Split View: [컴퓨터 네트워크] 17. 무선 네트워크와 모바일 통신
[컴퓨터 네트워크] 17. 무선 네트워크와 모바일 통신
무선 네트워크와 모바일 통신
무선 네트워크는 현대 인터넷 접속의 핵심입니다. 스마트폰, 노트북, IoT 장치 등 대부분의 인터넷 접속이 무선을 통해 이루어집니다.
이 글에서는 무선 링크의 고유한 특성, WiFi(802.11) 프로토콜의 구조와 동작, 셀룰러 네트워크의 발전, 그리고 이동성 관리 메커니즘을 살펴봅니다.
1. 무선 네트워크의 구성 요소
무선 네트워크 구성
====================
[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
1.1 무선 네트워크 분류
무선 네트워크 분류
====================
| 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)
2. 무선 링크의 특성
2.1 유선 대비 차이점
무선 링크는 유선 링크와 근본적으로 다른 특성을 가집니다.
무선 링크의 주요 특성
======================
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
2.2 숨은 터미널 문제
숨은 터미널 문제 (Hidden Terminal Problem)
==========================================
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
3. WiFi (IEEE 802.11)
3.1 802.11 아키텍처
802.11 네트워크 구조
=====================
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)
3.2 802.11 연결 과정
WiFi 연결 과정
================
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
3.3 802.11 MAC 프로토콜: CSMA/CA
무선 환경에서는 충돌 감지(CD)가 어렵기 때문에 충돌 회피(CA)를 사용합니다.
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)
3.4 RTS/CTS 메커니즘
숨은 터미널 문제를 해결하기 위한 선택적 메커니즘입니다.
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
3.5 802.11 프레임 형식
802.11 프레임 구조
====================
+-------+------+------+------+------+-----+------+------+-----+
|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)
4. 802.11 표준의 발전
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 | |
5. 셀룰러 네트워크
5.1 셀룰러 구조
셀룰러 네트워크 기본 구조
===========================
[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
5.2 세대별 발전
셀룰러 네트워크 세대별 발전
==============================
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
5.3 4G LTE 아키텍처
4G LTE 네트워크 구조
======================
[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)
6. 이동성 관리
6.1 이동성의 스펙트럼
이동성 수준
=============
이동 없음 높은 이동성
|-------|--------|--------|--------|---------|
고정 저이동 중이동 고이동 초고속이동
데스크탑 WiFi 보행자 차량 고속열차
로밍 핸드오프 핸드오프
6.2 핸드오프 (Handoff/Handover)
핸드오프 과정
===============
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
6.3 간접 라우팅과 직접 라우팅
이동성 지원: 간접 라우팅
==========================
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)
7. 무선 보안
WiFi 보안 프로토콜 발전
=========================
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
8. 정리
| 개념 | 핵심 내용 |
|---|---|
| 경로 손실 | 신호 세기가 거리에 따라 급격히 감소 |
| 숨은 터미널 | 상대방의 전송을 감지 못해 충돌 발생 |
| CSMA/CA | 충돌 회피 + ACK 확인 방식 |
| RTS/CTS | 채널 예약으로 숨은 터미널 문제 해결 |
| 802.11 프레임 | 4개의 MAC 주소 필드 포함 |
| 셀룰러 | 셀 단위 주파수 재사용, 세대별 발전 |
| 4G LTE | All-IP 네트워크, 평탄한 아키텍처 |
| 핸드오프 | 기지국 간 이동 시 연결 전환 |
다음 글에서는 멀티미디어 네트워킹과 스트리밍 기술을 살펴보겠습니다.
참고 자료
- James F. Kurose, Keith W. Ross, "Computer Networking: A Top-Down Approach", 6th Edition, Chapter 6
- IEEE 802.11 - Wireless LAN Standard
- 3GPP TS 36.300 - LTE Architecture
[Computer Networking] 17. Wireless Networks and Mobile Communications
Wireless Networks and Mobile Communications
Wireless networks are central to modern Internet access. Most Internet connections -- from smartphones, laptops, and IoT devices -- occur over wireless links.
In this post, we examine the unique characteristics of wireless links, the structure and operation of WiFi (802.11) protocols, the evolution of cellular networks, and mobility management mechanisms.
1. Components of Wireless Networks
Wireless Network Components
==============================
[Wired Internet]
|
[Base Station/AP] ----Wireless---- [Wireless Host]
| Link [Wireless Host]
| [Wireless Host]
[Wired Network]
Components:
1. Wireless Hosts: Smartphones, laptops, tablets
2. Base Station: AP, cell tower
3. Wireless Link: Communication channel between host and base station
4. Network Infrastructure: Connects base stations to wired network
1.1 Wireless Network Classification
Wireless Network Classification
==================================
| Infrastructure-based | Infrastructure-less
-----------------+-----------------------+--------------------
Single Hop | WiFi, 4G LTE | Bluetooth
| (Via AP/Base Station) | (Direct device-to-device)
-----------------+-----------------------+--------------------
Multi Hop | Wireless Mesh | MANET, VANET
| (Using relays) | (Ad hoc networks)
2. Characteristics of Wireless Links
2.1 Differences from Wired Links
Wireless links have fundamentally different characteristics from wired links.
Key Characteristics of Wireless Links
========================================
1. Path Loss
- Signal strength decreases rapidly with distance
- Free space: inversely proportional to square of distance
- Indoors: additional attenuation from walls, furniture, etc.
2. Multipath Fading
- Signals arrive via multiple reflected/diffracted paths
- Multiple signals combine to strengthen or cancel
3. Interference
- Interference from other devices using same frequency
- Microwaves, Bluetooth, etc. (2.4GHz band)
4. SNR (Signal-to-Noise Ratio)
- Higher SNR: fewer errors
- High SNR: high modulation rate, high data rate
- Low SNR: low modulation rate, low data rate
2.2 Hidden Terminal Problem
Hidden Terminal Problem
========================
Obstacle
[A] .....|..... [B] ---------- [C]
| | | |
| A's range | B's range |
|<----->| |<----------->|
| |
A cannot sense C
C cannot sense A
Problem:
A is transmitting to B
C senses channel: "Idle!" (cannot sense A's signal)
C also starts transmitting to B --> Collision at B!
This is why CSMA/CD cannot be used in wireless
3. WiFi (IEEE 802.11)
3.1 802.11 Architecture
802.11 Network Structure
===========================
BSS (Basic Service Set):
[AP (Access Point)]
/ | \
[H1] [H2] [H3]
Wireless hosts
ESS (Extended Service Set):
[AP1] --- Wired --- [AP2] --- Wired --- [AP3]
/ \ / \ / \
[H1][H2] [H3][H4] [H5][H6]
Key Components:
- BSS: Group of wireless hosts associated with one AP
- AP: Bridge connecting wired network and wireless hosts
- SSID: Network identification name (e.g., "MyWiFi")
- Channel: 1~11 (2.4GHz) or 36~165 (5GHz)
3.2 802.11 Association Process
WiFi Association Process
==========================
1. AP Discovery
- Passive Scan: AP periodically sends beacon frames
- Active Scan: Host sends probe request, AP responds
2. Authentication and Association
Host AP
|--- Authentication Request -->|
|<-- Authentication Response --|
|--- Association Request ----->|
|<-- Association Response -----|
3. Obtain IP address via DHCP
4. Begin data transfer
3.3 802.11 MAC Protocol: CSMA/CA
In wireless environments, collision detection (CD) is difficult, so collision avoidance (CA) is used instead.
CSMA/CA Operation
====================
1. Carrier Sense
- If channel is idle during DIFS (Distributed Inter-Frame Space), transmit
2. If channel is busy:
- Start random backoff timer
- Countdown timer only when channel is idle
- Transmit when timer reaches 0
3. ACK Confirmation
- Receiver sends ACK after SIFS (Short Inter-Frame Space)
- Retransmit if ACK not received (increase backoff value)
Timeline:
Sender: [DIFS Wait][Data Transmission]....[Timeout]
Receiver: [SIFS][ACK]
CSMA/CD vs CSMA/CA:
CD: Detect collision then stop immediately (Ethernet)
CA: Avoid collision + ACK confirmation (WiFi)
3.4 RTS/CTS Mechanism
An optional mechanism to solve the hidden terminal problem.
RTS/CTS Operation
====================
Sender A AP Nodes in range
| | |
|-- RTS ----------->| |
| (Request to Send)| |
| |---- CTS ------------->|
|<-- CTS -----------| (Channel reservation)|
| | |
|== Data =========>| |
| | | (Refrain from transmitting)
|<-- ACK -----------| |
| | |
RTS: Request to Send
CTS: Clear to Send
All nodes receiving CTS refrain from transmitting for the specified duration
--> Hidden terminal problem solved
3.5 802.11 Frame Format
802.11 Frame Structure
========================
+-------+------+------+------+------+-----+------+------+-----+
|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 |
+-------+------+------+------+------+-----+------+------+-----+
4 MAC Address Fields:
Address 1: MAC of receiving wireless interface
Address 2: MAC of sending wireless interface
Address 3: MAC of router interface connected to AP
Address 4: Used only in ad hoc mode
Why 3 addresses are needed:
H1 --> AP --> Router (R1)
Address 1: AP's MAC (wireless receiver)
Address 2: H1's MAC (wireless sender)
Address 3: R1's MAC (toward final destination)
4. Evolution of 802.11 Standards
WiFi Standard Evolution
=========================
Standard | Release | Frequency | Max Speed | Features
------------+---------+------------+--------------+------------------
802.11b | 1999 | 2.4 GHz | 11 Mbps | Early adoption
802.11a | 1999 | 5 GHz | 54 Mbps | OFDM
802.11g | 2003 | 2.4 GHz | 54 Mbps | Backward compat. with b
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 | |
5. Cellular Networks
5.1 Cellular Structure
Cellular Network Basic Structure
===================================
[Cell 1] [Cell 2] [Cell 3]
/ \ / \ / \
/ \ / \ / \
/ BTS \ / BTS \ / BTS \
(Base ) (Base ) (Base )
(Station ) (Station ) (Station )
| | |
+----------+----------+
|
[BSC/RNC]
(Base Station Controller)
|
[MSC/MME]
(Mobile Switching Center)
|
[Core Network] --- [Internet]
Cell: Area covered by one base station
Frequency Reuse: Same frequency used in non-adjacent cells
5.2 Generational Evolution
Cellular Network Generational Evolution
==========================================
Gen | Technology | Speed | Features
-------+-----------+-----------------+------------------
1G | AMPS | 2.4 Kbps | Analog voice
2G | GSM | 14.4 Kbps | Digital voice
2.5G | GPRS | 56-114 Kbps | Packet data
2.75G | EDGE | 384 Kbps | Enhanced data
3G | UMTS | 2 Mbps | Mobile Internet
3.5G | HSPA | 14 Mbps | High-speed packet
4G | LTE | 100 Mbps~1Gbps | All-IP network
4.5G | LTE-A | 3 Gbps | Carrier aggregation
5G | NR | 20 Gbps | Ultra-low latency, IoT
5.3 4G LTE Architecture
4G LTE Network Structure
===========================
[UE] --Wireless-- [eNodeB] --- [S-GW] --- [P-GW] --- [Internet]
| | |
| [MME] [PCRF]
| (Mobility (Policy/
| Management) Charging)
|
[HSS]
(Subscriber DB)
UE: User Equipment
eNodeB: Base Station (evolved Node B)
S-GW: Serving Gateway (data path management)
P-GW: Packet Gateway (Internet connectivity)
MME: Mobility Management Entity
HSS: Home Subscriber Server (subscriber info)
Key Features:
- All traffic transmitted as IP packets (All-IP)
- Voice also handled as VoLTE (Voice over LTE)
- Flat architecture (reduced layers for minimum latency)
6. Mobility Management
6.1 Mobility Spectrum
Mobility Levels
=================
No mobility High mobility
|-------|--------|--------|--------|---------|
Fixed Low Medium High Ultra-high
Desktop WiFi Pedestrian Vehicle High-speed
Roaming Handoff Handoff Train
6.2 Handoff (Handover)
Handoff Process
=================
Mobile device moving from one base station to another:
[Old BS] .... [Mobile Device] .... [New BS]
| |
| Signal weakening Signal strengthening
| |
|<--- Handoff Decision ------->|
| |
|---- Traffic Path Switch ---->|
| |
Handoff Types:
1. Hard Handoff: Disconnect old, connect new (GSM)
2. Soft Handoff: Maintain both connections simultaneously (CDMA)
Handoff Criteria:
- Signal strength (RSSI)
- Signal quality (SINR)
- Load balancing
6.3 Indirect Routing and Direct Routing
Mobility Support: Indirect Routing
=====================================
Home Network Visited Network
[Home Agent] [Foreign Agent]
| |
|<---- Mobile Registration ----|
| |
Correspondent --> Home Agent --> Foreign Agent --> Mobile Device
(Tunneling) (Forwarding)
Disadvantage: Triangle Routing
Even if correspondent is right next to visited network,
traffic must go through home network
Direct Routing:
Correspondent checks current location from Home Agent
Then sends directly to Foreign Agent (avoids triangle routing)
7. Wireless Security
WiFi Security Protocol Evolution
===================================
Protocol | Release | Encryption | Security Level
---------+---------+---------------+-----------
WEP | 1999 | RC4 (40bit) | Very weak (do not use)
WPA | 2003 | TKIP | Transitional
WPA2 | 2004 | AES-CCMP | Good
WPA3 | 2018 | SAE + AES | Strong
WPA2 Operation (4-way Handshake):
1. AP sends random value
2. Client sends random value + MIC
3. AP sends group key + MIC
4. Client sends confirmation
--> Both sides securely share session key
8. Summary
| Concept | Key Points |
|---|---|
| Path Loss | Signal strength drops rapidly with distance |
| Hidden Terminal | Collision due to inability to sense other's transmission |
| CSMA/CA | Collision avoidance + ACK confirmation |
| RTS/CTS | Channel reservation solves hidden terminal |
| 802.11 Frame | Contains 4 MAC address fields |
| Cellular | Frequency reuse per cell, generational evolution |
| 4G LTE | All-IP network, flat architecture |
| Handoff | Connection switchover during base station transition |
In the next post, we will examine multimedia networking and streaming technologies.
References
- James F. Kurose, Keith W. Ross, "Computer Networking: A Top-Down Approach", 6th Edition, Chapter 6
- IEEE 802.11 - Wireless LAN Standard
- 3GPP TS 36.300 - LTE Architecture