1. 개요

무선 네트워크의 요소

무선 네트워크는 다음과 같은 주요 구성 요소들로 이루어져 있다.

1. 무선 호스트 (Wireless Host)

• 무선 호스트는 애플리케이션을 실행하는 종단 시스템으로, 유선 네트워크의 클라이언트와 유사한 역할을 한다.
• 예시: 스마트폰, 태블릿, 랩톱, IoT 장치(센서, 가전제품, 자동차 등)

2. 무선 링크 (Wireless Link)

• 무선 호스트는 무선 통신 링크를 통해 기지국 또는 다른 무선 호스트에 연결된다.
• 무선 링크는 호스트를 네트워크의 코어 인프라로 연결해주는 역할을 한다. 때로는 네트워크 장치들 간의 연결에도 사용된다.

3. 기지국 (Base Station)

• 기지국은 연결된 무선 호스트들과의 데이터 송수신을 담당한다.

• 기지국은 해당 호스트들 간의 데이터 전송을 중재하고 조정한다.

• 무선 호스트가 특정 기지국에 결합(association)되었다는 것은 두 가지 의미를 갖는다:

  1. 호스트가 기지국의 무선 통신 영역 내에 있다.
  2. 호스트는 네트워크와의 데이터 중계를 해당 기지국을 통해 수행한다.

• 기지국의 예시:

  • 셀룰러 네트워크의 셀 타워 (cell tower)
  • 무선 네트워크의 AP (access point)

4. 인프라스트럭처 모드 (Infrastructure Mode)

• 기지국에 연결된 호스트는 인프라스트럭처 모드로 동작한다.

• 이 모드에서는 주소 할당, 라우팅 등의 네트워크 서비스가 기지국을 통해 제공된다.

• 애드혹 네트워크 (Ad hoc Network)와의 차이점:

  • 애드혹 네트워크에서는 기지국 같은 인프라스트럭처가 없으며, 호스트들이 스스로 라우팅, 주소 할당 등의 기능을 수행한다.

5. 핸드오프 (Handoff 또는 Handover)

• 무선 호스트가 하나의 기지국 영역을 벗어나 다른 기지국 영역으로 이동할 때, 네트워크 연결 지점을 변경해야 한다. 이를 핸드오프라 한다.

6. 네트워크 인프라스트럭처

• 무선 호스트가 접속해 통신하는 큰 네트워크를 의미한다.

예시) 백화점 내 Wi-Fi 작동 과정

1. 무선 호스트 연결: 고객의 스마트폰, 태블릿 등이 Wi-Fi에 연결된다. 각 무선 호스트는 백화점 내 여러 AP(Access Point) 중 하나와 연결되어 데이터를 주고받는다.

2. 무선 링크: 무선 통신 링크를 통해 기기와 AP 간에 데이터가 전송된다. AP는 무선 호스트의 데이터를 수집하고, 백화점 내 네트워크와 인터넷으로 전달한다.

3. 기지국(AP) 역할: AP는 연결된 무선 호스트와의 통신을 관리하며, 데이터를 주고받는 중재자 역할을 한다. 이를 통해 고객의 기기와 외부 네트워크 간 데이터 교환이 원활하게 이루어진다.

4. 핸드오프(Handoff): 고객이 이동하면서 더 가까운 AP가 있으면 자동으로 연결이 전환된다. 이는 끊김 없는 연결을 유지하기 위해 중요하다.

5. 인프라스트럭처 모드: 모든 AP는 백화점의 유선 네트워크와 연결되어 있으며, 이를 통해 고객 기기와 인터넷 간 통신이 이루어진다.

무선 네트워크의 종류

무선 네트워크는 여러 요소들이 결합되어 다양한 형태로 구성될 수 있다.
아래 두 가지 기준에 따라 무선 네트워크를 분류할 수 있다:

1. 패킷이 하나의 홉만 거치는가, 아니면 여러 홉을 거치는가?
2. 기지국 같은 네트워크 인프라스트럭처가 있는가, 없는가?

1. 단일 홉, 인프라스트럭처 존재

• 기지국을 통해 더 큰 유선 네트워크와 연결된다.
• 모든 통신은 기지국과 무선 호스트 사이에서 단일 홉으로 이루어진다.
• 예시: 802.11 Wi-Fi 네트워크(학교, 카페 등에서 사용), 4G LTE 네트워크

2. 단일 홉, 인프라스트럭처 없음

• 유선 네트워크에 연결된 기지국이 없다.
• 하나의 노드가 다른 노드들의 통신을 중재하고 조정할 수 있다.
• 예시: 블루투스 네트워크 (키보드, 스피커, 헤드셋 등)

3. 다중 홉, 인프라스트럭처 존재

• 기지국을 통해 더 큰 네트워크와 연결된다.
• 일부 노드는 기지국과 통신하기 위해 다른 노드를 중계해야 한다.
• 예시: 일부 무선 센서 네트워크, 무선 메시 네트워크

4. 다중 홉, 인프라스트럭처 없음

• 기지국이 없다.
• 메시지를 목적지에 보내기 위해 여러 노드들이 중계를 수행한다.
• 노드들의 이동성으로 인해 네트워크 연결이 변동될 수 있다.
• 예시: 이동 애드혹 네트워크 (MANET)

2. 무선 링크의 특징

• 가변적인 신호 품질: 무선 링크는 물리적 환경(장애물, 거리, 간섭 등)에 따라 신호 품질이 달라진다. 신호 강도가 약해지거나 간섭이 발생하면 데이터 전송 속도가 저하되거나 패킷 손실이 발생할 수 있다.
• 대역폭의 제약: 무선 통신은 유선에 비해 대역폭이 제한적이다. 특히, 여러 장치가 동일한 주파수 대역을 공유할 때 속도가 느려질 수 있다.
• 보안 문제: 무선 통신은 외부 공격이나 불법 접속에 노출될 위험이 높다. 따라서 암호화가 필수다.

3. WIFI

컴퓨터 전공자 수준에서 Wi-Fi에 대해 알아야 할 핵심 개념들은 기술적 작동 원리, 프로토콜, 보안, 네트워크 구성, 성능 요소 등이 있습니다. 이들을 간략히 정리하면 다음과 같습니다.

1. Wi-Fi 기본 개념

• IEEE 802.11 표준: Wi-Fi는 IEEE 802.11 표준에 따라 작동한다. 이 표준은 다양한 버전(e.g., 802.11a, b, g, n, ac, ax)으로 발전해 왔으며, 주파수 대역(2.4GHz, 5GHz, 6GHz), 데이터 전송 속도, 신호 처리 기술(MIMO, OFDM 등)이 각 버전마다 다르다.

2. Wi-Fi 작동 원리

• 무선 링크: Wi-Fi는 기지국(AP)과 무선 호스트(예: 스마트폰, 노트북) 사이에 무선 링크를 통해 데이터 통신을 수행한다. (중요)
• CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance): Wi-Fi는 충돌 회피 메커니즘을 통해 데이터를 송수신합니다. 송신 전에 채널을 감지해 채널이 비어 있을 때만 데이터를 전송한다.

3. 네트워크 구성

• 인프라스트럭처 모드: 대부분의 Wi-Fi 네트워크는 AP를 중심으로 무선 호스트가 연결되는 인프라스트럭처 모드를 사용한다.
• 애드혹 모드: AP 없이 호스트들 간 직접 통신하는 방식으로, 특정 상황에서 활용된다.

4. Wi-Fi 보안

• WPA, WPA2, WPA3: Wi-Fi 보안 프로토콜로, 각각의 발전된 버전에서 암호화 방식(e.g., TKIP, AES)을 개선하며 보안성을 높였다. 최신 버전인 WPA3는 개인 및 기업 네트워크에서 더욱 강력한 보안을 제공합니다.
• EAP (Extensible Authentication Protocol): 기업 환경에서 인증 서버(RADIUS)를 통해 네트워크 접속을 관리하는 데 사용된다.

5. 주파수 대역 및 채널 관리

• 2.4GHz vs 5GHz: 2.4GHz는 더 넓은 범위를 제공하지만 간섭이 심하며, 5GHz는 더 빠른 속도를 제공하지만 범위가 좁습니다. 최근 신기술인 6GHz 대역을 사용하는 Wi-Fi 6E는 더 많은 채널과 빠른 속도를 제공한다.
• 채널 간섭: 동일한 대역폭에서 인접한 채널이 중첩될 경우 간섭이 발생할 수 있다. 5GHz 대역은 2.4GHz에 비해 더 많은 비중첩 채널을 제공한다.

6. Wi-Fi 성능 최적화

• MIMO (Multiple Input Multiple Output): 여러 안테나를 사용해 데이터 전송 속도를 높이는 기술로, 최신 Wi-Fi 표준에서는 다수의 스트림을 동시에 처리한다.
• 채널 본딩: 여러 채널을 결합해 대역폭을 확장함으로써 데이터 전송 속도를 증가시킨다.
• QoS (Quality of Service): 다양한 트래픽 유형(음성, 영상, 데이터)에 대해 우선순위를 부여해 네트워크 성능을 관리한다.

7. 로밍과 핸드오프

• 로밍: 사용자가 이동 중일 때, 다른 AP로 끊김 없이 연결을 전환하는 과정이다.
• 핸드오프: 기존 연결을 새로운 AP로 변경하는 과정으로, 무선 네트워크에서의 원활한 사용자 경험을 위해 중요한 요소다.

8. Wi-Fi Mesh와 확장성

• Mesh Network: 여러 AP를 무선으로 연결해 넓은 범위에 걸쳐 안정적인 Wi-Fi 커버리지를 제공한다.

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3. 셀룰러 네트워크: 4G, 5G

1. 4G (Fourth Generation)

4G는 2000년대 후반에 등장한 모바일 네트워크 기술로, LTE (Long Term Evolution) 표준을 기반으로 한다. 4G는 이전 세대(3G)에 비해 속도와 효율성에서 큰 향상을 이루었다.

주요 특징

• 속도와 대역폭: 4G는 다운로드 속도가 이론적으로 최대 100Mbps, 업로드 속도는 최대 50Mbps다. 이를 통해 HD 비디오 스트리밍, 고속 웹 브라우징이 가능해졌다.
• IP 기반 네트워크: 4G는 음성 통화도 데이터 패킷으로 처리하며, VoIP(Voice over IP)로 음성 서비스를 제공한다.
• OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing): 데이터를 여러 주파수 채널로 분리해 전송함으로써 대역폭을 효율적으로 사용할 수 있습니다.
• 핸드오버: 사용자가 이동 중에도 끊김 없는 연결을 유지하기 위해 기지국 간 원활한 핸드오버를 지원합니다.

사용 사례

4G는 모바일 인터넷, 화상 통화, 소셜 미디어 등의 일상적인 응용 프로그램에서 널리 사용되며, LTE-Advanced 기술을 통해 더 높은 속도와 용량을 제공합니다.

2. 5G (Fifth Generation)

5G는 2019년부터 상용화된 최신 셀룰러 네트워크 기술로, 4G에 비해 속도, 지연 시간, 연결 밀도에서 큰 개선을 이뤘다.

주요 특징

• 속도: 5G는 최대 10Gbps의 속도를 지원하며, 4G보다 최대 100배 빠르다. 초고해상도 영상 스트리밍과 실시간 데이터 전송이 가능하다.
• 초저지연: 1ms 이하의 지연 시간을 목표로 하며, 자율주행차, 원격 수술 같은 실시간 응답이 중요한 애플리케이션에서 필수적이다.
• 주파수 대역: 5G는 저주파, 중주파, 고주파(mmWave)에서 운영되며, 특히 고주파(mmWave)는 초고속 전송을 가능하게 하지만, 범위가 짧고 장애물에 취약하다.
• Massive MIMO (Multiple Input Multiple Output): 다수의 안테나를 통해 동시에 많은 사용자와 기기를 연결, 고속 데이터 전송을 지원한다.
• 네트워크 슬라이싱: 하나의 물리적 네트워크를 다수의 가상 네트워크로 분할해 각 서비스에 맞춘 맞춤형 자원 할당이 가능하다.

사용 사례

5G는 IoT(사물인터넷), 스마트 시티, 자율주행차, AR/VR 등의 응용 분야에서 중요한 역할을 하며, 더 많은 기기들을 고속으로 연결할 수 있다.

3. 4G와 5G의 기술적 비교

특징	4G (LTE)	5G
최대 속도	100Mbps	10Gbps
지연 시간	10ms 이상	1ms 이하
주파수 대역	주로 2.4GHz, 5GHz	저주파, 중주파, 고주파(mmWave)
안테나 기술	MIMO (Multiple Input Multiple Output)	Massive MIMO
적용 분야	모바일 인터넷, HD 비디오	자율주행, 스마트 시티, AR/VR

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5. 이동성 관리: 원칙

이동 장치: 네트워크에 연결된 장치가 이동하면서 접속점을 변경하는 장치

장치 이동성: 네트워크 계층의 관점

네트워크 계층에서 장치 이동성은 장치가 네트워크를 이동할 때 발생하는 다양한 문제를 다룬다.

이동 장치의 상태에 따른 네트워크 문제

(a) 전원을 끄고 이동하는 경우

• 장치가 네트워크를 이동할 때 전원을 끄고 있다면, 네트워크 관점에서는 이동 중이 아니라고 간주합니다. 즉, 이동 장치는 모바일이 아니다.

• 예를 들어, 고객이 스마트폰의 전원을 끄고 백화점 내부를 돌아다니는 상황을 생각해보자. 네트워크 관점에서는 이 고객의 장치가 이동 중이지 않은 것처럼 보인다. 즉, 장치가 전혀 모바일 상태가 아니기 때문에, 네트워크 상에서는 장치가 이동하고 있지 않다고 간주한다.

(b) 동일 네트워크 내 이동

• 장치가 같은 네트워크 내에서 이동하더라도, 네트워크 계층에서는 장치가 이동하지 않는 것처럼 취급된다. 예를 들어, 같은 Wi-Fi AP나 LTE 기지국에 연결된 상태에서는 모바일로 간주되지 않는다.

• 고객이 같은 Wi-Fi AP(접속 지점)를 사용하는 채로 백화점 내에서 이동한다고 가정해보자.
  이 경우, 네트워크는 장치가 이동하지 않는 것처럼 처리한다.

(c) 연결을 유지하며 네트워크 변경

• 장치가 TCP와 같은 연결을 유지하며 네트워크를 변경할 때, 네트워크는 핸드오버(데이터를 새 네트워크로 전달하는 과정)를 지원해야 한다. 예를 들어, 장치가 Wi-Fi AP를 이동하거나 LTE 셀을 변경할 때 필요하다.
• 고객이 백화점에서 Wi-Fi AP를 변경하거나 다른 층으로 이동하여 새로운 AP에 연결될 때, 장치가 기존의 TCP 연결을 유지하려고 한다. 이 경우 네트워크는 핸드오버를 지원해야 한다.
  즉, 장치가 새로운 AP에 연결될 때 데이터가 끊기지 않고 계속 전달될 수 있도록 네트워크가 조정해야 한다.

(d) 여러 네트워크 간 로밍

• 장치가 서로 다른 통신 사업자 네트워크를 로밍할 경우, 핸드오버 절차가 더 복잡해진다. 여러 사업자 간 협력이 필요하다.

• 고객이 백화점 내에서 이동할 때, 예를 들어 다른 사업자의 Wi-Fi 네트워크로 로밍하는 상황을 생각해보자. 고객의 장치가 백화점의 다른 구역으로 이동하면서 서로 다른 Wi-Fi 네트워크를 이용할 때, 이 네트워크 간의 핸드오버 절차는 복잡해진다. 여러 Wi-Fi 네트워크가 협력하여 데이터가 중단되지 않도록 보장해야 하기 때문에, 핸드오버 절차가 복잡해질 수 있다.