[ 네크워크 ] Wireless Network (무선 네트워크)

 

Wireless Network (무선 네트워크)

 

 

 

 

wireless hosts

 

 유선이 무선이 된 것이기 때문에 접속하는 지점들, Access Point(AP)라고 불리는데, 기지국이 될 수 있다. 이런 무선 송수신기 하나가 network infrastructure에 붙어있다. 이건 유선으로 연결되어 있다. end link 딴에서 노트북이나 스마트폰이 무선으로 AP에 연결되어 있는 것이다.

 wireless host들은 랩탑, 스마트폰이다. 노트북은 stationary인데, 대부분 한 곳에 앉아서 사용하기 때문에 안 움직인다고 말한다. 스마트폰은 mobile인데, 움직인다고 말한다. 그러므로 무선이라고 반드시 이동성을 의미하는 것은 아니다.

 mobility는 그림의 아래부분과 같이 이동하여 네트워크를 이동해 가는 것이다. 이 때까지 유선망에서는 네트워크가 바뀌지 않아 할당받은 IP를 계속 사용했었다. 유선 네트워크에서 네트워크가 바뀔 때 IP를 가져가지 않아서 IP가 바뀌었었다. 그래서 IP가 컴퓨터 기반이 아니라 서버 네트워크 기반으로 네트워크에 물려있으면 IP할당하는 개념이었다.

 그렇다면 디바이스가 이동해서 네트워크가 바뀌면 IP주소를 바꿔야 하나? 이런 이슈가 생긴다. 초창기에 이동통신망을 생각했을 때 사람들이 잘 몰라서 IP주소가 바뀌겠다고 생각하고 mobile IP라는 컨셉을 생각했다. 그런데 막상 만들고 보니 쓸 필요가 없었다. 셀룰라 통신망은 IP를 사용하지 않았기 때문이다. 옛날에 썼던 전화망, 2G에서는 IP주소를 쓸 필요가 없었다. LTE가 들어오면서 IP가 mobile에 들어왔는데, 그 전만 해도 필요가 없었다. 그래서 mobile IP가 나온지 20년이 되었는데 필요가 없다.

 그러면 실제로 스마트폰을 들고 다니는데 기지국 바뀌니까 IP주소가 바뀌는 것 아닌가 할 수 있지만, 실제로 IP주소는 서울 경기권에서는 하나의 IP를 받으면 그것을 계속 사용한다.

 결론은 mobility라고 하는게 IP주소에 영향이 사실상 없었던 것이다. 생각했던 mobility 문제가 별로 없게 된 것이다.

 

 

 

 

wireless link

 wireless link란 모바일과 기지국 간의 link를 말한다.

 

 기지국 하나가 커버하는 영역을 cell이라고 한다. 형용사로 표현하면 cellular라고 한다. 그래서 cullular network라고 하면 이동통신 네트워크를 가리키게 된 것이다. 이 하나의 cell 내에 통신사에 가입된 사용자가 동시에 접속한다면 multiple access protocol을 쓴다. 처음에는 랜덤하게 ALOHA 방식으로 작은 데이터를 보내고, 충돌이 나지 않으면 그 다음부터 기지국이 쓸 수 있는 리소스를 할당해주는 방식이었다.

 그리고 data rate가 가변적이다. 과거의 2G 시절에는 대부분 전화라서 전송률이 고정이었다. 음성에서 데이터로 넘어오면서 각자 모바일이 처해있는 환경에 따라, 환경이 좋으면 전송률 높여주고 환경이 나쁘면 전송률을 낮춰준다. 게다가 동시에 사용하는 접속자의 수에 따라 나눠줘야 한다. 그래서 상황에 따라 속도가 낮기도 하고 높기도 하다. 말 그대로 패킷 스위칭의 컨셉이 셀룰라 망에 들어와 있는 것이다.

 transmission distance도 가변적이다. 상황에 따라서 어떤 날은 데이터가 날아가는데 어떤 날은 데이터가 안 날아갈 수 있다. 무선이라는 게 기상환경 등 주변 환경에 따라 노이즈가 그때마다 다르다. 그래서 받을 수 있는 최대거리가 가변적이다.

 

(참고) wireless link는 backbone link로 활용될 수도 있다. 기지국이 무인도에 있다면, 무인도까지 선을 바다 밑으로 깔기 어렵다. 기지국이 다른 기지국과 무선으로 연결되어 있는 것이다. 지하철에는 소형 기지국이 있는데 바깥과 무선으로 연결되어 있을 수 있다.

 

 

 

 

 

무선 네트워크 구분

 무선 네트워크는 크게 cellular와 WiFi로 얘기할 수 있다.

무선 네트워크를 구분해보면 거리가 짧은 Indoor쪽이 있고 거리가 긴 Outdoor가 있다. WiFi가 Indoor에 속하는데 10~30m정도 된다.

 

 802.15는 개인통신영역이다. WiFi보다 짧은 영역이다. 블루투스도 여기서 시작했다. 짧은 거리의 통신들이 802.15에서 시작되었으나 대부분 상용화에 실패했다.

 그리고 먼 거리에 802.11a,g point-to-point가 있으나 이것은 의미 없다. 잘 되지 않는다. cellular network는 5km~20km로 엄청 범위가 넓다. 2G, 3G, 4G는 넓은 영역에서의 전송이 가능하다.

 4G : 대략 10Mbps정도이다. 지금은 LTE가 업데니트 되어서 속도가 더 개선되었다. 최대 1Gbps까지 했다고 얘기가 나왔다. (참고) 4G는 LTE와 WIMAX를 사용한다. WIMAX란 와이브로라는 게 있었는데 지금 거의 망을 걷어내기 직전이다. 와이브로가 WIMAX의 하위버전이라고 보면 된다. 그래서 와이브로가 우리나라가 주도해서 만든 것이고 LTE 대비로 해볼 수 있는 여지가 있었는데 전세계적으로 채택하는 통신사가 없어지면서 도태되었다. 우리나라에서 잠깐 서비스했고, 일본 중국 대만에서 했었지만 지금은 거의 안 남아있다.

 5G : 20Gbps이다. (이렇게 얘기하지만 기지국 한 개에서 단말 하나가 좋은 환경에서 달성하는 수치이다. 최대치인 것이다.)

 2G : CDMA의 계열, IS-95있고, GSM이 있다.

 2.5G : 3G로 가기 전에 잠깐 있었던 시스템이다. (WCDMA는 안된다.)

 3G : WCDMA 사용한다.

 

(참고) 802라는 숫자는 국제전기전자 협회 IEEE가 통신 표준을 만들 때 802를 붙이고 뒤에 숫자를 붙인다. 이 때 숫자가 11이면 무선이다. 뒤에 알파벳이 붙는데 b는 최대 11Mbps 정도 나오는, 최초에 나왔던 무선랜이다. 그 다음이 a하고 g이다. 그 다음은 n (450Mbps). 그 다음 ac(대략 1Gbps) 지금 우리가 쓰고 있는 것이 대부분 802.11 ac이다.

 

 

 

 

 

infrastructure mode

infrastructure mode란 기지국 통해서 통신하는 mode를 말한다.

handoff는 디바이스가 기지국을 바꾸는 것이다. 옛날 2G 시절에 전화하면서 이동하다보면 항상 끊기는 지점이 있었다. 큰 네트워크가 바뀌는 영역에서 그랬었다. 지금은 LTE나 5G에서는 handoff가 거의 해결되었다.

 

 

 

 

ad hoc mode

 기지국 없이 단말들이 스스로 네트워크를 구성하는 것이다. 스스로 망을 만들어서 통신하는 형태이다. 역사가 오래되었다. 미래 네트워크는 ad hoc 기반으로 간다고 20년 이상 연구되어 왔는데 지금까지도 안되고 있다. 아직까지 사례가 없다.

 이유 1 : 기지국 입장에서 자기를 거쳐서 데이터를 보내야 결제를 할 것인데 ad hoc mode는 결제할 필요없이 단말들끼리 통신하기 때문에 통신사 입장에서는 해 줄 필요가 없다. 이 구조를 갖는 서비스도 있지 않다보니 잘 되지 않았다.

 이유 2 : 통신관련 이슈가 많았다. 단말에 단말에 단말을 거쳐야 하는데, 각 단말들이 왜 다른 얘가 보내는데 내가 라우팅하고 배터리를 써야 하냐는 복합적인 문제도 있었고, 기술적인 문제도 있었다.

 그나마 가능성이 보이는 것이 재난상황에서 한 쪽 기지국이 터져버린 상황에서다. 그래서 단말에서 단말로 구조신호를 보내서 다른 쪽 기지국으로 전달하는 상황이다. 이런 재난 네트워크에서는 의미가 있다.

 이 외에도 한가지 시나리오는 자율주행자동차가 있다. 맨 앞의 차에서 사고가 난 상황이다. 뒤의 차가 연쇄충돌할 수도 있다. 뒷차로 전달 또 뒷차로 전달 또 전달 해서 뒤에 오는 일련의 차들이 앞의 차가 사고났음을 인지하고 브레이크 할 준비를 하는 것이다.

 

 그러나 실제로 건너건너 가는 multiple hop은 거의 안 된다고 보면 된다. 재난 네트워크에서도 2hop까지 정의하고 있다. 3hop까지는 기술적으로 어렵다.

 

 

 

 

 

 

 

IEEE 802.11 Wireless LAN

 무선랜이라고 헀을 때는 유럽쪽에서 만든 하이퍼 랜이라는 시스템이 90년대 있었다. 그런데 하다보니 그 시스템이 밀려나고 IEEE 802.11 만 살아남아 전세계로 퍼져나갔다.

 그 이유는 2.4~5GHz 주파수 대역 덕분이다. 무선인 경우에는 접속하는 주파수 대역이 중요한데, 허가받지 않고 쓸 수 있는 대역이 바로 이 대역이다. 주파수는 원래 특정 주파수를 사용하려면 정부의 허가를 받아야 한다. 모두 라이선스로 관리된다.

 그런데 모든 것을 라이선스로 관리할 수 없다. 특히 공공의 목적인 산업, 과학, 의료 (ISM) 목적에서는 누구나 허가를 받지 않고 주파수를 열어주었다. 전세계가 공통적으로 2.4GHz~5GHz를 오픈한 것이다.

 병원 의료기기가 ISM 주파수 쓰고 있는데, 와이파이랑 같은 주파수이기 때문에 충돌이 난다. 의료기기에서 통신 에러가 나면 치명적이다. 그러면 의료용으로 주파수를 뭘 써야 할까? 지금으로써는 다른 답이 없다.

 

 

 

 

802.11 wireless LAN architecture

 WiFi에서는 기지국 대신에 Access Point (AP)라고 하는 말을 쓴다. 집에 있는 유무선 공유기가 AP이다. AP가 만든 하나의 영역을 BSS라고 한다. WiFi들이 hub, switch, router에 물려있고, 인터넷에 연결되는 것이다.

 

 

 

 

802.11: Channels, association

 802.11은 2.4GHz~2.485GHz인데, 대략 11개의 채널로 만들고, 11개의 채널이 오버랩이 좀 되어있다. 그래서 오버랩이 되지 않는 채널 3개 정도를 사용한다.

 간섭이 생길 수 있는데 똑 같은 채널을 써서 AP 두개를 근처에 달았다면, 서로 간섭이 생길 수 있다.

 host는 AP에 접속을 한다. 처음에 WiFi 접속하려면 AP가 뭐가 있나 스마트폰이나 노트북으로 살펴보는데, 그게 채널 스캐닝이다. 각각 AP는 자기 AP SSID(AP 이름)를 포함한 beacon frames를 100ms마다 한번씩 뿌려준다. 너네가 혹시 나를 찾고 싶으면 나를 읽으라고 뿌려준다. 이제 여러분의 host가 스캔을 하면 beacon을 수신하는 것이다. 그리고 list가 쭉 나온다. 그 중 하나를 접속한다. 인증하기도 한다.

 무선이니까 IP주소가 필요하다. 무선 와이파이를 통해 접속하면 IP가 필요하다. 그러면 DHCP를 사용하여 동적으로 IP하나 받아와서 사용한다.

 

 

 

 

 

802.11 : passive/active scanning

 

 passive scanning : beacon을 하나 받아서 list가 보이는 것.

 

 

 

 active scanning : Probe Request라는 것을 뿌려서 찾는다. 무선 네트워크를 찾으려고 누르는 것이 active scanning이다.

 

 

 

 

 

IEEE 802.11 : multiple access

 802.11에서 multiple access는 CSMA를 사용한다. 보내기 전에 누가 보내고 있는지(에너지가 있는지) 들어보는 것이다. 그래서 누가 안보내고 있다면 내가 보낼 수 있다.

 여기서 문제는 충돌 detection이 되지 않는다. 유선에서는 다른 쪽에서 들어오는 에너지가 나한테 들어오기 때문에 이를 이용해 충돌을 감지할 수 있으나, 무선은 무언가를 보내고 있는데 다른 쪽에서 보내는 것을 감지하지 못한다.

 무선에서는 CSMA/CD를 쓸 수 없으니, 아예 처음부터 충돌을 피해야겠다고 해서 CD(Collision Detection)에서 CA(Collision Avoidance)를 만들었다. 그래서 등장한 것이 CSMA/CA이다.

 A는 B와 통신하고 있고 B는 C와 통신하고 있는데, A와 C 사이에 장애물이 있어 통신을 못하고 있어 서로 있는지 모르는 상황이다. A는 B가 C하고 통신하고 있는지 모르고 보내고 있다. B입장에서는 A와 C 사이에서 충돌난 것이다. 이런 문제를 어떻게 해결할까?

 

 

 

 

 

 

CSMA/CA

1. 채널이 idle한지 sense 하는데, DIFS라는 시간만큼 sense한다. 일단 frame을 보낸다.

2. 만약 누군가가 보내고 있다고 판단되면, random backoff부터 시작한다. 채널이 idle해지면 random backoff time을 count down한다. 그래서 타이머가 0이 되면 전송한다. 전송했는데 ACK가 안 오면 충돌이 났다고 생각해볼 수 있다. 충돌이 났을 것 같으니 random backoff를 2배 늘란다. 0~3 사이에서 뽑았던 것을 0~7 사이에서 뽑는다. 또 count down하고 전송한다.

 DIFS만큼 기다렸다가 아무도 안보내면 일단 데이터를 보낸다. 성공적으로 보내면 receiver는 SIFS라는 시간동안 기다렸다가 ACK를 보낸다. 그런데 만약 ACK가 안온다. 충돌이 난 것 같으니 DIFS를 2배 늘려간다. 최대는 1024이다.

 

 

 

 다시 아까 전 상황을 보자. A와 C가 서로 모르고, B에서 충돌난 상황.. RTS(request-to-send)라고 하는 아주 작은 패킷을 데이터 보내기 전에 보내본다. 수신자(BS)가 CTS라고 하는 것을 응답을 보낸다. RTS와 CTS라고 하는 것은 채널을 예약하는 매커니즘이다.

 

 

 

 

 A하고 B가 AP한테 보내고 있는 상황이다. A하고 B는 서로 모른다.

1. A와 B가 AP에 RTS 보냈는데 충돌이 났고, 다시 A만 RTS를 보낸다. B는 이를 모른다.

2. AP가 CTS라고 하는 것을 뿌려준다.

3. B는 CTS를 받고 누군가가 보내고 있음을 알게 된다. ACK까지의 시간이 담겨있어, 그동안 기다리게 된다.

4. RTS, CTS 성공적으로 보냈으면, A는 AP에게 데이터를 보낸다.

5. AP는 ACK를 보낸다.

 

 

 

 

 

 

802.11 frame

 frame의 MAC header의 구조이다. 앞에서 MAC address는 source와 destination 두 개가 들어갔는데 여기는 4개가 들어갔다. 그 이유는 wireless host의 address가 있고 AP의 address가 있고, 최종 destination address도 있다. 기본 3개에 ad hoc mode까지 생각해서 주수고 하나 더 들어가 총 4개의 주소가 들어간다.

 

 

 

 

 H1이 AP 에 보내는데, 3개의 주소가 들어간다. AP는 유선을 통해 보낸다. 이 때는 주소가 두개만 필요해서 자기 주소는 떼서 보낸다.

 

 

 

 

 

802.11: mobility within same subnet

 mobility란 AP가 달라지는 경우이다. 같은 네트워크에 물려있기 때문에 자기가 쓰던 IP를 옮기면 된다. 즉 Link layer (Layer2)만 바뀐다고 생각하면 된다.

 이 때 스위치는 디바이스가 왼쪽에 붙어있었는데 오른쪽에 붙게 되었다고 self-learning 할 수 있다.

 

 

 

 

 

 802.11은 셀룰라 네트워크와 마찬가지로 다양한 전송률을 할 수 있다. SNR이란 내가 받는 signal과 noise의 비율이다. 수신감도가 얼마나 좋은지의 척도이다. SNR이 안 좋은 경우는 전송률이 낮아지고, 좋은 경우에는 전송률이 높아진다.

 

 

 

power management

 laptop이나 스마트폰 배터리를 아껴야 하니 받을게 없다하면 일정구간 sleeping 모드에 들어가도록 만들어준다.

 

 

 

 

 

 

 

Cellular Network

Cellular Network Architecture

 각각의 기지국들이 세포와 같이 있는 것 같아 기지국의 한 영역을 cell이라고 부른다. 이런 기지국들이 모두 모여있는 것이 Mobile Switching Center라는 곳에 묶여있다. 다만 이것은 2G인 경우에 연결되어 있다. 물론 지금도 약간 비슷한 구조이긴 하다.

 Mobile Switching Center는 유선망이 전화망에 물려있었다.

 

 

 

 

Cellular networks : the first hop

 자원은 시간과 주파수 두개로 이루어져 있는데 어떻게 분할해서 사용하느냐에 따라서 FDMA인가 TDMA인가로 나뉜다. 이것을 code로 나눴을 경우 CDMA인 것이다.

 FDMA가 1세대, TDMA가 2세대, CDMA가 3세대 셀룰라이다. 우리나라와 같이 일부 지역에서는 2세대에서도 CDMA가 사용되었다.

 그러면 4세대 LTE는? LTE부터는 OFDM(or OFDMA)이다. 4세대, 5세대에 사용되었지만 자세히 다루진 않을 것이다.

 

 

 

 

 

 

 

2G (voice) network architecture

 2G 네트워크의 구조이다. 2세대에서 기지국을 BTS라고 부른다. BTS들이 하나의 BSC에 묶여있고, MSC에 묶인 형태이다. 2세대는 오래된 얘기니 자세히 하진 않겠다.

 

 

 

 

3G (voice + data) network architecture

 3세대도 비슷하다. 기지국들이 controller에 묶여 있었고, MSC에 묶여있었다. 3세대부터는 Internet도 붙는다. 기존에는 전화망만 연결되었었는데 인터넷도 연결된다.

 

 

 

 

 무선 구간을 보자. radio interface에 3세대 기술 WCDMA, HSPA (4세대 가기 전) 이런 것들이 있었다. 그리고 여기를 radio access network라고 부른다. 그 위의 구간은 core network라고 불렀고, 이것은 각 이동 통신사들이 자기들이 구축한 네트워크이다.

 

 

 

 

3G vs 4G LTE network architecture

 4세대 LTE가 되면서 전화망에 묶여있던 게  사라지고, 사실상 인터넷망이 되었다. 기지국들이 물려있는데, GateWay(GW) 라는 것이 기지국에 추가되었다. S와 P 두가지가 들어간다. 여러가지 이동단말들을 컨트롤하기 위한 MME같은 특별한 기능을 하는 서버가 들어간다. HSS는 모든 사용자의 데이터베이스를 관리한다.

 

 

 

 

 

 

4G : differences from 3G

 4G에서 모두 IP가 된다. IP 패킷들이 날아가게 된 것이다. 그리고 음성과 데이터의 분리가 사라지고, 모든 트래픽이 전부 IP 위에 올라간다.

 음성은 VoIP를 이용하는데, LTE망에서 전화한다고 하면 VoIP이다. 기지국의 이름이 LTE에서는 eNodeB이다.

 MME는 Mobility Management Entity의 약자이다. MME가 단말들의 Mobility를 관리한다. 특히 기지국과 connection이 돼서 통신하는 상황이 아닌, 그 외의 상황일 경우에 MME에서 이동을 관리한다. LTE는 S-GW와 P-GW가 있다는 것을 기억하자.

 

 

 

 

 

 

[참고]

Computer Networking A Top-Down Approach 7-th Edition / Kurose, Ross / Pearson