 고유한 콤마 심볼의 패턴을 감지하여, 그 위치를 기준으로 10비트 심볼의 시작과 끝을 정확히 식별할 수 있다.
기술적 가치와 시스템적 의미
8B/10B 인코딩은 단순히 비트열을 확장하는 기술이 아니라, 20%의 오버헤드를 전략적으로 투입하여 DC 밸런스와 클럭 복구라는 두 가지 문제를 동시에 해결하는 매우 정교한 솔루션이다. 런닝 디스패리티는 DC 밸런스라는 최종 목표를 달성하기 위한 구체적인 동적 제어 메커니즘이며, 이는 ‘0’과 ‘1’의 개수가 다른 심볼에 대해 두 가지 대안적 인코딩을 제공함으로써 가능하다. 이는 라인 코딩 설계에서 단순한 변환을 넘어, 동적 상태를 활용한 복잡한 제어가 이루어짐을 보여준다.
또한, K 코드의 존재는 8B/10B가 단순히 물리 계층의 데이터 변환 기술이 아니라, 그 상위 계층인 데이터 링크 계층의 프레임 구조와 상태 관리에 깊이 관여하는 종합적인 기술임을 시사한다. 콤마 심볼을 통해 데이터 스트림 내에서 프레임의 시작을 정확히 식별함으로써 수신기 동기화의 신뢰성을 극대화하는 것은 8B/10B가 단순히 하드웨어의 신호 무결성 문제를 넘어 시스템 전반의 안정성을 높이는 역할을 했음을 의미한다.
<8B/10B 인코딩 변환 규칙 및 런닝 디스패리티(RD) 예시>
아래 표는 8B/10B의 런닝 디스패리티 관리 규칙을 시각적으로 보여준다. 특정 입력 심볼(D.21.5)은 0과 1의 개수가 같지 않아 런닝 디스패리티 상태에 따라 두 가지 다른 출력 심볼로 변환될 수 있다.
| 입력 심볼 (8비트) | 비트 분할 (EDCBA HGF) | 5b/6b (abcdei) | 3b/4b (fghj) | RD=-1일 때 (정심볼) | RD=+1일 때 (부심볼) | 다음 RD |
| D.21.5 | 10101 101 | 101010 (RD=-2) | 1010 (RD=0) | 1010101010 | N/A | -1 |
| K.28.5 | 11100 101 | 001111 (RD=+2) | 1010 (RD=0) | N/A | 0011111010 | +1 |
64B/66B 및 차세대 코딩 방식과의 비교
8B/10B의 20% 오버헤드는 1 Gbps급 통신에서는 효과적이었으나, 10 Gbps를 초과하는 초고속 통신 시대에는 그 자체로 심각한 병목 현상이 되었다. 100 Gbps 환경에서는 20%의 오버헤드가 무려 20 Gbps의 대역폭 손실을 의미하기 때문이다. 이러한 한계를 극복하기 위해
64B/66B와 128B/130B와 같은 차세대 라인 코딩 방식이 등장했다.
64B/66B 인코딩은 64비트 데이터 블록에 2비트의 헤더(’01’ 또는 ’10’)를 추가하는 방식으로, 약 3%의 극도로 낮은 오버헤드를 갖는다. 이 헤더는 데이터 블록과 제어 블록을 구분하는 역할만 한다. 64B/66B는 8B/10B와 달리 데이터를 직접 변환하여 DC 밸런스를 맞추지 않으며, 대신 **스크램블링(Scrambling)**이라는 별도의 기술을 활용한다. 스크램블링은 데이터를 의도적으로 난수화하여 ‘0’이나 ‘1’이 연속될 가능성을 최소화하는 기법으로, DC 성분 및 런 렝스 문제를 해결하는 효율적인 대안이다.
| 라인 코딩 방식 | 오버헤드 | DC 밸런스 | 클럭 동기화 | 기술적 접근 | 주요 응용 분야 |
| 맨체스터 | 100% | 우수 | 우수 | 비트당 신호 전이 강제 | 10Mbps 이더넷, 저속 버스 |
| 4B/5B | 25% | 양호 | 양호 (런 렝스 3이하) | 블록 코딩 (변환 테이블) | FDDI, 100BASE-TX |
| 8B/10B | 20% | 매우 우수 | 매우 우수 (런 렝스 5이하) | 블록 코딩 (변환 테이블 + RD) | 기가비트 이더넷, 파이버 채널, SATA, PCIe 1.x/2.x, USB 3.0 |
| 64B/66B | 약 3% | 매우 우수 | 매우 우수 (스크램블링) | 블록 표식 + 스크램블링 | 10G/40G/100G 이더넷, PCIe 3.0 이상 |
8B/10B 인코딩 테이블 자료
<html> <head> Appendix A: 8b/10b and 10b/8b Encoding Tables | GlobalSpec
| Data Byte Name | Bits HGF EDCBA | Current RD – abcdei fghj | Current RD + abcdei fghj |
|---|---|---|---|
| D0.0 | 000 00000 | 100111 0100 | 011000 1011 |
| D1.0 | 000 00001 | 011101 0100 | 100010 1011 |
| D2.0 | 000 00010 | 101101 0100 | 010010 1011 |
| D3.0 | 000 00011 | 110001 1011 | 110001 0100 |
| D4.0 | 000 00100 | 110101 0100 | 001010 1011 |
| D5.0 | 000 00101 | 101001 1011 | 101001 0100 |
| D6.0 | 000 00110 | 011001 1011 | 011001 0100 |
| D7.0 | 000 00111 | 111000 1011 | 000111 0100 |
| D8.0 | 000 01000 | 111001 0100 | 000110 1011 |
| D9.0 | 000 01001 | 100101 1011 | 100101 0100 |
| D10.0 | 000 01010 | 010101 1011 | 010101 0100 |
| D11.0 | 000 01011 | 110100 1011 | 110100 0100 |
| D12.0 | 000 01100 | 001101 1011 | 001101 0100 |
| D13.0 | 000 01101 | 101100 1011 | 101100 0100 |
| D14.0 | 000 01110 | 011100 1011 | 011100 0100 |
| D15.0 | 000 01111 | 010111 0100 | 101000 1011 |
| D16.0 | 000 10000 | 011011 0100 | 100100 1011 |
| D17.0 | 000 10001 | 100011 1011 | 100011 0100 |
| D18.0 | 000 10010 | 010011 1011 | 010011 0100 |
| D19.0 | 000 10011 | 110010 1011 | 110010 0100 |
| D20.0 | 000 10100 | 001011 1011 | 001011 0100 |
| D21.0 | 000 10101 | 101010 1011 | 101010 0100 |
| D22.0 | 000 10110 | 011010 1011 | 011010 0100 |
| D23.0 | 000 10111 | 111010 0100 | 000101 1011 |
| D24.0 | 000 11000 | 110011 0100 | 001100 1011 |
| D25.0 | 000 11001 | 100110 1011 | 100110 0100 |
| D26.0 | 000 11010 | 010110 1011 | 010110 0100 |
| D27.0 | 000 11011 | 110110 0100 | 001001 1011 |
| D28.0 | 000 11100 | 001110 1011 | 001110 0100 |
| D29.0 | 000 11101 | 101110 0100 | 010001 1011 |
| D30.0 | 000 11110 | 011110 0100 | 100001 1011 |
| D31.0 | 000 11111 | 101011 0100 | 010100 1011 |
| D0.1 | 001 00000 | 100111 1001 | 011000 1001 |
| D1.1 | 001 00001 | 011101 1001 | 100010 1001 |
| D2.1 | 001 00010 | 101101 1001 | 010010 1001 |
| D3.1 | 001 00011 | 110001 1001 | 110001 1001 |
| D4.1 | 001 00100 | 110101 1001 | 001010 1001 |
| D5.1 | 001 00101 | 101001 1001 | 101001 1001 |
| D6.1 | 001 00110 | 011001 1001 | 011001 1001 |
| D7.1 | 001 00111 | 111000 1001 | 000111 1001 |
| D8.1 | 001 01000 | 111001 1001 | 000110 1001 |
| D9.1 | 001 01001 | 100101 1001 | 100101 1001 |
| D10.1 | 001 01010 | 010101 1001 | 010101 1001 |
| D11.1 | 001 01011 | 110100 1001 | 110100 1001 |
| D12.1 | 001 01100 | 001101 1001 | 001101 1001 |
| D13.1 | 001 01101 | 101100 1001 | 101100 1001 |
| D14.1 | 001 01110 | 011100 1001 | 011100 1001 |
| D15.1 | 001 01111 | 010111 1001 | 101000 1001 |
| D16.1 | 001 10000 | 011011 1001 | 100100 1001 |
| D17.1 | 001 10001 | 100011 1001 | 100011 1001 |
| D18.1 | 001 10010 | 010011 1001 | 010011 1001 |
| D19.1 | 001 10011 | 110010 1001 | 110010 1001 |
| D20.1 | 001 10100 | 001011 1001 | 001011 1001 |
| D21.1 | 001 10101 | 101010 1001 | 101010 1001 |
| D22.1 | 001 10110 | 011010 1001 | 011010 1001 |
| D23.1 | 001 10111 | 111010 1001 | 000101 1001 |
| D24.1 | 001 11000 | 110011 1001 | 001100 1001 |
| D25.1 | 001 11001 | 100110 1001 | 100110 1001 |
| D26.1 | 001 11010 | 010110 1001 | 010110 1001 |
| D27.1 | 001 11011 | 110110 1001 | 001001 1001 |
| D28.1 | 001 11100 | 001110 1001 | 001110 1001 |
| D29.1 | 001 11101 | 101110 1001 | 010001 1001 |
| D30.1 | 001 11110 | 011110 1001 | 100001 1001 |
| D31.1 | 001 11111 | 101011 1001 | 010100 1001 |
| D0.2 | 010 00000 | 100111 0101 | 011000 0101 |
| D1.2 | 010 00001 | 011101 0101 | 100010 0101 |
| D2.2 | 010 00010 | 101101 0101 | 010010 0101 |
| D3.2 | 010 00011 | 110001 0101 | 110001 0101 |
| D4.2 | 010 00100 | 110101 0101 | 001010 0101 |
| D5.2 | 010 00101 | 101001 0101 | 101001 0101 |
| D6.2 | 010 00110 | 011001 0101 | 011001 0101 |
| D7.2 | 010 00111 | 111000 0101 | 000111 0101 |
| D8.2 | 010 01000 | 111001 0101 | 000110 0101 |
| D9.2 | 010 01001 | 100101 0101 | 100101 0101 |
| D10.2 | 010 01010 | 010101 0101 | 010101 0101 |
| D11.2 | 010 01011 | 110100 0101 | 110100 0101 |
| D12.2 | 010 01100 | 001101 0101 | 001101 0101 |
| D13.2 | 010 01101 | 101100 0101 | 101100 0101 |
| D14.2 | 010 01110 | 011100 0101 | 011100 0101 |
| D15.2 | 010 01111 | 010111 0101 | 101000 0101 |
| D16.2 | 010 10000 | 011011 0101 | 100100 0101 |
| D17.2 | 010 10001 | 100011 0101 | 100011 0101 |
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| K28.2 | 010 11100 | 001111 0101 | 110000 1010 |
| K28.3 | 011 11100 | 001111 0011 | 110000 1100 |
| K28.4 | 100 11100 | 001111 0010 | 110000 1101 |
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