[네트워크] Wireless and Mobile Networks

Network - This article is part of a series.

Part 17: This Article

1. Introduction
#

Wireless network 의 구성요소는 아래와 같다.

wireless host
호스트는 end-system 디바이스로, 어플리케이션을 실행한다. wireless host 에는 노트북, 스마트폰 등이 있다. 정적일 수 있고, 이동할 수 도 있다(핸드폰).
Base station
유선 네트워크에 연결되어 있다. 그 지역내에서 유선 네트워크와 무선 호스트 간 패킷을 전송하는 책임이 있다. 예시로는 cell tower, 802.11 access point 등이 있다.
wireless links
무선 호스트들을 base station 에 연결할 때 사용한다. backbone link 로도 사용된다. 다른 wireless 기술 마다 전송률과 전송할 수 있는 거리가 다르다. 아래는 유명한 무선 기술마다의 전송률, 전송할 수 있는 거리를 나타낸다.
Infrastructure mode
Base station 이 모바일 디바이스를 유선 네트워크에 연결한다. 모바일이 이동해서 접속 지점이 바뀌는 것을 handoff 라고 하는데, 접속 지점이 바뀔때는 handoff management 를 해야 한다.
ad hoc mode
Base station 이 없다. 노드는 link coverage 안에 있는 다른 노드들만 소통할 수 있다. 노드들은 자기들끼리 라우팅을 한다.

무선 네트워크의 부분들을 살펴봤는데, 이 조각들을 조합해서 다른 유형의 유선 네트워크를 만들 수 있다. 2가지 기준으로 나눌 수 있다: (1) 무선 네트워크 안의 패킷이 하나의 wireless hop 을 지나는지 / 다수의 wireless hop 을 지나는지 , (2) 네트워크 안에 base station 과 같은 infrastructure 가 있는지.

Single-hop, infrastructure-based
이 네트워크는 더 큰 유선 네트워크에 연결되어 있는 base station 이 있다. 이 base station과 무선 호스트 간의 소통도 하나의 무선 hop 를 통해 이루어진다. 교실에서 쓰는 802.11 네트워크, 4G LTE 가 여기 속한다.
Single-hop, infrastructure-less
여기에는 base station 이 없다. 대신, 네트워크 안에 있는 노드가 다른 노드들의 전송을 모두 컨트롤한다. Bluetooth, 802.11 network in ad hoc mode 이 여기 속한다.
Multi-hop, infrastructure-based
base station이 있지만, 몇개의 무선 노드는 다른 노드들을 통과해야 base station과 소통할 수 있다. wireless mesh network 가 여기 속한다.
Multi-hop, infrastructure-less
base station 이 없고, 무선 노드는 다른 노드들을 통과해야 base station과 소통할 수 있다. 노드들은 또 움직일 수 있다 - 노드끼리의 연결성이 바뀐다(mobile ad hoc networks (MANETs)). 모바일 노드가 vehicles 라면, 네트워크는 vehicular ad hoc network (VANET) 이다.

Ad-hoc mode : MANET

Mobile Ad-hoc network 이다. 전통적인 라우팅인 LS / DV 는 사용할 수 없다. 네트워크 간에 multi-hop path 를 찾아야 한다.

Ad-hoc mode : VANET

VANET 은 802.11p 이다. Internet of Vehicles(IoV) 로 진화했다. MANET 에 비교해서 훨씬 기동성이 좋다. 지리적으로 라우팅할때 도로 상황을 고려해야 한다. 도시/ 산간 지역이 다르다.

2. Wireless links and Network Characteristics
#

집 네트워크를 유선(이더넷)에서 무선(wireless 802.11)으로 교체한다고 해보자. 바뀌는 부분은, 호스트의 유선 이더넷 인터페이스가 무선 네트워크 인터페이스으로 바뀔 것이고, 이더넷 스위치가 access point 로 바뀔 것이다. 그 외 네트워크 레이어에는 바뀌는 부분이 없다. 따라서 링크 레이어를 집중적으로 보자.

유선이 무선 링크로 바뀌면, 차이점은 다음과 같다.

decreased signal strength
라디오 시그널은 물질을 통과하면 감쇠된다. 따라서 전송할 수 있는 범위가 한정된다.
interference from other sources
같은 주파수로 전송하는 라디오 시그널은 서로에게 간섭한다. 예를들어, 2.4GHz 무선 핸드폰과 802.11b 무선 LAN 은 같은 주파수 범위를 사용한다. 또, 근처에 있는 디바이스들과도 간섭이 될 수 있다.
multipath propagation
라디오 시그널이 물체 또는 바닥에 반사되어서 목적지에 약간의 시간차를 두고 도착할 수 있다.

이러한 점들이 무선 소통을 더 어렵게 만든다. 이런 점들을 봤을때 무선 소통이 유선 소통보다 bit error 가 더 많다는 것을 짐작할 수 있다. 따라서 무선 링크 프로토콜은 더욱 강력한 CRC error detection code 와 link-level 에서 신뢰할수 있는 데이터 전송 프로토콜을 가지고 있다.

노이즈와 같은 방해 요소 때문에 받을 수 있는 data rate 이 제한될 수 있다. Channel Capacity 는 주어진 소통 경로에서 데이터가 전송될 수 있는 최대 속도이다. Bit Error Rate(BER) 는 보내진 bit 이 받는 쪽에서 에러가 될 확률이다. 이것은 Signal-to-Noise Ratio(SNR) 에 좌우된다.

Signal-to-Noise Ratio (SNR)

SNR 은 받은 전체 데이터 중 실제 정보(시그널) 과 노이즈의 비율이다. 받는 쪽에서 데시벨(dB)로 측정한다. SNR 이 높을 수록 실제 정보가 더 많으니까, 더 품질이좋은 것이다. SNR 에 따라 채널의 capacity 가 결정된다.

$$SNR_{(dB)}=10\log_{10}\frac{signal \ power}{noise \ power}$$

Capacity 는 Shannon capacity formula 를 통해 구할 수 있다. 이것은 채널이 이론적으로 받을 수 있는 최대 대역폭 값이다.

$$C=B\log_{2}(1+SNR)$$

위는 BER과 SNR 의 관계를 나타낸다. SNR이 클수록, 노이즈로부터 시그널을 추출하기 쉬워진다. 하지만 여기서 tradeoff 관계가 있다.

modulation scheme 이 주어졌을때, SNR이 커지면 BER 이 작아진다.
보내는 쪽이 파워를 증가시켜서 SNR 을 증가시킬 수 있으므로, 이때 BER은 작아진다. 하지만 임계값 이후로 파워를 증가시키는 것은 작은 효용이 있다. 그리고 전송 파워를 증가시키는 것은 단점도 있다. 보내는 쪽에서 훨씬 더 많은 에너지가 들어간다. 그리고 다른 보내는 이의 신호에 간섭할 확률도 커진다.
SNR 이 주어졌을 때, 더 큰 전송률을 가진 modulation technique 는 더 큰 BER 를 갖는다.
예를 들어, SNR 이 10bB 일떄, BPSK는 $10^{-7}$ 보다 작은 BER 를 갖는다. 반면에 QAM16 의 BER 는 대략 $10^{-1}$ 이다. SNR이 20bB 일 때, QAM16 은 BER $10^{-7}$ 이고, BPSK 는 훨씬 작은 BER 를 갖는다. 따라서 SNR 이 주어지면, 더 큰 전송률을 가진 modulation 일 수록 더 큰 BER 를 갖는 것을 알 수 있다.
물리적 레이어 modulation 은 채널 컨디션에 따라 다이나믹하게 선택될 수 있다.
SNR 는 움직이거나, 환경이 변하면 변동될 수 있다. 따라서 802.11 WiFi 와 4G cellular data network 에는 adaptive modulation 이 쓰인다.

다수의 무선 보내는 이와 받는 이는 추가적으로 아래와 같은 문제들에 직면한다.

Hidden terminal problem
B,A 는 서로와 소통할 수 있고, B,C 도 소통할 수 있지만, A,C 는 서로 소통할 수 없다. 이 말은 A,C 가 B의 간섭에 대해 모른다는 얘기이다.
Signal attenuation
시그널이 거리가 멀어지거나 물리적인 장애물을 만나면 감쇠한다. (B,A), (B,C) 는 소통하지만, A,C 는 시그널이 감쇠되어서 소통하지 못한다.

Code Division Multiple Access(CDMA)
#

앞서, 호스트들이 하나의 미디엄을 공유하면, 다수의 보내는 시그널들이 받는 쪽에서 서로 간섭하지 못하도록 프로토콜이 필요하다고 했다. 여기서는 무선 네트워크에서 많이 쓰이는, 각 유저에게 유니크한 code를 할당하는 CDMA 에 대해 알아보자.

CDMA 에서 보내지는 각 bit 는 chipping rate 로 바뀌는 시그널을 곱함으로써 인코딩 된다. 모든 유저는 주파수를 공유하지만, 각 유저는 자신만의 chipping sequence 가 있다. 이것은 다수의 사용자가 공존하고, 최소의 간섭으로 전송할 수 있게 해준다.

encoded signal = (original data) X (chipping sequence)

디코딩 할땐, encoded signal과 chipping sequence의 내적을 한다.

위에는 간단한 CDMA encoding/decoding 시나리오이다. 원본 데이터 bit 가 CDMA 인코더에 도착하는 시간을 unit time 이라고 가정하다. 즉, 원본 데이터 bit가 전송되는데 걸리는 시간이 one-bit slot time 이다. $d_{i}$ 가 ith bit slot 의 데이터 값 이라고 하자. 각 bit slot 는 M mini-slots 로 나줘진다. 위에서 M=8 이다.

보내는 쪽에서 사용하는 CDMA code 는 M개 값의 연속이다. 위의 예시에서 보내는 쪽이 사용하는 코드는 (1,1,1,-1,1,-1,-1,-1) 이다.

이제 ith data bit 인 $d_i$ 를 보자. 인코더의 output $Z_{i,m}$ 은 $d_i$ 와 CDMA code 의 mth bit $c_m$ 을 곱한 값이다.

$$Z_{i,m}=d_{i}*c_{m}$$

방해하는 사람이 없다면, 받는 쪽은 $Z_{i,m}$ 을 온전히 받고, $d_i$ 값을 다시 디코딩할 것이다.

하지만 CDMA 는 방해하는 환경 속에서도 잘 작동해야 한다. 만약 data bits 들이 모두 섞여있는 상태에서, 받는 쪽은 어떻게 보내는 쪽의 data bit 을 온전히 디코딩 할 것인가? CDMA 는 간섭하는 bit signal 이 additive 하다고 가정한다. 예를 들어, 같은 mini-slot 시간대에 3명이 1을 보내고 4번째가 -1 을 보내면 받는 쪽은 그 mini-slot 동안 받은 시그널이 (1+1+1-1 = 2) 라고 생각한다.

위쪽의 보내는 이는 코드 (1,1,1,-1,1,-1,-1,-1)을 사용하고, 아래는 코드 (1,-1,1,1,1,-1,1,1)을 사용한다. 간섭이 있다면 sender1, sender 2 의 인코딩 된 결과가 받는쪽에 도착하지만, sender 1 의 code 를 가지고 있다면 받는 쪽은 온전히 sender 1 의 데이터를 해독할 수 있다.

3. WiFi : 802.11 Wireless LANs
#

802.11 Wifi 에도 여러가지가 있다. 802.11a, 802.11b, 802.11g … 그렇지만 이들 모두 같은 medium access protocol 인 CSMA/CA 를 사용하고, 같은 link-layer frame 을 사용한다.

마켓은 새로운 기술을 원했다. 시장의 요구로는 다음이 있다.

Demand for throughput
전세계의 50-80% 데이터가 WiFi 를 통해 전송된다.
New usage models / features
Technical capabilities

802.11ax 가 밀집된 환경을 위해 나왔다. 목표는 밀집된 환경에서 WLAN deployment 의 성능을 높이는 것이다. 이것는 공간적 (MU-MIMO) 와 주파주 멀티플렉싱 (OFDMA) 를 통해 이루어졌다.

802.11 Architecture
#

802.11wireless LAN 의 구조를 보자. 가장 기본적인 것은 basic service set (BSS) 이다. BSS 는 1개 이상의 wireless station 과 중앙의 base station(=access point, AP) 이 있다. 이더넷과 마찬가지로, 802.11 wireless station 은 NIC에 6-byte MAC 주소가 있다. 각 AP는 wireless interface 에 MAC 주소가 있다.

만약 중앙 제어가 없고, 외부 세상에 연결이 없으면 station 끼리 모여서 ad-hoc network 를 구성할 수 도 있다.

Channels and Association
#

802.11 에서는, 각 wireless station 는 네트워크 레이어 데이터를 받기 전에 AP 와 연관(associate)해야 한다. 네트워크 관리자가 AP 를 설치하면, 관리자는 1개 혹은 2 단어의 Service Set Identifier(SSID) 를 AP 에 할당한다. 그리고 관리자는 AP 마다 channel number 를 할당해야 한다.

802.11 은 2.4 GHz - 2.4835 GHz 주파수 범위 내에서 작동한다. 이 85MHz band 내에서, 802.11 는 11개의 부분적으로 겹치는 채널을 정의한다. 두 채널이 4개 이상의 채널로 인해 분리되면 두 채널은 절대 겹치지 않는다. 특별히, 채널 1,6,11 은 유일하게 겹치지 않는 3개의 채널이다.

이것은 네트워크 관리자가 3개의 802.11b 를 물리적으로 같은 곳에 설치하면, 최대 33Mbps 의 전송률을 가진 wireless LAN 을 만들 수 있다는 뜻이다.

WiFi jungle 이란 2개 이상의 AP 에게서 충분히 강한 신호를 받는 물리적인 위치를 뜻한다. 예를 들어, 카페에 앉아 있을 때 2개 이상의 와이파이 신호가 잡힐 수 있다. WiFi jungle 에 5개의 AP 가 있다고 하자. 인터넷에 접속하려면, 내 디바이스는 정확히 1개의 AP에 연결해야 한다. 연결한다는 것은 내 무선 디바이스가 AP 와 가상의 wire 를 만드는 것이다. 연결된 AP 는 data frame 를 내 무선 디바이스로 보낼 것이다. 그리고 내 무선 디바이스는 AP 를 통해서 인터넷에 data frame 을 보낼 것이다. 하지만 여기서 내 디바이스는, WiFi jungle 에 어떤 AP 들이 있는지 어떻게 알까?

802.11 표준은 AP 가 주기적으로 beacon frame 을 전송하는 것을 요구한다. beacon frame 에는 AP의 SSID 와 MAC 주소가 적혀 있다. 무선 디바이스는 AP 가 beacon frame 을 전송하는 것을 알고 있고, beacon frame 을 보내는 AP를 찾는다.

이때 찾는 방식에는 passive scanning 과 active scanning 이 있다.

passive scanning
- (1) beacon frames sent from APs
- (2) association request frame sent : H1 to selected AP
- (3) association Response frame sent from selected AP to H1
active scanning
- (1) Probe request frame broadcast from H1
- (2) Probe Response frames sent from APs
- (3) Association Request frame sent : H1 to selected AP
- (4) Association Response frame sent from selected AP to H1

Ad Hoc Networking
#

Ad Hoc networking 에서는 AP 가 없고, “peer-to-peer” 모드이다. 무선 호스트들은 서로와 소통한다. 무선 호스트 A에서 B로 패킷을 전달하려면, 무선 호스트 X,Y,Z 를 통과해야 될 수 도 있다.

사용 예시는 회의장에서 노트북 미팅을 진행하거나, 개인 디바이스끼리의 연결, 전쟁에서 소통할 때 이다.

802.11 MAC Protocol : CSMA/CA
#

무선 디바이스가 AP 와 연결되면, AP 에게 데이터를 전송할 수 있고 전송받을 수 있다. 다수의 무선 디바이스가 있기 때문에, AP 는 동시에 같은 채널로 data frame 을 보내고 싶을 수 있다. 따라서 이 전송을 제어하기 위한 multiple access protocol 이 필요하다. 앞에서, 3가지 종류의 multiple access protocol : channel partitioning, random access, taking turns 가 있다고 했다. 802.11 의 설계자들은 random access protocol 을 골랐다. 이것을 CSMA with collision avoidance (CSMA/CA) 라고 한다.

이더넷의 CSMA 와 같이, 여기서도 CSMA 는 “carrier sense multiple access” 이다. 즉, 각 스테이션 (AP) 은 전송하기 전에 채널을 탐지한다. 그리고 채널이 바쁘면 전송하지 않는다.

2가지가 비슷해 보여도 중요한 차이점이 있다. 첫번째로, 802.11 은 collision detection(CD) 을 사용하는 대신, collision avoidance(CA) 를 사용한다. 두번째로, 무선 채널에 bit error 가 많기 때문에, 802.11 은 link-layer acknoledgment / retransmission scheme (ARQ) 을 사용한다.

이더넷의 collision detection 에서는, 이더넷 스테이션은 채널에 전송하기 전에 채널을 탐지한다. 만약 전송 중에 다른 스테이션이 전송한다면, 전송을 중지하고, 랜덤한 시간동안 기다린 다음 다시 전송한다. 802.3 이더넷 프로토콜과는 다르게 802.11 MAC 프로토콜은 collision detection 을 하지 않는다. 이렇게 하는 2가지 이유는 다음과 같다.

collision detection 을 하는데는 시그널을 보내는 능력과 , 다른 스테이션이 전송 중인지 알아내는 능력 2가지가 동시에 필요하다. 이더넷에 비교해서 받는 시그널의 세기가 현저히 작기 때문에, collision detection 을 할 수 있는 하드웨어를 만들기는 비용이 많이 든다.
adapter 가 전송하고 탐지하는 것을 동시에 할 수 있다고 해도, hidden terminal problem 때문에 모든 충돌을 감지할 수 없을 것이다.

802.11 은 collision detection 을 하지 않기 때문에, frame 을 전송하기 시작하면 끝까지 다 보낸다. 하지만 이 방식은 충돌이 일어날 경우 프로토콜의 성능을 현저하게 저하시킨다. 그래서 충돌을 줄이기 위한 방식들을 한다.

collision avoidance 를 알아보기 전에, link-layer acknowledgment scheme 에 대해 먼저 알아보자. wireless LAN 에 있는 스테이션이 frame 을 전송하면, frame 은 다양한 이유로 목적지에 도달하지 않을 수 있다. 따라서 이 실패를 만회하기 위해, 802.11 은 link-layer acknowledgment 를 사용한다. 만약 목적지 스테이션이 CRC 체크를 통과하는 frame 을 받으면, Short Inter-frame Spacing(SIFS) 를 기다렸다가 ACK 를 보낸다. 만약 전송하는 스테이션이 일정 기간 내에 ACK 를 받지 못하면, 에러가 발생했다고 생각하고 frame 을 재전송한다. 만약 고정된 수의 재전송 후에도 ACK가 오지 않으면, 스테이션은 전송을 포기하고 frame 을 버린다.

이제 CSMA/CA 프로토콜이 어떻게 작동하는지 보자. 스테이션 (wireless device or AP) 가 전송할 frame 이 있다고 하자.

스테이션이 채널이 idle 하다고 탐지하면, Distributed Inter-frame Space(DIFS) 만큼 기다렸다가 frame 을 전송한다.
채널이 바쁘다고 탐지하면, 채널은 binary exponential backoff 를 사용해서 랜덤한 backoff 값을 선택한다. DIFS 이후 채널이 idle 하다고 탐지하면 DIFS 을 카운트다운 한다. 만약 채널이 바빠지면 카운터를 멈춘다.
카운터가 0에 도달하면, 스테이션은 frame 전체를 전송하고 ACK 를 기다린다.
ACK 가 도달하면, 스테이션은 frame이 성공적으로 전달된 것을 안다.
만약 ACK 가 도착하지 않으면, random backoff interval 을 증가시키고 2번부터 다시 한다.

받는 쪽의 입장을 보자.

Frame 을 성공적으로 전달 받으면, SIFS 이후 ACK 를 전송한다.

CSMA/CA 에서는 채널이 idle 해도 DIFS 만큼 카운트다운 한 후 frame 을 전송한다. 반면에 CSMA/CD 는 채널이 Idle 하다고 탐지하면 바로 frame 을 전송한다. 왜 이런 차이가 생기는 것일까?

이것에 대한 답변을 보기 위해, 2개의 스테이션이 각자 보낼 frame 이 있지만, 3번째 스테이션이 전송중이어서 보내고 있지 않은 상황을 보자. 이더넷의 CSMA/CD 에서는 3번째 스테이션의 전송이 끝나는 것을 탐지하자마자 frame 을 전송할 것이다. 이것은 곧 충돌로 이어지는데, 이것은 CSMA/CD 에서는 충돌이 일어나면 전송을 멈추므로 큰 문제가 되지 않는다.

반면에 802.11 에서는 상황이 다르다. 여기서는 충돌을 감지하지 않으므로 최대한 충돌이 발생하는 상황 자체를 피해야 한다. 802.11 에서는 2개의 스테이션이 채널이 바쁘다고 감지하면, 바로 random backoff 에서 값을 선택한다. 이 두개의 값이 다르다면, 채널이 idle 해지면 2개 중 1개의 스테이션이 다른 스테이션 보다 먼저 전송을 시작할 것이다. 그러면 다른 후자의 스테이션은 다시 채널이 바빠진 것을 감지하고, 카운터를 멈춘 다음 첫번째 스테이션이 전송하는 것이 끝날 때까지 전송을 하지 않을 것이다. 이렇게 하면, 충돌을 최대한 피할 수 있다.

Dealing with Hidden Terminals : RTS and CTS
#

802.11 MAC 프로토콜은 Hidden terminal 문제에도 충돌을 방지할 수 있는 기능을 제공한다. 만약 2개의 무선 스테이션이 있고, 1개의 AP 가 있다고 하자. 2개으 스테이션은 모두 AP 의 범위 내에 있고 , 2개 모두 AP와 연결되어 있다. 하지만, fading 때문에 2개의 스테이션은 서로에게 hidden 되어 있다.

H1 이 frame 을 보내고 있는데, 전송 중반 쯤에 H2가 AP 에게 frame 을 보내고 싶다고 하자. H2 는 H1 의 전송 소식을 모르니, H2 는 DIFS 만큼 기다렸다가 frame 을 전송하기 시작한다. 이것은 충돌을 야기한다.

이 문제를 방지하고자, 802.11 프로토콜은 스테이션이 Request to Send(RTS) control frame 과 짧은 Clear to Send(CTS) control frame 을 사용하여 채널을 예약할 수 있게 한다. 발신자가 data frame 을 보내고 싶을 때, AP에게 RTS 를 보낸다. 이 RTS에는 전송에 걸리는 시간과, ACK frame이 들어있다. AP가 RTS를 받으면, CTS frame 을 보로드캐스팅 함으로 응답한다. 이 CTS frame을 받은 모든 스테이션은 CTS 안에 있는 시간 구간 동안은 전송을 하지 않는다. CTS frame 은 2가지 목적이 있는데, (1) 보내는 이에게 명시적인 허락을 주고, (2) 다른 스테이션에게 예약된 기간동안 보내지 말라는 경고이다.

보내는 쪽에서 둘다 RTS 를 보내서 충돌할 수 있지만, RTS 의 패킷은 작기 때문에 손실이 적다.

RTS 와 CTS 를 쓰면서 성능을 2가지 측면에서 향상시킬 수 있다.

채널이 예약된 이후에만 긴 Data 를 전송하므로, hidden station problem 이 완화된다.
RTS, CTS frame 들은 짧으므로, RTS 또는 CTS 충돌은 손실이 적다. 하나의 RTS 또는 CTS frame 이 정상적으로 전달되면, 다음 데이터들은 충돌 없이 전달된다.
숨겨진 노드들은 CTS 필드 안에 있는 특정 시간 (Network Allocation Vector(VAV)) 동안은 전송하지 않아서 충돌을 방지할 수 있다.

802.11 Frame
#

802.11 프레임은 이더넷 프레임과 유사한 점이 많지만, 유선 링크에 특별하게 쓰이는 필드도 포함한다.

여기서 위에 쓰여진 숫자는 byte 를 의미한다.

Payload and CRC fields
#

프레임의 중심에는 payload 가 있는데, 이것은 IP datagram 또는 ARP packet 으로 구성된다. 대체로 1,500 byte 보다 짧다. 이더넷과 마찬가지로, 받는 쪽이 에러를 체크할 수 있는 CRC 필드가 있다.

Address Fields
#

4개의 주소 필드가 있다. address 3 을 이해하기 위해, 다음의 상황을 살펴보자.

위에서는 2개의 AP 가 있고, 각각 다수의 무선 스테이션에 연결되어 있다. 각 AP 는 라우터와 직접적으로 연결되어 있다. AP 는 Link-layer 디바이스로, IP 주소를 이해하지 못한다. R1 에서 H1 으로 datagram 을 보내는 과정을 살펴보자. 라우터는 H1 과 자신 사이에 AP 가 있다는 사실을 알지 못한다. 그저 H1 이 자신에게 연결되어 있는 subnet 에 속해있는 호스트라고 인식한다.

라우터는 H1 의 IP 주소를 알고, ARP 를 이용해 H1 의 MAC 주소를 알아낸다. H1의 MAC 주소를 알아낸 후에는, R1 의 인터페이스는 datagram 을 이더넷 프레임으로 캡슐화한다. source 주소는 R1 의 MAC 주소가 적혀있고, 목적지 주소는 H1의 MAC 주소가 적혀있다.

이더넷 프레임이 AP에 도착하면, AP는 802.3 이더넷 프레임을 802.11 프레임으로 변경한다. AP 는 address 1 을 H1 의 MAC 주소, address 2를 AP 본인의 MAC 주소로 채운다. address 3 은 R1 의 MAC 주소를 넣는다. 이렇게 하면, H1 은 subnet 에 datagram 을 보낸 라우터의 MAC 주소를 알 수 있다.

이제 H1 이 R1 에게 datagram 을 보내는 과정을 보자.

H1 은 802.11 프레임을 만들고, address 1 을 AP 의 MAC 주소, adddress 2 를 본인(H1) 의 MAC 주소로 채운다. address 3 에는 R1 의 MAC 주소를 넣는다. AP 가 802.11프레임을 받으면, 이더넷 프레임으로 바꾼다. source 주소 필드는 H1 의 MAC 주소이고, 목적지 주소 필드는 R1 의 MAC 주소이다. address 3은 AP 가 이더넷 프레임을 만들 때 적절한 목적지 주소를 파악하는데 도와준다.

Sequence Number, Duration, and Frame Control Fields
#

802.11 에서는 스테이션이 맞는 프레임을 받으면, ACK 를 보낸다고 했다. ACK 도 잃어버릴 수 있기 때문에, 보내는 스테이션은 프레임의 복사본들을 여러개 보낸다. 앞서 봤던 rdt 2.1 에서 sequence number 를 활용해서 새롭게 전송한 프레임인지, 아니면 이전 프레임을 재전송 한 것인지를 구분했다. 여기서 sequence number 도 정확히 같은 역할을 한다.

802.11 프로토콜이 채널을 예약하는 기능도 있다고 했다. 이 duration value 는 frame 의 duration 필드에 들어간다.

frame control field 도 여러 개의 subfield 를 가진다.

Mobility in the Same IP Subnet
#

무선 LAN 의 물리적인 범위를 늘리기 위해, 기업들은 같은 IP Subnet 내에 다수의 BSS 를 설치한다.

여기서 BSS 끼리의 이동성이 이슈가 된다. 무선 스테이션이 TCP session 이 끊기지 않게 하나의 BSS 에서 다른 BSS 로 움직일까? 위의 예시에서는 H1 이 BSS1 에서 BSS2 로 움직이는 상황이다. 2개의 BSS 를 연결하는 것이 라우터가 아니라 스위치이기 때문에, 2개의 BSS 는 같은 IP subnet 안에 있다. 따라서 H1 은 이동해도 IP 주소는 바뀌지 않는다.

H1 이 AP1 에서 멀어지면, 신호가 약해지며, 더 강한 신호를 찾게 된다. H1 은 AP2 에게 beacon 을 받는다. H1 은 그러면 AP1 과 연결을 끊고 AP2 와 연결한다.

그렇다면 스위치는 어떤 AP 가 H1 과 연결되어 있는지 어떻게 알까? 앞에서 배운 self-learning 으로 알 수 있다.

Advanced Features in 802.11
#

Rate Adaptation
#

앞에서, 다른 SNR 시나리오마다 다른 modulation 기술이 적합하다고 했다. 따라서 802.11 은 현재 채널 특성에 맞춰서 physical-layer modulation 을 선택하는 rate adaption capability 가 있다.

Power Management
#

802.11 은 파워를 매지니할 수 있는 기능을 제공한다. 노드는 AP 에게 “I am going to sleep until nex beacon frame” 이라고 보내면, AP 는 이 노드에게 frame 을 보내지 않는다. 그리고 노드는 다음 beacon frame 을 보내기 전에 일어난다.

beacon frame 은 AP-to-mobile frame 을 보내기를 기다리는 모바일들의 리스트가 있다. 노드는 만약 AP-to-mobile frame 이 보내진다면 깨어있고, 아니라면 다음 beacon frame 까지 잔다.

4. Cellular Internet Access
#

Cellular Network Architecture
#

2G : Voice Connections to the Telephone Network
#

cellular 는 cellular network 가 cell 이라는 커버 지역으로 구분되어 있다는 사실에서 나온다. 각 cell 은 모바일 스테이션으로 부터 시그널을 주고받는 Base Transceiver Station(BTS) 를 포함한다. 2G celluar system 은 air interference 에 combined FDM/TDM 을 사용한다. 여기서는 스펙트럼이 주파수 채널로 분할되고, 각 채널은 time slot 으로 분할된다.

3G Cellular Data Networks : Extending the Internet to Cellular Subscribers
#

3G에서는 음성뿐만 아니라 데이터도 전송할 수 있게 되었다. 모바일 디바이스가 인터넷에 접속하려면, TCP/IP 프로토콜을 운영하고, cellular data network 를 통해 접속해야 한다.

3G Core Network
#

3G core cellular data network 는 radio access network 를 인터넷에 연결한다. 이때 Core network 는 기존에 있던 cellular voice network 를 건드리지 않고, 이것과 동시에 작동하는 새로운 기능을 넣었다. 3G core network 에는 2가지 타입의 노드가 있다 : Serving GPRS Support Nodes(SGSNs), Gateway GPRS Support Nodes(GGSNs).