[컴퓨터 네트워크] 17. 무선 네트워크와 모바일 통신

무선 네트워크 구성
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[유선 인터넷]
      |
[기지국/AP] ----무선---- [무선 호스트]
      |         링크     [무선 호스트]
      |                  [무선 호스트]
[유선 네트워크]

구성 요소:
  1. 무선 호스트: 스마트폰, 노트북, 태블릿
  2. 기지국 (Base Station): AP, 셀 타워
  3. 무선 링크: 호스트와 기지국 간 통신 채널
  4. 네트워크 인프라: 기지국을 유선 네트워크에 연결

무선 네트워크 분류
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                 | 인프라 있음        | 인프라 없음
-----------------+-------------------+------------------
단일 홉          | WiFi, 4G LTE     | Bluetooth
                 | (AP/기지국 경유)  | (장치 간 직접)
-----------------+-------------------+------------------
다중 홉          | 무선 메쉬         | MANET, VANET
                 | (릴레이 사용)     | (애드혹 네트워크)

무선 링크의 주요 특성
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1. 경로 손실 (Path Loss)
   - 신호 세기가 거리에 따라 급격히 감소
   - 자유 공간: 거리의 제곱에 반비례
   - 실내: 벽, 가구 등에 의한 추가 감쇄

2. 다중 경로 페이딩 (Multipath Fading)
   - 신호가 여러 경로로 반사/회절되어 도달
   - 여러 신호가 합쳐져 강화 또는 상쇄

3. 간섭 (Interference)
   - 같은 주파수를 사용하는 다른 장치와의 간섭
   - 전자레인지, 블루투스 등 (2.4GHz 대역)

4. SNR (Signal-to-Noise Ratio)
   - 신호 대 잡음비: 높을수록 오류 감소
   - SNR이 높으면: 높은 변조율, 높은 전송률
   - SNR이 낮으면: 낮은 변조율, 낮은 전송률

숨은 터미널 문제 (Hidden Terminal Problem)
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      장애물
[A] .....|..... [B] ---------- [C]
 |       |       |              |
 |  A의 범위     |  B의 범위    |
 |<----->|       |<----------->|
 |               |
 A는 C를 감지 불가
 C는 A를 감지 불가

문제:
  A가 B에게 전송 중
  C는 채널을 감지: "비어있음" (A의 신호를 감지 못함)
  C도 B에게 전송 시작 --> B에서 충돌 발생!

이것이 무선에서 CSMA/CD를 사용할 수 없는 이유

802.11 네트워크 구조
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BSS (Basic Service Set):
  [AP (Access Point)]
   /    |    \
 [H1]  [H2]  [H3]
  무선 호스트들

ESS (Extended Service Set):
  [AP1] --- 유선 --- [AP2] --- 유선 --- [AP3]
   / \                / \                / \
 [H1][H2]          [H3][H4]          [H5][H6]

주요 구성:
  - BSS: 하나의 AP와 연결된 무선 호스트 그룹
  - AP: 유선 네트워크와 무선 호스트를 연결하는 브리지
  - SSID: 네트워크 식별 이름 (예: "MyWiFi")
  - 채널: 1~11 (2.4GHz) 또는 36~165 (5GHz)

WiFi 연결 과정
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1. AP 발견
   - 수동 스캔: AP가 주기적으로 비콘 프레임 전송
   - 능동 스캔: 호스트가 프로브 요청 전송, AP가 응답

2. 인증 및 연결
   호스트                          AP
     |--- 인증 요청 (Authentication) -->|
     |<-- 인증 응답 --------------------|
     |--- 연결 요청 (Association) ----->|
     |<-- 연결 응답 --------------------|

3. DHCP로 IP 주소 획득

4. 데이터 전송 시작

CSMA/CA 동작
===============

1. 채널 감지 (Carrier Sense)
   - DIFS(Distributed Inter-Frame Space) 동안 채널이 비어있으면 전송

2. 채널이 사용 중이면:
   - 랜덤 백오프 타이머 시작
   - 채널이 비어있을 때만 타이머 카운트다운
   - 타이머 = 0이 되면 전송

3. ACK 확인
   - 수신 측이 SIFS(Short Inter-Frame Space) 후 ACK 전송
   - ACK 미수신 시 재전송 (백오프 값 증가)

타임라인:
  송신자: [DIFS 대기][데이터 전송]....[타임아웃]
  수신자:                         [SIFS][ACK]

CSMA/CD vs CSMA/CA:
  CD: 충돌 감지 후 즉시 중단 (이더넷)
  CA: 충돌 회피 + ACK 확인 (WiFi)

RTS/CTS 동작
===============

송신자 A                AP                수신 범위의 노드들
    |                   |                       |
    |-- RTS ----------->|                       |
    |   (송신 요청)      |                       |
    |                   |---- CTS ------------->|
    |<-- CTS -----------|   (채널 예약 알림)      |
    |                   |                       |
    |== 데이터 ========>|                       |
    |                   |                       | (전송 자제)
    |<-- ACK -----------|                       |
    |                   |                       |

RTS: Request to Send (전송 요청)
CTS: Clear to Send (전송 허가)

CTS를 수신한 모든 노드는 지정된 시간 동안 전송을 자제
  --> 숨은 터미널 문제 해결

802.11 프레임 구조
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+-------+------+------+------+------+-----+------+------+-----+
|Frame  |Dur-  |Addr  |Addr  |Addr  |Seq  |Addr  |Data  | CRC |
|Control|ation | 1    | 2    | 3    |Ctrl | 4    |      |     |
| 2B    | 2B   | 6B   | 6B   | 6B   | 2B  | 6B   |0-2312| 4B  |
+-------+------+------+------+------+-----+------+------+-----+

4개의 MAC 주소 필드:
  주소 1: 수신 무선 인터페이스의 MAC
  주소 2: 송신 무선 인터페이스의 MAC
  주소 3: AP에 연결된 라우터 인터페이스의 MAC
  주소 4: 애드혹 모드에서만 사용

왜 3개의 주소가 필요한가:
  H1 --> AP --> 라우터(R1)
  주소 1: AP의 MAC (무선 수신자)
  주소 2: H1의 MAC (무선 송신자)
  주소 3: R1의 MAC (최종 목적지 방향)

WiFi 표준 발전
================

표준      | 출시  | 주파수    | 최대 속도   | 특징
----------+-------+----------+------------+------------------
802.11b   | 1999  | 2.4 GHz  | 11 Mbps    | 초기 보급
802.11a   | 1999  | 5 GHz    | 54 Mbps    | OFDM
802.11g   | 2003  | 2.4 GHz  | 54 Mbps    | b와 호환
802.11n   | 2009  | 2.4/5 GHz| 600 Mbps   | MIMO
(WiFi 4)  |       |          |            |
802.11ac  | 2013  | 5 GHz    | 6.9 Gbps   | MU-MIMO
(WiFi 5)  |       |          |            |
802.11ax  | 2020  | 2.4/5/6  | 9.6 Gbps   | OFDMA
(WiFi 6)  |       | GHz      |            |

셀룰러 네트워크 기본 구조
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  [셀 1]    [셀 2]    [셀 3]
   / \       / \       / \
  /   \     /   \     /   \
 / BTS \   / BTS \   / BTS \
(기지국)  (기지국)  (기지국)
   |          |          |
   +----------+----------+
              |
         [BSC/RNC]
         (기지국 제어기)
              |
         [MSC/MME]
         (이동 교환국)
              |
     [코어 네트워크] --- [인터넷]

셀(Cell): 하나의 기지국이 커버하는 영역
주파수 재사용: 인접하지 않은 셀에서 같은 주파수 사용

셀룰러 네트워크 세대별 발전
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세대   | 기술      | 속도            | 특징
-------+----------+----------------+------------------
1G     | AMPS     | 2.4 Kbps       | 아날로그 음성
2G     | GSM      | 14.4 Kbps      | 디지털 음성
2.5G   | GPRS     | 56-114 Kbps    | 패킷 데이터
2.75G  | EDGE     | 384 Kbps       | 향상된 데이터
3G     | UMTS     | 2 Mbps         | 모바일 인터넷
3.5G   | HSPA     | 14 Mbps        | 고속 패킷
4G     | LTE      | 100 Mbps~1Gbps | All-IP 네트워크
4.5G   | LTE-A    | 3 Gbps         | 캐리어 집성
5G     | NR       | 20 Gbps        | 초저지연, IoT

4G LTE 네트워크 구조
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[UE] --무선-- [eNodeB] --- [S-GW] --- [P-GW] --- [인터넷]
                |           |           |
                |       [MME]       [PCRF]
                |     (이동성관리)  (정책/과금)
                |
            [HSS]
          (가입자 DB)

UE:      User Equipment (사용자 장치)
eNodeB:  기지국 (진화된 Node B)
S-GW:    Serving Gateway (데이터 경로 관리)
P-GW:    Packet Gateway (인터넷 연결)
MME:     Mobility Management Entity (이동성 관리)
HSS:     Home Subscriber Server (가입자 정보)

핵심 특징:
  - 모든 트래픽이 IP 패킷으로 전송 (All-IP)
  - 음성도 VoLTE (Voice over LTE)로 처리
  - 평탄한 아키텍처 (계층 감소로 지연 최소화)

이동성 수준
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이동 없음                                      높은 이동성
    |-------|--------|--------|--------|---------|
    고정    저이동   중이동    고이동   초고속이동
    데스크탑 WiFi    보행자   차량     고속열차
             로밍    핸드오프  핸드오프

핸드오프 과정
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이동 단말이 한 기지국에서 다른 기지국으로 이동:

  [이전 BS] .... [이동 단말] .... [새 BS]
      |                              |
      |  신호 약해짐    신호 강해짐   |
      |                              |
      |<--- 핸드오프 결정 ---------->|
      |                              |
      |---- 트래픽 경로 전환 ------->|
      |                              |

핸드오프 유형:
  1. 하드 핸드오프: 이전 연결 끊고 새 연결 (GSM)
  2. 소프트 핸드오프: 양쪽 동시 연결 유지 (CDMA)

핸드오프 기준:
  - 신호 세기 (RSSI)
  - 신호 품질 (SINR)
  - 부하 분산

이동성 지원: 간접 라우팅
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홈 네트워크                    방문 네트워크
[홈 에이전트]                  [외부 에이전트]
     |                              |
     |<---- 이동 단말 등록 ---------|
     |                              |
통신 상대방 --> 홈 에이전트 --> 외부 에이전트 --> 이동 단말
                (터널링)        (전달)

단점: 삼각 라우팅 (Triangle Routing)
  통신 상대방이 방문 네트워크 바로 옆에 있어도
  홈 네트워크를 경유해야 함

직접 라우팅:
  통신 상대방이 홈 에이전트에서 현재 위치를 확인
  이후 직접 외부 에이전트로 전송 (삼각 라우팅 회피)

WiFi 보안 프로토콜 발전
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프로토콜 | 출시  | 암호화      | 보안 수준
---------+-------+------------+----------
WEP      | 1999  | RC4 (40bit)| 매우 취약 (사용 금지)
WPA      | 2003  | TKIP       | 과도기적
WPA2     | 2004  | AES-CCMP   | 양호
WPA3     | 2018  | SAE + AES  | 강력

WPA2 동작 (4-way Handshake):
  1. AP가 랜덤 값 전송
  2. 클라이언트가 랜덤 값 + MIC 전송
  3. AP가 그룹 키 + MIC 전송
  4. 클라이언트가 확인 전송
  --> 양측이 세션 키를 안전하게 공유