[정보통신공학] CH13 교수님 요약 정리

IEEE 802.11 (무선 LAN; Wireless LAN)

Ad-hoc Networking (애드혹 네트워킹)

• 임시 네트워크 (Temporary network)
• 무선 액세스 포인트(WAP; Wireless Access Point) 없이 장치 간 직접 통신 (peer-to-peer)
• 인터넷 연결은 제공되지 않음

Infrastructure Mode (인프라스트럭처 모드)

• WAP(무선 액세스 포인트)를 이용함: 모든 스테이션(station)은 WAP에 연결되어 WAP을 통해 다른 스테이션과 통신함
• WAP(코디네이터)의 주요 기능:
  • 두 스테이션 간 데이터 릴레이 중계
  • IEEE 802.11과 다른 IEEE 802.x 표준 간 브리징 역할
  • 여러 스테이션 간 다중 접속(multiple access) 관리
• WAP는 WLAN을 지원하면서 동시에 L2 스위치(wired LAN)와 연결되어 있기 때문에, WAP을 통해 인터넷 접속이 가능함

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WiFi의 역사

• MIMO(Multiple Input Multiple Output)는 WiFi-4부터 시작됨
• MU-MIMO(Multi-User MIMO)는 WiFi-5부터 도입됨
• WiFi-4와 WiFi-6는 듀얼 밴드(dual-band, 2.4GHz와 5GHz) 지원
• WiFi-6E는 트라이 밴드(tri-band, 2.4/5/6GHz) 지원
• WiFi-7은 'EHT (Extremely High Throughput)'라는 별칭을 가지고 있으며, 이론상 최대 46Gbps의 전송 속도를 목표로 함

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WiFi-5 vs. WiFi-6

• WiFi-6: 여러 사용자(user)가 동시에 데이터 전송이 가능하므로 미디어 접근 제어(Media Access Control) 알고리즘이 필수는 아니지만, **이전 세대(WiFi-1~5)**와의 호환성(backward compatibility)을 위해 CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, 충돌 회피 방식) 기능이 여전히 포함됨
• WiFi-5는 Downlink(DL) MU-MIMO만 지원하지만, WiFi-6는 Uplink UL MU-MIMO도 가능하여 8명의 사용자와 동시에 고대역 통신이 가능함
• WiFi-5는 5GHz 대역만 사용하지만, WiFi-6는 2.4GHz 대역도 지원하여 커버리지가 더 넓음
• 두 기술 모두 **MCM (Multiple Carrier Modulation)**을 사용하여 다수의 직교 서브캐리어(orthogonal sub-carrier)를 활용함으로써 고속 통신이 가능하고 **ISI (Inter-Symbol Interference, 심볼 간 간섭)**를 줄임
  • WiFi-5는 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 기반으로, 한 번에 한 명만 데이터 전송 가능
  • WiFi-6는 **OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)**를 사용하여 여러 사용자가 동시에 데이터 전송 가능
  • 단, 모든 단말기와 WAP이 OFDMA를 지원하지 않을 수 있으므로 CSMA/CA는 여전히 필요
• WiFi-6는 배터리 절약을 위한 스케줄 기반 접근 제어(scheduled access control) 기능 제공
• WiFi-6는 하나의 심볼(symbol)이 10비트의 정보를 실어 나르며, WiFi-5보다 25% 전송 효율이 높음 (WiFi-5는 8비트)
• WiFi-6는 **inter-symbol duration (심볼 간 간격)**을 더 길게 설계하여 ISI를 줄임

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Hidden Node Problem (히든 노드 문제)

• 두 스테이션이 동일한 충돌 도메인(collision domain)에 있음에도 불구하고 서로의 신호를 감지할 수 없어 충돌(collision)이 발생하는 현상
• 예: 두 노드가 서로의 무선 범위 밖에 위치하거나 사이에 장애물이 있는 경우

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Exposed Node Problem (익스포즈드 노드 문제)

• Ad-hoc 모드의 선형 토폴로지(linear topology)에서, 실제로 동시에 전송(transmission)이 가능함에도 불구하고 노드가 서로의 신호를 감지하여 전송을 회피하게 되는 현상
• 이로 인해 **링크 효율(link efficiency)**이 떨어짐

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왜 WLAN은 Collision Detection(충돌 감지) 대신 Collision Avoidance(충돌 회피)가 필요한가?

• Hidden node problem으로 인해 충돌을 사전에 감지하는 것이 어렵기 때문
• ACK 없이 긴 전송을 하게 되면 대역폭 낭비가 발생할 수 있음 (유선 LAN에 비해 WLAN의 대역폭은 낮음)

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CSMA/CA with RTS/CTS 작동 방식 (RTS: Request to Send, CTS: Clear to Send)

1. 송신자(Sender)는 짧은 RTS 프레임을 브로드캐스트(broadcast)함 (RTS 간의 충돌 가능)
   • RTS에는 전송(TX)에 필요한 시간 정보 포함
2. 인프라스트럭처 모드에서는 AP가, Ad-hoc 모드에서는 수신 스테이션(Receiver STA)이 CTS 프레임을 브로드캐스트함
3. CTS 프레임을 수신한 다른 스테이션들은 CTS 프레임에 명시된 (DATA + ACK) 시간 동안 전송을 보류함 → 충돌 회피
4. 송신자는 목적지(AP 혹은 다른 STA)에게 유니캐스트(unicast) 방식으로 데이터 프레임을 전송함
5. 전송이 완료되면 수신자는 ACK 프레임을 브로드캐스트함
6. 다른 스테이션들은 ACK 수신 후, 혹은 DATA + ACK 시간만큼 대기 후 다시 RTS 전송을 시도함

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Exposed Node 상황 예시 (슬라이드 #16 기준)

Q: A가 D에게 RTS를 보냈고 D는 CTS를 보냈을 때, B가 RTS만 받고 CTS는 못 받은 경우, B는 A가 전송 중인 동안 C에게 데이터를 전송할 수 있을까?
→ 가능함

• B는 D의 CTS를 받지 못했으므로, 자신이 C로 전송해도 충돌이 발생하지 않음을 확신하게 됨
• 이 조건은 **선형 토폴로지(D--A--B--C)**일 때만 해당됨
• 만일 C가 다른 전송을 수신 중이었다면 CTS를 브로드캐스트했을 것이고, B가 그것을 감지했을 것임
• 따라서 B는 A와 동시에 전송 가능 → 링크 효율 향상
• 단, C가 A의 통신 범위 안에 있을 경우 충돌 발생 가능

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Hidden Node 상황 예시

Q: E가 F의 RTS를 받지 못했지만 G의 CTS를 받은 경우, E는 전송을 시작할 수 있을까?
→ 불가능함

• E와 F는 hidden node 관계에 있음
• 둘이 동시에 전송할 경우 G에서 충돌 발생 가능 (Ad-hoc 혹은 인프라스트럭처 모드에서 동일함)

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WiFi MAC 프레임

• 인프라스트럭처 WLAN에서는 데이터의 송/수신 주체와 실제 신호의 송/수신 주체의 MAC 주소가 서로 다를 수 있음

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WiFi 보안 (IEEE 802.11i)

• 통신 시스템에서 **프라이버시(privacy)**란 의도된 수신자만 메시지를 읽을 수 있도록 보장하는 것
• **WPA (Wi-Fi Protected Access)**는 **WEP (Wired Equivalent Privacy)**보다 보안이 강력함
• 현재는 WPA/WPA2/WPA3가 널리 사용되고 있음