<이전글>
유선 vs 무선
네트워크는
크게 유선과 무선으로
구분될
수 있습니다.
유선 네트워크에서 디바이스들은 유선으로 연결되고 위치가
고정됩니다. 다시
말해서, 디바이스들이
움직이지 않습니다. 대표적으로
이더넷
네트워크에 연결된 IP 카메라가
좋은 예 시입니다.
무선
네트워크에서 디바이스들은 어떤 유선에도 연결되어 있지 않지만 무선 네트워킹 기술을 이용하여 서로 통신할 수 있습니다. 일반적으로
스마트 폰, 스마트
시계와 같은 모바일
디바이스들이 주로 그러한 디바이스들입니다.
Wi-Fi, 블루투스, 지그비는 무선 네트워크의 예시입니다. 대부분의 IoT 장치는
제한된 리소스를 가지고 있기 때문에 이동을 하지 않고 주로 자리에 고정되어 설치됨에도 불구하고, 유선
네트워크를 사용하는 통신은 적합하지 않을 수 있습니다. 오히려, 가벼운 무선 네트워킹 기술이 IoT 통신에 더
적합합니다.
그래서
우리는 무선 네트워크에 초점을 맞출 것 입니다.
무선 네트워크의 분류
네트워크를
다르게 분류할 수도 있습니다. 그러나
보통 커버리지 거리에 따라 분류하는 것이 일반적입니다. 기지국이
신호를 보내고 통신하는 정도에 따라 커버리지를 식별할 수 있습니다.
WPAN
최소
커버리지는 약 10 미터까지
통신
거리이고 이것을 ‘개인 통신망(또는 PAN)’라고 합니다. 무선일 경우에는 무선 PAN (또는 WPAN)
이라고
합니다. WPAN은 블루투스, 지그비 그리고 NFC와 같은 다양한 무선 통신 기술을 보유하고 있습니다.
WLAN
조금 더
넓은 범위에 대해서, 무선 근거리 통신망(또는 WLAN)을 사용할 수 있습니다.
Wi-Fi는
약 100미터 범위에서 가장 널리 사용되는 WLAN 기술입니다.
IEEE 802.11은
수년에 걸쳐서 여러 Wi-Fi 표준을 정의했습니다. 1997년에
개발된 첫 번째 제품과 비교했을 때, 서비스 범위와 대역폭은 상당히 증가했습니다.
WMAN
IEEE 802.16 또는
WiMax는 무선 도시 지역망(또는 WMAN)을 위한 네트워킹 기술입니다. 일반적으로
수 킬로미터까지 커버할 수 있습니다. 무선 LAN보다는 넓은 커버리지를 가지지만, 셀룰러 네트워크
보다는 좁은 커버리지를 가집니다. 2010년 초, KT와 SKT는 WiBro라는 WiMax의 한국버전을 배포했습니다. 이것은 LTE와
경쟁하는 기술이었습니다. 불행히도 LTE가 경쟁에서 승리했고, WiBro는 그다지 사용되지 않고 있습니다. WiBro는 버스
및 택시에서 업링크 통신을
제공하는데 사용됩니다.
WWAN
마지막은 무선 광역 통신망(또는 WWAN)이며, 2G,
3G, 4G 및
5G 네트워크와 같은 셀룰러 네트워크가 WWAN의 예
입니다. 이들은 휴대전화가 음성 및 데이터 통신을 하는데 사용되는 통신 기술입니다.
이동통신 네트워크
이제,
셀룰러
네트워크에 대해서 간략하게 소개하겠습니다. 이미
알고 계시겠지만, 셀룰러
네트워크는 1G, 2G,
3G 그리고
4G의 여러 세대를 거쳤습니다. 이제 5G를 준비할
때 입니다. 지금 여러분이 사용하고 계시는 LTE 폰은 4G 폰입니다.
휴대전화의
역사를 살펴보면, 1세대 휴대전화는 아날로그였으며, 음성
통신만 가능한 상태로 회선 교환이 이루어졌습니다.
2세대의 주된 변화는 아날로그 신호 대신 디지털 신호를 사용한 것 입니다. 아날로그에서
디지털로 변경하는 것은 중요한 의미를 담고 있습니다. 그래서 디지털 통신은 이때부터 시작되었습니다.
3G에서는, 데이터
통신을 할 때 회선 교환 방식을 사용할 경우 문제가 발생하였습니다. 당시의 전화 회선 네트워크는 음성 통신에 최적화되어 있었기 때문입니다. 이런
식으로 많은 낭비가 있었습니다. 따라서 데이터 트래픽이 증가함에 따라 자연스럽게, 음성에
최적화된 회선교환 방식보다는 데이터에 최적화된 데이터 패킷 교환 방식으로 변화되었습니다. 그래서 3G에서는
회선 교환 대신에 패킷 교환이
사용되었습니다. 그리고 우리는 이것이 2세대로부터의
진정한 디지털 세대라고 말 할 수 있습니다. 2세대 이후에는 모두 디지털 방식이었고, 3세대
부터는 패킷 교환
방식이 사용되었습니다. 패킷 교환 방식은 데이터 통신의 한 형태입니다. 점차
음성보다는 데이터를 주고 받는 어플리케이션이 늘다 보니 자연스럽게 패킷 교환방식으로 진화되었습니다. 이것은
유선 네트워크에서도 마찬가지입니다. 유선
네트워크에서도 전화망이 점점 네트워크망으로
바뀌었습니다. 무선망
역시 이런 식으로 진화 했습니다.
이제 우리는 LTE 또는 LTE-A라고 불리는 4G 시대에
살고 있습니다. 3G와 4G의 차이점은 데이터 속도가 크게 향상되었다는 것 입니다. 당시의
그림을 보면 1세대부터 전화기가 진화되는 것을 볼 수 있습니다. 1세대
휴대전화는 크기가 라디오보다 컸습니다. 지금은 매우 작고 똑똑한 휴대전화를 사용하고 있습니다. 그 다음, 스마트 패드들이 사용되고 있습니다. 그것들은 음성보다는 데이터에 최적화되어 있습니다.
5G가 현재
표준화되고 개발되고 있습니다. 2018년 한국에서 개최된 평창 동계 올림픽에서 KT가 전
세계에서 가장 처음으로 5G 셀룰러 네트워크를 선 보이기도 했습니다.
Wi-Fi (IEEE 802.11)
이제
W-Fi(IEEE
802.11 표준)에 대한
자세한 설명을 드리겠습니다. Wi-Fi는 여러분들이 사용하는 디바이스들(스마트 폰, 패드, 노트북)에서 가장
많이 사용되는 무선 LAN 기술입니다. 앞에서 언급했듯이 Wi-Fi는 근거리 통신(집, 학교, 사무실, 카페, 기차역, 공항 등)에
사용됩니다. Wi-Fi는 개인적으로 구매해서 개인 주택과 건물에 설치할 수 있지만 KT,
SKT, LGU+ 등의
공공 장소에서 제공하기도 합니다.
Wi-Fi는 ISM 대역이라는 허가되지 않은 대역에서 작동합니다. ISM
대역은
통신 이외에 산업, 과학 및 의료(Industrial-Scientific-Medical) 목적의
무선 주파수(RF) 에너지를 사용하기 위해 국제적으로 예약된 무선 대역입니다. 라이선스가
없는 대역이란 해당 대역을 모든 디바이스들에서 합법적으로 어떤 어플리케이션에서든 사용할 수 있음을 의미합니다. 라이선스가
있는 대역이란, 2G, 3G, 4G의 휴대전화 통신과 같이 특정 통신 목적을 위해 정부에서 통신사에게
판매하는 대역을 말합니다. 통신사는 아무런 간섭 없이 그 대역을 사용하여 통신 서비스와 같은 그들의
비즈니스를 할 수 있도록 많은 금액(10억 달러 이상)을 지불합니다. 이전에
언급했듯이, Wi-Fi 네트워크는 라이선스가 없는 대역을 사용합니다.
Wi-Fi에는
인프라 네트워크 모드와 Ad-hoc 네트워크 모드의 2가지 작동
모드가 있습니다.
Wi-Fi 의 2가지 네트워크 모드
인프라
모드는 여러분에게 가장 친숙한 모드입니다.
Wi-Fi 액세스 포인트(AP)를
기지국이라고 합니다.
Wi-Fi WLAN 허브를 구입한 후, KT, LGU+ 또는 SK브로드밴드와 같은 인터넷 서비스 제공업체(ISP)가 제공하는
가정용 라우터의 통신
포트에 연결하여 기지국을 인터넷에 연결할 수 있습니다. 다시 말해서, 인프라 모드를 기지국으로 생각할 수 있습니다. 기지국
아래에 수백 개의 단말기가 존재해도, 서로 직접 통신할 수는 없고 기지국을 통해서만 통신할 수 있습니다. 기지국은
인터넷에 연결되어 있습니다. 우리는 이것을 인프라 모드라고 합니다. 통신
인프라에 연결되어 있어서 그것대로 쓰는 것이라고 이해하시면
됩니다.
다음은 Ad-hoc
모드입니다. 저기에는
기지국이 없습니다. 따라서
컨트롤러가 없기 때문에, 모든
단말기들이 서로 직접 통신해야 합니다. 단, 통신 범위
거리 안에 있어야 합니다. 너무
멀리 떨어져 있으면 통신이 되지 않습니다.
따라서
인프라
모드에서는 유선 네트워크로 가기 위한 홉(hop)이 하나 있으나 Ad-hoc 모드에서는
유선 네트워크로 가기 위한 많은 홉(hop)이 존재할 수 있다는 것이 인프라 모드와 오른쪽의 Ad-hoc모드의
차이점 입니다. Hop에 대해서는, 얼마나 많은 디바이스들을 무선으로 연결해야 하는지 계산할 때 hop이라고
합니다. 단말기와 기지국만 무선으로 연결되는 경우 단일 홉(hop)이라고
합니다. 오른쪽에서, 단말기가 다른 단말기와 통신할 때 여러 홉(hop)을 통해
통신해야 하는 경우가 있을 수 있습니다. 이것을 멀티 홉(multi-hop) 통신이라고
합니다.
인프라 모드
그림에
나와 있듯이,
Wi-Fi는 대부분 인프라 모드를 사용하여 작동합니다. 이전에
인프라 모드를 설명한 것처럼 기지국이 있고 단말기는 기지국을 통해 서로 통신합니다.
여러분이 Wi-Fi를
구성할
때, SSID (Service Set ID) 필드를 볼
수 있습니다. 서비스 세트의 모든 연결 디바이스들과 액세스 포인트(AP)들이
동일한 SSID를 사용하도록 구성해야 합니다. 서비스
세트에는 2가지 유형이 있는데, Basic Service Set(BSS)와 Extended
Service Set(ESS)입니다. BSS는 하나의
AP와 단말기 그룹이 유선 LAN으로
연결되어 구성되어 있습니다. ESS는 둘 이상의 AP로 구성됩니다. ESS를
사용하면 여러 AP들이 커버하고 있는 어떤 지역에서도 로밍 할 수
있습니다. BSS는 분산 시스템이라고 불리는 유선 네트워크에 연결됩니다. 그리고
우리는 이러한 방식을 연결된 네트워크를 인프라 네트워크라고 합니다.
Ad-hoc 모드
보시다시피, Ad-hoc 네트워크에서의 무선 기기들은 기지국 없이 서로 통신합니다. 예를 들어, 우리가
전쟁에 나간다거나 북한에 간다면, 사용할 수 있는 인프라 네트워크가 존재하지 않을 것 입니다. 이러한
경우, 군인들이 사용하는 무선 기기들과 통신하기 위해서는 Ad-hoc 네트워크를 사용해야 합니다. 따라서
중앙 기지국이 없어도 단말기들이 서로 통신하는 방식을 Ad-hoc 네트워크라고 합니다. 이
슬라이드에는 2개의 BSS가 있습니다. 하나의 독립적인 BSS는 AP가 없는 Ad-hoc 네트워크로서
다른 어떠한 BSS에도 연결할 수 없습니다. 즉,
IBSS1과
IBSS2의 기기들은 서로 통신할 수 없습니다.
기본적인 Wi-Fi 동작 프로세스
Wi-Fi 작동의 기본 과정을 설명하겠습니다. 실제로 매우 간단하답니다. 일반적으로 몇 단계를 거치게 됩니다.
스마트 폰의 설정화면을 아래로 내리면서 Wi-Fi
인터페이스를
켜고 끌 수 있습니다. 이 기능을 켜면 Wi-Fi 인터페이스가
기지국 검색을 시작합니다. 요즘에는 일반적으로 오른쪽 그림에서 볼 수 일듯이 많은 기지국들을 찾을 수
있습니다. 이것들은 앞에서 설명한 BSS
ID라고
불리는 기지국의 고유 이름입니다.
그런데, 기지국들이 동일한 무선 주파수를 사용하면 당연히 서로 간섭이 발생할 것
입니다. 맞죠? 당연합니다. 예를 들어, 동시에 여러 개의 라디오를 켜면 제대로 소리를 들을 수 없습니다. 따라서
기지국들은 동일한 주파수를 사용하지 않습니다. 다르게 사용하기
위해서 채널이라고 하는 것들로 나눕니다. TV 채널이
서로 다른 것처럼 Wi-Fi는 약간 다른 주파수를 설정하여 채널로 나뉩니다. 스마트 폰에서 Wi-Fi
인터페이스
카드를 먼저 켜면 어떤 채널을 사용해야 하는지 모를 수도 있습니다. 어떤 채널을 어떤 기지국에 사용할지 모르기 때문에 채널을 검색하기
시작합니다. 이것을 우리는 채널 스캐닝이라고 합니다. 검색 결과, 어떤
기지국이 있고 어떤 세기의 신호가 있는지 등등의 정보를 얻게 됩니다.
이것을 ‘비콘’이라고 합니다.
비콘 프레임은
IEEE 802.11 기반 WLAN의
매니지먼트 프레임 중 하나 입니다. 여기에는 네트워크에 대한 모든 정보가 들어 있습니다. 비콘 프레임은
주기적으로 전송되어 무선 LAN의 존재를 알립니다. 비콘 프레임은 BSS에서 AP에 의해
전송이 됩니다. Wi-Fi를 사용하는 디바이스는
사용 가능한 채널들을 검색하는 두 가지 방법(능동/수동) 중 하나를 사용할 수 있습니다. 능동 스캔
중에는 클라이언트 라디오가 직접 probe 요청을 전송하고, AP로 부터 probe 응답을
수신합니다. 수동 스캔에서 클라이언트 라디오는 각 채널에서 AP가
주기적으로 보내는 비콘을 수신
받기 위해 대기합니다.
기지국은
일정 시간 간격으로 '비콘＇이라는
신호를 보냅니다. 이
비콘에는
타임스탬프, 시간
간격,
SSID, 사용된 채널 번호, 기능 정보
등과 같은 기지국에 대한 유용한 정보를 포함하고 있습니다. 여러분은 이 정보들을 얻을 수 있습니다.
통신하고자
하는 AP를
찾아 선택한 후에는,
‘Authentication’과 ‘Association’이
필요합니다.
‘Authentication’은 모바일
기기가 기지국을 이용할 권한을 가지고 있는지 여부를 확인하는 작업을 포함합니다. 암호확인은
가장 많이 사용되는 인증방법입니다.
‘Authentication’이 성공적으로 수행되면 최종 절차인 ‘Association’을
합니다. 모바일
기기들은 AP 또는 라우터와 연결(등록)하여
네트워크에 완전히 접근할 수 있습니다. ‘Association‘은 AP가 각 모바일 기기들을
기록하여 프레임이 제대로 전달되도록 합니다. Association은 Ad-hoc
모드가
아닌 무선 인프라 네트워크에서만 발생합니다. 기지국은 한 번에 하나의 AP에만
연결할 수 있습니다. 이 2가지 절차가 끝나게 되면, 데이터가
전송될 수 있습니다.
대중적인 Wi-Fi 표준들
오늘 날의
시장에는 많은 Wi-Fi
AP가
있습니다.
사실,
다양한 AP들은
서로 다른 Wi-Fi 표준을
사용합니다. 제가 802.11이 Wi-Fi 표준집합이라고 말씀 드렸습니다. 많은
표준들이 있기 때문에 표준화를 하는 사람들은 11 글자 뒤에 알파벳 문자를 추가시킴으로써 각각의 표준들을 구분하였습니다.
1997년
표준이 처음 생겼을 때, 표준번호 뒤에 별다른 알파벳이 붙지 않았습니다. 사람들은
그것을 ‘802.11 legacy’ 라고
부릅니다. 그 다음에 b가 나왔고, 다음에 a와 g가 나왔습니다. 다음에 n이 나왔고, 최근에는 ac가 나오게 되었습니다. 지금도
다른 표준들이 계속 연구되고 있습니다. 차이점은 앞서 언급했듯이 ISM 대역에는 2가지
대역이 있다는 것 입니다. 처음에 나온 것은 5GHz를 사용하지 않고 2.4GHz를
사용했습니다. 추후에 사람들이 2.4GHz 뿐만
아니라 5GHz도 사용하길 원해서 5GHz 대역을 사용하는 제품이 출시되었습니다.
OFDM은
802.11 a/g, n, ac 의
전송방법으로 사용됩니다. OFDM은 디지털 다중 반송파 변조 방식(digital
multi-carrier modulation method)으로 쓰이는 주파수
분할 다중화(frequency-division
multiplexing, FDM) 방법론입니다. 여러 개의
병렬 데이터 스트림이나 채널을
통해 데이터를 전송하기 위해 다수의 밀접 간격 직교 부반송파(orthogonal sub-carrier) 신호가
사용됩니다. 안테나는 하나
쓸 것인지, 많이
쓸 것인지에 따라서
SISO, MIMO 이렇게 구분이
됩니다. 따라서
디바이스에 안테나가 더 있으면 데이터를 멀리 보낼 수 있고 데이터 전송 속도가 빨라집니다.
그래서 안테나기술과 전송방식 여러 가지
기술을 결합해서 더 많은 데이터를 더 짧은 시간 안에 보내기 위한 과정이 바로 채널
대역폭의 매개변수가 됩니다.
보시다시피
a/g,
n, ac로 갈수록 숫자가 커지게 됩니다. 즉, 더 많은
데이터를 동시에 보낼 수 있다는 뜻이 됩니다. 그래서
제일 아래 있는 최대 전송률을 보시면,
엄청 차이가 있다는
것을 알 수 있습니다. 현재
가장 많이 쓰고 있는 제품은 802.11n
일 것입니다. 몇 년
전에 802.11ac가
나왔습니다. 최근
출시되는 스마트 폰 또는 Wi-Fi 제품들이 802.11ac
기술을
포함하여 출시됩니다. 하지만 802.11n도
현재 많이 쓰이고 있습니다.
차이점은 더 짧은 시간 안에 얼마나 더 많은 데이터가 전송되느냐 입니다.
