[데통네] Chapter 08. 무선통신 시스템

김서연·2023년 12월 21일

CSMA/CA NFC RFID 네트워크 데이터링크 계층 데이터통신 블루투스 비콘 와이파이 지그비 피코넷

데이터통신 및 네트워크

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Section 01. 와이파이

01. 와이파이 개요

- 와이파이

와이파이(WiFi)는 와이파이 얼라이언스(WiFi alliance) 상표이며, IEEE 802.11 표준에 기반 한 무선 근거리 네트워크(Wireless LAN; WLAN)이다.

(유선 LAN은 이더넷)

하나의 LAN 선에 여러 기기(컴퓨터, 노트북, 프린터)를 공유하도록 만든 공유기(허브)를 무선으로 연결할 수 있도록 한다.

802.11 호환 무선 네트워크
2.4GHz, (최신) 5GHz 대역을 지원

- 와이파이 규격과 특징

가장 대중적인 규격은 802.11b, 802.11a, 802.11g, 802.11n, 802.11ac, 802.11ax

와이파이는 다양한 암호화 기술을 채택하고 있는데, 초기에는 암호화 방식을 WEP(Wired Equivalent Privacy)을 사용하였으나 쉽게 뚫리는 단점이 존재했다.

요즈음, 더 높은 품질의 암호화 방식(WPA(Wi-Fi Protected Access), WPA2) 들이 추가되었다.

02. CSMA/CA

💡 CSMA/CA: 와이파이(무선 LAN)에서의 충돌회피 프로토콜.

CSMA(Carrier Sense Multiple Acess): 회선 상태에 따라 여러 명이 동시에 접근하는 방식. Carrier를 감지하여 보낼지 대기할지 결정.

CA(Collision Avoidance): 충돌을 검사하여 제어. 충돌 회피 방식.

예비 신호(RTS, CTS)를 먼저 보내 충돌을 피하는 방식이다.

즉, 다른 호스트를 감시하다 데이터를 전송한다.

CSMA/CD과 유사한 경쟁방식을 사용한다. (CSMA 면에서)

단, 유선과 다르게 무선은 호스트마다 도달하는 전파의 범위가 달라 여러가지 문제가 발생할 수 있다. ⇒ 숨겨진 호스트 문제, 노출된 호스트 문제

- 숨겨진 호스트(hidden host) 문제

무선통신의 경우 기기 별로 전파 범위가 다르다.

데이터를 전송할 때 신호가 도달하지 않는 호스트가 존재할 수 있는데, 이때 발신하는 호스트의 입장에서 신호를 들을 수 없는 호스트를 숨겨진 호스트라고 한다.

이 그림에서는 A 입장에서 D가 신호를 들을 수 없는 호스트, 즉 숨겨진 호스트이다.

A 호스트가 B로 데이터를 전송하고 있는데, D가 이런 상황을 인지하지 못하고 B에게 데이터를 보낼 경우 충돌이 발생한다.

CSMA/CA는 숨겨진 호스트 문제를 예상하기 위해 핸드쉐이크를 사용한다.
(핸드쉐이크: 서로 주고 받고하는 동작)

RTS(Request To Send): 통신을 요청하는 신호
CTS(Clear To Send): 통신 요청(RTS)을 허락하는 의미의 신호
가상전송 모드(NAV 모드; Network Allocation Vector): 누군가 사용 중이기 때문에 전송을 할 수 없는 상태

RTS와 CTS는 전파가 닿는 모든 호스트에게 보내 통신할 것을 알리며, 이 신호를 받는 호스트들은 타임아웃 시간동안 가상전송(NAV 모드) 상태가 된다.

(CSMA/CA 방식의 모든 통신에는 타임아웃이 적용된다. 타임아웃 시간 안에는 통신을 마무리해야 한다.)

B가 A에게 통신을 요청하고, A는 수락의 의미인 CTS를 주변 모든 호스트에게 전송하며 통신 사실을 알린다.

⇒ 숨겨진 호스트로부터 충돌을 방지

- 노출된 호스트(Exposed Host) 문제

노출된 호스트 문제는 숨겨진 호스트 문제만큼 심각한 것은 아니지만, 충분히 문제가 될 수 있다.

A가 B와 통신을 하려고 한다.

A는 B와 통신하기 위해 주위에 RTS 신호를 보낸다. B는 이것에 응하기 위해 CTS 신호를 주위에 보내지만, C는 B의 범위에 들지 않기 때문에 실제로 통신이 시작됐는지 알 수 없다.

(CTS에는 어떤 호스트들이 통신하는지, 타임아웃 시간 등이 포함)

따라서 C가 D와 통신하기 위해 주위에 RTS 신호를 보내고 D가 CTS를 보내지만 A가 B에게 데이터를 전송 중이기 때문에 D가 보낸 CTS와 A가 보내는 데이터 사이의 중돌이 발생하게 된다.

(RTS, CTS 신호를 주위에 보내는 것처럼 데이터도 일직선상으로 하지 않고 A를 중심으로 한 범위에 퍼져나가는 방식이기 때문에 이런 문제가 발생하는 것 같다.)

따라서 C는 A의 전송이 끝나는 시간도 알 수 없는 채로 끝날 때까지 통신을 포기하게 된다.

Section 02. 블루투스와 비콘

01. 블루투스 개요

블루투스(Bluetooth)는 기기 간의 간단한 연결을 위한 무선 통신 시스템

무선 개인 통신망(WPAN; Wireless Personal Area Network)은 개인의 작업 공간에 장치들을 연결하기 위한 컴퓨터 네트워크로 10m 정도 거리에서 통신이 가능하다.
블루투스는 WPAN의 대표적인 통신 규격.
블루투스는 기기 간의 간단한 연결을 위한 무선 통신 시스템
2.4GHz 대역 사용

1997년 버전 1.0이 발표, 5.x 규격이 최신 규격

02. 블루투스 특징

애드혹(Ad-hoc) 방식: 순간의 망 생성, 흩어지면 사라짐.

블루투스가 네트워크를 구성하는 방식으로 기존의 LAN이나 인터넷 망과의 연결 없이 기기들이 네트워크를 구성한다.
(블루투스 네트워크는) 1개의 마스터(master), 여러 개의 슬레이브(slave)로 구성.

- 피코넷(piconet)

피코넷: 블루투스 네트워크. 아주 작은 네트워크라는 의미

마스터 - 슬레이브 노드를 각각 주 노드, 종속 노드로 묶음
피코넷의 경우 1개의 마스터, 7개의 슬레이브로 총 8개로 구성.
- 7개 이상은 프로토콜 상 불가

페어링: 마스터 기기, 슬레이브 기기를 하나로 묶는 단계

이때 마스터는 주 노드, 슬레이브는 종속 노드라고 표현한다.

파크(park) 상태: 등록은 되어있지만 쉬고 있는 상태(sleep). 파크 상태인 기기는 최대 256개까지 가능하다.

스캐터넷(scatternet): 피코넷을 조합하여 만들어지는 네트워크

03. 블루투스 프레임

블루투스 버전에 따라 다양한 프레임이 존재한다.

접근코드(Access code): 72bit.
헤더(Header): 54bit
- 같은 내용이 3번 반복된다.
- 주소(Address): 3bit, 슬레이브 ID
- Type: 4bit, 상위계층으로부터 오는 데이터의 유형
- HEC: 8bit, 18bit로 구성된 헤더에 대한 오류 탐색 필드(검사합)
  - header error check
  - 헤더는 3 * 18 = 54bit. 세 번 반복하면서 총 세 번 오류를 탐색하는 것!
데이터(Data): 0 ~ 2744bit
최대 2,870bit

04. 비콘(beacon)

블루투스 통신기술을 응용한 기술. 블루투스 비콘이라고도 불린다.

기지국의 축소판
단방향 모드 지원
- 이때, 페어링 없이 스마트기기에서 블루투스 기기로 데이터를 보낼 수 있다. 블루투스끼리 통신하기 위해 대기할 필요가 없어지는 것
자동 출석 시스템에 사용
최초 1회 등록 시, 이후에 자동으로 인식하여 서비스를 제공할 수 있다.

Section 03. RFID와 NFC

01. ID 코드의 발전

ID 코드(identification code): 사물을 구분하기 위해 만들어진 정보 체계

바코드(barcode), QR 코드(Quick Response code) ⇒ 보안성 문제

02. RFID의 특징

RFID(Radio Frequency IDentification): 라디오 주파수 대역을 사용하여 ID 정보를 전달하는 시스템.

태그 안의 작은 칩에 암호화된 정보가 담겨 있다.
단방향 데이터 전송(리더기 ← 태그)
전파를 이용하기 때문에 많은 양의 데이터를 쉽게 읽을 수 있다.
- 출입관리 시스템, 하이패스, 도난방지 태그
수동형 RFID가 가장 많이 쓰인다.

수동형(passive): 자체적으로 배터리나 전기를 가지지 않는다.
- 전자기 유도 방식으로 통신하여 배터리를 포함할 필요가 없다.
- 무선 충전, 전동칫솔에 사용
능동형: 자체적인 배터리를 사용하여 통신. 고가에 정확도가 높고 인식거리가 길다.
반수동형: 능동형, 수동형의 장점을 합쳐둔 형태. 태그 발신기로 수동형 태그의 신호를 증폭하여 발신