[제7장] 무선 및 이동 네트워크

7.1 개요

• wireless != mobile
• 기지국 (base station)
  - 무선 네트워크 인프라스트럭처의 핵심
  - 기지국에 결합된 무선 호스트와의 데이터 송수신에 대한 책임
  - 호스트가 자신과 네트워크 간의 데이터 중계(relay)를 위해 해당 기지국을 사용
  - ex. 셀룰러 네트워크에서의 셀 타워, 802.11 무선 네트워크에서의 AP
• 무선 링크
  - 호스트는 무선 통신 링크를 통해 기지국이나 다른 무선 호스트에 연결
  - 백본 링크로도 사용
  - 다중 액세스 프로토콜은 링크 액세스를 조정
  - 다양한 전송 속도 및 거리, 주파수 대역
• 인프라스트럭처 방식
  - 주소 할당이나 라우팅 등 기존의 모든 네트워크 서비스가 기지국을 통해 네트워크에 연결된 호스트에게 제공
  - 기지국은 모바일을 유선 네트워크로 연결
  - handoff : 유선 네트워크에 대한 연결을 제공하는 모바일 변경 기지국, 이동 호스트가 한 기지국 영역을 벗어나 다른 기지국 영역으로 이동하는 경우 중심부에 있는 큰 네트워크로의 접속점을 변경하는 과정
• 애드혹 네트워크 ad hoc mode
  - 인프라스트럭처없이 스스로 라우팅, 주소 할당. DNS 방식의 이름-주소변환 등의 서비스 수행
  - 노드는 링크 커버리지 내의 다른 노드로만 전송 가능
  - 기지국 존재X

[무선 네트워크 분리]

• 단일 홉, 인프라스트럭처 O
  - 호스트는 더 큰 유선 네트워크와 연결된 기지국에 연결
  - Wifi, 셀룰러, 802.11 네트워크
• 단일 홉, 인프라스트럭처 X
  - 기지국 존재 X
  - 더 큰 인터넷 연결X
  - 블루투스, 애드혹 네트워크
• 다중 홉, 인프라스트럭처 O
  - 호스트는 더 큰 인터넷에 연결하기 위해 여러 무선 노드를 통해 중계 가능
  - 무선 센서 네트워크, 무선 메시 네트워크
• 다중 홉, 인프라스트럭처 X
  - 기지국 존재 X
  - 더 큰 인터넷 연결 X
  - 노드 : 이동성, 노드들 간의 연결성 변화 가능
  - 주어진 다른 무선 노드 MANET, VANET에 도달하기 위해 중계해야 가능
  - MANET : 이동 애드혹 네트워크
  - VANET : 차량 애드혹 네트워크 (이동 노드가 차량)

7.2 무선 링크 및 네트워크 특징

[유선 링크와의 차이점]

• 감소된 신호 강도
  - 무선 신호는 물질을 통해 전파될 때 감쇠된다.
  - 경로 손실
• 다른 소스로부터의 간섭
  - 많은 장치 (Wifi, 셀룰러, 모터) 에서 공유하는 무선 네트워크 주파수 간섭
  - 여러 소스에서 같은 대역을 사용
• 다중 경로 전파
  - 무선 신호가 지상 물체에 반사되어 약간 다른 시간에 전달
  - 신호 또렷하지 않게 만든다.
• 이러한 특징들 때문에 다루기 까다로움.

[SNR : Signal-to-Noise Ratio]

• 측정된 수신 신호의 세기와 잡음의 상대적 비율
• 단위는 데시벨(dB)
• SNR값이 커질수록 수신 측에서는 잡음에도 불구하고 원하는 신호를 추출하기 쉬워진다.
• BER : Bit Error Rate
  - 세 가지 변조 기법의 비트 오류율
  - 송신된 비트가 수신 측에서 오류로 검출될 확률
  - 적을 수록 좋은 것
• SNR과 BER의 관계
  - 동일한 물리 계층 내에서는 SNR값이 높을 수록 BER값은 낮아진다.
  - 동일한 SNR 값에서는 높은 전송률을 갖는 물리 계층이 더 높은 BER 값을 갖는다.
  - SNR은 이동성에 따라 변경될 수 있다. : 물리 계층을 동적으로 적응 (변조기술, 속도)

[무선 링크 문제]

• 숨은 터미널 문제 - 장애물로 인해 A와 C가 서로 인지 X
• 페이딩 현상- 신호가 무선 매체를 통과함에 따라 신호 세기 감소
  - 수신 측에서 충돌 검출 못할 가능성

7.2.1 CDMA

7.3 와이파이 : 802.11 무선 랜

• 802.11 무선 LAN은 다양한 표준이 존재

7.3.1 802.11 WLAN 구조

• 기지국
  - 무선 호스트가 기지국과 통신
  - 기지국 = AP (Access Point)
  - 6바이트의 MAC주소 (IEEE에서 관리)
• BSS (Basic Service Set)
  - '셀'이라고도 불림
  - 무선 호스트
  - (AP)
  

[채널과 결합]

• 서로 다른 주파수의 채널로 스펙트럼 분할- AP 관리자가 AP의 주파수 선택
  - 간섭 가능 : 이웃 AP가 선택한 채널과 동일할 수도
• 결합
  - 개별 무선 단말기는 네트워크 계층 데이터를 송수신하기 전에 하나의 AP와 결합되어 있어야 한다.
  - 결합된 AP만이 데이터 프레임을 무선 스테이션에 전송 가능
  - 무선 스테이션은 결합된 AP를 통해서만 인터넷으로 데이 프레임 전송 가능
• AP가 주기적으로 비컨 프레임을 전송할 것을 요구
  - 802.11 표준
  - 비컨 프레임(beacon frame): AP의 SSID, MAC 주소 포함
  - 비컨 프레임으로부터 사용 가능한 AP들의 정보를 얻은 무선 스테이션은 결합을 맺을 AP 하나를 선택
  - AP 선택 알고리즘X : 일반적으로 비컨 시그널의 세기가 가장 강한 AP 선택
• 도착 호스트
  - 연결할 AP 선택한 후 인증 수행 가능
  - 그런 다음 일반적으로 DHCP 실행하여 AP의 서브넷에서 IP주소 가져옴.

[AP 탐색]

• 수동적 스캐닝 (passive scanning) - AP들로부터 비컨 프레임이 전송됨
  - H1에서 선택된 AP로 결합 요청 메시지를 전송
  - 선택된 AP에서 H1으로 결합 수락 메시지를 전송
• 능동적 스캐닝 (active scanning) - 탐사용 프로브 프레임이 H1으로부터 방송됨.
  - AP들로부터 프로브 응답 메시지가 도착
  - H1에서 선택된 AP로 결합 요청 메시지를 전송
  - 선택된 AP에서 H1으로 결합 수락 메시지를 전송

7.3.2 802.11 MAC 프로토콜

[IEEE 802.11: 다중 접속]

• 충돌 방지
  - 동시에 전송하는 2개 이상의 노드
• CSMA
  - 전송 전 감지
  - 다른 노드에서 감지된 진행 중인 전송과 충돌 X
• 한계
  - 충돌을 감지하기 어려움 : 높은 전송 신호, 페이딩으로 인한 약한 수신 신호
  - 숨겨진 터미널 문제
  - 목표 : 충돌방지 CSMA/CA (CollisionAvoidance)

[IEEE 802.11 MAC 프로토콜 : CSMA/CA]

• 802.11 송신자
  1. 스테이션은 채널이 사용되지 않음을 감지하면 DIFS라는 짧은 시간동안 기다린 후에 프레임을 전송
  - DIFS (Distributed Inter-frame Space) : 전파 지연 방지
  2. 채널이 사용 중이면, 스테이션은 backoff 방식에 따라 선택된 임의의 시간동안 대기
  - 카운트 다운 만료시 전송
  - ACK가 없으면 backoff 간격 늘리고 반복
• 802.11 수신자
  - 프레임이 정상적으로 수신된 경우 SIFS 후 ACK 반환
  - 숨겨진 터미널 문제로 인해 ACK 필요

[더 나아간 충돌 방지 : RTS와 CTS]

• 숨은 터미널이 존재하더라도 충돌 방지 가능한 "예약" 방법
• RTS
  - Request-To-Send
  - 송신자는 먼저 CSMA를 사용하여 작은 RTS 패킷을 AP로 전송
  - RTS는 여전히 서로 충돌할 수 있음 (단, 짧음)
• CTS
  - Clear-To-Send
  - AP는 RTS에 대한 응답으로 CTS 브로드캐스트
• 모든 노드에서 듣는 CTS
  - 발신자는 데이터 프레임을 전송
  - 다른 스테이션은 전송을 연기

7.3.3 IEEE 802.11 프레임

[address 필드]

• address1
  - 프레임을 받을 무선 호스트나 AP의 MAC 주소
• address2
  - 프레임을 전송한 무선 호스트나 AP의 MAC 주소
• address3
  - AP에 연결될 라우터 인터페이스의 MAC 주소
• address4
  - 애드혹 네트워크에서만 사용
• 주소 필드가 4개나 필요한 이유
  - 네트워크 연동을 위해
  - 무선 스테이션에서 AP를 통해 라우터 인터페이스로 네트워크 계층 데이터그램을 전송하는 경우

[Frame Control, Duration, Sequence Number 필드]

• Frame Control
  - 여러 개의 서브 필드
  - Type, Subtype : 결합, 데이터 프레임을 구분
  - To, From : 주소 필드들의 의미 정의
  - WEB : 암호화 사용 여부
• Duration
  - ACK 전송하는 시간을 포함한 시간 동안 채널 예약할 때
  - 데이터 프레임과 RTS, CTS 프레임 모두에 대한 시간값
• Sequence Number
  - 3장의 트랜스포트 계층과 마찬가지
  [Payload, CRC 필드]
• 페이로드
  - 하나의 IP 데이터 그램이나 ARP 패킷
  - 최대 2312byte
• CRC
  - 수신자가 프레임의 비트 오류 검출
  - 32비트
  - 비트 오류는 유선보다 무선 랜에서 많이 발생

7.3.4 동일한 IP 서브넷 내에서의 이동성

7.3.5 802.11의 고급 특징

7.3.6 PAN(Personal Area Network) : 블루투스

7.4 셀룰러 네트워크 : 4G, 5G

7.4.1 4G LTE 셀룰러 네트워크 : 구조 및 요소

7.4.2 LTE 프로토콜 스택

7.4.3 LTE 무선 접속 네트워크

7.4.4 추가적인 LTE 기능 : 네트워크 접속과 전원 관리

7.4.5 글로벌 셀룰러 네트워크 : 네트워크들의 네트워크

7.4.6 5G 셀룰러 네트워크

7.5 이동성 관리 : 원칙

7.5.1 장치 이동성 : 네트워크 계층의 관점

7.5.2 홈 네트워크 및 방문 네트워크로의 로밍

7.5.3 이동 장치로의 직접 라우팅과 간접 라우팅

7.6 실전에서의 이동성 관리

7.6.1 4G/5G 네트워크에서의 이동성 관리

7.6.2 이동 IP

7.7 무선과 이동성 : 상위 계층 프로토콜에의 영향