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

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1 무선 네트워크 (802.11) 홍성화 안재영 김 흔

2 802.11 기술 비교 구 분 802.11 802.11a 802.11b 802.11g Applications
Wireless data Networking Broadband LAN Access Spectrum Band 2.4GHz 5.15~5.25GHz 5.25~5.35GHz 5.725~5.825GHz Modulation Scheme FHGG or DSSS OFDM DSSS OFDM or DSSS Data established 1997년 7월 1998년 9월 1999년 9월 2003년 1월 Data Rates 1～2Mbps 54Mbps 11Mbps

3 task group

4 Wireless LAN Configurations
- 사용자는 비용의적합성, 통신 속도와 거리, 보안수준, 노이즈 등의 여러 가지 조건들을 따져보고 어떠한 사양의 제품을 선택할지를 결정하게 된다. 의 표준사양들의 통신 속도 구 분 Data Rate(Mbps) Throughput(Mbps) Throughput as a % of b though put b 11 6 100% 802.11g(with .11b clients in cell) 54 14 233% 802.11g(no .11b clients in cell) 22 367% 802.11a 25 417%

5 Wireless LAN Configurations
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 76 m 6 50 m 91 m 5.5 67 m 2 82 m 1 124 m

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.

11 802.11 의 보안 인증과 암호화 방식 - 무선 랜의 다양한 보안 프로토콜 및 기술 Data 보안 설 명 기술
WEP Wired Equivalency Privacy, 무선 랜 의 원조 보안 표준프로토콜이다, 암호화 패턴과 트래픽을 캡처 한 다음 특정S/W로 암호화를 쉽게 깰 수 있다는 단점을 가지고 있다 802.1X 802.1X 는 IEEE 의 유/무선접근 제어 표준이다. 이것은 LAN 에 인증과 승인 수단을 제공 한다 X 는 Extensible Authentication Protocol(EAP)로 정의되어져 있으며EAP는 각각의 네트워크 사용자 승인을 위해 중앙 인증 서버를 사용한다. EAP 또한 약간의 취약한 약점을 가지고 있다 LEAP Lightweight Extensible Authentication Protocol (LEAP), 802.1X 승인구조로 시스코에 의해 개발되었다. 그러나 이것은 주소가 dynamic WEP을 사용한다는 몇 가지 약점을 가지고 있다. LEAP 은 adds MAC address 승인기능을 가지고 있음 PEAP Protected Extensible Authentication Protocol (PEAP) 승인된 데이터를 암호화 된 키와 패스워드와 함께 전송한다. PEAP에서는, 무선 Client 는 보안 무선 랜 구조 하에서 인증 없이 승인되어 질수 있다. WPA Wi-Fi Protected Access (WPA) 는 i 보안 표준중 하나의 부분이고 WEP로 대체되어 지는 것이 일반적이다. WPA 는 Temporal Key Integrity Protocol (TKIP)과 유동 키 값 암호화 및 상호인증 을 위한 802.1X를 잘 결합 하고 있는 구조이다. TKIP Temporal Key Integrity Protocol (TKIP)는 IEEE i의 암호화 표준의 일부분이다. TKIP per-packet 당key를 혼합하거나 ,메시지 간격 체크 , 암호와 키의 재생 구조를 가지고 있다. . WPA2 WPA2는 WPA의 다음세대 암호화 방식, 무선 네트워크에 접촉할 수 있는 사용자만 승인하는 높은 인증 레벨을 제공 하고 있다. WPA2는 표준의 마지막 수정 프로토콜인IEEE i를 기반으로 하고 있다

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) ∙ 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 PHY ○ IEEE b PHY - Complementry Code Keying(CCK)와 2.4GHz에서의 DSSS변조 기술을 사용 ○ IEEE a 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 g PHY b PHY의 상위집합으로 b의 변조 기술과 원래 5GHz 대역의 a PHY를 위해 정의되었던 OFDM 기술을 사용한다.

15 IEEE 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 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 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 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 MAC - basic access mechanism 방식

20 IEEE 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

24 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 ∙ 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 - 엑세스 방식 ∙ 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 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)
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)

42 Power management - 무선 장치들은 배터리로 구동되어서 전력관리가 필요 - IEEE 802.11 전원 관리
∙ 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 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 - 전송반경 - 주파수 - QoS(Quality of Service) - 장점
∙ 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 - 전송반경 - 주파수 - QoS(Quality of Service) - 장점
∙ 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbit/s 로 6, 12, 24 Mbit/s 제공은 필수 - 전송반경 ∙ 야외 100m, 실내 10m - 주파수 ∙ , , 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

51 802.11n - PHY - 2개의 안테나를 사용하여 243Mbps의 통신 속도 구현
- 향후 600Mbps이상의 통신 속도를 구현키 위한 환경을 고려하여 PHY 설계 - MIMO 기술의 발전을 감안하여 표준 작성 OFDM PHY(with spatial division multiplexing of spatial streams) 개선 - 최소 2개 이상의 안테나 사용 a/g 와의 호환성을 위한 Preamble 디자인 - 점유주파수 대역폭은 20 MHz 또는 40 MHz사용 - 10 MHz의 점유주파수 대역폭 mode 사용

52 802.11n - MAC Architecture

53 MI-MO 기술 개요 - 고속 데이터 전송 시 요구되는 높은 link budget를 해결하기 위하여, 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 OFDM은 link budget을 크게 향상시키면서 수신 단을 간단하게 구현할 수 있다.