데이터망 CH7. Wireless / Mobile network

Alpha, Orderly·2023년 5월 16일
데이터망
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무선 네트워크의 구성

wireless host

  • 어플리케이션 동작
  • 한곳에 머무르거나 이동함

base station

  • 주로 유선망에 연결되어 있음
  • Relay : 유선망과 무선 호스트간 패킷 전송을 담당한다.
  • host 와 base station 의 연결에 사용된다.
  • 다양한 전송속도 / 거리 / 주파수 대역을 사용한다.

Mode

infrastructure mode

  • Base station 을 통해 mobile이 유선 네트워크에 연결된다.
  • handoff
    • mobile이 유선망을 제공하는 base station 을 변경하는것

adhoc mode

  • Base station 이 존재하지 않음
  • 노드들은 서로간의 Link coverage 안에 들어야 서로 통신 가능
  • 노드들이 모여 네트워크 형성 및 라우팅을 한다.

Wireless network taxonomy

single hop

  • Host가 큰 인터넷에 연결된 Base station과 직결한다.

multiple hops

  • Host가 몇몇 무선 릴레이를 통해 큰 인터넷과 연결된다.

Decreased signal strength : 시그널 신호 감쇠

  • 무선 신호는 물질을 통과해 전파됨에 따라 감쇠된다.

Interference from other source

  • 여러 기기들이 동일한 무선 주파수 대역을 공유할시 간섭이 생긴다.

Multipath propagation

  • 무선 신호가 땅 혹은 물질에 반사되어 목적지에 도착할때 다른 때에 도착할수 있다.

SNR : Signal to Noise

  • SNR이 크다는것은 잡음으로부터 신호를 뽑아내기 쉽다는것을 의미한다.
    BER : Bit Error Rate

SNR과 BER의 타협

Physical layer
  • 파워 증가 > SNR 증가 > BER 감소
주어진 SNR에서 BER 요구사항을 맞추면서 처리량이 가장 많은 Physical layer를 선택한다.
  • SNR은 움직임에 따라 달라질수 있다.

Hidden terminal problem

  • A와 C는 서로 연결되지 않고 B만 연결될때
  • A와 C가 한번에 데이터를 전송하면 B에 간섭이 생길수 있다.

802.11 WiFi

MIMO

  • 여러개의 안테나를 이용해 데이터를 보내고 받는것

WIFI-7

  • 6Ghz 대역 사용
  • 여러 링크를 이용해 다양한 주파수와 채널을 동시에 사용해 통신이 가능하다.
  • 최대 처리량이 증가한다.
  • HARQ 사용
  • OFDMA 사용

OFDM - Orthogonal FDM

  • 데이터를 잘라서 간섭을 일으키지 않는 서로 다른 주파수에 실어서 한꺼번에 전송
  • 하나의 정보를 여러 개의 반송파(subcarrier)로 분할하고, 분할된 반송파 간의 간격을 최소로 하기 위해 직교성을 부가하여 다중화시키는 변조기술
  • Orthogonality (직교성): 반송파간의 성분 분리를 위한 직교성 부여로 전송효율 증대
  • FDM의 GB(Guard Band)를 두지 않음
  • 주파수 이용 효율이 높고, 멀티패스에 의한 ISI (Inter Symbol Interference; 심볼간 간섭)에 강해 고속 데이터 전송에 적합

OFDMA

  • 주파수를 유동적으로 사용자에게 할당하는것

HARQ

802.11 LAN 구조

  • Wireless host가 base station과 커뮤니케이트한다.
    • Base station == Access point
  • Basic Service Set / BSS은
    • Wireless host
    • Access point
    • adhoc mode
  • 를 포함한다.

802.11 - Channel association

주파수대역이 다른 주파수로 이루어진 채널로 분리된다.

  • AP admin이 AP의 주파수를 결정한다.
  • 근처 AP와 동일 주파수를 사용해 간섭이 생길수 있다.

Arriving host

  • 채널을 스캔해 AP의 이름과 MAC주소를 포함한 beacon frame을 listen 한다.
  • associate 될 AP를 선택한다.
  • 인증 절차를 진행한다.
  • DHCP를 통해 AP subnet의 IP를 받아온다.

Passive scanning

  1. AP로부터 beacon frame이 보내진다.
  2. 선택된 AP로 association request 가 들어간다.
  3. association response가 AP에서 기기로 들어간다.

Active scanning

  1. 기기로부터 Probe request frame이 전송된다.
  2. Probe response frame이 AP에서 전송된다.
  3. 기기가 선택한 AP로 association request 가 전송된다.
  4. AP에서 기기로 association response가 전송된다.

802.11 Multiple access

802.11 CSMA - 전송 전에 감지하기

  • 무선에서는 Collision Detection이 힘들다.
  • 전송 신호는 강하지만 수신 신호는 약해지기 때문이다.
  • 충돌을 감지하는 것은 오로지 수신 측에서만 알 수 있어 송신 측에서는 충돌이 발생했는지 알 수 없다.

CSMA

  • 신호 전송 전에 다른 노드에서 신호가 전송중인지를 확인한다.
  • Hidden terminal / Fading 상황은 충돌을 감지하지 못한다.

CSMA/CD

  • 데이터를 보내고 ACK를 받지 못할시 충돌로 판단한다.
  • 데이터를 보낼 시점에 채널이 idle 한지 확인한다.
  • 채널이 idle 하다면 DIFS 시간동안 아무도 데이터를 전송하지 않는지 확인한다.
  • DIFS 시간 이후에도 아무도 데이터를 안보내면 바로 데이터 프레임을 전송한다.
  • 만약 채널이 busy 하다면 random backoff time을 선택하여 기다린다.
  • random backoff time을 하나씩 감소시키며 카운트다운을 해서, 만료되었을 때 채널이 idle하다면 바로 데이터를 전송한다.
  • 하지만 또 채널이 busy 하다면 다시 random backoff time을 설정하여 카운트 다운을 한다.
  • 특정 횟수 시도 해도 ack가 안 오면 포기한다.
    • 상위 계층에서 재전송

DIFS / SIFS

  • 데이터를 받고나서 ACK를 보내야 하는데, 이 또한 채널을 공유한다.
  • ACK는 기다리는쪽이 있기에 SIFS를 DIFS보다 짧게 설정한다.

RTS / CTS 를 사용한 Hidden terminal 문제 해결

  • 전송시 CSMA를 사용해 Base station에게 RTS(Request-to-send) 를 보내 채널 사용 가능 여부 확인
  • Base station이 응답으로 CTS(Clear-To-Send)를 모든 노드에 방송한다.
  • RTS를 보냈던 sender가 CTS를 받고 데이터프레임 전송, 나머지 Station은 전송을 미룬다.
  • 긴 메시지 전송에 주로 사용한다.

802.11 프레임

  • 주소1 : 이 프레임을 받는 wireless host / ap 의 mac 주소
  • 주소2 : 이 프레임을 전송하는 wireless host / ap 의 mac 주소
  • 주소3 : AP가 붙어있는 라우터 인터페이스의 MAC 주소
  • 주소4 : ad hoc 모드에서 사용되는 주소
  • 송수신 관계가 여러 단계라 그때에 맞추기 위해 주소가 여러개가 필요하다.
이외 비트

  • Duration : 목적지가 자기 자신의 MAC주소와 같지 않은 노드가 이 필드를 읽고
    가상 캐리어에 의해 에약된 시간만큼 NAV 타이머 세팅해 대기함.
  • Sequence Control - 데이터 프레임 / 관리 프레임만 사용 ( Not 제어 프레임 )
    • Fragment number : 조각난 프레임마다 0 부터 순서대로 부여
    • Sequence number : 매번 MSDU / MMPDU 마다 순서번호를 붙힌다.
      조각화 시 조각된 모든 프레임에 동일한 번호를 부여한다.
  • Qos Control : Qos Data Frame일 경우만 나타남
    • 10 Type 에 Subtype의 상위 비트가 1

Frame control


  • Protocol version : 프로토콜 버전
  • Type : 프레임의 유형
    • 00 : 관리 프레임
    • 01 : 제어 프레임
    • 10 : 데이터프레임
  • Subtype : 각 Type에서의 subtype
  • To DS / From DS : 0 - 무선단말 , 1 - AP
  • More Frag : 마지막 Fragment일시 0, 아니면 1
  • Retry : 재전송 표기
  • PowerMgmt : 전력 절감 모드일시 1, 활성화 일시 0
  • More Data : 관리프레임 / 데이터프레임일시 1, 제어 프레임일시 0
  • Protected Frame : 프레임 몸체 암호화시 1, 비 암호화시 0
  • Order : 1일 경우 HT Control field 포함.

802.11 동일 Subnet 안에서의 이동


BBS : 하나의 AP가 커버하는 영역

  • 기기가 BBS1에서 BBS2로 이동하면
  • 스위치의 self-learning 을 통해 H1으로 부터 전송되는 프레임 확인
  • H1으로 갈수있는 포트를 저장한다.
  • 이동 > 인증 > 전송 > learning > 연결

Rate adaption

  • Base Station 과 Mobile의 거리는 수시로 변경되며 이로인해 SNR이 동적으로 바뀌기에
    동적으로 전송속도를 변경해준다.

Power management

  • 배터리 사용을 고려하여 통신 모듈에 대해 sleep/awake 상태를 번갈아가며 사용한다.
  • AP 는 자신이 누구인지 주기적으로 비콘 메세지를 보낸다.
  • 노드는 AP에게 다음 비콘 메시지를 받을 때 까지 sleep 상태에 빠진다고 알려준다. - Power management bit를 1로 설정해서 전송
  • 이후 노드가 비콘 메세지를 받고, 자신이 받을 데이터가 있다면 깨어난 후 data를 받아오고 다시 sleep 상태가 된다.

Bluetooth / Personal Area Network

  • 10m 이하 간격에서 사용하는 2.4Ghz 대역 네트워크
  • ISM ( Industrial Scientific Medical ) 대역폭 사용
  • Master / Client controller device 로 구성
  • Master가 Client에게 보낼 데이터 있는지 묻고, client가 그때 데이터를 보낸다.

Frequency hopping

TDM / 625us

FDM

  • 송신자는 79개의 주파수 채널을 거의 랜덤한 순서로 사용한다.

Parked : 클라이언트가 파킹되어 나중에 꺠어남

Bootstraping : 노드 스스로가 피코넷에 연결

Cellular network

  • 1G : Analog 전송 - FDMA 사용, Cell으로 나뉘어 주파수를 재사용
  • 2G : Digital 전송(무선), Voice 위주 - TDMA 사용
  • 3G : Voice + Data 전송, Circuit 통신 - Voice, Packet 통신 - Data
  • 4G : Packet 망을 통해 Voice + Data 모두 통신 - OFDM 사용 (데이터를 잘라서 간섭을 일으키지 않는 서로 다른 주파수에 실어서 한꺼번에 전송)
  • 5G : new radio 기술을 이용해 고주파 사용.

CDMA - Code Division Multiple Access

  • 주파수와 시간을 유저들이 공유한다.
  • 각각의 유저에게 고유한 코드 ( Chipping sequence )가 할당된다.
  • 코드는 전송되는 한 비트를 인코딩하는데 사용된다.
  • 각각의 유저는 동일한 주파수 대역을 사용한다.
  • 데이터가 노이즈에 강하게 된다.

Encoding

  • 1비트 데이터 ( 내적 ) Chipping sequence

Decoding

  • 인코딩 데이터 ( 내적 ) Chipping sequence

유선과 유사한점

  • Edge/Core 구조로 됨. 둘다 동일한 carrier에 속한다.
  • 네트워크의 네트워크이다.

유선과 다른점

  • 무선 link layer를 사용한다.
  • 단말기 이동성이 제일 중요하다
  • SIM card를 통해 유저 정보의 확인이 가능하다.

LTE

mobile device

  • 64비트 IMSI라는 사용자 구분 값이 SIM카드에 저장됨

Base station ( eNode-B )

  • Radio를 할당해 단말이 채널을 할당 받을수 있도록 한다.
  • Wifi AP와 유사하나 이동성에 좀더 중요점을 둔다
  • 다른 요소들과 함께 기기 인증을 관리한다.

HSS / Home Subscriber Service

  • mobile device의 정보 저장
  • 유저의 정보 ( 과금 / 개인정보 / 서비스 ) 관리
  • MME와 함께 기기인증 동작

MME / Mobility Management Entity

  • HSS와 함께 기기인증을 관리한다.
  • Cell 사이 device handover 관리
    • 단말 사용자의 위치 정보를 관리한다.

P-GW / S-GW

S-GW / Serving Gateway

  • 내부에서 데이터 전송을 처리하는 게이트웨이

P-GW / PDN Gateway

  • 외부망으로 연결해주는 게이트웨이 : NAT 서비스를 제공한다.

Data plane / Control plane

Control plane

  • 휴대성 관리 / 보안 / 인증
  • LTE 통신망을 연결하거나 이를 유지하기 위한 신호
  • handover

Data plane

  • 실질적인 데이터 전송

  • Base station은 계층이 적다.

  • 터널간 전송은 UDP를 사용한다.
  • GTP를 이용해 데이터그램이 Encapsulation 된다.

Base station과 association

  1. Base Station이 5ms마다 모든 주파수에 primary synch signal 을 방송한다.
  2. 단말은 primary synch signal 를 발견하고, 해당 Base Station에게 해당 cell에 대한 여러 정보를 포함한 secondary synch signal을 요청한다.
    • 여러 정보 : channel bandwidth, configurations, Base Station’s cellular carrier info
  3. 단말은 특정 BS를 선택하여 association을 맺는다.
  4. 이후 authentication 을 수행해 서비스를 받는다.

배터리 절약 위해 단말은 sleep / awake 반복

LTE mobile : sleep mode

  • Wifi / Bluetooth와 같이 배터리 절약 위해 sleep에 들어갈수 있다.

light sleep : 100ms동안 비활성화시

  • 들어오는 전송 확인을 위해 100ms마다 깨어난다.

deep sleep : 5~10초 비활성화시

  • 이동안 cell이 변경될수 있다 > association을 새로 establish 해야한다.

mobility

mobility 접근법

  • 네트워크가 관리하도록 한다.
    • 단말이 이동할 때마다 모바일 관련 이동 정보를 모두에게 알려줘서 모든 노드의 RT들이 내용을 업데이트하는 것은 현실적으로 불가능! => 확장성이 없다.

End System에서의 처리

Home network : 내가 가입한 서비스

  • HSS가 인증정보와 서비스 정보를 저장한다.

Visited network

  • 홈 네트워크 제외한 나머지 네트워크
  • 다른 네트워크와 서비스 조약이 있어야 한다.

Indirect routing

  • 나의 위치에 상관없이 나의 Home network로 데이터를 보낸다
    • Home network : 처음에 가입한 망
  • Home network가 내 위치를 파악해 자신이 받은 데이터를 내게 전달한다.
  • 경로가 길어짐

Direct routing

  • 내가 이동한 곳으로 데이터를 직접 보낸다.

Visited Network로 이동한 단말은

MME 와 HSS 가 단말의 이동을 관리한다.

  1. Visited Mobility Manager 에게 연결하고 싶다고 association 요청
  2. Visited Mobility Manager 는 단말의 위치를 Home HSS 에 알려준다.
  • Permanent addr : Home network로부터 할당받은 고유 주소
  • IMSI : SIM 카드 안에 있는 변하지 않는 고유 주소
  • NAT IP : Visited Network로 이동하면 바뀐 IP 값을 갖는다.


  • Direct routing 은 자신의 이동정보를 open해야하고, 늘 서버단에서 확인해야 한다는 단점이 있다.

5g

  • 속도 10배
  • 지연시간 10배 빠른
  • 트래픽 수용량 100배
  • 24~52Ghz 대역 사용
    • mmWave
    • 빠른 데이터 전송 속도, 좁은 거리
  • MIMO 사용

4g network mobility

  1. 단말이 base station과 association을 맺는다.

    • 단말은 ISMI를 base station에게 제공한다.

  2. control-plane configuration
    - 실제 데이터 이동에는 관여하지 않고, 데이터 이동을 위한 부가적 기능을 제공한다.
    MME와 home HSS 는 단말이 visited network에 있다는 control-plane 상태를 만든다.

  3. data-plane configuration
    - MME 는 단말을 위한 forwarding tunnel을 구성한다.
    Visited network와 Home network는 Home P-GW 를 단말로 연결하는 tunnel을 만든다.

  4. Mobile handover

    • 단말 기기는 visited network로 point of attachment를 변경시킨다.

같은 cellular 망 BS 간 Handover

  • 신호가 약해지면 handover를 통해 다른 Base station 과 연결하게 된다.

  1. 신호가 약해지면 Mobile이 주변의 BS 신호를 측정해 source BS에 알려준다.
  2. source BS가 target BS 정하고 Handover request message 보냄
  3. target BS는 radio / time slot 할당 및 HR ACK 보냄
  4. source BS 가 새로운 BS에 대한 정보를 단말에 전달
  5. source BS 가 단말에 보내는 datagram을 새 BS 로 포워딩
  6. target BS가 MME에게 자신이 새로운 단말의 BS임을 알림
    • MME가 S-GW에게 tunnel endpoint 를 target BS로 변경
  7. target BS가 source BS에 ACK 보내 handover 완료 알림
  • source BS는 ACK 을 받으면 기존에 단말에게 데이터 전달을 위해 할당했던 자원들을 회수한다.
  • handover 완료 알림
  1. 단말의 데이터가 targetBS에서 S-GW까지 새로운 터널로 전달

Mobile IP

  • 모바일 이동성을 위해 Mobile IP 기능을 탑재
  • Cellular 망도 All-IP 를 사용하다보니 단말기가 자꾸 이동하는 상황에서 어디 있던 간에 서비스를 받을 수 있어야 한다.
  • 따라서 Handover 와 Roaming을 구현
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