무선 네트워크 (802.11)

1. 무선 네트워크 (802.11) 20011550 홍성화 20021540 안재영 20021692 김 흔

2. 802.11 기술 비교

3. 802.11 task group

4. Wireless LAN Configurations -사용자는 비용의적합성, 통신 속도와 거리, 보안수준, 노이즈 등의 여러 가지 조건들을 따져보고 어떠한 사양의 제품을 선택할지를 결정하게 된다. - 802.11의 표준사양들의 통신 속도

5. Wireless LAN Configurations - 802.11 표준사양들의 다양한 통신거리 및 데이터 통신 상태

6. Basic Wireless Network Topology - 일반적인 망 구성

7. Basic Wireless Network Topology - Peer to Peer 방식

8. Basic Wireless Network Topology - 기존 무선장비들이 스위치를 접속된 무선 AP 에 연결을 통해 기존망에 네트워킹 된다.

9. Basic Wireless Network Topology - 무선 디바이스들은 Peer to Peer 방식이나 Ad-Hoc 모드로 접촉을 할 수 있다.

10. 통신 거리 확장 - 사용자는 AP간의 끊김 없는 로밍 기능을 통해 쉽게 거리를 쉽게 확장 할 수 있다. - 802.11 은 각각 3개의 채널 1, 6, 11을 가지고 있으며 사용자는 겹쳐지는 채널을 통해 AP간 끊김 없는 통신환경을 구축 할 수 있게 되는 것이다.

11. 802.11 의 보안 인증과 암호화 방식 - 무선 랜의 다양한 보안 프로토콜 및 기술

12. Default Security Settings - 기본적인 인증절차를 제공하기 위해 대부분의 AP는 간단한 MAC address 필터링 기능을 제공한다. ·SSID– The Service Set Identifier는 일반적으로 제조회사의 이름으로 설정되어있다. 사용자는 자신이 좋아하는 어떠한 단어 및 문구로 설정 변경 할 수 있다. · Channel–일반적으로 채널 값은 채널6로 기본 설정되어진다. 허나 이웃의 가까운 사용자가 쓰는 AP가 채널 6로 설정되어있다면 간섭현상이 발생할 수 있다. 이런 경우 채널 1에서 11사이의 것으로 설정하며 된다. · WEP Key – WEP는 기본적으로 작동하지 않도록 설정되어있다. WEP key 기능을 사용하려면 동작 설정 후 128-bit 암호화 값을 설정하면 된다.

13. IEEE 802.11 PHY ○IEEE 802.11 PHY의 physical layer 기술 - frequency hopping spread spectrum(FHSS) ∙ 2.4GHz ISM 밴드(Industrial, Scientific, Medical) 사용 ∙ two-level Gaussian frequency shift keying (GFSK) - direct sequence spread spectrum(DSSS) ∙ 2.4GHz ISM 밴드(Industrial, Scientific, Medical) 사용 ∙ differential binary phase shift keying(DBPSK) ∙ differential quadrature phase shift keying(DQPSK) - infrared(IR) ∙ 실내(indoor)용 ∙ 16-pulse position modulation(PPM)과 4-PPM을 이용하는non directed trasmission으로 동작

14. IEEE 802.11 PHY ○ IEEE 802.11b PHY - Complementry Code Keying(CCK)와 2.4GHz에서의 DSSS변조 기술을 사용 ○ IEEE 802.11a PHY - OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)의 복합적인 사용을 하는 Coded OFDM(COFDM)을 사용한다. 이는 주파수 분할 다중화 다중 반송파 통신기술로, 더 높은 실제 데이터 전송률을 수행하기 위해 convolutional coding 사용한다. ○ IEEE 802.11g PHY - 02.11b PHY의 상위집합으로 802.11b의 변조 기술과 원래 5GHz 대역의 802.11a PHY를 위해 정의되었던 OFDM 기술을 사용한다.

15. IEEE 802.11 MAC -contention-based channel access function인 DCF (Distributed Coordination Function)과 옵션으로 centrally controlled channel access function인 PCF (Point Coordination Function)을 채용하였다. - DCF와 PCF는 station이 전송해도 되는 때를 결정한다. - station은 BSS(Basic Service Set) 또는 IBSS(Independent BSS)로 동작한다. - 시간은 superframe이라는 반복적인 주기로 나뉘어진다. 각 superframe은 beacon frame으로 시작한다. 나머지 시간은 옵션인 CFP(contention-free period)와 CP(contention period)로 나뉜다. - DCF는 CP 동안 동작하며, PCF는 CFP 동안 동작한다.

16. IEEE 802.11 MAC - DCF는 basic access mechanism과 옵션으로 RTS/CTS(Request-to-send/Clear-to-send)mechanism을 정의한다. - DCF에서 프레임을 보내고자 하는 station은 channel의 activity를 monitor한다.(basic access mechanism 방식) ∙ idle 주기가 DIFS(Distributed inter-frame space)와 같아질 때까지 monitoring 한다. ∙ idle DIFS를 감지한 후에, station은 전송하기 전에 random backoff interval을 기다린다. ∙ backoff time counter는 채널이 idle하다고 감지되는 동안의 slot time 단위대로 감소된다. 이 counter는 채널에 전송이 감지되면 멈추고, 다시 DIFS보다 큰 idle상태가 감지되면 다시 동작한다. ∙ 이 backoff time이 0이 될 때, station은 frame을 보낸다.

17. IEEE 802.11 MAC ∙ 각 전송에서 backoff time은 timeslot단위로 [0, CW-1]범위에서 uniform하게 선택된다. ∙ 목적지 station이 성공적으로 frame을 수신한 후에는, 목적지 station은 SIFS(short inter-frame time)에 ACK(acknowledgement frame)을 전송한다. ∙ 만약 전송한 station이 지정된 timeout시간 내에 ACK를 받지 못하거나, 다른 frame 전송을 감지하면, 이 station은 앞에 설명한 backoff 규칙에 따라 frame 전송을 reschedule한다.

18. IEEE 802.11 MAC - hidden station problem을 줄이기 위해서, 옵션으로 RTS/CTS라 불리우는 four-way data transmission을 DCF에서 사용할 수 있다. ∙ RTS/CTS mechanism에서, data frame을 보내기 전에 짧은 RTS frame을 전송한다. (RTS frame은 앞에서 설명한 back off 규칙에 따라 전송한다.) ∙ 만약 RTS frame이 성공적으로 전달되면, 수신 측 station은 짧은 CTS frame으로 응답한다. ∙ 이어서 data frame이 전송되고, 그 다음에 ACK응답이 오게 된다. ∙ 모든 4개의 frame(RTS,CTS,data,ACK)는 SIFS time에 의해 구분된다. 다른 말로 하면, 짧은 RTS와 CTS frame이 data frame 전송을 위한 채널을 예약하는 기능을 수행한다.

19. IEEE 802.11 MAC - basic access mechanism 방식

20. IEEE 802.11 MAC -PCF는 옵션으로 중앙 채널 접근 제어 기능(centrally controlled channel access function)이다. ∙CF(contention-free) frame 전송을 제공한다. ∙ time-bounded service를 지원하기 위해 설계되었고, 이는 제한된 QoS를 제공할 수 있다. - PCF는 논리적으로 DCF 상위에 올라가서, polling을 수행한다. ∙차례가 된(polled) station은 채널을 경쟁 없이 전송할 수 있고, 이는 PIFS(Point inter-frame space)라고 불리우는 더 짧은 inter-frame space를 수용하여 DCF보다 더 높은 우선순위를 갖는다. - PCF에서 AP는 poll frame을 station에게 전송하여 frame을 전송할 것인지 물어본다. - frame을 보내고자 하는 station은 SIFS 타임 이후에 frame 전송을 할 수 있게 된다.

21. Architecture of an infrastructure network

22. Architecture of an ad-hoc network

23. IEEE standard 802.11

24. 802.11 - Layers and functions

25. 802.11 - Physical layer ○ IEEE 802.11은 세 개의 서로 다른 물리 계층 - 라디오 전송에 기초한 두 개의 계층 ∙ 주로 2.4 GHz의 ISM 밴드 ∙ FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) ∙ DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) - 적외선에 기초한 한 계층 ∙850-950 nm 가시광선, 최대 반경 10 m

26. packet format - FHSS PHY packet format - DSSS PHY packet format

27. 802.11 - MAC layer I - DFWMAC - 트래픽 서비스 ∙ 비동기 데이터 서비스 (필수) ∙ 시간-제약 서비스(Time-Bounded Service) (선택) - 엑세스 방식 ∙ Distributed Foundation Wireless MAC ∙ DFWMAC-DCF CSMA/CA (필수) ∙ DFWMAC-DCF w/ RTS/CTS (선택) ∙ DFWMAC- PCF (선택)

28. 802.11 - MAC layer II - 우선순위 ∙ 서로 다른 프레임 간격(inter frame spaces, IFS)으로 정의 ∙ 고정적으로 보장된 우선순위는 아님 ∙ SIFS (Short Inter Frame Spacing) ∙ PIFS (PCF IFS) ∙ DIFS (DCF IFS)

29. 802.11 - CSMA/CA access method I - 노드가 매체를 감지(sensing) - 매체가 DIFS 동안 사용되지 않으면(idle) 송신 시작 - 매체가 사용 중이면(busy, collision) 노드는 DIFS의 주기 동안 기다린 후 충돌을 피하기 위해 슬롯시간의 배수만큼의 랜덤 백오프 시간(random back-off time) 동안 더 기다림 - 백오프 시간 동안 다른 노드가 이미 매체를 점유하면 백오프 타이머 중지 (다음에 매체 경쟁 시 중지된 이 후부터 카운트 시작하여 공정성 부여)

30. 802.11 - competing stations - simple version

31. 802.11 - CSMA/CA access method II - 유니 캐스트 패킷 송신 ∙ 송신기는 DIFS 만큼 기다린 후 데이터 송신 ∙ 수신기는 수신한 패킷이 올바른지 검사하고(CRC) SIFS 만큼 기다린 후 ACK 응답 ∙ 전송 에러인 경우 자동으로 재전송

32. 802.11 - DFWMAC - 유니 캐스트 패킷 송신 ∙ 송신기는 DIFS 만큼 기다린 후 RTS 전송 ∙ 수신기는 수신 준비가 되었으면 SIFS 만큼 기다린 후 CTS 응답 ∙ 송신기는 SIFS 후에 데이터 송신 ∙ 수신기는 데이터 수신 후 SIFS 만큼 기다린 후 ACK 응답 ∙ 다른 노드들은 RTS, CTS 수신 후 NAV(net allocation vector) 설정

33. Fragmentation - 사용자 데이터 패킷을 분할하여 전송 ∙ 송신기는 SIFS만큼만 기다린 후 첫 데이터 프레임, frag1을 전송 ∙ 수신기는 데이터 수신 후 SIFS 후에 ACK 송신 ∙ 송신기는 ACK 수신 후 두 번째 데이터 프레임, frag2을 전송 ∙ 수신기는 두 번째 ACK 송신 ∙ 송신기가 이 후 DIFS 동안 다른 데이터 프레임 전송하지 않는다면 다른 노드들이 매체 점유를 위한 경쟁 백오프 시간 카운트

34. DFWMAC-PCF - PCF(point coordination function)는 액세스 시간을 슈퍼프레임 주기들로 분할한다. ∙ 슈퍼프레임은 비경쟁 주기(contention-free period)와 경쟁주기(contention period)로 구성된다. ∙ 비경쟁 주기 동안에 각 노드를 폴링 하여 AP 는 PIFS 다운스트림 데이터 D를 송신 ∙ 해당 노드는 SIFS 후에 업 스트림 데이터 U를 전송 ∙ 업스트림 데이터 가 없을 수도 있음 ∙ 비경쟁 주기의 끝은 CFend(end marker) 로 표시 - PCF 만이 사용되고 polling이 고르게 분포되면, 대역폭이 모든 폴 노드 사이에서 공평하게 분산된다. ∙ TDD(time division duplex) 전송의 TDMA(time division multiple access) 시스템과 유사

35. DFWMAC-PCF

36. 802.11 - Frame format - Frame Control - Duration/ID - 4개의 MAC 주소 - Sequence Control - Data, CRC

37. MAC address format

38. Special Frames: ACK, RTS, CTS

39. 802.11 - MAC management - MAC 관리는 시스템 통합에 관련된 기능을 제어 - 동기화(Synchronization) ∙ 무선 랜을 발견하는 일을 지원하는 기능, 내부 클럭의 동기화, 비컨 신호의 생성. - 전력관리(Power management) ∙ 전력 관리를 위한 전송 활동을 제어하는 기능, 즉 프레임 손실이 없는 주기적 슬리핑, 버퍼링. - 로밍(Roaming) ∙ 네트워크에 가입, 액세스 포인트 변경, 액세스 포인트 검색하는 기능 - MIB(Management information base) ∙ 무선 스테이션과 액세스 포인트의 현 상태를 나타내는 모든 파라미터들은 내 외부 액세스를 위해 MIB 내에 저장

40. Synchronization using a Beacon (infrastructure) - 802.11 네트워크의 각 노드는 내부 클럭을 동기화 - 인프라스트럭처 기반 네트워크 내에서는 액세스 포인트가 (준)주기적 비컨 신호를 전송함으로써 동기화를 수행

41. Synchronization using a Beacon(ad-hoc) - ad-hoc 네트워크에서 비컨 전송을 위한 액세스 포인트가 없어서 복잡

42. Power management - 무선 장치들은 배터리로 구동되어서 전력관리가 필요 ∙ 표준 랜 프로토콜들은 수신기들이 데이터 수신을 하지 않더라도 항상 데이터를 받을 준비가 되어 있다고 가정. ∙ 이러한 반영구적인 준비는 수신기 전류가 100mA까지 올라감에 따라 배터리 수명에 치명적. - IEEE 802.11 전원 관리 ∙ 송수신이 일어나지 않는 경우 전원을 끔(sleep) ∙ 언제 송수신이 일어나는지를 모르므로 노드들은 주기적으로 깨어나야 함(wake up) ∙ 송신기가 sleep 상태의 노드로 전송할 데이터가 있으면 버퍼링해야 한다. ∙ 버퍼링된 노드의 목적지 노드가 wake up 상태로 되면 버퍼링 패킷을 전송 ∙ TSF(Timing Synchronization Function)를 사용하여 노드들의 시간을 동기화

43. Power management in infrastructure network - 전력관리 모드로 동작하는 노드들로 송신되는 모든 데이터는 액세스 포인트(AP)가 버퍼링한다. - 액세스 포인트는 주기적으로 TIM 전송 ∙ TIM(Traffic Indication Map)은 AP에 버퍼링된 유니캐스트 데이터의 목적지 노드들의 리스트가 저장 ∙ 각 노드들은 TIM 주기마다 wake up 되어 TIM을 수신 ∙ 각 노드들은 TIM에서 자신이 포함되어 있으면 wake up을 연장, 포함되지 않았으면 sleep ∙ AP는 TIM 리스트의 각 노드와 데이터를 송수신 - AP는 또한 브로드캐스트/멀티캐스트 프레임을 위해 주기적으로 DTIM 전송 ∙ DTIM(Delivery Traffic Indication Map)은 브로드캐스트/멀티캐스트 데이터의 목적지 노들의 리스트가 저장 ∙ TIM 인터벌의 배수로 지정 - TIM 인터벌이 짧으면 자연도 짧아지지만 전력소모의 절약 효과도 작아진다.

44. Power saving with wake-up patterns (infrastructure)

45. Power management in ad-hoc network - 애드 혹 네트워크에서는 버퍼링할 AP가 없어서 각 노드가 데이터를 버퍼링할 수 있어야 한다. - 모든 노드들은 깨어 있는 동안 버퍼링된 프레임의 리스트를 각 노드에 알려준다.

46. 802.11 - Roaming - 한 액세스 포인트에서 또 다른 액세스 포인트로 이동을 로밍이라 한다. - 액세스 포인트(AP) 간에 로밍 단계 ∙ 스캐닝(scanning) ‥ 매체를 경청하거나 비컨을 수신 또는 폴링하여 AP 검색 ∙ 연관 요청(association request) ‥ 신호 세기가 큰 AP 선택하여 연관요청을 송신 ∙ 연관 응답(association response) ‥새로운 AP가 요청에 응답하면 로밍이 성공, 응답이 없으면 다른 AP 검색 ‥ 응답을 하는 AP는 분산 시스템(DS)에 이 노드의 위치 정보 등 데이터베이스를 갱신 ‥ DS는 이전 액세스 포인트가 통지하여 전 AP가 리소스 해제하도록 함

47. WLAN: IEEE 802.11b - 데이터율 ∙ 1, 2, 5.5, 11 Mbit/s 이고 최대 사용자 데이터율 6 Mbit/s - 전송반경 ∙ 야외 300m, 실내 30m로 10m 이내의 실내에서 최대 데이터율 - 주파수 ∙ 2.4 GHz ISM-밴드 - QoS(Quality of Service) ∙최선의 노력을 사용하며, QoS 보장을 하지 않음 - 장점 ∙많은 회사와 시스템이 채택하고 free ISM-band를 사용하며 단순한 시스템 - 단점 ∙ ISM-밴드의 간섭 빈번하고 QoS 보장하지 않으며 속도 느림

48. IEEE 802.11b – PHY frame formats

49. WLAN: IEEE 802.11a - 데이터율 ∙ 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbit/s 로 6, 12, 24 Mbit/s 제공은 필수 - 전송반경 ∙ 야외 100m, 실내 10m - 주파수 ∙ 5.15-5.25, 5.25-5.35, 5.725-5.825 GHz ISM-밴드 - QoS(Quality of Service) ∙최선의 노력을 사용하며, QoS 보장을 하지 않음 - 장점 ∙덜 사용하는 5GHz free ISM-band를 사용하며 단순한 시스템 - 단점 ∙ 높은 주파수로 인해 차폐(shading)가 더 잘되며 QoS 보장하지 않음

50. IEEE 802.11a – PHY frame format