CHAPTER 07 무선 이동 네트워크

또 오랜만에 돌아와버렸는데, 곧 중간고사 기간인 것과 별개로 캡스톤 프로젝트가 아찔하다. 교수님 진짜 서운함

 

지난 주는 휴대폰 화면이 박살나고, 지갑을 잃어버리는 사고들이 있어서 더 어지럽기도 했다.

 

이번 챕터에서는 노트북, 스마트폰과 같은 호스트가 어떻게 통신할 수 있는지 알아볼 수 있었다. 이전까지 공부한 것과는 좀 다를 거 같은데, 무선 호스트는 어떤 차이가 있는지, 특히 어떻게 목적지인 이동 노드로 데이터가 전달되는지 궁금증을 가지며 책을 읽어나갔다.

 

나름 엄선한 벚꽃 사진. 이 정도면 나쁘지 않게 찍은 듯

 

개요

• 무선 네트워크 구성 요소
  • 무선 호스트
    • 애플리케이션을 실행하는 종단 시스템 장치
    • 랩톱, 태블릿, 스마트폰, 데스크톱
  • 무선 랜
  • 기지국
    • 기지국에 결합된 무선 호스트와의 데이터 송수신에 대한 책임을 짐
    • 무선 호스트와 나머지 네트워크 부분과의 링크 계층 중계 기능을 제공
  • 네트워크 기반구조
• 무선 네트워크 분류
  • 단일 홉, 기반구조 존재
    • 보다 큰 유선 네트워크와 연결된 기지국 보유
    • 모든 통신은 이 기지국과 무선 호스트 사이에 단일 무선 홉으로 이루어짐
    • 교실, 음식점, 도서관 등에서의 802.11 네트워크, 4G 무선 데이터 네트워크
  • 단일 홉, 기반구조 없음
    • 유선 네트워크와 연결된 기지국이 없음
    • 단일 홉 네트워크 안의 하나의 노드가 다른 노드들의 전송을 중재, 조정 가능
    • 블루투스 네트워크, ad hoc 형태의 802.11 네트워크
  • 다중 홉, 기반구조 존재
    • 보다 큰 유선 네트워크와 연결된 기지국 보유
    • 일부 노드는 기지국과 통신하기 위해 다른 무선 노드들의 중계를 거쳐야 함
    • 일부 무선 센서 네트워크와 소위 무선 메시 네트워크
  • 다중 홉, 기반구조 없음
    • 유선 네트워크와 연결된 기지국이 없음
    • 노드들은 메시지를 목적지에 보내기 위해 여러 개의 다른 노드들의 중계를 거칠 수 있음
    • 노드가 이동성이 있어 노드 간의 연결성이 변화할 수 있음 → 이동 애드 혹 네트워크
    • 이동 노드가 차량일 때 → 이동 애드 혹 네트워크

무선 랜과 네트워크의 특징

• 유선 링크와 무선 랜 간 차이
  • 신호 세기의 감소
  • 다른 출발지로부터의 간섭
  • 다중경로 전파
• SNR: 측정된 수신 신호의 세기와 잡음의 상대적인 비율
• BER: 송신된 비트가 수신 측에서 오류로 검출될 확률
• 물리 계층의 특성
  • 동일한 변조 기법 내에서는 SNR값이 높을수록 BER값이 낮아짐
    • 출력 세기를 높이면 SNR값이 커지고, 수신된 비트에서 오류가 발생할 확률이 낮아짐
    • 출력 세기를 높일수록 다른 송신자의 전송과 더 많은 간섭이 생길 수 있음
  • 동일한 SNR값에서는 높은 전송률를 가지는 변조 기법이 더 높은 BER값을 가짐
  • 변조 기술을 채널의 조건에 적합하도록 유연하게 적응시키기 위해 물리 계층 변조 기법의 동적인 선택이 사용될 수 있음

CDMA

• 송신자가 전송하는 각 비트를 확장하여 원래 데이터보다 빠른 속도(chipping rate)로 변하는 신호(code)를 곱하는 방식으로 인코딩

WiFi: 802.11 무선 랜

• 802.11 표준 공통적 특징
  • CSMA/CA 사용
  • 동일한 링크 계층 프레임 구조 사용
  • 전송률 감소 기능
  • IEEE 802.11 제품은 이전 표준기술과 호환

802.11 구조

• BSS (basic service set)
  • 802.11 구조의 기본 구성 단위
  • 하나 이상의 무선 스테이션과 하나의 중앙 기지국(base station, AP)으로 구성
• 인프라스터럭처 무선 랜 - AP를 가진 무선 랜
• 인프라스트럭처 - AP와 라우터를 연결해주는 유선 이더넷 기반 구조와 AP

채널과 결합

• WiFi 정글: 무선 스테이션이 둘 이상의 AP로부터 충분히 강한 신호를 받을 수 있는 모든 지역
• 결합(associate)
  • 무선 스테이션이 AP와 가상회선을 만드는 것
  • 결합된 AP만이 데이터 프레임을 무선 스테이션에게 전송 가능
  • 무선 스테이션은 결합된 AP를 통해서만 데이터 프레임 전송 가능
• 수동적 스캐닝
  1. AP들로부터 비컨 프레임이 전송됨
  2. H1에서 선택된 AP로 결합 요청 메시지 전송
  3. 선택된 AP에서 H1으로 결합 수락 메시지 전송
• 능동적 스캐닝
  1. 탐사용 프로브 프레임이 H1으로부터 방송됨
  2. AP들로부터 프로브 응답 메시지가 도착
  3. H1에서 선택된 AP로 결합 요청 메시지 전송
  4. 선택된 AP에서 H1으로 결합 수락 메시지 전송

802.11 MAC 프로토콜

• AP 자신을 포함한 여러 스테이션이 동시에 동일한 채널로 데이터 프레임을 전송할 수 있음 → 전송을 조정하기 위해 다중 접속 프로토콜 필요
• CSMA/CA (CSMA with collision avoidence) - 스테이션이 전송하기 전 채널 상태를 감지하고, 만일 사용 중이라면 전송하지 않음
• ARQ(ACK/재전송) 방식 사용
• 충돌 검출 미구현
  • 802.11 어댑터에서 수신 신호의 세기는 송신 신호의 세기에 비해 아주 약하여, 이를 고려하여 충돌을 검출할 수 있는 하드웨어를 만드는 데 많은 비용 필요
  • 숨은 터미널 문제, 페이딩으로 인해 충돌을 검출하지 못할 수 있음
• 프레임 전송이 시작되면 해당 프레임 모두 전송
• 백오프 기법 수행 - 휴지 상태 이후 먼저 전송을 시작한 스테이션의 전송이 끝날 때까지 다른 스테이션이 기다림

숨은 터미널 해결 방안: RTS와 CTS

• 숨은 터미널을 확인하지 못하고 프레임 전송 시 충돌 발생
• RTS(Reqeust to Send) 제어 프레임과 CTS(Clear to Send) 제어 프레임을 주고 받아 채널 접근 예약

IEEE 802.11 프레임

페이로드와 CRC 필드

• 수신자가 수신한 프레임의 비트 오류를 검출할 수 있도록 32비트 CRC 포함

주소 필드

• Address 2: 프레임을 전송하는 스테이션의 MAC 주소
• Address 1: 프레임을 수신하는 무선 스테이션의 MAC 주소
• Address 3: 라우터 인터페이스의 MAC 주소 포함

802.11의 진전된 특징

802.11 전송률 적응

• 거리가 멀어짐에 따라 SNR이 감소하고 BER이 높아져 제대로 전송되는 프레임이 현저하게 낮아짐
• 현재 또는 최근 채널 상황에 따라 사용되는 물리 계층 변조 기법을 적응적으로 선택

전력 제어

• sleep state ↔ wake state
• 비컨 신호가 전송되기 직전에 sleep에서 wake로 전환

PAN: 블루투스와 지그비

지그비

• 저전력, 저속, 저사용률
• 온도 및 조명 센서, 보안 장비, 벽의 스위치 등
• FFD - 블루투스의 마스터와 비슷하게 동작
• RFD - FFD의 제어를 받음

셀룰러 인터넷 접근

셀룰러 네트워크 구조 개요

2G 셀룰러 네트워크 구조: 전화망으로 음성 연결

• 셀룰러: 지리 영역이 여러 개의 셀(유효 도달 범위)로 나뉜 것
• 한 셀에 하나의 기지국 존재
• 기지국(BTS) - 해당 셀 안의 이동 스테이션의 신호 송수신
• 기지국 제어기(BSC)
  • 수십 개의 기지국에 대한 서비스 지원
  • 기지국의 무선 채널을 이동 사용자에게 할당하고 페이징(이동 사용자가 현재 위치한 셀의 위치를 찾아내는 것)
  • 이동 사용자의 핸드오프 기능 수행

3G 셀룰러 데이터 네트워크: 무선 가입자로의 인터넷 확대

3G 코어 네트워크

• SGSN(Serving GPRS Node) - 해당 SGSN이 접속해 있는 무선 액세스 네트워크에서 이동 단말기 간의 데이터그램 송수신을 책임짐
• GGSN
  • 게이트웨이처럼 동작, 다수의 SSGN을 더 큰 인터넷과 연결
  • 이동 단말기로부터 전송된 데이터그램이 더 큰 인터넷에 진입하기 직전에 만나는 3G 인프라스트럭처의 마지막 단계

3G 액세스 네트워크

• 우리가 3G 사용자로서 만나는 무선 첫번째 홉 네트워크
• 무선 네트워크 제어기(RNC) - 여러 개의 BTS 제어

4세대(4G)로: LTE

4G 시스템 구조: All-IP 코어 네트워크

• 4G 구조 중요 요인
  • 통일된 all-IP 네트워크 구조
  • 4G 데이터 플레인과 4G 제어 플레인의 명확한 분리
  • 무선 접속 네트워크와 all-IP 코어 네트워크의 명확한 분리
• 4G 구조 핵심 요소
  • eNodeB
    • 2G의 기지국과 3G의 node B의 진화한 형태
    • LTE 무선 접속 네트워크를 통해 UE와 P-GW 간 데이터그램 전달
  • 패킷 데이터 네트워크 게이트웨이(P-GW)
    • UE에게 IP 주소 할당
    • QoS 관리 기능 수행
    • 데이터그램 전달 시 데이터 캡슐화 및 캡슐 제거
  • S-GW
    • 데이터 플레인의 이동성 앵커 지점으로 모든 UE 트래픽이 S-GW를 통과
    • 요금 과금 기능과 법적인 트래픽 차단 기능 수행
  • 이동성 관리자(MME)
  • 홈 등록 서버(HSS)
    • 로밍 접속 용량, QoS 프로파일, 인증 정보 등을 포함한 UE 정보 유지
    • UE 홈 셀룰러 제공자에게서 획득

이동성 관리: 원칙

• 홈 네트워크: 이동 노드의 영구적인 집
• 홈 에이전트: 이동 노드를 위해 이동성 관리 기능을 수행하는 홈 네트워크의 개체
• 방문 네트워크: 이동 노드가 현재 머무는 네트워크
• 방문 에이전트: 이동성 관리 기능을 수행하면서 이동 노드를 돕는 방문 네트워크의 개체

주소체계

• 영구적인 주소로 전송되는 트래픽이 어떻게 방문 네트워크로 전달되는가
• 이동 노드가 다른 네트워크로 이동할 때, 새 방문 네트워크는 이동 노드로의 새로운 경로를 알리고, 이전 방문 네트워크는 이동 노드와 관련된 자신의 라우팅 정보 제거
  • 라우터가 수백만 개의 이동 노드에 대한 엔트리를 포워딩 테이블에 유지하고, 노드가 이동할 때마다 해당 엔트리를 갱신해야 함
• 이동성 기능을 네트워크 중심이 아닌 네트워크 경계에서 수행
  • 방문 에이전트를 방문 네트워크의 가장자리에 있는 라우터에 위치시킴
  • 방문 에이전트
    • 이동 노드를 위한 COA(care-of-address) 생성
    • 홈 에이전트에게 자신의 네트워크에 이동 노드가 머물고 있음과 해당 COA를 갖고 있음을 알림

이동 노드로의 라우팅

• 어떻게 목적지인 이동 노드로 데이터그램을 전달할 수 있는가

이동 노드로의 간접 라우팅

• 송신자는 이동 노드가 홈/방문 네트워크 중 어디에 있는지 모르는 상태로 데이터그램의 목적지 주소를 단순히 이동 노드의 영구적인 주소로 설정 후 네트워크로 전송
• 이동성 지원에 필요한 새로운 네트워크 계층 기능
  • 이동 노드에서 방문 에이전트의 프로토콜 - 방문 에이전트에 등록, 떠날 때 취소
  • 방문 에이전트에서 홈 에이전트로의 등록 프로토콜 - 방문 에이전트는 이동 노드의 COA를 홈 에이전트에게 등록
  • 홈 에이전트에서의 데이터 캡슐화 프로토콜
  • 방문 에이전트에서의 역캡슐화 프로토콜

이동 노드로의 직접 라우팅

• 간접 라우팅 방식에서 삼각 라우팅 문제 발생 가능
• 직접 라우팅
  • 상대방 에이전트가 먼저 이동 노드의 COA 인지
  • 상대방 에이전트가 데이터그램을 이동 노드의 COA로 직접 터널링
  • 문제
    • 이동 사용자 위치 파악 프로토콜 필요 - 상대방 에이전트가 홈 에이전트에게 이동 노드의 COA를 문의하기 위함
    • 이동 노드가 한 방문 네트워크에서 다른 방문 네트워크로 이동 시, 데이터가 어떻게 새로운 방문 네트워크로 전달 가능한가
    • → 변경된 COA를 통신 상대방에게 알려주는 새로운 프로토콜 개발
• 앵커 방문 에이전트: 이동 노드가 처음 있었던 방문 네트워크의 방문 에이전트
• 이동 노드가 이동 시, 새 방문 네트워크의 방문 에이전트는 새로운 COA를 앵커 방문 에이전트에 전달

이동 IP

• 이동 IP - 이동성을 지원하는 인터넷 구조 및 프로토콜
• 이동 IP 표준 구성
  • 에이전트 발견(agent discovery)
    • 홈 에이전트나 방문 에이전트가 이동 노드에게 자신이 제공 가능한 서비스를 알리기 위해 사용하는 프로토콜에 대한 정의
    • 이동 노드가 방문 에이전트나 홈 에이전트에게 서비스를 요청하기 위해 사용하는 프로토콜에 대한 정의
  • 홈 에이전트와의 등록(registration with the home agent) - 이동 노드 및 방문 에이전트가 이동 노드의 홈 에이전트와 COA를 등록/해제하기 위해 사용하는 프로토콜에 대한 정의
  • 데이터그램의 간접 라우팅 - 데이터그램 포워딩 규칙, 오류 조건 처리 규칙, 다양한 형태의 캡슐화처럼 홈 에이전트가 데이터그램을 이동 노드로 포워딩하는 방법에 대한 정의

에이전트 발견

• 기존 라우터 발견 프로토콜 extension의 주요 필드
• Home agent 비트(H)
• Foreign agent 비트(F)
• Registration required 비트(R): 네트워크에 있는 이동 사용자가 반드시 방문 에이전트에 등록해야 함을 뜻함
• M과 G encapsulation 비트: IP-in-IP 캡슐화가 아닌 다른 형태의 캡슐화가 사용됨
• COA 필드: 방문 에이전트가 제공하는 하나 이상의 COA로 구성된 목록

홈 에이전트로의 등록

1. 방문 에이전트 광고 수신 후, 이동 노드는 이동 IP 등록 메시지를 방문 에이전트로 전송
2. 방문 에이전트는 등록 메시지 수신 후, 이동 노드의 영구적인 IP 주소 기록, 이동 IP 등록 메시지를 홈 에이전트로 전송
3. 홈 에이전트는 등록 요청 수신 후, 인증 및 정확성 검사 실행, HA, MA, 실제 등록 수명, 해당 등록 요청의 등록 식별을 포함하는 이동 IP 등록 응답 전송
4. 방문 에이전트는 등록 응답 수신 후 이동 노드로 전달

셀룰러 네트워크에서의 이동성 관리

• 홈 PLMN(home public land mobile network): 이동 노드의 홈 네트워크 - 홈 네트워크
  • HLR(home location registar) 데이터베이스 유지
  • HLR
    • 가입자마다 영구적인 전화번호 및 가입자 개인 정보 포함
    • 가입자의 현재 위치 저장
• 방문 PLMN: 이동 노드가 현재 머물고 있는 네트워크 - 방문 네트워크
  • VLR(visitor location registar) 데이터베이스 유지
  • VLR
    • 자신이 지원하는 네트워크에 현재 있는 이동 사용자마다 엔트리 보유
    • 이동 사용자가 네트워크에 들어가고 나감에 따라 생성/삭제
    • MSC(mobile switching center)와 함께 존재 - 방문 네트워크의 콜 설정 조정

이동 사용자로의 콜 전달

1. 상대방이 이동 사용자의 전화번호를 입력한다. 상대방에게서 공중전화 교환망(PSTN)을 거쳐 이동 사용자의 홈 네트워크에 있는 홈 MSC로 전달한다.
2. 홈 MSC는 이동 사용자의 위치를 알기 위해 HLR에 문의한다. HLR은 MSRN(mobile station roaming number, 로밍 번호 - 이동 노드가 방문 네트워크로 들어갈 때 임시로 할당됨)를 반환한다.
3. 홈 MSC는 네트워크를 거쳐 방문 네트워크의 MSC로 콜 전달을 한다.

• 어떻게 HLR이 이동 사용자의 위치 정보를 얻는가?
  1. 이동 노드가 방문 네트워크에 등록 - 이동 노드와 VLR 간 메시지 교환
  2. VLR은 위치 갱신 요청 메시지를 이동 노드의 HLR로 전송

GSM에서의 핸드오프

• 핸드오프
  • 이동 중인 기기가 콜 진행 중, 다른 기지국으로 결합 설정을 변경할 때 발생
  • 재라우팅 필요
• 발생 이유
  • 현재 기지국과 이동 노드 간의 신호가 더 이상 콜이 연결되지 않을 정도로 나쁨
  • 콜이 너무 많아서 셀에 과부하가 걸림
• 앵커 MSC: 콜이 처음 시작될 때 이동 노드가 방문한 MSC
• MSC 체인 연결