2. Wi-Fi

시험 준비 및 공부 기록 아카이브용으로 작성하는 글입니다.

다소 내용이 정제되어 있지 않을 수도 있습니다.

 

IEEE 802.11의 요구사항

1. 하나의 MAC(Media Access Control, 매체 접근 제어)이 다양한 종류의 PHY(물리 계층)을 지원할 수 있어야 함

2. 같은 지역 및 채널 공간에 여러 네트워크가 중첩될 수 있어야 함.

3. 전파 간섭에 강해야 함.

4. 숨은 노드 문제를 해결할 메커니즘이 필요함.

5. 시간 제약 서비스(Time Bounded Services)를 위한 규정이 필요함.

 

802.11 프로토콜 구조

 

SAP(Service Access Point): 서로 다른 계층을 연결하는 통로

MAC: 데이터 전송의 핵심을 담당하는 부분. CSMA/CA 같은 기본적인 채널 접근 메커니즘을 수행하고, MTU(네트워크 전송 단위)보다 큰 데이터들을 단편화해 보내고 받은 조각들을 재조합함. 보안을 위해 데이터를 암호화 및 복호화하기도 함.

MAC 계층 관리(MAC Layer Management): 시간 동기화 메시지, 전력 관리, 로밍, MAC MIB(MAC 계층의 정보를 담는 DB) 등 MAC 계층의 전반적인 동작 상태를 관리함.

PLCP(Physical Layer Convergence Protocol): MAC 계층과 PMD 계층을 연결하는 역할. MAC 계층에 채널이 비었는지 (CCA, Clear Channel Assessment) 알려줘 데이터 전송 시점을 결정할 수 있게 돕고, 데이터를 수신하기 위해 채널 동기화를 수행함.

PMD(Physical Medium Dependent): 실제 무선 신호를 주고받는 하드웨어에 가까운 부분.

PHY 계층 관리(PHY Layer Management): 채널 튜닝 및 PHY MIB(PHY 계층의 정보를 담는 DB) 등 무선 계층을 관리함.

장치 관리(Station Management): MAC과 PHY 계층이 서로 원활하게 상호작용하도록 조정하는 역할.

 

802.11의 구성 방식

1) 애드혹: AP(Access Point) 없이 단말기(Station)들이 서로 직접 통신해 네트워크를 구성하는 방식. 애드혹을 통해 하나의 기본 서비스 집합(BSS, Basic Service Set)을 구성하며, AP가 없으므로 통신 범위가 제한적임.

애드혹의 주요 연구 주제로는 Multi-Hop Routing, Multicasting, Multi-channel Access, Security 및 QoS 등이 있음.

2) 인프라스트럭쳐: 중앙 제어 장치인 AP(Access Point)와 여기에 접속하는 다수의 단말기(Station)으로 구성하는 방식. 분배 시스템(Distribution System, DS)를 이용해 여러 AP를 묶어 하나의 거대한 네트워크를 만들어 무선 통신 범위를 확장함.

 

DS는 여러 BSS를 연결해 하나의 거대한 통합 네트워크(ESS, Extended Service Set)를 구성함. 단말기끼리 AP 없이 서로 직접 통신하는 네트워크인 IBSS를 구성하기도 함.

 

Access Point

AP는 무선 기기들을 유선 네트워크(인터넷)에 연결해주는 중앙 허브 역할, 단말기는 AP와 결합해 네트워크에 접속함.

AP는 여러 AP가 설치되어 있을 때, 사용자가 이동해도 연결이 끊기지 않고 계속 유지되는 로밍을 지원함.

AP는 주기적으로 비콘 신호를 보내는 시간 동기화를 통해 네트워크 내 모든 장치들의 시간을 맞추며, 절전 모드에 들어간 기기의 데이터를 버퍼링하며, 선택적으로 데이터 전송 순서를 직접 제어하는 PCF 기능을 제공함.

네트워크 내의 모든 데이터 통신은 반드시 AP를 거쳐야 함. 바로 옆에 있는 단말기와 통신하는 경우에도 데이터는 단말기 -> AP -> 단말기 순서로 전달됨.

 

장점: 전력 절약 기능을 제공하며, AAA(인증(Authentication), 인가(Authorization), 계정 관리(Accounting)) 아키텍쳐를 지원함.

단점: 단말기끼리 직접 통신하는 것보다 2배의 대역폭을 소모함, 모든 기기가 하나의 AP로 통신하기 때문에 충돌이 더 자주 발생함.

 

MAC 아키텍쳐

분산 조정 기능(DCF, Distributed Coordination Function): Wi-Fi의 기본적이고 필수적인 접속 방식. 모든 단말기와 AP에 구현되어야 하며, 애드혹과 인프라스트럭쳐 구조에서 모두 사용됨. 경쟁으로 인한 충돌을 방지하기 위해 CSMA/CA 기법을 사용함.

지점 조정 가능(PCF, Point Coordination Function): DCF 위에 구현되는 선택적인 접속 방식. Point Coordinator를 통해 단말기의 접속 우선 순위를 정하기 때문에 경쟁이 없음. 의무 대기 시간(IFS)의 길이를 다르게 설정해 우선 순위를 제어하며, PIFS가 DIFS보다 짧아 PCF의 우선순위가 DCF보다 높음.

 

MAC 서비스

1. 비동기 데이터 전송: 상위계층(LLC)으로부터 최대 2304바이트의 데이터 패킷을 받아 처리함.

2. 시간 제약 서비스: PCF를 통해 제공할 수 있으나, CSMA/CA으로도 충분한 경우가 많음 (이후 802.11e에서 QoS가 강화됨)

3. 보안 서비스: 신뢰성, 기밀성, 접근 제어 기능을 통해 무선 통신을 안전하게 보호함.

4. 관리 서비스: 스캐닝, 결합, 로밍, 전력 관리를 통해 Wi-Fi 연결 서비스를 관리하고 유지함.

 

CSMA/CA

데이터를 전송하고자 하는 단말기는 우선 CCA(Clear Channel Assessment)를 통해 채널이 사용 중인지 아닌지 확인함. 채널이 비어 있으면 즉시 데이터를 보내지 않고 DIFS라는 정해진 시간 동안 대기, 만약 채널이 DIFS 시간 이상 비어 있다면 데이터를 즉시 보낼 수 있음.

만약 채널이 사용 중이라면, DIFS만큼 기다린 다음 추가로 랜덤 백오프 시간을 기다림. 만약 내 랜덤 백오프 시간을 카운트다운 하는 동안 다른 단말기가 통신하기 시작하면, 즉시 카운트다운을 멈춘 뒤, 통신이 끝난 뒤 DIFS만큼 기다린 뒤, 멈췄던 시점부터 카운트다운을 다시 재개함.

CSMA/CA를 사용해도 충돌이 발생할 수 있음 (번개 표시)

하지만 CSMA/CA를 사용해도 서로 다른 단말기의 백오프 시간이 같아져서 충돌이 일어날 수 있음. 충돌이 발생하면 단말기는 데이터를 전송할 수 없으며, 백오프 시간을 다시 뽑음.

 

MAC 프레임 구조

프레임 컨트롤(Frame Control): 프레임의 종류를 알림
지속 시간(Duration): 프레임 전송에 걸리는 시간을 수치로 나타냄, 단말기는 이 정보를 이용해 NAV(Network Allocation Vector)를 설정함
주소 (Address): 통신에 필요한 MAC 주소를 담음
시퀀스 컨트롤(Sequence Control): ACK 등으로 발생한 중복 프레임을 제거함
프레임 바디(Frame Body) : 실제 전송할 데이터
CRC: 전송에 오류가 없는지 검사함

 

Frame Control의 세부 구조

프로토콜 버전(Protocol Version): IEEE 802.11 표준의 버전을 나타냄

타입 및 서브타입 (Type & SubType): 프레임의 종류를 결정. (타입엔 관리 프레임, 제어 프레임, 데이터 프레임이 있고, 서브타입엔 ACK, 비콘 요청/응답, 결합 요청이 있음)

To DS / From DS: 데이터를 DS로 보낼 때 To DS를 1로 설정하고, DS에서 받을 때 From DS를 1로 설정.

More Fragment: 전송하는 데이터를 단편화했을 때, 뒤에 데이터 조각이 있으면 1로 설정.

Retry: 이전에 전송했다가 실패한 프레임을 재전송하는 거면 1로 설정.

Power Management: 프레임을 보낸 단말기가 절전 모드이면 1로 설정.

More Data: 절전 모드의 단말기에게 데이터가 더 있으니 깨어 있으라고 알림.

WEP: 프레임 본문이 WEP 알고리즘으로 암호화되었는지 표시.

 

MAC에서 사용하는 주소

BSSID(BSS Identifier): 각 BSS를 식별하는 고유 ID, AP의 MAC 주소가 주로 사용됨.

DA(Destination Address): 데이터의 최종 목적지 MAC 주소.

SA(Source Address): 데이터를 최초로 생성한 장치의 MAC 주소.

RA(Receiver Address): 프레임을 전달받을 장치의 MAC 주소.

TA(Transmitter Address): 현재 프레임을 전송하는 장치의 MAC 주소.

 

숨은 노드 문제

단말기 A와 C가 서로의 신호를 들을 수 없으면 충돌 감지가 불가능해 AP B에서 신호 충돌이 발생하기 쉬움 -> 데이터를 보내기 전 짧은 프레임을 주고 받는 핸드셰이킹을 통해 이를 해결

전송 요청(RTS, Request-to-Send): 데이터를 보내기 전 보내는 짧은 프레임

전송 허가(CTS, Clear-to-Send): 데이터를 받을 준비가 되면 보내는 짧은 프레임.

단말기끼리는 서로 듣지 못해도 모든 단말기는 AP의 CTS 신호를 들을 수 있음 -> 모든 단말기가 충돌을 피할 수 있음

 

RTS/CTS 통신 절차

1. 송신 측에서 DIFS만큼 기다린 뒤 통신에 필요한 시간을 담은 RTS를 수신 측으로 보냄.

2. RTS를 받은 수신 측은 SIFS만큼 기다린 뒤 CTS로 응답.

3. CTS를 받은 송신 측은 SIFS만큼 기다린 뒤 데이터를 전송함.

4. 데이터를 성공적으로 받은 수신 측은 SIFS만큼 기다린 뒤 ACK를 보냄.

주변의 다른 단말기들은 이 과정에서 RTS나 CTS를 엿듣고 자신의 NAV 타이머를 설정한 뒤, 이 타이머가 0이 될 때까지 데이터 전송을 시도하지 않음.

 

비콘 프레임

AP가 자신의 존재와 네트워크 정보를 주기적으로 알리기 위해 주기적으로 방송하는 관리 프레임의 일종. 비콘 프레임은 MAC 헤더와 프레임 바디로 구성됨. MAC 헤더의 주소 부분에는 목적지 주소, 출발지 주소, BSSID가 들어감.

 

프레임 바디의 세부 구조

타임스탬프(Timestamp): 네트워크 내 모든 단말기들의 시간을 동기화하기 위한 기준 시간 정보.

비콘 간격(Beacon Interval): 비콘 프레임을 얼마나 자주 보낼지에 대한 시간 간격 정보.

네트워크 능력 정보(Capability Info): 네트워크의 성능에 관한 정보.

SSID: Wi-Fi의 이름 정보.

지원 속도(Supported Rates): 네트워크가 지원하는 전송 속도 정보.

TIM(Traffic Indicator Map): 절전 모드에 있는 단말기 중, AP에 데이터가 버퍼링 되어 있는 단말기를 알려주는 역할.

 

AP는 비콘 프레임을 비콘 간격에 맞춰 주기적으로 방송하지만, 비콘을 보낼 시점에 다른 데이터가 전송 중이어서 채널이 바쁘면 (Busy Medium) 비콘 프레임은 CSMA/CA 규칙에 따라 지연되었다가 전송됨. 비록 비콘 전송이 지연되어도 다음 비콘 전송의 스케줄은 지연되지 않음. 지연이 있어도 타임스탬프 안에 실제로 비콘을 전송한 시간의 정보가 담겨 있기 때문에 네트워크 전체의 시간을 정확하게 동기화할 수 있음.

 

전력 관리

단말기가 절전 모드에 들어가면, AP는 그 단말기로 향하는 데이터 패킷들을 버퍼링해서 보관함. AP는 비콘 프레임에 담겨 있는 TIM을 통해 데이터가 버퍼링된 단말기에 대해 알림. 절전 모드의 단말기는 비콘 간격에 맞춰 깨어나 TIM 목록을 확인해, 자신의 이름이 있으면 데이터를 받아감. 단말기가 잠들어 있는 동안에도 시간 동기화 기능(TSF, Time Synchronization Function) 타이머가 작동하기 때문에 AP와 단말기는 절전 모드 중에도 동기화 되어 있음.

 

PHY 전송 기술

IEEE 802.11 표준 초기엔 FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum), DSSS(Direct-Sequence Spread Spectrum), Baseband IR(적외선), OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 4가지의 PHY 전송 기술이 정의되었음 -> 오늘날엔 OFDM만 사용함.

DSSS는 데이터 신호(original)를 더 빠른 속도의 확산 코드(sequence)와 결합해 넓은 주파수 대역폭에 펼쳐서 보내는 기술임. 신호를 펼쳐서 보내므로 대역폭이 넓어지고 전력 밀도가 낮아지며, 도청이 어려워지고 신호 간섭에 강해짐.

섀넌의 정리$(\mathrm{C} = \mathrm{B} \log_{2}(1 + \mathrm{S}/\mathrm{N}))$에 따르면 동일한 데이터 전송 속도 $(\mathrm{C})$를 달성하기 위해 좁은 통로$($작은 $\mathrm{B})$에 매우 강한 신호$($큰 $\mathrm{S}/\mathrm{N})$를 보내거나 넓은 통로$($큰 $\mathrm{C})$에 약한 신호$($작은 $\mathrm{S}/\mathrm{N})$을 보내야 함, DSSS는 후자의 전략을 사용함 (신호의 세기를 높이는 건 비효율적이기 때문)

 

FHSS는 주파수 채널을 미리 정해진 패턴에 따라 계속해서 빠르게 바꾸는(hopping) 기법으로, 설계가 간단하고 간섭이 생기더라도 채널을 계속해서 바꾸기 때문에 간섭에 강하다는 장점이 있으나 데이터 전송 속도가 느리다는 단점을 가짐. 특이하게도 할리우드 영화 배우 헤디 라마가 피아노 연주가 조지 앤타일과 함께 발명한 기법임.

 

PHY PDU(PPDU) 프레임

PLCP 프리앰블: 데이터의 전송 시작을 알리고 수신기가 신호를 준비하도록 하는 부분. 수신기와 송신기의 타이밍을 맞추는 SYNC와 프레임의 정확한 시작점을 표시하는 SFD(Start Frame Delimiter)로 구성됨.

PLCP 헤더: 실제 데이터에 대한 정보를 담고 있는 부분. 데이터의 전송 속도 정보를 담고 있는 SIGNAL, 예비용으로 남겨둔 SERVICE, PSDU의 전송 시간 정보를 담고 있는 LENGTH, 헤더 정보의 오류를 검사하는 CRC로 구성됨.

PSDU/MPDU: 실제로 전송해야 하는 데이터가 담겨 있는 부분.

 

비허가 주파수 대역

902MHz(한국은 허가 없이 사용 불가): 26MHz의 좁은 대역폭을 가지며, 매우 혼잡하고 전 세계적으로 사용이 제한적인 대역. 초기 와이파이(WLAN)와 무선 전화기 등에 사용됨.

2.4GHz: 83.5MHz의 대역폭을 가지며, 전 세계에서 사용 가능한 가장 대중적인 대역. 802.11 (b/g) WLAN, 블루투스, Zigbee 등에 사용됨.

5.1GHz: 여러 개의 겹치지 않는 채널 대역을 사용할 수 있어 2.4GHz보다 간섭이 적고 쾌적한 통신이 가능함. 802.11a WLAN에 사용되며, OFDM 변조 방식을 사용하며 최대 54Mbps의 속도를 지원함.

 

스캐닝

단말기가 주변의 AP를 찾는 과정.

수동적 스캐닝: 단말기가 원하는 SSID를 포함하는 비콘 프레임을 찾기 위해 스캔하는 방식. 단말기는 각 채널에서 ChannelTime 파라미터로 정의된 최대 시간 이하로만 수신 대기해야 함.

능동적 스캐닝: 단말기가 원하는 SSID를 포함하는 탐색 요청(Probe Request)를 전송함.

스캐닝을 통해 원하는 BSS를 찾지 못한 단말기는 IBSS를 시작하거나 BSS를 먼저 스캔하지 않고 스스로 BSS를 시작하기도 함.

 

비중첩 채널

802.11b(DSSS): 채널 폭이 22MHz로, 1, 6, 11, 14번 채널이 서로 겹치지 않음.

802.11g/n(OFDM): 채널 폭은 20MHz로, 이 중 서브 캐리어(빨간 부분)가 16.25MHz를 사용함. 1, 5, 9, 13 채널이 서로 겹치지 않음.

802.11n(OFDM): 20MHz 채널 2개를 묶어 하나의 채널로 사용하고, 이 중 서브 캐리어가 33.75MHz를 사용함. 3, 11 채널이 서로 겹치지 않음. 채널 폭이 2배로 넓어진 대신 사용할 수 있는 채널이 절반으로 줄어들어 간섭에 취약해짐.

 

802.11p

고속으로 움직이는 차량 환경에서 안정적인 통신(V2X)을 제공하기 위해 특별히 설계된 와이파이 표준으로, 주요 요구사항은 8가지가 있음.

1. 전송 거리 향상: 1000m의 통신 거리가 필요함.

2. 접속 지연 최소화: 일반 Wi-Fi의 인증(Authentication) 및 결합(Association)을 생략해 접속 오버헤드를 줄임.

3. 전용 주파수 사용: 2.4GHz를 사용하지 않고 5.850~5.925GHz를 사용함.

4. 멀티 채널 사용: 싱글 채널은 간섭의 가능성이 있으므로 제어 메시지용(CCH)과 서비스 데이터용(SCH)으로 채널을 분리해서 사용함.

5. ACK 없이 데이터 전송: ACK 없이 즉시 방송하는 WSM(WAVE Short Message)를 사용함.

6. 우선 순위 전송: 긴급도에 따라 데이터를 처리하기 위해 802.11e의 QoS 정책을 사용함.

7. Fading에 강한 신호: 채널 대역폭을 Wi-Fi의 절반인 10MHz로 줄이고 symbol 길이를 2배로 늘려 신호 안정성을 높임.

8. 채널 스캐닝 생략: 채널 스캐닝 없이 전용 채널(Dedicated Channel)으로 즉시 통신함.

 

WAVE 프로토콜 스택

제어 채널(Control Channel, CCH): 긴급 메시지 전용 채널, 방송 형태의 우선 순위가 높은 단발성 메시지 전송에 사용됨.

서비스 채널 (Service Channels, SCH): 일반 서비스용 채널, 인터넷 접속, 영상 스트리밍 등 일반 애플리케이션을 위해 사용됨.

WSMP: 차량 간 긴급 메시지 전송을 위한 경량/고속 프로토콜. 별도의 설정 없이 CCH와 SCH 양쪽에서 빠르게 메시지를 주고받을 수 있다는 장점이 있지만 메시지의 크기가 1400바이트로 제한되고 WAVE 지원 기기끼리만 전송할 수 있다는 단점이 있음.

IPv6: SCH에서만 사용되며, WAVE BSS 환경에서 동작할 때 사용됨. 핸드셰이킹을 거치는 TCP 방식(웹페이지, 파일 다운로드)과 핸드셰이킹을 거치지 않는 UDP 방식(영상 스트리밍, 음성 통화)을 사용함.

 

IEEE 802.11ac (Wi-Fi 5)

SU-MIMO(Single-User MIMO): AP가 오직 하나의 단말기와 통신할 수 있는 방식, 단일 기기의 네트워크 최대 속도가 극대화됨.

MU-MIMO(Multi-User MIMO): AP가 여러 개의 단말기와 통신할 수 있는 방식, 네트워크의 평균 효율이 극대화됨.

450Mbps의 전송 속도, 64QAM, 20/40MHz의 채널 폭을 가지던 802.11n와 비교했을 때, 802.11ac는 전송 속도, 변조 성능, 채널 폭이 대폭 커짐.

 

IEEE 802.11ax (Wi-Fi 6)

802.11ax는 5GHz만 지원하던 ac와 달리 2.4GHz, 5GHz 모두 지원하며, 채널을 여러 개로 쪼개 여러 사용자에게 동시로 할당하는OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)를 도입함. 다운링크(AP -> 사용자)만 지원하던 기존 MU-MIMO와 다르게 ax의 MU-MIMO는 업링크(사용자 -> AP)도 지원함. ax는 BSS 컬러링을 도입해 내 네트워크와 이웃 네트워크의 신호를 색깔로 구분하기 시작했으며, 2개의 NAV를 사용해 충돌을 더 지능적으로 회피함. 또한 TWT(Target Wake Time)을 도입해 기기의 전력 소모를 줄임. ac는 데이터를 항상 고정된 크기로 단편화하지만, ax는 네트워크 상황에 맞춰 데이터를 동적으로 단편화함. 서브캐리어의 간격도 기존의 312.5kHz의 25%인 78.125kHz로 줄이고 OFDM 심볼 시간을 기존의 3.2µs의 4배인 12.8µs로 늘려 신호 간섭에 강해짐. 변조 방식도 256QAM에서 1024QAM으로 개선되고, 최대 스트림 개수를 4대에서 8대로 늘려 데이터 전송 용량을 늘렸음.