[컴퓨터네트워크] Ch.6 Wireless LANs

jungizz_·2023년 12월 18일

Computer Networks

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Wireless Networks

구성요소

  1. Wireless host
    • run application
    • stationary or mobile (정지해있거나 이동하거나)
  2. Base station (BS, 기지국)
    • 유선 네트워크(wired net)에 연결
    • relay 역할: 무선 호스트와 유선 네트워크 간의 패킷 전송 담당
  3. Wireless link
    • mobile(이동장치)을 BS에 연결하는데 사용 (호스트를 코어에 있는 네트워크 infrastructure에 연결)
    • backbone 링크로도 사용
    • multiple access protocol 사용하여 여러 장치에 동시에 접근 가능
    • 다양한 데이터 속도, 전송 거리

wireless network architecture

  1. Infrastructure mode
    • BS에 접속된 호스트의 동작 방식
    • BS가 mobile을 wired network에 연결
    • Handoff: mobile이 BS를 변경할 때 발생
    • 주소 할당이나 라우팅 등 기존의 모든 네트워크 서비스가 BS를 통해 네트워크에 연결된 호스트에게 제공
  2. ad-hoc mode
    • BS없음
    • 노드들은 link coverage안에서만 다른 노드로 전송 가능
    • 노드들은 서로를 인식하여 네트워크를 형성하고 자체적으로 경로 조직 (route among themseleves)
    • 호스트가 스스로 라우팅, 주소할당, DNS 주소 변환 등 수행

분류(taxonomy)

  • 무선 네트워크 내의 패킷이 거치는 홉의 개수
    • 홉: 데이터가 한 노드에서 다른 노드로 전달되는 과정
    • 단일 홉은 한 노드에서 다른 노드로 직접 이동
    • 다중 홉은 여러 무선 노드를 거쳐 이동)
  • BS와 같은 네트워크 infrasturcture의 유무
제목single hopmultiple hops
infrastructure호스트가 BS에 직접 연결되어있으며 더 큰 인터넷에 연결됨 (wife, celluer)호스트가 더 큰 인터넷에 연결하기 위해 여러 무선 노드를 통한 relay를 가짐 (mesh net)
no infrastructureBS 없음, 더 큰 인터넷에 연결 안됨 (blutooth, ad-hoc nets)BS 없음, 더 큰 인터넷에 연결 안됨, 각 무선 노드가 서로를 relay하며 통신 (MANET, VANET)
  1. Decresed signal strength
    • 무선 신호는 물질을 통과하며 신호 세기가 감쇠 (path loss)
  2. Interference(간섭) from other sources
    • 표준화된 무선 네트워크 주파수(ex-2.4GHz)는 전화기같은 다른 장치들과 공유되므로, 외부 장치들이 성능에 간섭을 일으킬 수 있음
  3. Multipath propagation
    • 무선 신호는 물체에서 반사되어 다중 경로로 전파될 수 있음
    • 이러한 다중 경로로 인해 목적지에 다른 시간에 도착할 수 있음
  • 이러한 특성들은 무선 링크에서의 통신을 어렵게 만듦

problem from multiple wireless senders and receivers

  1. Hidden terminal problem
    • BA, BC는 통신하는데, AC는 통신 못함
    • AC는 서로의 존재를 몰라 B에게서 발생하는 간섭 인지 못함
  2. Signal Attenuation (신호 감쇠)
    • BA, BD는 통신하는데, AC는 B때문에 통신 못함

CDMA: Code Division Multiple Access

CDMA

  • code set partitioning
    • 여러 사용자가 동일한 주파수를 가지지만, 각 사용자에게는 고유한 코드 할당
    • 코드=own "chipping" sequence to encode data
  • 다중 사용자의 동시 전송
    • 여러 사용자에게 같이 존재하고(coexist) 동시에 전송할 수 있도록 해줌
    • 코드들이 orthogonal하다면 minimal inferference(간섭)
  • encoded signal
    • original data X chipping sequence
  • decoding
    • 인코딩된 신호와 해당 사용자의 chipping sequence의 내적

Wifi: IEEE 802.11 Wireless LANs

  • wireless LAN중 가장 성공적인 기술, Wifi

ISM (industrial, scientific, medical) band

  • 라에센서 없이 사용할 수 있는 주파수 범위
  • 산업, 과학, 의료 분야에서 활용
  • 높은 주파수 일수록 비용 증가

Architecture

WLAN architecture

  1. AP-based (AP: access point)
    • WLAN 호스트는 AP와 통신
  2. BSS (basic service set)
    • 단일 AP에 의해 제어되는 set of station
    • 802.11 구조의 가장 근본적인 구성 단위
    • 구성: 하나 이상의 무선 단말기, 하나의 BS (=AP)

WLAN Channels

  • 2.4GHz의 ISM band가 14개의 채널로 나눠져있으며, 각 채널 간에는 5MHz의 간격
    • 이웃 AP에 의해 선택된 채널이 같은 경우 interference possible
    • {1, 6, 11}은 유일한 non-overlapping channels set으로 AP 관리자는 1, 6, 11 채널을 사용해 3개의 AP를 설치할 수 있음 -> 간섭X

WLAN Association

  • 호스트는 무조건 AP와 associate
  • 이를 위한 2가지 프로세스 (scan channels)
  1. Passive scanning
    • Beacon frame의 수신을 통해 채널을 찾는 과정
    1. AP들로부터 Beacon frames 수신
    2. H1에서 선택된 AP로 Association request frame 메세지 전송
    3. 선택된 AP에서 H1으로 Association response frame 메세지 전송
  2. Active scanning
    • 무선 스테이션이 영역 안에 있는 AP들에게 탐사용 probe 프레임을 broadcast
    1. probe request frame이 H1으로부터 broadcast
    2. AP들로부터 probe responce frames이 도착
    3. H1에서 선택된 AP로 Association request frame 메세지 전송
    4. 선택된 AP에서 H1으로 Assiciation responce frame 메세지 전송

Mac protocol

Multiple access and CSMA/CD

  • multiple access -> 충돌을 피하기 위해 2개 이상의 노드가 동시에 전송되는 것을 방지해야됨
  • 802.3 Ethernet 에서의 multiple access control protocol은
    • CSMA: 각 스테이션은 전송하기 전에 채널을 감지하고, 채널이 사용 중일 때 전송 자제
    • CD: 전송중일 때 채널 보고 있다가, 다른 스테이션도 전송 중인 것을 감지하면 전송 중단 및 재전송 시도

802.11 MAC에서 충돌 감지가 어려운 이유

  • 충돌을 감지하려면 동시에 신호를 송수신할 수 있는 능력 필요한데
  • 신호 강도가 약하고, hidden terminal problem과 fading으로 인해 충돌 감지가 어려움
    -> 그래서 충돌 회피 기술 사용

IEEE 802.11 MAC Protocol

  • PCF (Point coordination function)
    • pointer coordinator(AP)의 polling based 포로토콜
    • WLAN에서 구현x
  • DCF (distributed coordination fuction)
    • asynchrounous data service
    • 802.11 WLAN의 기본 MAC 기술
    • binary exponential backoff algorithm의 CSMA/CA 사용
      (CD가 아닌 CACollision Avoidnace)
  • RTS/CTS mechanism
    • DCF에서 사용되는 optional virtual corrier sense mechanism
      • DCF는 hiddne terminal, exposed terminal 문제를 완전히 해결해주지 못함
    • 이 메커니즘으로는 hidden terminal problem 해결 가능

MAC protocol architecture

  • PCF는 contention-free(비경쟁형)서비스를 제공하기 위해 사용되는 centralized MAC algorithm
    • DCF 위에 구축, DCF의 특징을 활용해 사용자에게 충돌 없는 서비스 제공
  • DCF는 모든 트래픽에 대한 액세스를 제공하기 위해 contention algorithm 사용

IFS (inter frame space)

  • DIFS (distibuted coordination function IFS)
    • 가장 긴 IFS로 우선순위 가장 낮음
    • 비동기 프레임이 액세스를 contending하는데 최소 지연 제공
  • SIFS (short IFS)
    • 가장 짧은 IFS로 우선순위 가장 높음
    • ACK, CTS, polling response 등 즉각적인 응답 작업에 사용
  • PIFS (point coordination function IFS)
    • 중간 길이의 IFS로 우선순위 중간
    • PCF 어쩌꾸~
  • 802.11 송신자
    1. 만약 DIFS 동안 채널이 idle하다면 전체 프레임 전송하고, 그렇지 않으면
      • ramdom backoff timer를 시작
      • 채널이 idle해지거나 timer expires되면 프레임 전송
    2. 프레임 전송 후, ACK를 기다리고
      • ACK가 안오면 increase backoff interval, 위에 반복
  • 802.11 수신자
    • 수신된 프레임이 정상이면 SIFS 이후 ACK 반환 (hidden terminal problem 방지를 위해)

CSMA/CA

  1. 송신자는 전송하기 전에 carrier sense 수행
  2. 만약 DIFS 동안 채널이 idle이라면 전체 프레임 전송, 그렇지 않으면
    • 채널이 빌때까지 감지를 수행하고
    • 채널이 비어진 후 DIFS를 기다리고
    • random backoff timer 시작
  3. backoff timer 카운트 다운 동안
    • 채널 사용이 감지되면
      • timer 일시정지하고, 채널이 비면 다시 재개
    • 타이머가 0에 도달하면
      • 전체 프레임 전송
  • 타이머는 채널이 비어있을 때만 실행된다
  • Contention window example
  • DCF 전체 과정은 강노 31~ 참고

Hidden terminal problem

  • fading으로 인한 문제
    • 한 스테이션의 신호 범위는 circle shaped region으로 제한
    • 이로 인해 다른 스테이션에게 숨겨질 수 있음
  • example
    • H1과 H2는 서로 듣지 못할 때,
    • H1이 AP로 프레임 보냄
    • H2는 전송을 못듣고 DIFS기다리고 프레임 전송
    • 이렇게 충돌이 생기는데!! H1이랑 H2는 바보같이 감지 못해
  • 이 문제를 해결하기 위해 RTS/CTS 프레임을 주고받아 채널 접속을 예약함

RTS/CTS

  • Request to Send / Clear to Send
  • random access 대신 송신자가 채널 reserve(예약)할 수 있도록 해줌
  1. 프레임을 전송하고 싶은 송신자는 CSMA를 사용해 작은 RTS frame 먼저 전송
    • RTS는 충돌할 수 있지만 짧음
  2. 수신자는 이에대한 응답으로 CTS frame을 broadcast
  3. 모든 노드들은 CTS를 듣고
    • 송신자는 프레임을 전송하고
    • 다른 스테이션은 전송을 막는다

Frame Structure

frame format

  • 네개의 주소
    • Infra-structure mode에서 사용하는 주소
      • Address 1: 프레임을 수신하는 무선 스테이션의 MAC 주소
      • Address 2: 프레임을 전송하는 스테이션의 MAC 주소
      • Address 3: AP가 연결된 라우터 인터페이스의 MAC 주소
    • ad hoc mode에서 사용하는 주소
      • Address 4

frame encapsulation

Mobility in the same IP subnet

  • H1가 동일한 IP서브넷에 머무를 때
    • IP 주소가 동일하게 유지
  • H1가 어떤 AP와 연결되어있는지는 스위치의 self learning을 통해 알 수 있다
    • 스위치는 H1에서의 프레임을 보고 어떤 스위치를 통해 H1에 접근할 수 있는지를 기억

Mobile IP

  • 이동성 IP

Vocabulary

  • Home network: mobile의 permanet(영구적인) home 위치128.119.40/24
  • Permanent address: home network의 주소로 mobile에 항상 도달할 수 있는 주소128.119.40.186
  • Home agent: mobile이 원격 위치에 있을 때, 모바일이 움직이는 대신 대신 움직일 entity
  • Visited network: mobile이 현재 머무르는 네트워크 79.129.13/24
  • Care-of-address: 방문한 네트워크에서의 주소79.129.13.2
  • foreign agent: visited network에 있는 entity (mobile 대신 옴)
  • Correspondent: mobitle과 통신하고 싶은 상대

Mobile IP

  • home agent, forign agent, care-of-address, encapsulation 등과 같은 기능 포함
  • three components to standard
    • Indirect routing of datagram: 모바일이 이동할 때 데이터그램의 간접적인 라우팅
    • Agent discovery: visited network에서 foreign agnet를 발견
    • registration with home agent

Indirect routing

Registration

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