무선랜의 이해

IEEE란?

1.     Institute of Electrical and Electronics Engineers 의 약자 , 아이 트리플이라고 함

2.     전기 전자 기술사 협회

 

IEEE 802.11 이란?

1.     무선랜 , 와이파이라고 부르는 좁은 지역 ( Local Area ) 을 위한 컴퓨터 무선 네트워크에 사용되는 기술

802.11 상위 계층 아키텍처

1. 분산형 매체 접근 제어 방식

à  DCF : 802.11의 MAC 계층의 기본 동작을 정의 , CSMA-CA를 이용한 접근 제어 기법

è  EDCA : Qos를 보장하기 위하여 DCF를 향상시킨 접근 제어 기법

2.     중앙집권형 매체 접근 제어 방식

è  PCF : 802.11의 중앙집권형 매체 접근 제어 방식

è  HCCA : Qos를 보장하기 위하여 PCF를 향상시킨 접근 제어 기법

 

AP가 있는 경우와 AP가 없는 경우 차이점

1.     Infrastructure(인프라스트럭처)mode

è  Access point ( AP ) 와 단말 (STAs)

è  Infrastructure Basic Service Set ( BSS ) 라고 불린다.

 

 

2.     Ad hoc (애드훅) mode

è  AP 없이 단말 간 통신 (STAs)

è  Independent Basic Service Set ( IBBS ) 라고 불린다.

 

 

경쟁 기반 Vs 비경쟁

1.     Distributed Coordination Function ( DCF )

è  경쟁 기반 채널 접속 ( Contention-based channel access )

2.     Point Coordination Function ( PCF )

è  비경쟁 채널 접속 ( Contention-free channel access )

3.     상용 제품은 경쟁 기반 채널 접속만 구현한다.

 

Distributed Coordination Function ( DCF )

1.     기본 엑세스 방식으로 사용한다.

2.     Ad-hoc에서 단독으로 사용하거나 infrastructure 환경에서 PCF 와 공동으로 사용

3.     스테이션 간 경쟁에 의한 매체 사용권 제어

è  CSMA/CA 기법 기반

è  전송 도중에 수신 신호를 들을 수 없으므로 , CSMA/CD는 사용 불가

 

CSMA/CA 알고리즘이란 무엇인가

1.     데이터를 전송하기 전에 먼저 캐리어 (신호)를 감지한다.

2.     캐리어(신호)가 감지되면 현재 전송 중인 프레임이 완전히 끝날 때까지 기다린다.

3.     “일정한 시간” (DIFS : DCF Inter Frame space) 동안 채널이 빈 상태로 계속 유지되면 즉각 데이터 프레임을 전송한다.

4.     DIFS 동안 캐리어가 감지되면 전송을 연기하고 , 랜덤 백오프 ( random backoff ) 절차 수행

è  얼마 동안 기다린 후 전송을 재시도 할 것인지를 결정하는 절차

è  기다리는 시간은 백오프 타이머의 값으로 결정

5.     수신자는 프레임을 수신하면 SIFS 후에 ACK 로 응답한다

6.     만약 송신자가 ACK를 수신하지 못할 경우 , (즉 , 충돌 시 ) 다시 백 오프 절차로 되돌아 간다.

 

경쟁 기반 시분할 접속

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

è  IEEE 802.3 Ethernet의 CSMA/CD 의 변형

è  CCA에 기반한 CS ( Carrier sensing )

è  Binary exponential backoff에 기반한 CA ( Collision Avoidance )

 

Priority access

1.     프레임의 중요도에 따라 IFS(Inter Frame space)에 차등을 둔다.

è  시급을 요하는 제어용 프레임은 상대적으로 IFS 를 작게 하여 대기 시간을 줄인다

è  데이터 프레임 , 관리 프레임을 보낼 때 : 비교적 큰 값인 DIFS ( DCF IFS )

è  비경쟁구간 시작 시 : 그 보다 작은 PIFS ( PCF IFS )

è  ACK , CTS ACK , CTS 등의 제어 프레임을 보낼 때는 가장 작은 SIFS ( Short IFS )

 

2.     By the use of IFS ( Interframe Space )

è  SIFS ( Short IFS ) : ACK , CTS , Fragment burst 의 2번째 이 후 fragment를 보낼 때 사용한다

è  PIFS ( PCF IFS ) : CFP 시작 시 priority access 를 위하여 사용한다

è  DIFS ( DCF IFS ) : 데이터 프레임 또는 관리 프레임을 보낼 때 사용한다

 

3.     SIFS < PIFS < DIFS

 

 

 

 

 

DCF

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

è  Listen – Before – Talk : 매체가 사용되지 않을 때만 전송 가능

 

2.     IFS ( Inter – Frame – Space )

è  매체(medium)를 사용하기 전에 기다리는 시간

è  세 가지 priority가 존재

ㄱ.   SIFS ( Short IFS )

ㄴ.   PIFS ( PCF IFS )

ㄷ.   DIFS ( DCF IFS )

 

3.     전송할 준비가 된 STA은 매체(medium) 사용 여부를 확인 ( Carrier Sensing )

4.     DIFS 동안 매체가 유휴 ( IDLE / FREE ) 하면 전송 시작한다.

5.     매체가 사용 중이면 , DIFS 동안 매체가 유휴 할 때까지 대기한 후 , 추가로 random back-off time을 기다린다 ( 충돌 회피 기능 )

6.     Random back off time 중 다른 단말이 매체를 사용하면 , back-off timer를 중지시킨다.

 

Random backoff algorithm

1.     백오프 타이머의 값은 각 노드에서 랜덤하게 주어지는데 , 재전송 시도가 증가할수록 지수적으로 증가한다.

2.     백오프 구간동안에는 빈 슬롯이 지날 때 마다 타이머의 값을 1만큼 감소시킨다

(채널이 점유 상태일 경우에는 타이머를 동결시킨다)

3.     백오프 타이머가 “0” 이 되면 전송을 시작한다

4.     재전송 시도가 증가할 때 마다 contention window 가 지수적으로 증가한다 .

(초기 값 = 0~7)

5.     높은 부하에서 효율적으로 동작한다.

6.     공정성 제공

è  모든 스테이션은 동일한 확률로 채널 접근한다.

7.     Time bounded Time bounded 서비스 지원 불가

 

DCF

1.     802.11 에서는 에러 복구를 위하여 재전송 기법을 사용한다.

è  Case 1 : Data Frame이 에러난 경우

è  Case 1-1 : 한 단말이 전송했으나 무선 채널에 의해 에러난 경우

è  Case 1-2 : 두 단말 이상이 동시에 전송한 경우 ( Collision 발생 )

è  Case 2 : Ack Frame이 에러난 경우

 

2.     802.11 재전송 기법 : Binary Back-off

è  에러난 경우 (ACK Frame을 수신하지 못하면) , contention window를 두 배로 증가 à Collision 발생 확률 저하 효과

è  딜레이 증가를 막기 위하여 , Contention window의 최대값 설정

è  비효율적인 재전송 방지하기 위하여 최대 재전송 횟수 제한

 

Carrier sensing ( CS )

1.     물리적 캐리어 감지 ( PCS : Physical carrier sensing )

è  무선 인터페이스에서 감지되는 실제의 캐리어로서 신호강도에 의하여 감지된다.

 

2.     가상 캐리어 감지 ( VCS : Virtual carrier sensing )

è  MAC에서 감지

è  전송 중인 프레임의 채널 점유 기간이 얼마나 될지 예상한 후 그 시간 동안 스스로 채널 접근을 하지 않는 것을 의미

è  프레임 내의 duration 필드를 사용하여 채널 점유 기간이 얼마나 될지를 알려줌 ( msec 단위 )

 

3.     VCS = “1” 또는 CCA = “1” 이면 채널 점유 상태이다.

 

DCF

1.     Hidden Terminal 

è  STA1과 STA2는 STA3를 들을 수 있으나 , 서로는 들을 수 없다.

è  신호 검출 실패로 데이터 충돌이 발생 가능

 

2.     Hidden Terminal 문제 해결 방법 : RTS/CTS 사용

è  송신 단말은 Data Frame을 보내기 전에 RTS Frame을 전송한다.

è  수신 단말은 SIFS 후에 CTS Frame을 전송하여 수신 준비를 송신 측에 알린다.

è  다른 단말들은 RTS/CTS Frame에 포함된 시간동안 매체를 이용하지 않는다.

è  RTS/CTS Frame에는 Data Frame 전송에 필요한 시간 정보가 포함된다 .

 

RTS/CTS

1.     RTS/CTS (Request to Send / Clear to Send ) 는 802.11 무선 네트워크 프로토콜 에서 선택적으로 사용할 수 있는 통신 메커니즘이다.

è  RTS/CTS 는 은닉 노드 문제 ( hidden terminal problem ) 로 알려진 프레임 충돌을 막기 위해 사용한다.

 

2.     데이터 전송을 원하는 노드 node가 송신 요청 RTS 프레임을 보내는 것으로 프로세스가 시작된다 .

3.     송수신중인 다른 신호가 없어 전송이 가능한 무선 환경인 경우 , 목적지 노드는 이 신호에 대해서 송신 확인 CTS ( Clear To Send ) 프레임을 보내 응답하게 된다.

4.     RTS나 CTS 프레임을 받은 다른 모든 노드는 정해진 시간 동안 데이터 전송을 제한하게 된다 ( 은닉 노드 문제가 해결된다 )

è  전송을 제한하게 되는 시간은 RTS와 CTS 프레임 안에 적혀있다.

è  이 프로토콜은 모든 노드가 같은 전송 범위를 갖는다는 것을 전제하고 하고 있다.

 

5.     RTS/CTS는 Carrier sense multiple access with collision avoidance ( CSMA/CA ) 논리적 신호 탐지 ( virtual carrier sensing ) 을 구현하기 위한 추가적이고 선택적인 방법이다.

6.     기본적인 802.11 은 물리적 신호 탐지 ( Physical carrier sensing ) 만을 사용하고 이는 은닉 노드 문제 ( hidden terminal problem ) 을 발생시킨다.

 

EDCA ( Enhanced Distributed Channel Access )

1.     DIFS 대신 AIFS 도입

è  AIFS ( AC ) : AC에 따라 다른 길이를 가진다 , 매체 접근의 우선권 부여

 

2.     Four ACs ( Access Categories )

è  AC_BK : Background

è  AC_BE : Best effort

è  AC_VI : Video

è  AC_VO : Voice or VoIp

 

3.     다중 Queue 개념

è  각 단말은 총 4개의 AC별 전송 Queue를 가진다.

è  각 AC별 Queue는 EDCA에 따라 채널 접근한다.

 

4.     Qos ( Quality of Service ) 보장 필요성

è  무선네트워크에서 다양한 서비스들의 출현

: 각 서비스들은 다른 Qos ( delay , throughput , etc .. ) 요구

è  그러나, 기존 무선 랜은 Best-Effort 서비스만 지원한다.

: 여러 서비스들의 Qos를 제공하는 기술 필요로 한다 .

 

형평성 문제

1.     DCF : Throughput Fairness

è  단말들이 계속해서 프레임 전송을 시도하면 , 각 단말들이 프레임을 전송할 확률은 동일하다

è  전송 속도가 낮은 단말의 성능으로 평준화 : 네트워크 성능 저하 발생

 

2.     EDCA : Temporal Fairness

è  단말들이 계속해서 프레임 전송을 시도하면 , 각 단말들이 전송할 수 있는 시간이 동일

è  전송 속도에 따라 각 단말의 성능 결정 : 네트워크 성능 향상

 

TXOP

1.     TXOP : 단말이 프레임을 전송할 권리를 가지는 시간 구간

è  TXOP 동안 하나 이상의 프레임 전송 가능

è  TXOP 길이에 따라 Aggregation , Fragmentation 이용

è  반드시 1:1 에서만 확보 가능

 

2.     TXOP 획득 방법

è  RTS Frame 전송 후 CTS Frame을 수신

è  Data Frame 전송 후 ACK Frame을 수신

è  CTS-to-self 전송

 

TXOP 규칙

1.     TXOP 내에서의 전송은 반드시 SIFS 간격으로 이루어져야 한다.

è  SIFS 간격이 유지되지 못하면 다른 단말에 의해서 TXOP 침해 가능성 존재한다.

 

2.     TXOP 내에서 전송이 실패한 경우 TXOP을 반납해야 한다

è  CF-End Frame 이용

 

3.     TXOP 이 Beacon Frame 전송 예정 시간을 침해할 수 없다

è  Beacon Frame이 지연되어 전송되는 것을 방지한다

 

Block ACK

1.     하나의 ACK 프레임으로 여러 개의 프레임 수신에 응답하는 방법

2.     MAC 성능을 개선시킨다.

3.     Block ACK을 사용하기 위해서는 송신자와 수신자가 미리 협상 과정을 수행 해야된다

 

Beacon Frame

1.     Beacon Frame

è  AP가 주기적으로 전송하는 Broadcast Frame

è  PIFS 를 이용하여 전송 ( Data Frame 보다 우선권을 가진다 )

 

2.     Beacon Frame 역할

è  연결되어 있지 않은 주변 단말이 AP를 발견하기 위하여 전송

è  연결되어 있는 단말의 시간 동기를 맞추기 위하여 전송