#6 Wired and Wireless LANs

LAN(Local Area Network)은 유선 LAN과 무선 LAN으로 나눌 수 있다. 각자의 기술을 대표하는 표준으로는 IEEE 802.3(Ethernet)과 IEEE 802.11(Wi-Fi)이 있다.

 

이 표준들은 주로 OSI 참조 모델의 Physical Layer(L1)과 Data Link Layer(L2)에서 작동하며 특히 Data Link Layer의 MAC sublayer에서 공유 매체를 사용하는 방법과 충돌 방지 및 관리에 대한 내용이 중요하다.

 

IEEE 802.3과 IEEE 802.11의 주요 특징과 MAC 서브 계층에서 공유 매체를 처리하는 방식에 대해 알아보자.

 

0. IEEE 802 Series

IEEE 802 표준은 Computer Networking 및 Data 통신을 위한 국제 표준 세트이다. LAN 및 MAN(Metropolitan Area Network)에서 사용되는 네트워크 기술을 정의한다. 이 표준은 주로 OSI 참조 모델의 L1(Physical Layer)과 L2(Data Link Layer)에 초점을 맞추고 있다.

0.1. IEEE 802 예시

IEEE 802 시리즈 중 대표적인 표준으로는 IEEE 802.3(Ethernet)과 IEEE 802.11(Wi-Fi)이 있다.

• IEEE 802.3: Ethernet 기술을 정의하며, CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 방식을 사용한다.
• IEEE 802.11: Wi-Fi 기술을 정의하며, CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 방식을 사용한다. Wi-Fi는 다양한 세대로 발전하며 속도, 안정성, 전송 범위가 지속적으로 개선되었다.

0.2. Daia Link Layer(L2): LLC와 MAC

Data Link Layer(L2)는 두 개의 sublayer로 나뉜다.

• LLC(Logical Link Control, IEEE 802.2): 상위 계층(네트워크 계층)과의 인터페이스를 관리하며, 주로 에러 제어와 흐름 제어를 담당한다.
• MAC(Media Access Control): 네트워크 매체에 접근하는 방식을 정의하며 매체 공유 및 충돌 관리와 같은 역할을 수행한다. 

Ethernet과 Wi-Fi의 차이를 중심으로 MAC sublayer에 대해 알아보자. 매체 접근 방식에서 어떤 차이점을 보이는지 자세히 알아보자.

 

* 매체 *

매체란 각 기기들이 데이터를 주고 받을 때 사용하는 통신 경로나 물리적인 수단을 의미한다. 

 

1. Standard Ethernet

Standard Ethernet은 IEEE 802 시리즈 중 가장 성공적이고 널리 사용된 기술 중 하나로, Ethernet 기술의 기초가 되는 초prototype이다.

1.1. Ethernet의 진화

Ethernet은 네 번의 주요 진화를 거쳤다.

• Standard Ethernet: 10 Mbps 속도를 제공한다.
• Fast Ethernet: 100 Mbps 속도를 제공한다.
• Gigabit Ethernet: 1 Gbps를 제공한다.
• Ten-Gigabit Ethernet: 10 Gbps를 제공한다.

1.2. Standard Ethernet의 MAC sublayer의 첫 번째 기능: Framing

MAC(Media Access Control) sublayer는 데이터 링크 계층의 하위 계층으로, 네트워크 매체에 데이터를 효율적으로 전송하고 충돌을 관리하는 역할을 담당한다. MAC의 주요 기능 중 하나는 Framing(프레임 구성)이다.

 

* Framing *

Framing은 데이터를 전송하기 위해 프레임(frame)이라는 단위로 나누고 각 프레임에 제어 정보(헤더와 트레일러)를 추가하여 데이터를 효율적으로 송수신할 수 있도록 준비하는 과정이다.

 

* Frame *

Frame은 OSI 모델에서 Data Link Layer(L2)의 PDU(Protocol Data Unit)이다. 아래는 다른 계층에 대한 PDU 예시이다.

• Network Layer (L3): Packet
• Data Link Layer (L2): Frame
• Physical Layer (L1): Bit

1.2.1. Frame Format

• L2(Data Link Layer)에서 처리되는 Ethernet Frame

• L1(Physical Layer)에 속하는 Ethernet Frame

1.2.2. Frame Length

Ethernet Frame의 길이는 최소와 최대 크기가 정해져 있다.

최소 프레임 크기: 64 bytes

• Collision Detection(CD) 보장: Ethernet에서 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 방식을 사용할 때, 충돌을 감지하려면 송신 중인 프레임이 아직 전송되고 있는 동안 충돌 신호를 받아야 한다. 만약 프레임이 너무 짧으면 충돌 신호를 감지하기 전에 전송이 끝나버릴 수 있으므로, 최소 프레임 크기를 64 bytes로 설정한다.
• 구성: 최소 프레임 크기에는 Header(18 bytes)와 데이터 또는 Padding(46 bytes)이 포함

최대 프레임 크기: 1518 bytes

• Buffer Size: 초기 Ethernet 설계에서는 네트워크 장치가 처리할 수 있는 메모리 버퍼 크기가 제한적이었기 때문에 최대 프레임 크기를 제한했다. 하지만 현대의 네트워크 장비는 버퍼 크기가 더 이상 제약이 되지 않는다.
• Fairness: 한 기기가 너무 큰 데이터를 한 번에 전송하면 네트워크 매체를 독점할 위험이 있다. 이를 방지하기 위해 최대 프레임 크기를 설정하여 여러 기기 간 공정한 네트워크 사용을 보장한다.

이를 통해 상위 IP packet의 길이가 주어졌을 때 padding이 필요한지, 필요하다면 그 크기는 얼마인지도 알 수 있다.

1.2.3. addresing

각각의 Station은 NIC(Network Interface Card)을 가지고 있고, NIC에는 고유한 address가 있다.

 

* NIC *

NIC는 컴퓨터나 다른 네트워크 장치가 네트워크에 연결될 수 있도록 해주는 하드웨어이다.

이 주소는 48bits 길이의 16진수로 표현되며 보통 6bytes로 구성된다.

 

1.2.4. Implementation of standard Ethernet

bus topology using coaxial cable

• 단일 데이터 경로: 모든 장치는 하나의 전선을 통해 연결되고, 데이터는 모든 장치로 broadcast된다.
• 특징: 네트워크의 성능은 장치 수에 따라 저하되며, 충돌 가능성이 높습니다. 확장성에 제한이 있고, 장치 고장이 네트워크 전체에 영향을 미칠 수 있다.

star topology using a hub

• 중앙 집중형 연결: 모든 장치는 허브를 통해 연결되며, 허브는 데이터를 모든 포트로 broadcast한다.
• 특징: 장치 추가가 용이하고 설치가 간단하지만, 허브는 성능 한계가 있어 트래픽 증가 시 성능 저하가 발생한다.

1.3. Standard Ethernet의 MAC sublayer의 두 번째 기능: Flow control

Flow control은 CSMA/CD 방식을 통해 여러 장치가 동일한 네트워크를 공유하면서 데이터 충돌을 감지하고 조정하는 기능을 제공한다. 이를 통해 여러 장치가 브로드캐스트 방식으로 데이터를 전송할 수 있게 된다.

 

2. Wireless LANs

유선 LAN,  특히 Ethernet의 MAC sublayer에 대해 알아봤으므로 이젠 Wi-Fi가 구현되는 장소 및 Wi-Fi의 MAC에 대해 알아보자.

2.1. Wireless Network의 Architecture

2.1.1. Wireless Network의 기본 단위: BSS

BSS(Basic Service Set)란 무선 Network의 기본 단위로, Wi-Fi 네트워크가 실제로 작동하는 장소 또는 구성 요소이다. BSS는 하나의 Access Point(AP)와 그 AP에 연결된 무선 장치들로 구성된다.

2.1.2. BSS의 유형: AP의 유무

BSS의 유형은 AP의 유무에 따라 두 가지로 나눌 수 있다.

• Ad-hoc(애드혹) Network: AP(Access Point, 공유기) 없이 장치들이 직접 연결되는 방식이다. 군사적 목적으로 쓰인다.
•  Infrastructure(인프라스트럭쳐) Network: Access Point (AP)*를 중심으로 여러 장치들이 연결되는 방식이다. 네트워크에서 AP가 중심 역할을 하며, 모든 장치들이 AP를 통해 통신한다. 일반적인 Wi-Fi 네트워크에서 사용되는 방식이다.

2.1.3. 두 개 이상의 BSS가 모인 더욱 큰 규모의 LAN: ESS

두 개 이상의 BSS가 모인 더 큰 규모의 LAN을 ESS(Extended Service Set)이라고 한다. BSS는 disrtbution system을 이용해 ESS가 되고 예시가 Ethernet이다.

2.1.4.  mobile vs portable, nomadic

• Mobile: 이동 가능한 device를 의미한다. 장치가 이동 중에도 자동으로 네트워크에 연결되는 서비스를 제공하며, 예시로는 스마트폰, 태블릿이 있다. 이동 중에도 네트워크가 끊기지 않기 때문이다.
• Nomadic: 이동은 가능하지만 수동으로 네트워크 연결해야 하는 장치이다. 예시로 노트북은 이동할 수 있지만 새로운 Wi-Fi에 연결하려면 사용자가 직접 네트워크를 선택하고 연결해야 한다.

Mobile과 Nomadic 모두 Portable한 특성 즉, 모두 portable 즉, 주머니에 넣을 수 있을 정도로 작은 장치를 의미한다.

 

2.2. IEEE 802.11: Wi-Fi

Wi-Fi에서 MAC sublayer가 어떤 기능을 하는지 알아보자. Ethernet과 비슷하게 framing과 flow control을 처리하지만, Wi-Fi의 특성에 맞는 MAC 방식을 사용해야 하므로 조금 다른 방식으로 구현된다.

2.2.1. IEEE 802.11의 MAC sublayer

Wi-Fi의 MAC sublayer는 DCF(Distributed Coordination Function)와 PCF(Point Coordination Function)라는 두 가지 주요 기능을 통해 매체 접근 방법을 처리한다.

DCF (Distributed Coordination Function)

• DCF는 Wi-Fi 네트워크에서 기본적인 매체 접근 방법이다.
• random access로 매체에 접근한다. manatory(의무적인) 방식으로 모든 Wi-Fi 장치가 이를 따른다.
• CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)를 사용하여 데이터 전송 전에 매체의 상태를 확인하고, 충돌을 피하기 위해 전송을 지연시킨다.

PCF (Point Coordination Function)

• PCF는 controlled access 방식으로, optional(선택적)인 매체 접근 방법이다.
• 이 방식은 Access Point (AP)가 중앙에서 관리하며, 충돌을 최소화하고 QoS (Quality of Service)를 보장하려는 목적을 가진다.
•  잘 안쓴다.

2.2.2. CSMA/CA: 왜 Ethernet은 잘 쓰는 CSMA/CD는 Wi-Fi에서 사용되지 않을까?

Wi-Fi에서는 CSMA/CA가 사용되는 반면, Ethernet에서는 CSMA/CD가 사용된다. 이 두 가지 방식은 충돌을 방지하려는 목적은 같지만, 환경에 따라 Wi-Fi와 Ethernet은 각기 다른 접근 방식을 사용한다. 이는 Wireless LAN에서는 hidden terminal probelm, fading이 발생하기 때문이다. 이에 대해 알아보자.

The Hidden Terminal Problem(잠복 단말 문제)

Hidden Terminal Problem은 Wi-Fi에서 전달이 안 되는 상황에서 전달이 되는 상황을 설명하는 문제이다.

The Exposed Terminal Probelm(노출 단말 문제)

Exposed Terminal Problem은 전달해도 되는 상황에서 전달이 안 되는 상황을 설명하는 문제이다.

하지만 실제로 C가 D에게 신호를 보낸다 하면 B에게도 신호를 주게 되므로 이는 collision이 발생하게 된다.

2.2.3. Basic Solutions: RTS-CTS

RTS(Request to Send)와 CTS(Clear to Send)는 짧은 신호로 collision을 미리 탐지하고 방지하여 더 큰 data packet의 충돌을 피한다.

RTS-CTS 메커니즘의 작동 방식

RTS와 CTS에는 아래와 같은 정보가 포함되어 있다.

• Sender address: A
• Receiver address: B
• transmission duration: e.g. 5ms

RTS-CTS는 The Hidden Terminal Problem을 방지한다.

The Exposed Terminal Problem의 한계

Exposed Terminal Problem을 해결하지 못하며, 여전히 충돌 가능성이 존재한다. 불필요하게 대기하는 상황을 해결하지 못하고 여전히 불필요하게 대기하는 상황은 지속된다.