무선 네트워크 (802.11)

20011550 홍성화20021540 안재영20021692 김 흔

802.11 기술 비교

구 분 802.11 802.11a 802.11b 802.11g

ApplicationsWireless data

NetworkingBroadband LAN

AccessWireless data

NetworkingBroadband LAN

Access

Spectrum Band 2.4GHz

5.15~5.25GHz5.25~5.35GHz5.725~5.825G

Hz

2.4GHz 2.4GHz

Modulation Scheme

FHGG or DSSS OFDM DSSS OFDM or DSSS

Data established

1997 년 7 월 1998 년 9 월 1999 년 9 월 2003 년 1 월

Data Rates 1 ～ 2Mbps 54Mbps 11Mbps 54Mbps

802.11 task group

Wireless LAN Configurations

- 사용자는 비용의적합성 , 통신 속도와 거리 , 보안수준 , 노이즈 등의 여러 가지 조건들을 따져보고 어떠한 사양의 제품을 선택할지를 결정하게 된다 .

- 802.11 의 표준사양들의 통신 속도

구 분 Data Rate(Mbps) Throughput(Mbps) Throughput as a % of 802.11b though put

802.11 b 11 6 100%

802.11g(with .11b clients in cell)

54 14 233%

802.11g(no .11b clients in cell)

54 22 367%

802.11a 54 25 417%

Wireless LAN Configurations

- 802.11 표준사양들의 다양한 통신거리 및 데이터 통신 상태

Data Rate(Mbps)

802.11a Range(40mW with 6dBi gain diversity patch

antenna)

802.11g Range(30mW with 2.2 dBi gain diversity dipole

antenna)

802.11g Range(100mW with 2.2 dBi gain diversity dipole

antenna)

54 13 m 27 m -

48 15 m 29 m -

36 19 m 30 m -

24 26 m 42 m -

18 33 m 54 m -

12 39 m 64 m -

11 - 48 m 45 m

9 45 m 76 m -

6 50 m 91 m -

5.5 - 67 m 67 m

2 - 82 m 82 m

1 - 124 m 124 m

- 일반적인 망 구성

Basic Wireless Network Topology

Basic Wireless Network Topology

- Peer to Peer 방식

- 기존 무선장비들이 스위치를 접속된 무선 AP 에 연결을 통해 기존망에 네트워킹 된다 .

Basic Wireless Network Topology

Basic Wireless Network Topology

- 무선 디바이스들은 Peer to Peer 방식이나 Ad-Hoc 모드로 접촉을 할 수 있다 .

통신 거리 확장 - 사용자는 AP 간의 끊김 없는 로밍 기능을 통해 쉽게 거리를 쉽게

확장 할 수 있다 .

- 802.11 은 각각 3 개의 채널 1, 6, 11 을 가지고 있으며 사용자는 겹쳐지는 채널을 통해 AP 간 끊김 없는 통신환경을 구축 할 수 있게 되는 것이다 .

802.11 의 보안 인증과 암호화 방식

- 무선 랜의 다양한 보안 프로토콜 및 기술Data 보안

기술 설 명

WEPWired Equivalency Privacy, 무선 랜 의 원조 보안 표준프로토콜이다 , 암호화 패턴과 트래픽을 캡처 한 다음 특정 S/W 로 암호화를 쉽게 깰 수 있다는 단점을 가지고 있다

802.1X802.1X 는 IEEE 의 유 / 무선접근 제어 표준이다 . 이것은 LAN 에 인증과 승인 수단을 제공 한다 . 802.1X 는 Extensible Authentication Protocol(EAP) 로 정의되어져 있으며 EAP 는 각각의 네트워크 사용자 승인을 위해 중앙 인증 서버를 사용한다 . EAP 또한 약간의 취약한 약점을 가지고 있다

LEAPLightweight Extensible Authentication Protocol (LEAP), 802.1X 승인구조로 시스코에 의해 개발되었다 . 그러나 이것은 주소가 dynamic WEP 을 사용한다는 몇 가지 약점을 가지고 있다 . LEAP 은 adds MAC address 승인기능을 가지고 있음

PEAPProtected Extensible Authentication Protocol (PEAP) 승인된 데이터를 암호화 된 키와 패스워드와 함께 전송한다 . PEAP 에서는 , 무선 Client 는 보안 무선 랜 구조 하에서 인증 없이 승인되어 질수 있다 .

WPAWi-Fi Protected Access (WPA) 는 802.11i 보안 표준중 하나의 부분이고 WEP 로 대체되어 지는 것이 일반적이다 . WPA 는 Temporal Key Integrity Protocol (TKIP) 과 유동 키 값 암호화 및 상호인증 을 위한 802.1X 를 잘 결합 하고 있는 구조이다 .

TKIPTemporal Key Integrity Protocol (TKIP) 는 IEEE 802.11i 의 암호화 표준의 일부분이다 . TKIP per-packet 당 key를 혼합하거나 , 메시지 간격 체크 , 암호와 키의 재생 구조를 가지고 있다 . .

WPA2WPA2 는 WPA 의 다음세대 암호화 방식 , 무선 네트워크에 접촉할 수 있는 사용자만 승인하는 높은 인증 레벨을 제공 하고 있다 . WPA2 는 802.11 표준의 마지막 수정 프로토콜인 IEEE 802.11i 를 기반으로 하고 있다

Default Security Settings

- 기본적인 인증절차를 제공하기 위해 대부분의 AP 는 간단한 MAC address 필터링 기능을 제공한다 .

· SSID – The Service Set Identifier 는 일반적으로 제조회사의 이름으로 설정되어있다 . 사용자는 자신이 좋아하는 어떠한 단어

및 문구로 설정 변경 할 수 있다 . · Channel – 일반적으로 채널 값은 채널 6 로 기본 설정되어진다 .

허나 이웃의 가까운 사용자가 쓰는 AP 가 채널 6 로 설정되어있다면 간섭현상이 발생할 수 있다 . 이런 경우 채널 1에서 11 사이의 것으로 설정하며 된다 .

· WEP Key – WEP 는 기본적으로 작동하지 않도록 설정되어있다 . WEP key 기능을 사용하려면 동작 설정 후 128-bit 암호화 값을 설정하면 된다 .

IEEE 802.11 PHY

○ IEEE 802.11 PHY 의 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-PPM 을 이용하는 non dir

ected trasmission 으로 동작

IEEE 802.11 PHY

○ IEEE 802.11b PHY - Complementry Code Keying(CCK) 와 2.4GHz 에서의 DSSS 변조

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 PHY 의 상위집합으로 802.11b 의 변조 기술과 원래 5GHz

대역의 802.11a PHY 를 위해 정의되었던 OFDM 기술을 사용한다 .

IEEE 802.11 MAC

- contention-based channel access function 인 DCF (Distributed Coordination Function) 과 옵션으로 centrally controlled channel access function 인 PCF (Point Coordination Function) 을 채용하였다 .

- DCF 와 PCF 는 station 이 전송해도 되는 때를 결정한다 . - station 은 BSS(Basic Service Set) 또는 IBSS(Independent BSS) 로

동작한다 . - 시간은 superframe 이라는 반복적인 주기로 나뉘어진다 . 각 superframe 은 beacon frame 으로 시작한다 . 나머지 시간은 옵션인 CFP(contention-free period) 와 CP(contention period) 로 나뉜다 .

- DCF 는 CP 동안 동작하며 , PCF 는 CFP 동안 동작한다 .

IEEE 802.11 MAC

- DCF 는 basic access mechanism 과 옵션으로 RTS/CTS(Request-to-send/Clear-to-send)mechanism 을 정의한다 .

- DCF 에서 프레임을 보내고자 하는 station 은 channel 의 activity 를 monitor 한다 .(basic access mechanism 방식 )

∙ idle 주기가 DIFS(Distributed inter-frame space) 와 같아질 때까지 monitoring 한다 .

∙ idle DIFS 를 감지한 후에 , station 은 전송하기 전에 random backoff interval 을 기다린다 .

∙ backoff time counter 는 채널이 idle 하다고 감지되는 동안의 slot time 단위대로 감소된다 . 이 counter 는 채널에 전송이 감지되면 멈추고 , 다시 DIFS 보다 큰 idle 상태가 감지되면 다시 동작한다 .

∙ 이 backoff time 이 0 이 될 때 , station 은 frame 을 보낸다 .

IEEE 802.11 MAC

∙ 각 전송에서 backoff time 은 timeslot 단위로 [0, CW-1] 범위에서 uniform 하게 선택된다 .

∙ 목적지 station 이 성공적으로 frame 을 수신한 후에는 , 목적지 station은 SIFS(short inter-frame time) 에 ACK(acknowledgement frame) 을 전송한다 .

∙ 만약 전송한 station 이 지정된 timeout 시간 내에 ACK 를 받지 못하거나 , 다른 frame 전송을 감지하면 , 이 station 은 앞에 설명한 backoff 규칙에 따라 frame 전송을 reschedule 한다 .

IEEE 802.11 MAC

- hidden station problem 을 줄이기 위해서 , 옵션으로 RTS/CTS라 불리우는 four-way data transmission 을 DCF 에서 사용할 수 있다 .

∙ RTS/CTS mechanism 에서 , data frame 을 보내기 전에 짧은 RTS frame을 전송한다 . (RTS frame 은 앞에서 설명한 back off 규칙에 따라 전송한다 .)

∙ 만약 RTS frame 이 성공적으로 전달되면 , 수신 측 station 은 짧은 CTS frame 으로 응답한다 .

∙ 이어서 data frame 이 전송되고 , 그 다음에 ACK응답이 오게 된다 .

∙ 모든 4 개의 frame(RTS,CTS,data,ACK) 는 SIFS time 에 의해 구분된다 . 다른 말로 하면 , 짧은 RTS 와 CTS frame 이 data frame 전송을 위한 채널을 예약하는 기능을 수행한다 .

IEEE 802.11 MAC

- basic access mechanism 방식

IEEE 802.11 MAC

- PCF 는 옵션으로 중앙 채널 접근 제어 기능 (centrally controlled channel access function) 이다 .

∙ CF(contention-free) frame 전송을 제공한다 . ∙ time-bounded service 를 지원하기 위해 설계되었고 , 이는 제한된 QoS 를

제공할 수 있다 .

- PCF 는 논리적으로 DCF 상위에 올라가서 , polling 을 수행한다 . ∙ 차례가 된 (polled) station 은 채널을 경쟁 없이 전송할 수 있고 , 이는 PIFS

(Point inter-frame space)라고 불리우는 더 짧은 inter-frame space 를 수용하여 DCF 보다 더 높은 우선순위를 갖는다 .

- PCF 에서 AP 는 poll frame 을 station 에게 전송하여 frame 을 전송할 것인지 물어본다 .

- frame 을 보내고자 하는 station 은 SIFS 타임 이후에 frame 전송을 할 수 있게 된다 .

Architecture of an infrastructure network

Architecture of an ad-hoc network

IEEE standard 802.11

802.11 - Layers and functions

802.11 - Physical layer

○ IEEE 802.11 은 세 개의 서로 다른 물리 계층 - 라디오 전송에 기초한 두 개의 계층 ∙ 주로 2.4 GHz 의 ISM 밴드 ∙ FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) ∙ DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

- 적외선에 기초한 한 계층 ∙ 850-950 nm 가시광선 , 최대 반경 10 m

packet format

- FHSS PHY packet format

- DSSS PHY packet format

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 )

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)

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 DIFS 의 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 )

802.11 - competing stations - simple version

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

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

Fragmentation

- 사용자 데이터 패킷을 분할하여 전송 ∙ 송신기는 SIFS만큼만 기다린 후 첫 데이터 프레임 , frag1 을 전송 ∙ 수신기는 데이터 수신 후 SIFS 후에 ACK 송신 ∙ 송신기는 ACK 수신 후 두 번째 데이터 프레임 , frag2 을 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

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 D 를 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 polling 이 고르게 분포되면 , 대역폭이 모든 폴 노드 사이에서 공평하게 분산된다 .

∙ TDD(time division duplex) 전송의 TDMA(time division multiple access) 시스템과 유사

DFWMAC-PCF

802.11 - Frame format

- Frame Control - Duration/ID - 4 개의 MAC 주소 - Sequence Control - Data, CRC

MAC address format

Special Frames: ACK, RTS, CTS

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

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

Synchronization using a Beacon(ad-hoc)

- ad-hoc 네트워크에서 비컨 전송을 위한 액세스 포인트가 없어서 복잡

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 100mA 까지 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

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 AP 에 버퍼링된 유니캐스트 데이터의 목적지 노드들의

리스트가 저장 ∙ 각 노드들은 TIM 주기마다 wake up 되어 TIM 을 수신 ∙ 각 노드들은 TIM 에서 자신이 포함되어 있으면 wake up 을 연장 , 포함되지

않았으면 sleep ∙ AP 는 TIM 리스트의 각 노드와 데이터를 송수신

- AP 는 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 .

Power saving with wake-up patterns (infrastructure)

Power management in ad-hoc network

- 애드 혹 네트워크에서는 버퍼링할 AP 가 없어서 각 노드가 데이터를 버퍼링할 수 있어야 한다 .

- 모든 노드들은 깨어 있는 동안 버퍼링된 프레임의 리스트를 각 노드에 알려준다 .

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 AP 가 요청에 응답하면 로밍이 성공 , 응답이 없으면 다른 AP 검색

‥ 응답을 하는 AP 는 분산 시스템 (DS) 에 이 노드의 위치 정보 등 데이터베이스를 갱신

‥ DS 는 이전 액세스 포인트가 통지하여 전 AP 가 리소스 해제하도록 함

WLAN: IEEE 802.11b

- 데이터율 ∙ 1, 2, 5.5, 11 Mbit/s 이고 최대 사용자 데이터율 6 Mbit/s

- 전송반경 ∙ 야외 300m, 실내 30m 로 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-band 를 사용하며 단순한 시스템

- 단점 ∙ ISM- 밴드의 간섭 빈번하고 QoS 보장하지 않으며 속도 느림

IEEE 802.11b – PHY frame formats

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-band 를 사용하며 단순한 시스템 - 단점 ∙ 높은 주파수로 인해 차폐 (shading) 가 더 잘되며 QoS 보장하지 않음

IEEE 802.11a – PHY frame format

802.11n - PHY

- 2 개의 안테나를 사용하여 243Mbps 의 통신 속도 구현 - 향후 600Mbps 이상의 통신 속도를 구현키 위한 환경을 고려하여 P

HY 설계 - MIMO 기술의 발전을 감안하여 표준 작성 - 802.11 OFDM PHY(with spatial division multiplexing of spatial strea

ms) 개선 - 최소 2 개 이상의 안테나 사용 - 802.11a/g 와의 호환성을 위한 Preamble 디자인 - 점유주파수 대역폭은 20 MHz 또는 40 MHz 사용 - 10 MHz 의 점유주파수 대역폭 mode 사용

802.11n - MAC Architecture

MI-MO 기술 개요 - 고속 데이터 전송 시 요구되는 높은 link budget 를 해결하기 위하

여 , 송 · 수신 단에 다중 안테나를 사용함으로써 독립적인 페이딩 채널을 다수 개 형성하여 다이버시티 이득과 코딩 이득을 동시에 얻는다 .

- 다중경로 페이딩 채널에서 고속 데이터를 전송하고자 할 경우 단일반송파 방식에서는 수신단의 복잡도가 크게 증가하는 반면 , 다중 안테나를 갖는 OFDM 방식인 MIMO OFDM 은 link budget 을 크게 향상시키면서 수신 단을 간단하게 구현할 수 있다 .