우리가 이번 장에서 배울 대표 키워드는 Wireless LAN이다.
무선 LAN = wifi = IEEE 802.11
이것만 일단 기억해보자
시험 전 중요한 개념들을 먼저 보면 IEEE 802.11은 어떻게 연결되어있는건지 , 와이파이 연결 시 충돌을 피하는 방법은 무엇인지 , wifi 6까지 기술 변화를 배울 것이다.
Wireless market segments
크기로 따지면 WAN > MAN > LAN >PAN 인데
미국과 유럽의 표준은 다르다
미국은 우리가 지금까지 알던 IEEE @@@ 이런 이름을 부르지만 유럽은 LAN을 HIPERLAN이라고 부른다.
wireless 중 가정, 학교 , 사무실에서 쓰는 100M ~ 300M 정도는 LAN을 사용한다. 여기에 IEEE 802.11 포함
wireless 중 10장에서 배운 Cellular는 WAN에서 사용한다 - 복습
WLAN applications
WLAN이 작동하는 방식은 의외로 간단하다.
- 그냥 있는 LAN에 AP 하나 두고 그 AP에 여러 station 붙여서 확장시키는 개념이다.
- 빌딩 사이를 연결시켜줄 수도 있음
- 이동하면서도 접근 가능하다.
- Ad-hoc networking도 가능 - AP 없이 station들끼리 통신하는 것 (에어드랍이라고 생각하면 편함)
- Mobility during connection - AP가 handover 시켜주는 것 but cell이 중첩되어있어야함 ( 이대 wifi 쓸 때 기숙사랑 공대의 공유기 위치는 다르지만 알아서 더 가까운 공유기에 handover시켜줘서 연결 계속 유지되게 함 = 자동 로밍 )
WLAN configurations - Ad Hoc, Infrastructure
- Ad- hoc mode - 802.11 꼽혀있음. AP 없이 자기들끼리만 통신하는 것 , 여기서 쓰는 라우팅 프로토콜도 따로 존재함, 와이파이 연결 없이 애플끼리 에어드랍으로 통신하는 경우 이에 해당함
- Infrastructure mode
- Each station should be connected to AP !!
- Stations communicate with each other via AP => 무조건 AP를 통해서만 서로 통신이 가능하다는 점을 꼭 기억하자 ( 이걸 뒤에서 MAC 알고리즘에 써먹을 예정임)
- AP(or WAP)의 기능 - Station들이 연결하고싶다면 AP 범위 안에 들어와야 통신이 가능
- Bridge - 유선 LAN과 무선 LAN을 이어주는 브릿지 역할을 해냄
- MAC
- [복습] MAC 알고리즘은 1계층 장비를 효율적으로 쓰기 위해 네트워크를 제어하는 개념이었는데 (지금은 너 써 ! 이런식) 전에 유선은 충돌로 인해서 CSMA/CD 방식을 썼었는데 L2-switch의 등장으로 더는 CSMA/CD 방식 안필요해짐 , 그치만 무선은 여전히 충돌이 존재하기 때문에 CSMA/CA 같은 알고리즘이 필요
- [예습] wifi5까지는 CSMA/CA 기술이 필요했지만, wifi 6부터는 OFDMA ( 무선 데이터 전송 방식의 발전) 로 인해 CSMA/CA 방법이 필요없어짐 - OFDMA는 MCM기술을 이용해 데이터를 ISI 없이 보낸다는 점과 time 스케줄링 방식으로 충돌을 피하게 하는 역할을 함 ( 밑에 제대로 나올 것 )
- repeater
Wireless LAN requirements
- 한번에 많은 데이터를 처리할 수 있어야함
- AP 하나당 50개 정도 managing 가능 동시 TX 의미하는거 아님
- 백본 LAN에 연결되어야함
- 2.4 GHZ - 실내에서 46M, 실외에서 92M 만큼 service 할 수 있어야함 / 5GHZ - 이 거리의 3분의 1 정도 ( 높은 주파수는 coverage 짧음, 물줄기가 세면 멀리 못나가는 개념 )
- 서비스 반경은 약 100~300미터
- 일반적인 무선 LAN 구현에서는 슬립 모드 등으로 비사용 시 전력 소비를 줄이는 기능을 갖춘다.
- AP를 계속 감시하거나 자주 핸드셰이크하는 MAC 프로토콜은 부적절하다.
- 모바일 장비들은 배터리 기반이기 때문에 MAC 계층이 전력 절약 하도록 설계되어야한다.
- 무선은 전파 간섭, 도청에 취약해서 암호화가 필요함 (WPA, WPA2)
- 같은 장소에 여러개의 와이파이가 잡힐 수 있어야한다.
- 2.4 GHZ, 5GHZ는 누구 하나가 독점할 수 없음 . free함
- Handover/ roaming - 이동하면서 끊기면 안됨
- 802.11f - AP 프로토콜
- 802.11r - fast roaming 프로토콜
- 단말기의 추가, 삭제가 자유로워야한다. AP는 BSS 집합을 관리함. 누가 이 집합에 들어오고 누가 나가는지 관리해주는 프로토콜 따로 존재함
KEY IEEE 802.11 Standards - physical layer
주요 변화
- wifi 4까지는 무조건 동시에 1명에게만 보낼 수 있었음 wifi 5부터 동시에 여러 명 보내는 게 가능해짐 = MU-MIMO 기술
- MU - mimo ( multi user mimo ) = 이걸 통해 한 AP에 여러 스테이션들이 동시에 보내는게 가능해짐
- wifi 5 = down link만 지원 ( AP -> 단말기로만 동시 보내기 가능 )
- wifi 6 - UPlink + Downlink ( AP<-> 단말기로 동시 주고 받기 가능해짐 )
- [복습 ] cf ) MIMO는 ISI 줄이기 위한 space diveristy 방법으로 한 신호를 여러 안테나로 보내서 최대한 원 신호랑 비슷하게 만들어주려고 생긴 기술 , 2*2 MIMO = tx 2개 rx 2개 의미함 , 동시 보내는게 아니라 하나를 잘 보내기 위해 여러개가 있는 구조임
- 8*8 Mu- mimo는 8개의 안테나로 주고받는게 가능해진 거니까 각 다른 채널을 쓰는 8개의 TX가 존재해야함
- MIMO는 안테나 개수와 동시에 몇명을 보낼 수 있는지 없는지에 대한 내용이지 CSMA/CA( MAC ) 과는 상관없음! - 내가 헷갈렸던 개념 , CSMA/CA는 충돌을 막아주는 개념이기때문에 여러 명이 보내도 충돌은 발생할 수 있음 ! 헷갈리지 말기
- QAM = 한 symbol에 보내는 데이터의 양
- 256 = 한 심볼에 8비트 보낸다는 의미 2^ 8 = 256이니까
- wifi 5 = 256 < wifi 6 = 1024 , 25% 증가함
- wifi 4, 6 - 듀얼 band 사용
- wifi 6e, wifi 7 부터는 triband 사용 - 2.4 /5/ 6 GHZ
- wifi 6은 symbol duration( T) 가 커져서 ISI가 줄어들었음 [10장 복습]
- OFDM (wifi 5) , ODFMA(wifi 6) 는 모두 MCM ( Sub carrier 사용) , 근데 6에서 subcarrier의 spacing이 더 넓어짐 ( 링크 효율이 더 올라간 것 )
wifi 6은 OFDMA로 scheduled- based이기때문에 (OFDM 은 contention - based) 전력 소모가 적고 sleep time에 효율적이라 배터리 수명이 좋다 ! ( 아까 OFDMA는 timing 을 미리 정해주기때문에 충돌이 발생하지 않았고 OFDM은 충돌이 발생하기 때문에 CSMA/CA를 통해 충돌을 피함 )
OFMD - 1:1 , CSMA/CA 필요 , 둘다 subcarrier 사용을 통해 ISI 줄임 (MCM) , BW 놀고있음
OFDMA 1: N , CSMA/CA 안필요함 , 필요한 만큼만 쓰돌고 만들어져서 충돌 안생김 , 데이터 속도 더 빠름
wifi 6에서의 2가지 기술 비교
UL/DL Mu-MIMO - 동시에 여러개가 다른 채널로 고대역폭으로 (공간적으로 분리된 경로) , 안테나가 여러개니까
OFDMA - 동시에 분할된 주파수 자원으로 저대역폭으로 들어온다 (같은 물리 채널 내에서 "분할된 주파수 자원"을 나눠 쓰는 구조)
1. UL/DL Mu-MIMO
- up to 8개의 멀티 유저 수용 가능, 서로 다른 공간 채널 ( 각 안테나마다 다른 채널을 쓰는 TX가 존재하는 것 )
- SCM 방식
- 하나의 넓은 대역폭을 주기 때문에 고속을 요구하는 streaming service에 적합
- 넓은 대역폭, 고속, 통으로 줌, 실내에서 , ISI 높음
- 동시에 여러 TX를 가능하게 하기때문에 누굴 먼저 하기 위한 CSMA/CA가 필요없음 (But wifi 5에서는 Downlink mu-mimo만 존재하기 때문에 CSMA/CA가 필요함 !, uplink mu-mimo 기능이 없음, 애초에 물리적으로 충돌이 안생김 )
2. OFDMA
- 채널의 분리로 인해 ( 같은 채널을 분할) 다수의 유저 수용 가능
- MCM 방식
- 작은 패킷(낮은 대역폭의 애플리케이션) 여러개
- VoIP, IoT
- time 스케줄링을 통해 CSMA/CA가 안필요함
IEEE 802.11 Terminology
- AP = 유선망 접속하도록 도와주는 기능 , 와이파이 공유기
- BSS - 하나의 AP, or DCF, PCF 에 의해 제어 / 같은 주파수 사용 / AP 있으면 infrastrucutre ( connected) / AP 없으면 Ad-hoc( isolated)
- coorination function - station들이 언제 전송하거나 수신할 수 있는지 결정하는 논리적인 기능
- DS - Wired NetWorks, Distribution System은 여러 BSS 또는 LAN을 서로 연결하는 유선 기반 시스템
- ESS - LAN과 ESS 합친 하나의 큰 집합 , LLC 계층에서는 하나의 BSS 처럼 보임 ( 신경 안쓰니까)
- Frame - MAC 프로토콜 데이터 단위
- MPDU - MAC 끼리 전송되는 데이터 패킷
- MSDU = LLC PDU : LLC- MAC 사이의 데이터 단위
- Station - 단말기
- IBSS = Ad- hoc (AP 없는거)
- PCF
- Infrastructure에서만 사용
- OFDMA 에서 사용 많이 함
- Centralized by AP ( AP 권한이 매우 많음)
- contention - free
- 별로 안좋음
- DCF
- Distributed - 각 단말기마다 가지는 알고리즘 존재 ( Ad- hoc, infrastructure mode 2가지 )
- 충돌회피 기반
- 인터넷 트래픽처럼 예측할 수 없는 경우에 더 적합하다
- contention 기반
- CSMA/CA 기반
- 더 많이 씀
서로 다른 LAN끼리 통신하려면 무조건 라우터 지나야한다는건 명심
3 functions of IEEE 802.11 MAC
MAC 계층이 하는 일
- access control - CSMA/CA
- reliable data delivery - ACK 프레임 받고 안받으면 다시 retransmit 한다.
- security - WPA, WPA2, WPA3
CSMA/CA의 탄생 배경
- Hidden Node Problem - 같은 Collision Domain에 있는데 서로 radio range가 바깥에 있어서 상대의 TX 감지 못함
- Exposed Node Problem - Ad-Hoc, Linear 에서만
이 상황에서 D-A-B-C 일때 A-> D, B->C 하는데 A가 보내면서 자기의 radio range이 활성화 되니까 B는 나한테 보내는건줄 알고 충돌생길까봐 C한테 보내는걸 멈추는 상황 , 실제로는 아무런 충돌이 발생하지 않는데 충돌 발생할까봐 멈춰서 링크를 낭비하고 있는 문제
해결방법
1.
B가 감지한 Carrier sensing의 수신자가 B의 radio range안에 속해있으면 보내면 안됨 ( 속해있지 않으면 보내도됨 )
여기서는 Carrier sensing 중인 A의 수신자인 D가 B의 범위에 속해있지 않음 그래서 보내도됐던것!
그럼 이걸 어떻게 확인할까?
CSMA/CA 에서 A가 RTS 하면 B는 받음 ( radio range에 속하니까 ) . 근데 수신자인 D가 CTS 했을때 B는 전달 못받음 (D의 radio range에 속하지 않으니까) , 즉 RTS는 받았는데 CTS를 못받으면 Carrier sensing해도 되는 것
2.
B가 보내려는 수신자 C가 carrier sensing 중인 A의 영역에 없으면 된다 -> Linear 하면 해결됨
CSMA 동작 과정
- Sender는 RTS를 모든 자기의 속한 radio range에 broadcast하게 보냄 ( 나 이만큼 데이터 보낼거고 이만큼 시간 필요해 ! 선언)
- Infrast` 에서는 AP 가 , Ad-hoc 에서는 받을 애가 CTS를 broadcast하게 보냄 ( 오케이 나 얘가 부탁했으니까 얘꺼 먼저 받을게 아무도 보내지마셈!!)
CTS 받으면 무조건 멈춰야하는 것 , 안받으면 안멈춰도됨 (Exposed problem 해결 방법, B가 D의 CTS를 안받았기때문에보내도되는 것 )
여기서 Ad-hoc 모드에서 CTS 받았다는 것은 좀 이따 데이터 받을 애의 영역에 나도 포함되니까 무조건 멈춰야됨 - Sender는 Data를 unicast하게 보낸다. Infra에서는 AP에게 ( 서로 다른 BSS를 보낼때는 무조건 AP를 거쳐야됨 ), Ad-hoc 에서는 받을 station에게 보냄
- AP ( or receiver)는 broadcast하게 ACK 보낸다.
그럼 다른 노드들은 이제 다시 transmit 시도 가능
면접에서 히든노드 문제 많이 물어봄 ..
MAC Frame type
- control frame
- Data frame
- Management Frame
주소 체계 어떻게 할지
- sc가 AP로 보내는 경우
- 같은 BSS : A1 (지금 tx에서 가야할 목적지 AP), A2(TX) ,A3 ( ap가 다음으로 보내야할 최종 주소)
- 다른 BSS로의 이동 : A1 (지금 tx에서 가야할 목적지 AP) ,A2(TX), A2( 다른 bss로 넘어가기 위한 ap )
- 같은 BSS끼리 sc가 AP로 보내는 경우 : A1 (ap 에서 가야할 최종 목적지) ,A2(현재 AP), A2( ap로 이걸 보내고싶어했던 처음의 tx )
- 다른 ESS끼리 AP가 dst로 보내는경우 : A1( 가야할 ap) , A2( 현재 ap) , A3( 최종적으로 갈 station rx ) , A4(이걸 처음에 보낸 station tx)
IEEE 802.11 security considerations
요새는 WPA3가 제일 좋음 ( IEEE 802.11i )
암호화 잘해주고
네트워크가 좋아져서 유출 잘 안됨
Forward security- 과거에 송수신된 암호화된 데이터를, 미래에 키가 유출되더라도 복호화할 수 없도록 하는 보안 성질
헷갈리는 것
와이파이 5는 OFDM을 사용하면서 MCM을 이용하고 다중 사용자를 지원하지만 CSMA/CA도 해야하는것 ! 다중사용자임에도 CSMA/CA는 해야함 주의
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