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IEEE802.11 구조 설명

가슴뛰는남자 2024. 5. 9. 12:26

안녕하세요 본격적으로 무선랜 구조에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

자료는 인터넷에 오픈되어 있는 자료를 배경으로 작성하였습니다.

IEEE 802.11 아키텍처 및 서비스

1990년에 IEEE 802.11 위원회는 WLAN(무선 근거리 통신망)용 프로토콜을 정의하는 IEEE 802.11 표준이라는 새로운 작업 그룹을 구성했습니다. 이더넷이 유선 미디어에 서비스를 제공하는 것과 마찬가지로 IEEE 802.11 아키텍처는 무선 네트워크에 기능을 제공하도록 설계되었습니다.

AP는 유선 및 무선 연결을 모두 지원합니다. 802.11 표준에서는 업스트림 유선 네트워크를 DS(분배 시스템)라고 부릅니다. AP는 무선 및 유선 L2 이더넷 프레임을 연결하여 트래픽이 유선에서 무선 네트워크로 또는 그 반대로 흐르도록 합니다. 각 무선 네트워크에는 고유한 SSID가 있습니다.

802.11 아키텍처는 MAC 계층에서 구현을 지원하는 WLAN에 대한 몇 가지 기본 서비스를 제공합니다

기본 서비스 세트(BSS:Basic Service Set)

기본 서비스 세트 구성은 스테이션 그룹으로 구성되며 논리적 허브 역할을 하는 액세스 포인트(AP)에 의존합니다. 서로 다른 BSS의 스테이션은 여러 WLAN 셀 또는 채널을 연결하는 브리지 역할을 하는 AP를 통해 상호 작용합니다.

작동모드

작동 모드에 따라 BSS는 다음 유형으로 분류될 수 있습니다.

1) 인프라 BSS(infrastructure Basic Service Set)
. 스테이션 간 통신은 액세스 포인트를 통해 이루어집니다. AP와 관련 무선 클라이언트는 적용 범위를 정의하고
BSS를 형성합니다.

2) 독립 BSS :
무선 클라이언트 간의 상호 통신을 지원합니다.
임시 네트워크 는 자발적으로 생성되며 유선 네트워크에 대한 액세스를 지원하지 않습니다.

3) 확장 서비스 세트 ( Extended Service Set )

A) ESS는 여러 BSS를 연결하고 여러 BSS 셀로 구성되며, 분산 시스템이라는 유선 또는 무선 백본을 통해 상호 연결될
수 있습니다. 여러 셀은 동일한 채널을 사용하여 네트워크에 대한 집계 처리량을 높입니다. ESS 외부의 장비, ESS 및
모든 모바일 스테이션은 모든 스테이션이 사실상 고정되어 있는 단일 MAC 계층 네트워크를 구성합니다.
따라서 ESS 내부의 모든 스테이션은 외부인의 관점에서 보면 정지되어 있는 것처럼 보입니다.

B) 기타 구성 요소는 다음과 같습니다.

분배 시스템(DS): ESS 내 AP를 연결합니다.
포털: 다른 네트워크에 대한 게이트웨이 역할을 합니다.

C) 용어 설명

로밍: 여러 액세스 포인트가 있는 환경(예: 대형 사무실 건물 또는 캠퍼스)에서 장치는 한 AP 범위에서 다른 AP 범위로 이동하면서도 연결을 계속 유지할 수 있습니다. 이는 AP 간 로밍을 허용하는 IEEE 802.11 표준의 기본 아키텍처로 인해 가능합니다.
인증 및 연결: 스테이션이 WLAN에서 데이터 프레임을 보내거나 받기 전에 AP와의 ID를 설정해야 합니다. 이 프로세스를 인증이라고 합니다. 인증 후 스테이션은 연결이라는 프로세스를 통해 AP와 데이터 링크 계층 연결을 설정합니다.

로밍(Roaming)

무선 LAN 로밍에는 두 가지 정의가 있습니다.

1.내부 로밍

2.외부 로밍

내부 로밍: 이동국(MS)은 신호 강도가 너무 약한 경우 홈 네트워크 내의 하나의 액세스 포인트(AP)에서 다른 AP로 이동합니다. 인증 서버는 802.1x(예: PEAP 사용)를 통해 MS 재인증을 수행합니다. QoS 청구는 홈 네트워크에서 이루어집니다. 한 액세스 포인트에서 다른 액세스 포인트로 로밍하는 MS는 MS와 네트워크에 연결된 애플리케이션 간의 데이터 흐름을 방해하는 경우가 많습니다. 예를 들어 MS는 대체 AP(더 나은 연결을 제공하는 AP)의 존재를 주기적으로 모니터링합니다. 어떤 시점에서 MS는 독점 메커니즘을 기반으로 더 강한 무선 신호를 갖는 AP와 다시 연결하기로 결정합니다. 그러나 MS는 다른 액세스 포인트와 연결하기 전에 AP와의 연결이 끊어질 수 있다. 애플리케이션과의 안정적인 연결을 제공하려면 MS에는 일반적으로 세션 지속성을 제공하는 소프트웨어가 포함되어야 합니다.
외부 로밍: MS(클라이언트)가 다른 무선 인터넷 서비스 제공업체 (WISP)의 WLAN으로 이동하여 서비스를 받습니다. 외부 네트워크가 해당 네트워크의 사용자 방문을 허용하는 경우 사용자는 홈 네트워크와 독립적으로 외부 네트워크를 사용할 수 있습니다. 해외 네트워크의 모바일 서비스에 대한 특별한 인증 및 청구 시스템이 있어야 합니다.

CSMA/CA( Carrier-Sense Multiple Access with Collision Avoidance)

컴퓨터 네트워킹에서 CSMA/CA ( Carrier-Sense Multiple Access with Collision 회피 )는 캐리어 감지를 사용하는 네트워크 다중 접속 방법이지만 노드는 채널이 "유휴"라고 감지된 후에만 전송을 시작하여 충돌을 피하려고 시도합니다.

. [1] [2] 노드는 전송을 하면 패킷 데이터 전체를 전송합니다.

이는 무선 송신기가 패킷 전송 중에 수신기의 감도를 낮추기(끄기) 때문에 충돌 감지 CSMA/CD를 대체할 수 없는 무선 네트워크에 특히 중요합니다.

CSMA/CA는 숨겨진 노드 문제로 인해 신뢰할 수 없습니다. [3] [4]

CSMA/CA는 데이터링크 계층 에서 동작하는 프로토콜이다.

<세부정보>

충돌 회피는 충돌 영역 내의 모든 전송 노드 간에 채널을 어느 정도 균등하게 분할하려고 시도하여 CSMA 방법 의 성능을 향상하는 데 사용됩니다.

캐리어 감지 : 전송하기 전에 노드는 먼저 공유 매체를 청취하여(예: 무선 네트워크의 무선 신호 청취) 다른 노드가 전송 중인지 여부를 결정합니다. 숨겨진 노드 문제문제는는 이 단계에서 감지되지 않은 다른 노드가 전송 중일 수 있음을 의미합니다.
충돌 회피 : 다른 노드가 들리면 무료 통신 채널을 다시 듣기 전에 노드가 전송을 중지할 때까지 일정 시간(대개 무작위) 동안 기다립니다.

전송 요청/전송 지우기 (RTS/CTS)는 공유 매체에 대한 액세스를 중재하기 위해 이 시점에서 선택적으로 사용될 수 있습니다. 예를 들어 무선 네트워크에서 액세스 포인트는 한 번에 하나의 노드에만 전송 허가를 발행하기 때문에 이는 숨겨진 노드의 문제를 완화하는 데 어느 정도 도움이 됩니다. 그러나 무선 802.11 구현은 일반적으로 모든 전송에 대해 RTS/CTS를 구현하지 않습니다. 완전히 끄거나 적어도 작은 패킷에는 사용하지 않을 수 있습니다(RTS, CTS 및 전송의 오버헤드는 작은 데이터 전송에 비해 너무 큽니다).
전송 : 매체가 깨끗한 것으로 식별되거나 노드 가 전송할 수 있음을 명시적으로 나타내는 CTS를 수신한 경우 프레임 전체를 전송합니다. CSMA/CD와와 달리 무선 노드가 전송과 동시에 수신하는 것은 매우 어렵습니다(해당 전송은 수신하려는 모든 시도를 약화시킵니다). 무선 예를 계속하면, 노드는 패킷이 수신되고 올바르게 체크섬 되었음을 나타내기 위해 액세스 포인트로부터 승인 패킷의 수신을 기다립니다. 그러한 승인이 적시에 도착하지 않으면 패킷이 다른 전송과 충돌하여 노드가 재전송을 시도하기 전에 이진 지수 백오프 기간에 진입하게 되는 것으로 가정합니다.

CSMA/CA는 다양한 유선 통신 시스템에서 사용되었지만 여러 스테이션이 액세스 포인트를 볼 수 있지만 서로 볼 수 없는 일반적인 문제로 인해 무선 LAN에에 특히 유용합니다. 이는 전송 전력, 수신 감도, AP와의 거리, 위치의 차이로 인해 발생합니다. [5] 이로 인해 방송국은 다른 방송국의 방송을 '들을 수' 없게 됩니다. 이른바 ' 히든 노드 ', 혹은 '히든 스테이션' 문제가 바로 이것이다. [6] 802.11 기반 표준을 사용하는 장치는 기본적으로는 그렇지 않지만 충돌 방지(RTS/CTS 핸드셰이크, 포인트 조정 기능 )의의 이점을 누릴 수 있습니다.기본적으로 그들은 지수 백오프 (또는 분산 조정 기능 )라는 반송파 감지 메커니즘을 사용합니다. 이 메커니즘은 전송하기 전에 다른 스테이션의 방송을 '듣기' 시도하는 스테이션에 의존합니다. CA 또는 PCF는 AP(또는 Ad Hoc 네트워크의 경우 '수신기')에 의존하여 스테이션에 요청한 후 일정 기간 동안 전송할 수 있는 독점 권한을 부여합니다(전송 요청/전송 지우기). [7]

CSMA-CA에서는 표준이 호환되지 않고 전송 주파수가 중복되는 경우에도 채널이 '유휴'인지 여부를 판단해야 합니다. 표준에 따라 동일한 채널에 있는 802.11/Wi-Fi 송신기의 경우 송신기는 노이즈 플로어 보다 3dB 위에서도 서로를 감지할 수 있는 경우 교대로 전송해야 합니다 (열 노이즈 플로어는20 MHz채널의 경우 약-101 dBm입니다)..반면, 송신기로부터 수신된 신호 강도가 비 Wi-Fi 6 시스템의 경우-76~-80 dBm사이인 임계값 Pth 미만인 경우 송신기는 표준이 호환되지 않거나 채널이 겹치는 송신기를 무시합니다..

IEEE 802.11 RTS/CTS 교환

CSMA/CA는 선택적으로 발신자 S가 보낸 RTS( Request to Send ) 패킷과 의도된 수신자 R이 보낸 CTS( Clear to Send ) 패킷을 교환하여 보완할 수 있습니다. 따라서 발신자 범위 내의 모든 노드에 경고합니다. , 수신기 또는 둘 다를 주 전송 기간 동안 전송하지 않도록 설정합니다. 이를 IEEE 802.11 RTS/CTS 교환 이라고 합니다. RTS/CTS를 구현하면 무선 네트워킹에서 흔히 발견되는 숨겨진 노드 문제를 부분적으로 해결하는 데 도움이 됩니다.

RTS/CTS(전송 요청/전송 지우기)는 숨겨진 노드 문제문제로로 인해 발생하는 프레임 충돌을 줄이기 위해 802.11 무선 네트워킹 프로토콜에서 사용하는 선택적 메커니즘입니다.원래 프로토콜은 노출된 노드 문제 도 해결했지만 최신 RTS/CTS에는 ACK가 포함되어 노출된 노드 문제를 해결하지 않습니다.

성능(Performance)

CSMA/CA 성능은 주로 노드 간에 데이터를 전송하는 데 사용되는 변조 기술을 기반으로 합니다. 연구에 따르면 이상적인 전파 조건(시뮬레이션)에서 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 (DSSS)은 가벼운 네트워크 부하 조건에서 CSMA/CA 및 IEEE 802.11 RTS/CTS 교환과 함께 사용할 때 네트워크의 모든 노드에 대해 가장 높은 처리량을 제공하는 것으로 나타났습니다.. FHSS( 주파수 호핑 확산 스펙트럼 )는 네트워크 로드가 상당히 무거워지면 더 큰 처리량으로 처리량 측면에서 DSSS보다 훨씬 뒤처집니다. 그러나 처리량은 무선 전파 요소로 인해 실제 조건에서 일반적으로 동일합니다. [4]

프레임 형식

RTS, CTS 및 ACK 프레임 헤더에는 모두 프레임 제어 필드(2바이트의 메타데이터 플래그), 기간 필드, 수신자 MAC 주소 필드 및 프레임 검사 시퀀스가 포함되어 있습니다.또한 RTS 프레임에는 송신기의 MAC 주소가 포함됩니다.

이 프로토콜은 모든 노드가 동일한 전송 범위를 갖는다는 가정하에 설계되었으며 숨겨진 터미널 문제를 해결하지 못합니다. RTS/CTS 프레임은 근처에 있지만 다른 액세스 포인트와 연결된 무선 노드가 교환을 엿듣고 나서 지정된 시간 동안 전송을 중단하고 물러나라는 신호를 받는 노출된 터미널 문제라는 새로운 문제를 일으킬 수 있습니다. RTS.

RTS/CTS는 CSMA/CA( 충돌 회피 기능을 갖춘 캐리어 감지 다중 액세스 )에서에서 가상 캐리어 감지를 구현하는 추가 방법입니다.기본적으로 802.11은 물리적 캐리어 감지 에만 의존하는데 , 이는 숨겨진 노드 문제를 겪는 것으로 알려져 있습니다.

RTS/CTS 패킷 크기 임계값은 0–2347 옥텟입니다.입니다 . 일반적으로 패킷 크기가 이 임계값을 초과하지 않으면 RTS/CTS 프레임 전송이 발생하지 않습니다. 노드가 전송하려는 패킷 크기가 임계값보다 큰 경우 RTS/CTS 핸드셰이크가 트리거 됩니다.그렇지 않으면 데이터 프레임이 즉시 전송됩니다.

IEEE 802.11 RTS/CTS 메커니즘은 [ 누구에 따라?] 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다. ] 노드 문제도 노출됩니다. 노드가 동기화되고 패킷 크기와 데이터 속도가 두 전송 노드에 대해 동일한 경우에만 가능합니다. 노드가 이웃 노드로부터 RTS를 듣지만 해당 CTS를 듣지 못하는 경우 해당 노드는 자신이 노출된 노드라고 추론할 수 있으며 다른 이웃 노드로 전송이 허용됩니다. [1] 노드가 동기화되지 않은 경우(또는 패킷 크기가 다르거나 데이터 속도가 다른 경우) 노출된 노드가 이웃 노드의 데이터 전송 중에 CTS 또는 ACK를 듣지 못하는 문제가 발생할 수 있습니다

802.11 Channel Access Method, 802.11 Medium Access Method

802.11 매체접근방식, 매체접근방식

1. 802.11 매체접근방식

  ㅇ 802.11 표준에서는, 각 무선단말이 공유 무선 매체(Shared Wireless Medium)에 접근하기 위한,
     - 다음과 같이 여러 방식(경쟁방식,무경쟁방식,혼성방식)들이 정의되어 있음


2. 802.11 매체접근방식 구분 (조정기능 : Coordination function)

  ㅇ DCF (Distributed Coordination Function) = CSMA/CA  : QoS 미제공
     - 필수 기본 (보통의 동작)
     - 경쟁 방식
     - QoS 지원 안함

  ㅇ PCF (Point Coordination Function) : QoS 제공
     - 선택 (현존 시장에서 미 구현, 사용 사례 없음) 
     - 무경쟁 방식
     - AP의 중앙집중형 폴링에 의해 QoS 제공 (사실상 미제공)
        . 802.11 표준 개발 초창기에 개념적으로 만 정의된 기능으로써,
        . 구체적으로 어떻게 AP에 의해 각 무선노드가 폴링 조정되는가를 정의하지 못함

  ㅇ HCF (Hybrid Coordination Function) : QoS 제공 (802.11e에서 구체적으로 정의됨)
     - 선택
     - 혼성적 경쟁 또는 무경쟁 방식

     - HCF 구분 
        . EDCA (HCF Enhanced Distributed Coordination Access)
           .. 선택 (시장에서 많이 사용)
           .. 경쟁 기반의 채널접근 방식을 통해서도, 우선순위화된 QoS 지원
           .. DCF의 확장 (데이터 프레임 블록별 트래픽분류화/우선순위화 등)
           .. 4개의 ACs(Access Category)로 Qos 구분       ☞ WMM 참조

        . HCCA (HCF Controlled Channel Access)
           .. 선택 (시장에서 미구현)
           .. 무경쟁 폴링 기반의 채널접근 방식 
           .. PCF의 확장 (무선 단말 ID별로 자원예약화)

  ※ 시장에서는 DCF, EDCA 만 사용됨