[컴퓨터 네트워킹 하향식 접근] 7. 무선 및 이동 네트워크

7.1 개요

무선 네트워크 구성 요소

• 무선 호스트 : 애플리케이션을 실행하는 종단 시스템 (스마트폰, 태블릿, 랩톱 등)
• 무선 링크 : 호스트는 무선 통신 링크(wireless communication link)를 통해 기지국이나 다른 무선 호스트에 연결된다. 
• 기지국 (base station)
  • 무선 네트워크 인프라스트럭처의 핵심.
  • 셀룰러 네트워크에서의 셀 타워(cell tower)와 802.11 무선 네트워크에서의 AP(access point) 등
  • 기지국에 접속된 호스트는 인프라스트럭처 방식(infrastructure mode)으로 동작한다. (주소 할당, 라우팅 등 기존의 모든 네트워크 서비스가 기지국을 통해 네트워크에 연결된 호스트에게 제공됨)
• 네트워크 인프라스트럭처 : 무선 호스트가 통신하고자 하는 큰 네트워크

무선 네트워크를 분류하는 방법

1. 무선 네트워크 내의 패킷이 하나의 홉만을 거치는 가? 또는 여러 홉을 거치는가?
2. 기지국과 같은 네트워크 인프라스트럭처가 있는가, 없는가?

 

7.2 무선 링크와 네트워크의 특징

무선 링크와 유선 링크의 차이점

• 신호 세기의 감소 
• 다른 출발지로부터의 간섭
• 다중 경로 전파(multipath propagation)

SNR(Signal-to-Noise Ratio)

• 무선 채널에서 무선 통신의 성공을 가르는 중요한 지표 중 하나
• SNR 값이 커질수록 수신 측에서는 잡음에도 불구하고 원하는 신호를 추출하기 쉬워진다
• BER(Bit-Error Rate) 과는 tradeoff 관계이다.

 

CDMA(code division multiple access)

• 채널 분할 접속 프로토콜의 하나로서, 무선 랜 및 셀룰러 기술에서 아주 많이 사용되고 있다. 
• CDMA 프로토콜에서는 송신자가 전송하는 각 비트를 확장해서 애초의 데이터 비트열보다 훨씬 빠른 속도(칩 속도(chipping rate))로 변화되도록 하는 신호(코드)를 곱하는 방식으로 인코딩한다.

 

7.3 와이파이:  IEEE 802.11 무선 랜

BSS(basic service set) : 가장 근본적인 구성 단위

• 하나 이상의 무선 단말기와 하나의 기지국(base station), 즉 AP(access point)로 구성된다.

802.11 표준

• AP가 주기적으로 비컨 프레임(beacon frame)을 전송할 것을 요구한다.
  • 비컨 프레임에는 AP의 SSID(Service Set Identifier)와 MAC주소가 포함된다.
• 수동적 스캐닝(passive scanning): 비컨 프레임의 수신을 통해 채널을 찾는 과정
• 능동적 스캐닝(active scanning): 무선 스테이션이 영역안에 있는 AP들에게 탐사용 프로브(probe) 프레임을 방송하는 방식

MAC 프로토콜

• CSMA(carrier sense multiple access), CSMA/CA(CSMA with collision avoidance) 랜덤 접속 프로토콜
• 충돌 검출을 사용하지 않고 충돌 회피 기술을 사용한다
• 무선 채널의 비트 오류율이 상대적으로 크므로 이더넷과 달리 802.11에서는 링크 계층 ARQ(ACK/재전송) 방식을 사용한다.

블루투스

PAN(Personal Area Network)

• 블루투스 네트워크는 무선 ISM(industrial, scientific, medical) 밴드로서 허가가 필요없는 2.4 GHz 대역에서 동작한다.
• 그리고 같은 주파수 대역을 사용하는 가전제품인 전자레인지, 가정용 무선전화 등과 경쟁한다.
• 블루투스 네트워크는 AP 등의 인프라스트럭처가 없는 애드혹 네트워크다.
• AP 없이 노드들이 스스로 네트워크를 구성하는 방법
  • 1. 이웃 탐색(neighbor discovery)
  • 2. 블루투스 페이징(Bluetooth paging)

 

7.4 셀룰러 네트워크: 4G, 5G

셀(cell)

• 셀룰러 네트워크의 영역이 전파 도달 능력에 따라 나뉘는 여러 개의 지리적 영역을 말한다
• 각각의 셀은 셀 영역 안의 이동 장치(mobile device)와 신호를 주고 받는 기지국(base station)을 갖고 있다

4G LTE 셀룰러 네트워크: 구조 및 요소

• 이동 장치: NAT를 통해 얻을 수 있는 IP 주소를 작고 있는 네트워크의 종단점
  • 전 세계적으로 고유한 IMSI(international mobile subscriber identity)라는 64비트의 식별자가 있으며, 이는 SIM(subscriber identity module) 카드에 저장된다
• 기지국: 무선 접속 네트워크에서 장치의 인증 및 자원(무선 채널)의 할다 기능을 조정한다
• 홈 가입자 서버(home subscriber server, HSS): 제어평면의 요소이며 HSS의 네트워크를 홈 네트워크로 사용하는 이동 장치에 대한 정보를 저장하는 데이터베이스다
• S-GW(serving gateway), P-GW(packet data network gateway), 네트워크 라우터: IP 데이터그램을 LTE 코어 네트워크 안에서 종료하는 경로를 따라 전달한다
• 이동성 관리 개체(mobility management entity, MME): 제어평면의 요소, 인증, 경로 설정, 셀 위치 추적의 역할을 한다

네트워크 접속

• 기지국과의 접속
• 상호 인증
• 매체 이동 장치와 PDN 게이트웨이 간 경로 구성

 

7.5 이동성 관리: 원칙

통신자가 보낸 데이터그램이 해당 이동 장치에 도달할 수 있도록 하기 위한 접근 방식

1. 기존 IP 주소 인프라 활용

2. 이동 장치로의 간접 라우팅

• 통신자는 이동 노드가 홈 네트워크에 있는지 또는 방문 네트워크에 있는지 모르는 상태로 데이터그램의 목적지 주소를 단순히 이동 노드의 영구적인 주소로 설정한 후 네트워크로 전송한다
• 삼각 라우팅 문제가 있다

3. 이동 장치로의 직접 라우팅

• 통신자는 먼저 이동 장치의 홈 네트워크 HSS에 질의함으로써 이동 장치가 위치해 있는 방문 네트워크로 직접 터널링 해서 전달한다

 

7.6 실전에서의 이동성 관리

4G/5G 기지국 셀 영역으로부터 다른 셀 영역으로 이동하는 시나리오

• 1. 이동 장치와 기지국 결합
  • 이동 장치는 방문 네트워크의 기지국과 결합한다
  • 이때, 이동 장치는 홈 네트워크 및 다른 가입자 정보, 이동 장치를 고유하게 식별하는 IMSI를 기지국에 제공한다
• 2. 이동 장치에 대한 LTE 네트워크 요소의 제어 평면 구성
  • 이동 장치와 기지국 간 신호 채널이 설정되면 기지국은 방문 네트워크의 MME와 접촉할 수 있다
  • MME는 이동 장치가 현재 방문 네트워크에 존재함을 홈 네트워크에 있는 HSS에 알리고 HSS는 데이터베이스를 갱신한다
  • 기지국과 이동 장치는 둘 사이에 설정도리 데이터 평면 채널에 대한 매개변수를 선택한다
• 3. 이동 장치에 대한 포워딩 터널의 데이터 평면 구성
  • 방문 네트워크와 홈 네트워크는 홈 네트워크의 PDN 게이트웨이를 통한 간접 라이팅을 사용하여, 이동 장치와 스트리밍 서버가 IP 데이터그램을 송수신할 수 있는 터널을 설정한다
• 4. 한 기지국에서 다른 기지국으로의 이동 장치 핸드오버
  • 이동 장치는 한 기지국에서 다른 기지국으로 핸드오버를 통한 방문 네트워크 결합 지점을 변경한다
  • 핸드 오버: 하나의 AP/기지국에서 다른 AP/기지국으로 데이터그램을 책임지고 전달하는 것