[데이터 통신] Wifi, IEEE 802.11 Project - Local Area Networks(LANs)

복습하기 위해 학부 수업 내용을 필기한 내용입니다.
이해를 제대로 하지 못하고 정리한 경우 틀린 내용이 있을 수 있습니다.
그러한 부분에 대해서는 알려주시면 정말 감사하겠습니다.

▶Contents

• Ethernet
• Wifi, IEEE 802.11 Project
• Bluetooth

 

▶Wife, IEEE 802.11 Project

그것은 때때로 wireless Ethernet (w-LAN)이라고 불린다.

미국을 포함한 일부 국가에서 대중은 무선 LAN의 동의어로 WiFi(wireless fidelity 줄임말)라는 용어를 사용한다.

WiFi는 WiFi Alliance 인증을 받은 무선 LAN이다.

 

▶Architecture

이 표준은 기본 서비스 세트(BSS)와 확장 서비스 세트(ESS)를 정의한다.

 

Basic Service Set(BSS)

• IEEE는 basic servise set을 무선 LAN의 building block(하나의 단위체)로 정의한다.
• access point(AP)로 알려진 optional base station을 정의한다. (OBS는 있어도 되고 없어도 된다.)

• Ad hoc BSS : 기지국, 공유기 없이 device끼리 (Wifi는 있다.)
• Infrastructure BSS : AP를 통해서 통신

Extended Service Set(ESS)

 

Station Type

• no-transition mobility 스테이션은 정지 상태이거나 BSS 내부에서만 이동한다.
• BSS-transition mobility 스테이션은 다른 BSS로 이동할 수 있지만 이동은 같은 ESS 내부에 제한된다.
• ESS-transition mobility 스테이션은 다른 ESS로 이동할 수 있다.
• 그러나 IEEE 802.11은 이동 중에 통신이 계속되지 않을 수도 있다.
  • 5G, 4G는 이동 중 통신을 보장해준다.

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▶MAC Sublayer

IEEE 802.11은 distributed/point coordination function(DCF, PCF) 두 개의 MAC 하위 계층을 정의한다.

아래 그림은 두 개의 MAC 하위 계층, LLC 하위 계층 및 물리적 계층 간의 관계를 보여준다.

MAC : Medium Access Control (언제 보낼지 결정)

 

Distribution Coordination Function(DCF) - 경쟁

MAC 하위 계층에서 IEEE에 의해 정의된 두 개의 프로토콜 중 하나는 CSMA/CA를 사용하는 DCF이다.

CSMA/CD는 유선이라 송신자가 송신 중에 수신이 가능하지만 이것은 무선이라서 그렇지 않다.

그림은 ACK가 들어올 때 NAV를 멈추는 것처럼 보인다.
하지만, 사실은 RTS, CTS에 duration이 있기에, ~시간 동안 NAV해라는 것을 알려준다.
시간이 지나면 ACK가 안 와도 자동으로 NAC가 풀린다.

 

DCF - Frame Exchange Time Line

1. 프레임을 보내기 전에, source 스테이션은 carrier 주파수에서 에너지 레벨을 확인해 매체를 감지한다.

• 채널이 idle 될 때까지 채널이 백오프 된 상태에서 persistence 전략을 사용한다.

2. 스테이션이 idle상태인 것을 발견하고 난 후, 스테이션은 DCF interframe space(DIFS) 시간 동안 기다린다.

    그러고 나서 스테이션은 request to send(RTS)라고 불리는 control frame을 보낸다.

3. RTS를 받고 short interframe space(SIFS) 시간 동안 기다린 후, destination 스테이션은 clear to send(CTS)라고 불리는 control frame을 source 스테이션에게 보낸다.

• CTS는 destination 스테이션이 데이터를 받을 준비가 되었다는 것을 의미한다. 

4. source 스테이션은 SIFS 시간 동안 기다린 다음 데이터를 보낸다.

5. destination 스테이션이 SIFS 시간 동안 기다린 다음 잘 받았다고 acknowledgment(ACK, control frame)를 보낸다.

• source가 destination에 데이터가 성공적으로 도착했는지 확인할 방법이 없기에 ACK가 필요하다.

 

persistence 전략

2022.11.26 - [컴퓨터공학/데이터통신] - [데이터 통신] Random, Controlled Access - Data Link Control

[데이터 통신] Random, Controlled Access - Data Link Control

 

DCF - Network Allocation Vector(NAV)

한 스테이션이 접근 권한을 획득할 경우 다른 스테이션은 데이터 전송을 어떻게 연기할까? 

다시 말해, 이 프로토콜의 충돌 회피 측면은 어떻게 달성되는가? 

키는 NAV라는 기능이다.

스테이션이 RTS 프레임을 보낼 때 채널을 차지하기 위해 필요한 시간인 duration 필드를 포함한다.

영향을 받는 스테이션은 NAV를 생성해 이 스테이션이 멈출 때까지 얼마나 많은 시간이 경과해야 하는지 보여준다.

스테이션이 시스템에 액세스 하여 RTS 프레임을 전송할 때마다 다른 스테이션이 NAV를 시작한다.

즉, 각 스테이션은 물리적 매체가 idle인지 감지하기 전에 먼저 NAV를 확인하여 끝났는지 확인한다.

CTS(destination station)을 보낼 때 duration만 업데이트해서 보낸다.

 

DCF - Collision During Handshaking (Backoff만큼 기다린다.)

RTS 또는 CTS 제어 프레임이 전환되는 동안 충돌이 발생하면 어떻게 되나?

두 개 이상의 스테이션이 동시에 RTS 프레임을 전송하려고 할 수 있고 이러한 제어 프레임이 충돌할 수 있다.

하지만 충돌 감지 메커니즘이 없기 때문에 송신자는 수신자로부터 CTS 프레임을 받지 않았다면 충돌로 가정한다.

backoff 전략이 사용되고 수신자는 다시 시도한다.

 

DCF - Hidden Station Problem

(a.k.a.) Hidden terminal problem or hidden node problem

충돌 문제는 hidden 노드에 의해서 야기된다.

• A, C는 서로의 존재를 모른다.
• A에게 C는 hidden node, C에게 A는 hidden node이다.

Unlike wired networks, a sender cannot directly recognize the collision at a receiver in wireless networks

유선 네트워크와 다르게, 송신자는 무선 네트워크의 수신기에게 충돌을 직접 알 수 없다.

즉, 송신자는 충돌의 유무를 알 수 없다.

 

 

히든 노드와의 충돌을 막기 위해서,  handshake 프래임(RTS와 CTS)을 사용한다.

• RTS message from B reaches A, but not C
• A와 C가 모두 B의 범위에 있기 때문에, A에서 B로의 데이터 전송 기간을 포함하는 CTS 메시지는 C에 도달한다.
• C는 숨겨진 스테이션이 채널을 사용하고 있다는 것을 알고 해당 기간이 끝날 때까지 전송을 하지 않는다.

RTS끼리는 충돌이 일어날 수 있다.

하지만 데이터의 충돌을 발생하지 않는다.

 

Point Coordination Function(PCF)

인프라 네트워크를 구현할 수 있는 선택적 접근이다.

PCF가 DCF보다우선순위이다.

PIFS < DIFS이기 대문에 PCF가 먼저 하게 된다.

그러나 DCF 프레임이 네트워크 반복 간격에 접근할 수 있도록 아래 그림과 같이 네트워크에 추가되었다.

Fragmentation(쪼개기)

• 무선 환경은 잡음이 심해서 프레임이 자주 손상된다.
• 손상된 프레임은 재전송해야 한다.
• 프로토콜은 큰 프레임을 작은 프레임으로 분할하는 fragmentation을 권장한다.
• 큰 프레임보다 작은 프레임을 다시 보내는 것이 더 효율적이다.

 

Frame Format

• Frame control(FC) : 2 byte이며 프레임의 타입과 일부 제어 정보를 정의한다.
• D : 전송 시간(NAV 값 설정에 사용)
• Addresses
  • 4개의 주소 필드(각 6 byte)
  • 의미는 To DS, From DS 하위 필드의 값에 따라 달라진다.
• Sequence control(SC)
  • 16bit 값을 정의한다.
  • 처음 4bit는 fragment의 번호
  • 나머지 12bit는 sequence 번호 (모든 fragment에서 동일하다.)
• Frame body : FC 필드에 정의된 유형 및 하위 유형(0 ~ 2312바이트)에 기반한 정보가 포함된다.
• FCS : 4바이트이고, CRC-32 오류 감지 시퀀스를 포함한다. (error detection)

 

Frame Type

IEEE 802.11에 의해 정의된 무선 LAN은 관리 프래임, 제어 프레임, 데이터 프래임 세 가지로 구성된다.

▶Addressing Mechanism

IEEE 802.11 addressing mechanism

• FC에서 To DS, From DS 두 flag에 따라서 4가지 케이스가 있다.

• 각 flag는 0, 1이고 이에 따라 4가지의 다른 상황이 발생한다.
• MAC 프레임에서 네 개의 주소 해석은 이러한 플래그 값에 따라 달라진다.
• Address 1: 프레임이 방문할 다음 장치의 주소
• Address 2: 프레임이 떠난 이전 장치의 주소
• Address 3: 주소 1에서 정의되지 않은 경우 최종 destination의 주소 / 주소 2에서 정의되지 않은 경우 원래 소스
• Address 4: DS도 무선일 때 원본 소스

 

Exposed Station Problem (현재 solution은 없다.)

스테이션은 채널을 사용할 수 있을 때 채널 사용을 하지 않는다.

• A가 B로 전송한다.
• C는 D로 전송할 데이터가 있고, 이 데이터는 A에서 B로의 전송을 방해하지 않고 전송할 수 있다.
• 하지만, C는 A로부터의 전송에 노출된다.
  • A가 보내는 것을 듣고, C가 보내는 것을 금지한다.
  • C는 A에 노출된 스테이션이다.
  • 즉, C는 너무 conservative 하고 채널의 용량을 낭비한다.

 

▶Physical Layer

아래 테이블에서 보이듯이 여섯 가지 특징이 있다.

적외선을 제외한 모든 implementations는 산업, 과학, 의료 대역에서 작동한다.

902-928 MHz, 2.400-4.835 GHz, 5.725-5.850 GHz 3가지 범위에서 무면서 대역을 정의한다.