2017년 이동통신 프로토콜 학습자료 2

이동통신프로토콜

박현주 교수님 Bluetooth ~ IEEE802.11 Network

IEEE802.15.1 Bluetooth

• 1999년 공식 발표된 블루투스는 2.4GHz ISM 밴드를 사용한다.

• 초기 1Ms/s 속도로 시작되으나 개선을 통해 전송거리가 증가하고 속도와 전력소모가 향상되었다.

• 블루투스 네트워크는 피코넷으로 불리는 마스터, 슬레이브 모델을 사용한다.

  • 이 모델은 마스터 장치가 다수(최대 7개)의 슬레이브 장치와 연결될 수 있다.

  • 피코넷에 연결되는 슬레이브 장치는 오직 하나의 마스터 장치에만 연결이 가능하다.

Baseband

• 블루투스 Link Controller에 해당하는 기술로서 블루투스만의 고유한 통신 시스템을 구현하는 곳이다.

• 기본적으로 ARQ 프로토콜을 제공한다.

  • ARQ : Automatic repeat request로 BEC(backend error correction)방식의 에러를 검출하고, 이를 송신측에 알려서 재전송 요청하게 하는 부분이 자동화 되있는 방식을 말한다.

• 모든 블루투스 장치는 클럭을 가져야 하며, 이러한 시간이 일정하게 딱딱 맞아야 한다.

• 주파수 호핑방식

  • 블루투스는 여러시스템과 같은 주파수 대역을 이용하기 때문에 시스템간 전파간섭이 생길 우려가 있는데, 이를 예방하기 위해서 주파수 호핑방식을 사용한다.

  • 이 방식은 많은 수의 채널을 특정 패턴에 따라 빠르게 이동하며 데이터를 조금씩 전송하는 기법이다.

  • 블루투스는 할당된 79개의 채널을 1초당 1600번 호핑한다. 이 때문에 동기화(페어링)과정이 필요하다.

  • 동기화(페어링)과정을 통해 마스터 시간에 슬레이브가 맞춰야 하기 때문에 동기화(페어링)과정에 시간이 필요한 단점이 있으며, 마스터 슬레이브의 통신이 다른 간섭없이 이루어지는 이유가 된다.

  • 단, 마스터 슬래이브 통신만 가능하고, 슬레이브끼리의 통신은 불가하다.

Link Controller

IEEE802.11 Networks

• IEEE 802.11은 IEEE 802 계열의 한 구성원이며, LAN(Local Area Network) 기술 집합에 대한 사양이다.

• 802.11a, b, g, n, ac, ad

IEEE 802.11 Design

• Wireless Station (STA)

  • 네트워크는 station들 간의 데이터를 전송하기 위해 만들어졌다.

  • 무선 네트워크 인터페이스와 컴퓨팅하는 기기

• Access points (AP)

  • 802.11 네트워크의 프레임은 다른 네트워크로의 전달을 위하여 다른 형태의 프레임으로 변환되어야 한다.

  • 무선-유선 브리징 기능을 수행하는 기기

• Wireless medinum (WM)

  • 한 station으로 프레임을 전송하기 위해 무선매체를 사용한다 - air, space...

  • 여러 물리 계층이 802.11 MAC을 지원하기 위하여 개발되었다.

    • 무선 주파수 물리계층, 적외선 물리계층 ㄷ,ㅇ

• Distribution system

  • AP의 목적지에 프레임을 전달하는데 사용하는 802.11의 논리적인 구성 요소

  • 더 넓은 커버리지 영역을 형성하기 위해 여러개의 AP를 연결되어 있을 때, station의 움직임을 추적하기 위해 AP들은 서로 통신하고 있어야 한다.

Types of Networks

• Basic service set (BSS)

  • 서로 통신하는 station의 그룹

  • 802.11 네트워크의 기본 구성 블록

• Independent BSS (IBSS)

  • station은 통신 영역 내에 있는 다른 기기와 직접 통신

  • 특정한 목적을 가지고, 특정 기간 동안 구성되는 몇 개의 station들로 구성

    • ad hoc BSSs / ad hoc networks

• Infrastructure BSS

  • AP의 사용으로 구별할 수 있다.

  • 동일한 서비스 영역에서 mobile station의 통신을 포함한 모든 통신과정에서 AP를 사용한다.

--

• 통신은 2가지 과정을 거친다.

  • 신호 송신 station에서 프레임은 AP로 보냄

  • AP가 프레임을 대상 station으로 전송

• sender와 receiver 간의 직접통신보다 전송 용량이 더 필요하나, 장점을 가진다.

  • mobile station 건의 거리 제한이 없다.

    • infrastructure BSS는 AP로부터의 거리로 정의된다.

  • infrastructure network에 있는 AP가 power saving(sleep)을 시도하는 station을 지원할 수 있다.

    • station이 poser saving로 진입하는 것을 기록해 두었다가 station을 위한 프레임을 버퍼링한다.

    • 배터리로 동장하는 station은 무선 transceiver를 꺼 놓은 후, 전송이 필요한 경우에 다시 전원을 공급하여 AP에 의해 버퍼링된 프레임을 수신할 수 있다.

• SSID -> Service Set ID

• Base Service Set ID -> 시스템내에서 BSS를 구분하기 위한 ID

• Extended service set

  • BSS를 연결함으로써 구성되는 큰 규모의 무선 네트워크

    • BSS는 작은 사무실이나 가정보다 큰 규모의 커버리지를 제공할 수 있다.

    • 같은 SSID를 사용하기 때문에 BSS가 여러개 형성될 수 있고 하나의 AP를 사용하는 듯한 느낌을 받을 수 있다.

• Wireless bridges

  • 802.11은 분산 시스템으로 무선 매체 자체의 사용을 지원한다.

  • 물리적인 위치를 빠르게 연결하는 데 사용될 수 있다.

  Mobility Support

• 이동성은 802.11 네트워크를 구성하는 중요한 동기이다.

  • station은 네트워크에 접속되어 있는 상태에서 이동할 수 있으며, 이동 중에도 프레임 전송이 가능하다.

• 802.11은 링크 계층의 기본 서비스 영역간의 이동성을 제공한다.

  • 무전이 - 현재 AP 서비스 영역에서 station이 벗어나지 않을 때에는 전이가 필요하지 않다.

  • BSS transition - ESS에서의 MAC 계층 이동성 (AP를 건너뛴다.)

    • Station은 확장 서비스 영역을 포함하기 위하여 지정된 AP에서 방사되는 신호의 강도와 품질을 계속해서 측정

  • ESS transition - 하나의 ESS에서 다른 ESS로의 이동 (AP를 건너간다.)

IEEE802.11 MAC Fundamentals (기본사항)

RF Link Quality

• 허가가 필요하지 않은 ISM 밴드 주파수를 이용한 무선 링크

  • 간섭이 언제나 존재하며 통신을 방해하고 있음을 가정해야 한다.

• Dead spot

  • 노드가 수신이 어려운 장소로 이동함에 따른 다중 경오 페이딩으로 프레임을 전송하기 어려운 상황이 있을 수 있다.

• CSMA/CA 방식을 사용하는 무선랜은 기본적으로 ACK(응답)이 반드시 와야 한다. (정확하게 전송된다는 보장이 없기 때문에)

• stataion 경쟁을 제한함으로써 전송 매체를 사용하려고 시도하는 다른 station에 의해 방해 받지 않도록 해야 한다. -> ACK가 보내질 때

숨겨진 지국 문제 (Hidden Node Problem)

• 무선 네트워크는 경계가 불명확하므로, 때때로 노드가 무선 네트워크에 있는 모든 노드와 통신하는 것이 가능하지 않은 위치에 있을 수 있다.

• 숨겨진 노드애 의해서 생기는 충돌은 무선 수신기가 일반적으로 반이중적이므로 무선 네트워크에서 감지하는 것이 매우 어려울 수 있다.

  • 충돌을 막기 위해서 802.11은 영역이 깨끗한지 알아야 한다.

  • 이 때 전송 요구(RTS)와 전송 클리어(CTS)신호를 사용한다.

MAC Access Modes and Timing

• 무선 매체에 대한 접근은 coordination function(조정 기능)을 이용한다.

• DCF (분산조정함수)

  • 표준 CSMA/CA 접근 메카니즘의 기본이다.

  • 전송하기 전에 무선 링크가 깨끗한지 검사하고 충돌을 피하기 위하여 각 프레임의 종료 시점에서 임의의 지연(backoff)을 사용한다.

  • 충돌 가능성을 좀 더 줄이기 위하여 RTS/CTS clearing 기법을 사용할 수 있다.

• HCF -> 무경쟁 서비스

  • 기본적으로 무선랜은 DCF(CSMA/CA)방식을 사용하나 옵션으로 polliing 기법을 사용하는 방법을 사용한다.

  • AP가 직접 특정 station에 줄 데이터가 있고 이를 경쟁없이 메체가 제공함을 보장한다.

  • PCF가 있으나 사용하지 않고 보완된 형태인 HCF을 사용한다.

Carrier-Sensing Functions and Network Allocation Vector

• Carrier sensing

  • 매체가 이용 가능한지 결정하기 위해 사용한다.

  • 802.11은 2가지의 Carrier sensing 방식을 지원한다.

    • PCS : 물리 계층에서 제공

    • VCS : 네트워크 할당 벡터(NAV, Network Allcaion Vector) 제공

      • 타이머를 구동시켜서 일정시간동안 PCF을 하지 않고 대기한다.

      • NAV가 0이 아니면, 매체가 사용중임을 나타내고, 0이 되면 매체가 한가함을 나타내여 PCF를 시도하게 된다.

Interframe Spacing

• 전송 매체로의 접근을 관리하는데 중요한 역할을 한다.

  • SIFS

    • RTS/CTS, ACK 프레임과 같은 최고 우선권을 가진 프레임의 전송을 위하여 사용한다.

    • 경쟁없이 최우선적으로 안전하게 전송됨을 보장한다.

  • PIFS

    • 무경쟁 동작 중에 PCF에 의해 사용되며, 다른 경쟁 기반의 트래픽보다 우선권을 가진다.

  • DIFS

    • DCF에서 사용하는 기본 비사용 시간

    • DIFS보다 더 긴 시간이 지나고 있는 동안 매체가 비사용 중이면, station은 매체에 곧바로 접근하여 사용할 수 있다.

  • EIFS

    • 고정된 간격이 아니며, 프레임 전송에 오류가 발생하는 경우에만 사용

  

• 통신을 시작하기 전에는 DIFS 동안 기다려야 한다.

• Atomic 동작은 다음 단계에서 DIFS가 아니나 SIFS를 사용한다.

  • 다른 유형의 프레임이 전송되기 전에 atomic 동작의 다음 부분이 매체를 점유했음을 의미한다.

• Station은 SIFS와 NAV를 사용함으로써 필요한 만큼 매체를 점유할 수 있다.

Contention-Based Access Using DCF

• 대부분의 트래픽은 DCF를 사용한다.

  • 표준 이더넷과 유사한 경쟁 기반 서비스 제공

  • 중앙집중적인 제어가 없으므로 IBSS, Infrastructure BSS 모두에서 사용 가능하다.

• 전송을 시도하기 전에 각 station은 매체가 비사용 중인지 검사한다.

  • 만인 매체가 사용중이면 station은 충돌을 피하기 위해 exponential backoff algorithm으로 전송을 연기한다.

• 매체가 DIFS보다 긴 시간 동안 idle이면

  • 전송은 즉시 시작될 수 있다.

  • 전 프레임이 에러없이 수신되면, 매체는 DIFS동안 free이어야 한다.

  • 전송에 에러가 생기면, 매체느 EIFS동안 free이어야 한다.

• 매체가 사용 중이면

  • station은 채널이 사용되지 않을 때까지 기다려야 한다. -> 접근 연기

  • 접근이 연기되면, station은 DIFS 동안 사용되지 않을 때를 기다리고, exponential backoff procedure를 준비한다.

• ACK, RTS/CTS 교환에서의 CTS, fragment sequence에서의 fragment 등의 프에임은 SIFS 후에 전송 될 수 있으므로 최고 우선권을 가진다.

Fragmentation and Reassembly

• 상위계층 패킷과 긴 관리 프레임은 무선 채널을 통한 전송에 적합하도록 더 작은 조각으로 나누는 과정이 필요하다.

  • 간섭이 있을 때 신회성을 높이는데 도움을 준다.

• Wireless LAN station은 간섭이 큰 프레임이 아니라 조그만 fragment에 영향을 미치도록 전송을 조각화 할 수 있다.

  • 간섭에 의해 영향받는 데이터 크기를 줄임으로써 실효 전송률을 높이는 효과가 있다.

Power-saving Sequences

• RF 시스템에서 전력을 가장 많이 소비하는 구성요소는 전송 전에 신호를 증폭시키고, 수신된 신호를 적절한 수준까지 증폭시켜주는 증폭기이다.

• 무선 transceiver의 전원을 끄고, 주기적으로 sleep mode로 전환함으로써 배터리 사용 시간을 최대한 할 수 있다.

  

• PS-Poll을 받은 다른 station은 잠정적으로 "SIFS + ACK 만큼만 통신할거야" 예측을 하고 기다렸다가 통신한다.

IEEE802.11 Management Operaions

Passive Scanning

• 전송이 필요하지 않으므로 배터리 전력 소모를 절감할 수 있다.

• AP들은 일정 간격으로 자신의 정보가 있는 비콘을 보낸다.

• 장치들은 가만히 주변의 비콘신호들을 수집해서 AP를 찾는다.

  

Active Scanning

• 장치가 직접 '이 신호를 받은 AP는 응답하라'라는 신호를 보내고 응답하는 방법

• 즉 장치가 각 체널을 이동하면서 정보를 달라고 요청하고 일정시간 기다리고 응답이 없으면 주변에 네트워크가 없다고 판단, 다음 채널로 이동한다.

  

Authentication

• 802.11 인증은 단방향으로 구성된다.

  • 네트워크에 참여하려는 스테이션은 인증을 받아야 한다.

  • 단, 네트워크 자신은 스테이션의 인증을 필요로 하지 않는다.

• Open-system Authentication

• Shared-key Authentication

  

• Preauthentication

  • 스테이션은 scanning과정 동안 여러 AP에서 인증을 받을 수 있으며, association이 필요하면 이미 인증받은 상태가 될 수 있다.

  • 스테이션은 커버리지 영역을 이동할 때, 인증 교환 동안 기다리지 않고 즉시 AP와 재결합할 수 있다.

Power Conservation

• 트랜시버의 전원을 끄는 것이 아주 많은 전력 절감의 효과가 있다. (핸드폰에 배터리가 별로 없을때 비행기 모드로 하는..)

• AP에는 2가지 전원관리 전략을 가지고 있다.

  • 결합하고 있는 모든 스테이션의 전력 관리 상태를 알고 있으므로, 스테이션의 상태에 따라 프레임이 무선 네트워크에 전달되어야 하는지를 판단할 수 있다.

  • 주기적으로 어떤 스테이션이 프레임이 버퍼링되어 있는지를 알려준다.

  

• Buffered frame retrieval process

  

  http://www.fishercom.xyz/access-points/reassociation-procedure.html

  • AP는 주기적으로 TIM을 전송, TIM은 AP에 버퍼링된 유니케스트 데이터들의 리스트가 목적지 노드를 저장한다.

  • 각 노드들은 TIM 주기마다 Wake up TIM을 수신한다.

IBSS Power Management

Timer Synchronization

• 802.11은 모든 노드의 시간 정보 분배에 상당히 많의 의존하고 있다.

IEEE802.11 Framing

• Data frame -> DATA

  • station에서 station으로의 데이터 전송

  • 네트워크에 따라 다른 유형이 발생할 수 있다.

• Control frame -> RTS/CTS

  • 영역 클리어일 동작, 채널 확보, 반송파 감지 및 유지, 수신한 데이터의 ACK 수행

• DATA frame과 Control frame은 station간의 신뢰성 있는 데이터 전송을 위하여 결합되어 사용된다.

• Management frame -> Association

  • 감독 기능의 수행

  • 무선 네트워크의 참여/이탈

  • 다은 AP로의 결합이나 이동에서 사용

Address Fields

To DS	From DS	Address1	Address2	Address3	Address4
0	0	Destination	Source	BSS ID	N/A
0	1	Destination	Sending AP	Source	N/A
1	0	Receiving AP	Source	Destination	N/A
1	1	Receiving AP	Sending AP	Destination	Source

Duration field

• NAV 값을 가짐

  • 매체로의 접근은 NAV에 의해 정해진 시간 동안 제한된다.

Address and DS Bits

• Addressing field의 수와 값은 DS 비트의 설정에 따라 다르다

Function	To DS	From DS	Address1	Address2	Address3	Address4
IBSS	0	0	DA	SA	BSSID	Not used
To AP (infra)	1	0	BSSID	SA	DA	Not used
From AP (infra)	0	1	DA	BSSID	SA	Not used
WDS (bridge)	1	1	RA	TA	DA	SA

Variations on the Data Frame (데이터 프레임의 변형)

• 노트북이 배터리를 사용하기 때문에 Sleep이 필요할 경우 AP에 알려줘야 한다.

• AP에게 Sleep에 대한 정보를 주기위해 Data Frame응 이용한다.

• Power Management 필드를 1로 셋팅하여 보내면 지금부터 Sleep에 들어간다는 정보이다.

• 이후 AP는 해당 노드에 대한 데이터를 버퍼링한다.

• Sleep에 들어가야 하는데 실어보낼 데이터가 없으면 Null Frmae을 만들고 PM을 1로 셋팅해서 보낸다.

Contention Free Service With PCF

• 802.11 표준은 실시간성이 요구되는 애플리케이션을 지원하기 위하여 무선 매체에 접근하는 두 번째 조정 함수를 제공한다.

• Point coordination function (PCF)

• 실제로 PCF는 거의 구현되고 있지 않다 -> 이것을 변형한 하이브리드 형태가 사용되고 있다.

• 무경쟁 서비스는

  • 전 시간에 걸쳐 제공되지 않는다.

  • 표준 DCF 기반 서비스와 교대로 나타난다.

• 무경쟁 기간 동안의 매체 예약

  

• AP가 통신하고자 하는 장비 이외에 모든 장비는 NAV상태로 되어 있다.

• 통신을 하고자 하는 장비에게 물어봤는데 대답이 없으므로 더 기다린다.

  • SIFS보다 더 기다리지만, 다른 장비가 끼어들지 못하도록 DIFS보다 짧은 PIFS만큼 기다린다.

Polling List

• 무경쟁 기간 동안 프래임 전송이 승인된 station의 목록

• AP와 association 되어 있는 경우, polling list에 들어갈 수 있다.

Transmission from the AP

• 무경쟁 기간 동안 모든 전송은 SIFS만큼 분리된다.

  • point coordination는 PIFS 이후에도 아무 응답이 없으면 polling list의 다음 staion으로 polling frame을 전송한다.

Contention Free Period Duration

• CFP structure and timing

  • 최소 길이는 하아늬 최대 길이 프레임을 전송하고, 확인 응답하는데 걸리는 시간

  • 정해진 경쟁 기간보다 더 오랫동안 수행될 수도 있다.

    • 무경쟁 기간의 축소

The Future at Least for IEEE802.11

IEEE802.11e

• EDCA (향상된 분산 채널 접근)

  • 전송 우선 순위인 트래픽 범주를 정의하여 우선순위가 높은 데이터가 빨리 전송될 수 있고, 우선순위가 낮은 데이터는 조금 더 기다린다.

  • TXOP

    • Station이 가능한 프레임을 많이 보낼 수 있는 동안의 한정된 간격이다. apping of User Priorities & Defaule Values of EDCA Parameter Sets

  • 작업에 따라 우선시되는 데이터는 좀 더 빠르게 전달 할 수 있도록 한다.

  • 즉 카테고리에 종류에 따라 기다리는 시간이 달라진다.

IEEE802.11e Becon Period

• 무경쟁 경쟁구간의 경계가 모호해짐, AP가 최적의 주기에 보냄

• QoS CF-Poll : 무경쟁 구간, 기존 PCF와 하위호환성 때문에 CF구간을 없애도 되는데 유지함

• 이후 RTS/CTS 경쟁 구간

• 이후 Qos CF-Poll -> 브로드캐스트로 지금부터 poll 서비스를 시작한다.('일정 기간동안 할 것이다'라는 정보와 같이) 이후 대상을 제외한 전체는 clear

  • 자세히 보면 경쟁구간에 폴링(무경쟁 구간)이 있다.

  • 이것이 Hybrid Cordinator이다.

Block Acknowledgement

• 원래는 데이터를 보내면 즉시 ACK를 받아야 하지만 데이터를 쭉 다보내고 한번에 ACK를 받는다.

• 만약 ACK를 즉시 보내지 못한다면 다음에 경쟁해서 ACK를 보내야 한다.

IEEE802.11n

• MAC Layer

  • Aggregation

    • 데이터 전송이 빨라지면서 짧은 데이터를 모아서 한번에 보낼 수 있게 되었다.

  • Block acknowledgment

  • Link adaptation technique