[컴퓨터 네트워킹 하향식 접근] 6. 무선 및 이동 네트워크

무선 및 이동 네트워크

개요

• wireless
  • 무선 링크를 통해 통신하는 모든 기술이 wireless 통신 기술이다.
  • 와이파이는 이동하면 끊어지고 인위적으로 새로운 AP에 접속을 해야 한다.
• mobile
  • 사용자가 이동하더라도 AP 변경을 통해 끊김 없이 재접속하여 사용할 수 있다.
  • 무선 전화망은 이동해도 끊김 없이 접속이 가능하다.

wireless 네트워크

• 구성요소
  • 무선 호스트: 무선 통신 기술이 적용되어 있는 디바이스
    • 노트북, 스마트폰, 태블릿
  • 무선 링크
    • 호스트는 무선 통신 링크를 통해 기지국이나 다른 무선 호스트에 연결된다.
  • 기지국(base station)
    • 기지국은 기지국에 결합된 무선 호스트와의 데이터 송수신에 대한 책임을 진다.
    • 이동 호스트가 다른 기지국 영역으로 이동하는 경우 접속하는 기지국이 자동으로 변경되어야 하며 이 과정을 핸드오프(handoff) 또는 핸드오버(handover)라고 한다.
• 특징
  • 무선 전자기파는 물체를 통과함에 따라 신호세기가 급격하게 감소한다.(path loss)
  • 동일 주파수 대역으로 전송되는 무선 신호들끼리 서로 간섭될 수 있다.
  • 다중경로 전파
    • 송신자가 보낸 전파가 물체에 부딪혀서 서로 다른 시간에 도착하기 때문에 간섭이 일어날 수 있다.
  • SNR(signal-to-noise ratio)
    • 측정된 수신 신호의 세기와 잡음의 상대적인 비율
    • 단위는 dB
    • SNR 값이 커질수록 수신 측에서는 잡음이 있더라도 원하는 신호를 추출하기 쉬워진다.
• 와이파이
  • IEEE 802.11 무선랜
  • 구조
    • BSS(basic service set)
      • 하나 이상의 무선 단말기 + 하나의 기지국(Access Point)
      • 무선 기지국은 6바이트의 MAC 주소를 가진다. MAC주소는 스테이션의 어댑터 펌웨어에 내장되어 있다.
      • AP에게는 하나 또는 2 단어로 된 SSID를 할당하고 채널 숫자를 할당한다.
      • 서로 다른 2개의 채널은 4개 채널 이상의 간격으로 분리되어 있어야 겹치지 않으므로 802.11은 채널 1, 6, 11을 사용해야 겹치지 않는다.
      • 와이파이 정글(무선 스테이션이 둘 이상의 AP로부터 충분히 강한 신호를 받을 수 있는 모든 지역)에서 무선 스테이션이 단 하나의 AP와 결합하기 위해서 AP가 주기적으로 비컨 프레임(beacon frame)을 전송할 것을 요구하고 있다. 비컨 프레임에는 AP의 SSID와 MAC 주소가 포함된다.
      • 비컨 프레임으로 부터 사용가능한 AP 정보를 얻은 무선 스테이션은 결합을 맺을 AP를 하나 선택한다.
  • MAC 프로토콜
    • 여러 무선 스테이션이 동시에 동일한 채널로 데이터 프레임을 전송할 수도 있으므로 전송을 조정하기 위한 다중 접속 프로토콜이 필요하다.
    • 채널분할, 순번, 랜덤 접속 방법이 있지만 802.11 설계자들은 이더넷에서의 랜덤 접속 프로토콜의 성공에 영감을 받아서 랜덤 접속 프로토콜인 CSMA/CA을 사용하기로 결정했다.
    • CSMA/CA
      • CSMA/CD처럼 스테이션이 전송하기 전에 채널 상태를 감지하고 사용 중이면 전송하지 않는다.
      • 이더넷과 차이점
        • 충돌 검출을 사용하지 않고 충돌회피 기술을 사용한다.
          • 충돌 검출을 하려면 송신과 수신이 동시에 가능해야 한다. 그러나 일반적으로 802.11 어댑터에서 수신 신호의 세기는 송신 신호의 세기에 비해 아주 약하므로 송수신을 모두 고려하여 충돌을 검출할 수 있는 하드웨어에 많은 비용이 든다.
          • 숨은 터미널 문제와 페이딩 때문에 충돌을 검출하지 못할 가능성이 존재한다.
          • 숨은 터미널의 해결방안
            • 스테이션들이 짧은 RTS 제어프레임과 짧은 CTS 제어프레임을 주고받게 함으로써 채널 접속을 예약할 수 있게 한다.
            • AP가 RTS를 수신하면 영역 내의 전체 스테이션에 CTS 프레임을 전송함으로써 송신자에게는 전송할 수 있다는 허가를 명확히 알려주고, 다른 스테이션들에게는 예약된 시간 동안 전송하지 못하게 한다.
        • 무선 채널의 비트 오류율이 상대적으로 크므로 링크계층 ARQ(ACK/재전송) 방식을 사용한다.
          • 목적지 스테이션은 CRC 검사를 통과한 프레임을 수신하면 SIFS라는 짧은 시간을 기다린 후에 ACK 프레임을 송신 스테이션에게 보낸다.
          • 주어진 시간 내로 ACK를 수신하지 못하면 송신 스테이션은 오류를 발생했다고 가정하고 다시 CSMA/CA 프로토콜을 사용해서 채널 접속을 한 후 프레임을 재전송한다.
          • 일정 횟수만큼의 재전송 후에도 ACK를 수신하지 못하면 송신스테이션은 포기하고 프레임을 폐기한다.
• 블루투스
  • WPAN, piconet(하나의 마스터 기기와 최대 7개의 슬레이브 기기로 이루어진 무선 네트워크)
  • 저전력, 저비용, 단거리
  • ISM 밴드로서 허가가 필요 없는 2.4 GHz 대역에서 동작하고 소음과 간섭현상을 염두에 두고 설계됨
  • 블루투스 네트워크는 AP 등의 인프라스트럭처가 없는 애드훅 네트워크
    • 중앙 집중형 제어 노드는 네트워크 진입이 허용된 클라이언트에게 폴링 방식을 사용하여 전송 권한을 부여한다.
    • 중앙 집중형 제어 노드는 연결이 가능한 블루투스 노드를 검색하기 위해서 브로드캐스트 하고 대기하던 클라이언트 장치는 자신의 ID를 포함하는 응답 메시지를 중앙 집중형 제어 노드로 전송한다.
    • 중앙 노드는 검색된 클라이언트 장치를 대상으로 블루투스 페이징을 시작한다. 페이징 과정을 통해 사용할 주파수 도약 정보와 클록 정보를 클라이언트에게 알린다.
    • 클라이언트 장치는 메시지에 ACK로 응답하고 중앙 노드로부터 주파수 도약 정보와 클록 정보 활성화된 멤버의 주소를 전송받는다.
    • 중앙 노드는 클라이언트를 폴링(Polling)하여 클라이언트가 네트워크에 연결되어 있음을 확인하고 주파수 도약 패턴을 사용한 통신을 시작한다.
    • 폴링은 일정한 간격으로 클라이언트에게 요청을 보내고, 클라이언트가 응답하면 연결이 유지되고 있음을 확인하는 방법이다.

모바일 네트워크

• 사용자 단말이 이동하더라도 끊김 없이 서비스를 제공해야 함
• 모바일 IP 기술
  • IP 서비스 + 모빌리티
  • 한 BSS 내의 무선 장치가 다른 BSS로 옮겨가더라도 IP 주소를 재할당하지 않고 계속 연결이 유지되도록 하기 위한 기술
  • 간접 라우팅(indirect)
    • 이동시 자신의 IP 주소를 그대로 유지한 채 이동하고 모바일 노드가 다른 네트워크로 이동시 이동 전 주소로 보낸 데이터그램을 이동한 다른 네트워크로 보낸다.
  • agent discovery
    • 다른 네트워크로 이동했을 때 이동한 네트워크의 라우터를 발견하는 과정
    • 주기적으로 에이전트(라우터)는 자신의 정보를 ICMP 메시지 형태로 브로드캐스팅해서 알리고 있다.
    • 에이전트는 외부에서 이동해 온 노드를 관리해 주기 위한 care of address를 가지고 있어서 해당 주소로 오는 데이터를 대신 받아줄 수 있다.
  • registration
    • 이동 전 네트워크 라우터에게 이동 후 라우터를 알려주고 등록하는 과정
    • 이동한 디바이스는 에이전트에게 메시지를 받고 특정 care of address를 자신에게 할당해 달라고 요청한다.
    • foregin 에이전트는 요청을 받고 디바이스의 서브넷 ID를 확인한 후 홈 네트워크 에이전트에게 이동한 디바이스가 있다고 알려준다.
  • 간접 라우팅 실행
    • 해당 과정을 통해 홈 에이전트는 이동한 모바일 디바이스가 어디 있는지 알게 된다.
    • 홈 네트워크는 기존의 주소로 데이터를 받으면 care of address로 목적지주소를 캡슐화하여 이동한 네트워크로 전달한다.
    • 이동한 네트워크의 에이전트는 헤더를 제거 후 내부의 데이터그램만 디바이스에게 전달한다.
  • direct 라우팅
    • indirect 라우팅 방식은 과도한 통신 오버헤드가 생길 수 있기 때문에 direct 라우팅 방식을 사용하기도 한다.
    • 홈 네트워크에게 먼저 디바이스의 주소를 물어보고 care of address를 알아낸 후에 직접 전달하고 응답을 받는다.

셀룰러 네트워크

• 셀(cell)
  • 셀룰러 네트워크의 영역은 셀 단위로 나누어볼 수 있다.
  • 각각의 셀은 셀 영역 안의 모바일 디바이스와 신호를 주고받는 베이스 스테이션을 갖고 있다.
  • 전체 bandwidth 영역을 셀로 나누는 목적은? 전체 capacity를 높이는 목적
• 셀룰러 네트워크의 handoff(handover)
• handoff의 목적
  • 기존의 베이스 스테이션으로 받던 서비스를 새로운 베이스 스테이션으로 받을 수 있게 끔 사용자가 모르게 자연스럽게 라우팅을 바꾸고 연결을 유지 디바이스의 에너지 소모를 낮추기 위해서 도입
• 어떻게 사용자에게 이동성을 제공할 수 있는가?
  • 디바이스와 베이스 스테이션 간 신호의 세기를 측정하다가 신호가 약해지면 모바일 스위칭 센터에 새로운 BSS로 이동할 예정이라고 알린다.
  • 모바일 스위칭센터는 새로운 BSS에게 자원을 할당해서 서비스할 수 있는 path를 만들어준다.
  • 새로운 BSS가 path가 생긴 것을 확인 후 old BSS에게 알려준다.
  • old BSS는 모바일 스위칭 센터에게 handoff를 하라고 알려준다.
  • 디바이스는 새로운 BSS에게 handoff 요청 메시지를 보내고 새로운 BSS는 요청을 모바일 스위칭 센터에 전달하고 handoff를 수행한다.
  • old BSS에게 기존 리소스와 채널을 반납해도 된다고 알려준다.