USB 허브

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1. 개요
2. 물리적 구조
- 2.1. 길이 제한
3. 전원
4. 속도
5. 프로토콜
6. 트랜잭션 변환기 (Transaction Translator)
7. 전자 설계
8. 컴파운드 장치 (Compound Device)
9. USB-C 허브
참조

1. 개요

USB 허브는 USB 포트를 확장하여 최대 127개의 장치를 연결할 수 있도록 하는 장치이다. 물리적으로는 포트 간 간격, 케이블 길이 제한, 전원 방식(버스 전원, 자체 전원, 동적 전원) 등의 특징을 가지며, USB 1.1부터 USB4까지 다양한 속도를 지원한다. USB 허브는 업스트림 포트와 다운스트림 포트를 통해 데이터를 전송하며, 장치 연결 상태 변화를 호스트에 알리는 역할을 한다. 또한, USB 2.0 규격에서 속도 변환을 위한 트랜잭션 변환기(TT)를 사용하며, 허브 내장형 컴파운드 장치도 존재한다. USB-C 타입의 허브는 다양한 포트 변환 기능을 제공한다.

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USB 허브
개요
USB 허브의 예
종류	USB 장치
용도	하나의 USB 포트를 여러 개로 확장
기능 및 특징
주요 기능	여러 USB 장치를 동시에 연결 전원 공급 (일부 모델)
특징	휴대성 사용 편의성 개별 포트 전원 스위치 (일부 모델)
기술적 정보
데이터 전송 속도	USB 2.0: 최대 480 Mbps USB 3.0/3.1 Gen 1: 최대 5 Gbps USB 3.1 Gen 2: 최대 10 Gbps USB 3.2: 최대 20 Gbps USB 4: 최대 40 Gbps
포트 수	4개 이상 (다양한 구성 가능)
전원 공급 방식	버스 파워 (USB 포트 전원 사용) 자체 전원 (AC 어댑터 사용)
연결 방식	USB 타입 A, USB 타입 C
활용
사용 분야	컴퓨터 주변 기기 연결 스마트폰 충전 기타 USB 장치 연결
장점	포트 부족 문제 해결 여러 장치 동시 사용 가능
단점	버스 파워 방식의 경우 전력 부족 발생 가능성 데이터 전송 속도 저하 가능성 (여러 장치 동시 사용 시)

2. 물리적 구조

USB 네트워크는 USB 허브를 통해 구성되며, 허브는 다운스트림으로 연결된 USB 포트를 통해 확장될 수 있다. USB 허브는 최대 127개의 포트까지 확장할 수 있다. USB 사양에 따라 버스 전원 공급(수동) 허브는 다른 버스 전원 공급 허브에 직렬로 연결할 수 없다.

제조사 및 설계에 따라 USB 포트는 좁은 간격으로 배치되는 경우가 있어, 장치 연결 시 인접 포트가 물리적으로 차단될 수 있다. 특히 플러그가 케이블의 일부가 아니지만 USB 플래시 드라이브와 같은 장치에 통합된 경우 더욱 그렇다. 이러한 문제를 해결하기 위해 포트 방향이 배열 방향에 수직인 포트 배열, 외부 "문어" 또는 "오징어" 허브, "스타" 허브 등이 사용된다.

2. 1. 길이 제한

저속 USB 1.1 장치의 경우 USB 케이블 길이는 3m로 제한된다. 허브를 활성 USB 리피터로 사용하여 케이블 길이를 한 번에 최대 5m까지 연장할 수 있다. 액티브 케이블(특수 커넥터가 내장된 1포트 허브)도 동일한 기능을 수행하지만, 버스 전원을 사용하므로 일부 세그먼트에는 외부 전원 USB 허브가 필요할 수 있다.

3. 전원

대부분의 USB 허브는 버스 전원 허브 또는 자체 전원 허브로 작동할 수 있다. 버스 전원 USB 허브는 호스트 컴퓨터의 USB 인터페이스에서 전력을 끌어오며, 별도의 전원 연결이 필요하지 않다. 반면 자체 전원 허브는 외부 전원 공급 장치에서 전력을 공급받으므로 모든 포트에 최대 전력을 공급할 수 있다. 일반적으로 자체 전원 허브는 버스 전원 허브보다 가격이 비싸다.

USB 포트는 5볼트에서 작동하지만, 끌어오거나 공급할 수 있는 전류의 양은 서로 다를 수 있다. USB 포트는 데이터를 전송할 뿐만 아니라 전력도 공급하는데, 전력은 전압에 전류를 곱한 값과 같다. 예를 들어, 5볼트에서 500mA(0.5A)를 소비하는 USB 포트는 2.5 와트의 전력을 소비한다.

오늘날에는 키보드, 마우스, 프린터 외에도 외장 HDD, USB 메모리, 웹캠, 탁상 선풍기 등 다양한 USB 주변기기가 사용되면서, USB 허브는 이러한 기기들을 동시에 연결하기 위해 사용된다.

3. 1. 자체 전원 허브 (Active Hub)

자체 전원 허브는 외부 전원 공급 장치에서 전력을 공급받아 모든 포트에 최대 전력(500mA)을 공급할 수 있다. 스피커, 프린터, 스캐너와 같은 고전압 장치에 전원을 공급할 수 있으며, 일반적으로 버스 전원 USB 허브보다 부피가 크고 비싸다.

일부 자체 전원 허브는 모든 포트에서 최대 전력을 공급하지 못할 수 있으므로 구매 시 사양을 확인해야 한다.

3. 1. 1. 호환성

시중에는 버스 전원 방식임에도 자체 전원 공급으로 호스트에 알리는 비호환 허브가 많이 있다. 마찬가지로, 이를 알리지 않고 100mA 이상을 사용하는 비호환 장치도 많이 있다. 이러한 허브와 장치는 전력 사용에 더 많은 유연성을 제공하지만, 전력 문제를 진단하기 더 어렵게 만들 수 있다.

3. 2. 버스 전원 허브 (Passive Hub)

버스 전원 허브는 호스트 컴퓨터의 USB 인터페이스에서 모든 전력을 끌어온다. 별도의 전원 연결이 필요하지 않다. 그러나 많은 장치가 이 방법으로 제공할 수 있는 것보다 더 많은 전력을 필요로 하므로, 이러한 유형의 허브에서는 작동하지 않을 수 있다.

3. 2. 1. 한계

USB의 전류는 포트당 최대 500mA까지 100mA 단위로 할당된다. 따라서 규격에 맞는 버스 전원 허브는 다운스트림 포트를 4개 이상 가질 수 없는데, 허브 자체에 1개의 단위가 필요하므로 다운스트림 장치에 총 4개의 100mA 전류 단위 이상을 제공할 수 없기 때문이다.

3. 3. 동적 전원 허브 (Dynamic-powered Hubs)

동적 전원 허브는 버스 전원 허브와 자체 전원 허브로 모두 작동할 수 있는 허브이다. 별도의 전원 공급 장치 유무에 따라 자동으로 모드를 전환한다. 버스 전원에서 자체 전원 작동으로 전환하는 데 호스트와의 즉각적인 재협상이 필요하지는 않지만, 자체 전원에서 버스 전원 작동으로 전환할 때 연결된 장치가 이전에 버스 전원 모드에서 사용할 수 있는 것보다 더 많은 전력을 요청하면 USB 연결이 재설정될 수 있다.

4. 속도

USB (USB) 표준은 여러 버전이 있으며, 각 버전은 서로 다른 데이터 전송 속도를 지원한다. USB 허브는 이러한 다양한 표준을 지원할 수 있다.

'''고속''' (USB 2.0): 고속 장치가 최고 속도로 작동하려면 장치와 컴퓨터 사이의 모든 허브가 고속이어야 한다. 고속 허브는 트랜잭션 변환기(TT)를 통해 저속 및 전속 트래픽을 고속 트래픽과 결합하고 분리한다.
'''단일 트랜잭션 변환기(STT)''': 모든 하위 표준 장치가 동일한 트랜잭션 변환기를 공유하여 병목 현상을 일으킬 수 있다.
'''다중 트랜잭션 변환기(MTT)''': 여러 개의 트랜잭션 변환기를 제공하여 여러 고대역폭 전속 장치를 연결할 때 병목 현상을 줄여준다.^[3]
'''USB 3.0''': ''SuperSpeed USB'' (SS)라는 새로운 전송 속도를 추가하여 최대 5 Gbit/s (625 MB/s)의 데이터를 전송할 수 있다. 이는 USB 2.0 표준보다 약 10배 빠르다. 제조업체는 파란색(Pantone 300C) 커넥터^[4]^[5]와 ''SS'' 이니셜^[6]을 사용하여 USB 3.0 커넥터를 USB 2.0과 구별한다.
'''USB 3.1''': USB 3.0 표준을 대체하며, ''SuperSpeed'' 전송 속도를 유지하면서 ''USB 3.1 Gen 1''이라는 레이블을 부여한다. 또한, ''SuperSpeed+'' 전송 모드인 ''USB 3.1 Gen 2''를 정의하여 최대 10 Gbps (1250 MB/s)의 데이터 전송 속도를 제공한다.^[10]^[11]
'''USB 3.2''': USB 3.1 표준을 대체하며, 기존의 ''SuperSpeed'' 및 ''SuperSpeed+'' 데이터 모드를 유지한다. USB-C 커넥터를 통해 2 레인 작동을 사용하여 10 및 20 Gbps (1250 및 2500 MB/s)의 데이터 전송 속도를 가진 두 개의 새로운 ''SuperSpeed+'' 전송 모드를 도입한다.
'''USB4 Gen 4''': 80 및 120 Gbps (10,000 및 15,000 MB/s)의 데이터 전송 속도를 제공한다.

USB 1.1(12 Mbit/s)보다 높은 표준을 지원하는 모든 USB 2.0 허브는 '''트랜잭션 변환기'''(TT)를 사용하여 낮은 표준과 높은 표준 간의 변환을 수행한다.^[15]

5. 프로토콜

USB 허브는 하나의 업스트림 포트와 여러 개의 다운스트림 포트를 가지며, 정상적인 전송 과정에서 투명하게 작동한다. 업스트림 포트에서 수신된 데이터는 모든 다운스트림 포트로 브로드캐스트된다. 반면 다운스트림 포트에서 수신된 데이터는 업스트림 포트로만 전달된다. 이러한 방식으로 호스트가 보낸 데이터는 모든 허브와 장치에서 수신되고, 장치가 보낸 데이터는 호스트에서만 수신되며 다른 장치에서는 수신되지 않는다(재개 신호는 예외).^[12]

USB 3.0부터는 포인트 투 포인트 라우팅이 추가되어, 패킷 헤더에 포함된 라우트 문자열을 통해 USB 3.0 호스트가 다운스트림 패킷을 단일 대상 포트로만 전송할 수 있게 되었다. 이를 통해 혼잡을 줄이고 전력 소비를 절감할 수 있다.^[12]

허브는 장치의 삽입 또는 제거와 같은 다운스트림 포트 상태 변화를 처리할 때는 투명하게 작동하지 않는다. 허브의 다운스트림 포트 상태가 변경되면, 이 변경은 호스트와 해당 허브 간의 상호 작용으로 처리되며, 호스트와 "변경된 허브" 사이에 있는 모든 허브는 투명하게 작동한다.^[13]^[14]

각 허브는 다운스트림 포트의 상태 변경을 알리는 데 사용되는 단일 인터럽트 엔드포인트 "1 IN"(엔드포인트 주소 1, 허브-호스트 방향)을 가진다. 장치가 연결되면 허브는 D+ 또는 D-의 전압을 감지하고 이 인터럽트 엔드포인트를 통해 삽입을 호스트에 알린다. 호스트가 이 인터럽트 엔드포인트를 폴링하면 새 장치가 있음을 알게 된다. 그런 다음 (기본 제어 파이프를 통해) 새 장치가 연결된 포트를 재설정하도록 허브에 지시한다. 이 재설정으로 새 장치는 주소 0을 가정하고, 호스트는 직접 상호 작용할 수 있게 된다. 이 상호 작용의 결과로 호스트는 장치에 새 (0이 아닌) 주소를 할당한다.^[13]^[14]

6. 트랜잭션 변환기 (Transaction Translator)

'''트랜잭션 변환기'''(Transaction Translator, TT)는 USB 2.0 허브에서 저속(USB 1.1) 장치와 고속 (USB 2.0) 장치 간의 통신 속도 차이를 처리하는 기능을 말한다. 고속 장치가 풀 스피드 허브에 연결되면 속도가 전속(USB 1.1)으로 떨어지는데, 고속 허브는 트랜잭션 변환기를 통해 저속 및 전속 트래픽을 고속 트래픽과 결합하고 분리한다.^[3]

트랜잭션 변환기는 더 낮은 속도의 트래픽을 자체 풀로 분리하여 가상 전속 버스를 생성한다. USB 2.0 허브는 이 기능을 통해 USB 1.1 장치가 연결된 포트에서 오는 신호를 자동으로 인식하고, 이를 USB 2.0 신호로 변환하여 업링크로 전송한다.^[15]

트랜잭션 변환기에는 두 가지 주요 유형이 있다.

단일 트랜잭션 변환기 (Single TT, STT): 허브 전체에서 하나의 TT만 가지는 형태로, 특정 시점에 하나의 포트만 버퍼링할 수 있다. 모든 하위 표준 장치가 동일한 TT를 공유하므로 병목 현상이 발생할 수 있다.^[15]
다중 트랜잭션 변환기 (Multiple TT, MTT): 여러 개의 TT를 가진 형태로, 여러 고대역폭 전속 장치를 연결할 때 병목 현상을 줄여 성능 향상에 큰 이점이 있다.^[3]^[15]

USB 3.0 허브는 USB 3.0 및 2.0 데이터에 대한 별도의 로직을 가지고 있어 두 프로토콜 모두에 대해 허브 장치를 보고한다.

7. 전자 설계

대부분의 USB 허브는 하나 이상의 집적 회로(IC) 컨트롤러를 사용하며, 다양한 제조업체에서 여러 설계를 제공한다. USB 버스는 7개의 계단식 포트 계층을 허용하며, 루트 허브는 첫 번째 계층, 마지막 장치는 일곱 번째 계층에 위치한다.^[16]

분류:USB

8. 컴파운드 장치 (Compound Device)

USB 장치 중에는 허브를 내장한 것이 있는데, 이러한 장치를 컴파운드 장치(compound device)라고 부른다.^[17]^[18] 컴파운드 장치는 장치 부분이 내부적으로 허브 아래에 연결된 형태이다. 예를 들어, 2포트 허브를 내장한 USB 키보드는 내부적으로 3포트 허브와 그중 1개의 포트에 연결된 키보드의 조합이 된다.

하나의 장치로 여러 기능을 갖는 것(예: 포인팅 장치 내장 키보드)을 컴포지트 장치(composite device)라고 부르지만, 그것만으로는 허브와 무관하므로 컴파운드 장치는 아니다. 또한, 컴포지트 장치는 복합 장치라고도 불린다.

9. USB-C 허브

USB Type-C의 등장 이후, USB Type-C에서 USB Type-A, 카드 슬롯, 영상 출력 단자로 변환하는 것을 겸한 기기가 등장했다. 이러한 기기들은 포트 리플리케이터라고 불러야 하지만, 도크, USB-C 허브라고 불리기도 한다. 자세한 내용은 도크(컴퓨터)를 참조하면 된다.

참조

_[1] 웹사이트 What Is the Difference Between Powered & Non-Powered USB Hubs? https://smallbusines[...]
_[2] 웹사이트 Sabrent 7-Port USB 3.0 Hub Review https://www.slant.co[...] 2022-03-26
_[3] 뉴스 USB Technology: Multi-TT Hub Goes Head-to-Head With Single-TT http://www.tomshardw[...] Tom's Hardware UK and Ireland 2006-08-24
_[4] 웹사이트 USB-IF Compliance Updates https://compliance.u[...] USB Implementers Forum 2020-08-14
_[5] 웹사이트 Universal Serial Bus Revision 3.1 Specification http://www.usb.org/d[...] 2016-04-12
_[6] 서적 PCs for Grown-Ups: Getting the Most Out of Your Windows 8 Computer https://archive.org/[...] Que Publishing 2016-02-18
_[7] 웹사이트 USB 3.1 Specification Language Usage Guidelines from USB-IF http://www.usb.org/d[...] 2016-03-10
_[8] 웹사이트 USB 3.1 Gen 1 & Gen 2 explained https://www.msi.com/[...]
_[9] 웹사이트 USB 3.1 Specification Language Usage Guidelines from USB-IF http://www.usb.org/d[...] 2016-03-10
_[10] 웹사이트 USB 3.2 Specification http://www.usb.org/d[...] USB Implementers Forum, Inc. 2018-08-30
_[11] 웹사이트 Universal Serial Bus Revision 3.1 Specification http://www.usb.org/d[...] 2014-11-19
_[12] 웹사이트 What's The Difference Between USB 2.0 And 3.0 Hubs? http://electronicdes[...]
_[13] 웹사이트 USB 2.0 specification http://www.usb.org/d[...]
_[14] 웹사이트 USB in a nutshell http://www.beyondlog[...]
_[15] 웹사이트 Single TT Or Multi TT: USB Technology: Multi-TT Hub Goes Head-to-Head With Single-TT http://www.tomshardw[...] tomshardware.com 2003-09-09
_[16] 서적 Advance Microprocessors https://books.google[...] Technical Publications 2009-01-01
_[17] 웹사이트 コンパウンドデバイスとは {{!}} インターフェイス株式会社 https://www.itf.co.j[...] 2021-01-18
_[18] 웹사이트 USB SuperSpeed Compound Device測定の注意点 https://www.ninshosh[...] 2024-02-05
_[19] 웹사이트 What Is the Difference Between Powered & Non-Powered USB Hubs? https://smallbusines[...]