7: 무선 네트워크와 모바일 네트워크
무선 네트워크의 요소
무선 호스트(와이파이 모양)
기지국(중계소 모양)
무선 링크
infrastructure 모드
ad hoc 모드
무선 링크 특성
경로 손실 : 무선 신호의 전파 거리가 증가하면, 신호의 세기가 약해지는 감쇠 현상이 발생한다.
ex) 자유공간 손실, 대기 흡수 등
다중 경로 전파 : 무선 신호는 물체, 지표, 건물 등에 반사되어 발생하는 다양한 길이의 경로들로 수신 노드에 약간 다른 시간에 도착
다른 노드들의 간섭 : 많은 장치들이 동일한 주파수 대역을 공유하여 서로에게 간섭 발생
숨은 노드 문제 : 무선 LAN에서 3개의 노드가 있을때 중간 1개 노드는 양 노드가 보여 모두 통신가능하나, 장애물 또는 먼 거리에 있는 두개의 A,C노드들은 서로 통신이 되지 않는 현상 발생(충돌 발생 늘어남)
SNR : 수신 신호의 세기와 잡음의 상대적 비율
- SNR이 클수록 잡음에서 신호를 추출하기가 더 쉽다. 비트 오류율이 감소하기 때문이다.
SNR vs BER(bit error ratio, 비트 오류율) 트레이드오프(상호 모순적 관계)
- 동일한 전송률 : 출력의 세기가 증가하면 SNR이 증가하므로 BER은 감소함
- 동일한 SNR : BER 요구 사항을 충족시키면서, 주어진 채널 환경에서 최고의 처리량을 달성하는 전송률 선택
- SNR은 이동성(mobility)에 따라 달라질수 있음 -> 전송률을 동적으로 조정
SNR 증가 -> BER 감소 -> 전송률 증가 가능
코드 분할 다중 접속
각 사용자에게 유일한 코드(chipping sequence) 할당
- 모든 사용자는 동일한 주파수 대역을 공유하지만 각 사용자는 데이터를 인코딩하기 위해 자신만의 코드를 가짐
사용자 간의 코드가 직교이면 여러 사용자가 최소한의 간섭으로 동시에 전송할수 있음
- 직교 : 사용자들의 코드 내적 결과가 0
인코딩 : 내적을 활용
공식
디코딩 : 내적의 합을 활용
공식
802.11 : 결합
무선 호스트가 wi-fi를 통해 인터넷에 접속하기 위해선 반드시 하나의 AP와 결합해야함
1. 채널을 검색하여 beacon 프레임 수신
2. 결합할 AP를 선택하면, 인증과정을 수행하고 DHCP를 실행하여 AP의 서브넷에서 IP주소를 획득함
AP는 주기적으로 Beacon 프레임을 브로드캐스트하여, AP의 이름과 MAC 주소를 무선 호스트에게 알림
IEEE 802.11 MAC 프로토콜 CSMA/CA(DCF)
802.11 송신자 동작
만약 채널이 DIFS 동안 유휴하면, 전체 프레임을 전송(충돌 검출 없음)
만약 채널이 유휴하지 않다면
- 이진 지수적 백오프 알고리즘을 통해 임의의 대기 시간을 갖는다.
- 채널이 유휴할때만 대기 시간을 감소시킴
- 대기 시간이 완료되면 프레임을 전송
만약 전송이 완료되었지만 수신자로부터 ACK가 없다면,
- 임의의 대기시간 범위를 2배로 증가시키고 2의 백오프 과정 수행
802.11 수신자 동작
만약 프레임을 성공적으로 수신하면
- SIFS 후에 ACK 전송(숨겨진 노드 문제 등으로 ACK 필요)
Collision Avoidance: RTS-CTS exchange
문제 : 데이터 프레임 간 충돌이 발생하면, 낭비되는 채널 시간이 너무 김
아이디어 : 송신자는 길이가 짧은 예약 프레임을 전송하여 데이터프레임 전송을 위한 채널 사용을 예약함
- 송신자는 길이가 짧은 RTS 프레임을 먼저 AP로 전송
* RTS 프레임 간 충돌은 여전히 발생할 수 있지만, 낭비되는 채널 시간은 짧음
- AP는 RTS 프레임에 대한 응답으로 CTS 프레임을 브로드캐스트함
- CTS 프레임은 BSS안의 모든 호스트가 듣게 됨
* 이후, 송신자는 데이터 프레임을 전송
* RTS/CTS 프레임에 예약된 채널 사용 기간이 포함되어 있으므로, 다른 호스트는 데이터 전송을 연기
- RTS/CTS 프레임 교환으로 숨은 노드 문제 해결도 가능
802.11: 고급 기능
전송률 적용
무선 호스트가 이동함에 따라 전송 SNR 값이 변경됨 -> 전송률을 동적으로 변경
- 무선 호스트가 AP에서 멀어짐에 따라 SNR 감소하여 BER 증가
- BER 너무 높아지면, 낮은 전송률로 변경하여 BER을 낮춤
- 특정 횟수 이상 연속적으로 전송에 성공하거나 일정 시간 후 한단계 높은 전송률로 전송 시도
전력 제어
무선 호스트는 전력 소모를 감소시키기 위해 수면상태와 동작상태를 반복함
호스트는 프레임의 전력 제어 비트 1로 설정하여 다음 beacon 프레임 전송까지 수면 상태로 전환한다는 것을 AP에 알림
- AP는 해당 호스트에 프레임 전송하지 않고 버퍼에 저장
- 호스트는 다음 beacon 프레임 전송 직전에 동작 상태로 전환
beacon 프레임 : 버퍼링 되어있는 프레임을 전달받을 호스트의 목록이 포함됨
- 수신할 프레임이 있는 호스트는 동작 상태가 되며, 그렇지 않으면 다음 beacon 프레임 전송까지 수면상태로 전환됨
무선과 이동성 : 상위 계층 프로토콜에의 영향
논리적으로, 무선과 이동성의 영향은 상위 계층에 최소여야 함
- 최선형 서비스 모델은 변경되지 않음
- TCP UDP는 무선 링크로 통신하는 이동 장치에서도 실행될수 있음
하지만 성능적인 측면에서 차이가 뚜렷함
- 비트 오류로 인한 패킷 손실 및 지연
- TCP는 핸드오버 손실을 혼잡으로 해석하고 불필요하게 혼잡 윈도우를 줄임
- 실시간 트래픽에 대한 지연 장애 및 무선 링크의 부족한 대역폭 자원
해결책 : 연결 분리 방법
- 하나는 이동 장치와 기지국 간에 (무선 부분), 나머지는 기지국과 목적지 호스트 간에 (유선 부분) 설정함
이동 장치는 데이터그램 전송 후 기지국로부터 ACK를 받았지만, 실제 데이터그램은 아직 목적지 호스트까지 도달하지 못할 수 있음