Transcript 강의 PPT - 수원과학대학교 정보통신과

컴퓨터 네트워크 4주차
수원과학대학교 정보통신과
오늘의 목표
• 무선랜 프로토콜인 Wi-Fi를 이해한다.
• 개인 휴대기기간 네트워킹 프로토콜인
Bluetooth을 이해한다.
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2.3 무선랜 (Wireless LAN)
• 케이블 없이 무선으로 구축되는 LAN
• 무선 랜과 Wi-Fi는 같다?
– 무선 랜 표준 단체 - IEEE 802.11
– IEEE 802.11에서는 제품간 호환성 시험에 대한 것이
누락
– Wi-Fi Alliance
• 무선 랜 제품간 호환성 인증 단체
• 호환성이 검증된 제품에 Wi-Fi 로고 부착
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4.1.1 무선 랜 구조 (1)
• 기본 서비스세트 (BSS; Basic Service Set)
4
무선랜 구조 (2)
• 확장 서비스 세트 (ESS; Extended Service Set)
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SSID
• Service Set IDentifier
• BSS나 ESS가 다른 BSS나 ESS와 구분 짓기
위해 가지고 있는 ID
• 무선 랜 검색 시 보이는 이름이 SSID임
• AP들은 100ms마다 SSID와 기타 구성 정
보를 브로드캐스팅하여 클라이언트가 자
신을 찾을 수 있게 함
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4.1.2 CSMA/CA
• 무선 환경에서는 충돌을 검출하기가 곤란함
• 무선 LAN에서는 충돌 검출 대신 충돌을 회피하
는 방법을 사용
• CSMA/CA(Carrier Sense Multiple
Access/Collision Avoidance) 타이밍
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CSMA/CA 상세절차
4.1.3 무선 랜 계층 구조
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DCF (Distributed Coordination Function)
• 경쟁에 의해 채널을 쟁취하는 역할의 계층
• Mac Protocol: CSMA/CA
• 무선 랜에서 CSMA/CD를 사용할 수 없는 이유
– 충돌 신호를 수신하기 위한 하드웨어 추가로 더 큰 대
역폭 및 고가 장비 필요
– 숨겨진 단말 문제로 인해 충돌을 검출 못할 수 있음
– 무선신호는 감쇄가 크기 때문에 충돌을 수신 못할 수
있음
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DCF에서 무선 랜 스테이션들의 동작
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PCF (Point Coordination Function)
• DCF보다 상위에 놓이며 구현은 선택사항
• 경쟁 없이 AP가 폴링(polling) 방식으로 전송
– AP가 무선단말을 하나씩 폴링함
• 주로 시간에 민감한 전송에 사용
• PCF는 DCF보다 우선순위가 높음
• PCF로 채널이 독점되는 것을 막기 위해 PCF와
DCF가 반복되는 반복 구간(repetition interval)을
운영함
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반복 구간
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4.1.4 IEEE 802.11 프레임 형식
NAV 타이머 설
정시 사용하는
전송기간
흐름 제어에
사용하는 순
서번호
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FC 필드의 서브 필드
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IEEE 802.11 프레임 종류 (1)
• 관리 프레임 (Management Frame)
– 스테이션과 AP와의 초기통신에 사용
• 제어 프레임 (Control Frame)
– 채널에 접근할 때와 확인응답을 위해 사용
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– 제어프레임에서 FC 필드의 Subtype 서브필드
값
• 데이터 프레임
– 데이터 및 제어 정보 전달
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4.1.5 IEEE 802.11 주소 체계 (1)
• DS – Distribution System
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IEEE 802.11 주소 체계 (2)
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4.1.6 무선랜 표준
802.11
프로토콜
발표일
주파수
대역폭
(GHz)
(MHz)
-
1997.7
2.4
20
a
1999.9
5
20
b
1999.9
2.4
20
g
2003.7
2.4
20
20
n
2009.10
2.4 / 5
40
스트림당 데이터율
1, 2
6, 9, 12, 18, 24, 36, 48,
54
5.5, 11
6, 9, 12, 18, 24, 36, 48,
54
MIMO
스트림수
1
변조방식
DSSS, F
HSS
실내도
실외도
달거리
달거리
(m)
(m)
20
100
1
OFDM
35
120
1
DSSS
38
140
38
140
70
250
1
OFDM,
DSSS
7.2, 14.4, 21.7, 28,9, 43
.3, 57.8, 65, 72.2
15, 30, 45, 60, 90, 120,
135, 150
20
4
OFDM
4.1.7 무선 랜 주파수 대역
• ISM(Industrial, Scientific, and Medical) 대역
– 면허 없이 사용할 수 있는 주파수 대역
21
2.4GHz 대역 채널 배정
• 우리나라의 경우 13개 채널이 있음
22
4.1.8 무선랜 변조 방식
• FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)
– 주파수 채널을 빠르게 바꿔 보내는 방식
– 최초의 IEEE 802.11
• DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)
– 하나의 주파수 채널로 보내되 신호를 빠른 속도로 변
조
– IEEE 802.11b/g
• OFDM (Orthogonal Frequency Division
Multiplexing)
– 직교성을 지닌 다중 주파수 채널로 전송
– IEEE 802.11a/g/n
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4.1.9 무선 랜 보안 (1)
• 무선랜은 보안에 근본적으로 취약하다.
• 무선랜 보안 수단
– 인증(Authentication)
• 허가된 장비만이 접속하게 하는 것
– 암호화(Encryption)
• 타인이 데이터를 알아볼 수 없게 하는 것
• 가장 기초적인 보안 – SSID 숨기기
– AP에서 SSID 브로드캐스팅 차단
– 미리 SSID를 아는 단말만이 접속
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무선 랜 보안 (2)
• WEP(Wired Equivalent Privacy)
– 무선 클라이언트 장비와 AP가 동일한 키(Key)
값으로 데이터를 암호화하여 송수신
– 키의 길이는 64비트 또는 128비트  길수록
안전
– 키값이 고정되어 있으므로 해킹에 의해 키가
알아낼 수 있음
• IEEE 802.1X 사용자 인증
– 사용자 이름과 암호로 인증
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무선 랜 보안 (3)
• WPA(Wi-Fi Protected Access)
– 802.11X 사용자 인증 도입
– 고정 키가 아닌 동적 키(Dynamic Key) 사용
– TKIP(Temporal Key Integrity Protocol) 사용
• IEEE 802.11i
– WPA 방식 대부분 수용
– TKIP 대신 AES(Advanced Encryption
Standard encryption) 사용
– 이에 따라 WPA도 WPA2로 개정
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무선랜 보안방식 비교
무선 보안 방식
키 분배 방식
사용자 인증
암호화 방식
WEP
Static
없음
WEP
WPA
Static & Dynamic
802.1X
TKIP
802.11i/WPA2
Static & Dynamic
802.1X
AES
• 참고) PoE (Power of Ethernet)
– AP에 전원케이블 없이 이더넷 케이블로 전원을
공급
– PoE 스위치라면 가능
– PoE 규격: IEEE 802.3af
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4.2 WPAN에서의 블루투스
• PAN(Personal-Area Network)
– 개인 영역 네트워크
블루투스 로고
• 블루투스(Bluetooth)
– WPAN(Wireless PAN)의 표준 네트워킹 방식
– 표준안 IEEE 802.15.1
– 블루투스 응용
• 핸즈프리 이어셋/헤드셋, 무선 마우스/키보드, 스마트폰 간 전송
• 블루투스 대 Wi-Fi(IEEE 802.11)
– Wi-Fi는 유선 이더넷의 무선 버전
– 블루투스는 원래 RS-232(시리얼 케이블)의 무선 버전
– Wi-Fi 보다 저전력, 저속, 단거리
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블루투스 네트워크 구조 (1)
• 블루투스 네트워크
구조
– 피코넷
– 스캐터넷
• 피코넷
– 최대 8개로 블루투
스 기기로 구성
– 1개의 프라이머리와
7개의 세컨더리로
구성
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블루투스 네트워크 구조 (2)
• 스캐터넷
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블루투스 계층 구조
31
무선층 (Radio Layer)
•
•
•
•
저전력으로 10m이내 통신
2.4GHz ISM 대역을 79개의 채널로 분할
각 채널당 대역폭은 1MHz
변조 방식: FHSS
– 초당 1600번 도약
– 한 주파수에 머무르는 시간 = 1/1600 =
625us
32
기저대역층 (Baseband Layer) (1)
• LAN의 MAC 부계층 역할
• MAC 프로토콜: TDD-TDMA (Time
Division TDMA)
– 양방향 전송을 하되 시간을 나누어 하는 반이
중 시분할 다중접속 방식
– 타임 슬롯(time slot) = 625us
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기저대역층 (Baseband Layer) (2)
• 프라이머리와 1개의 세컨더리와의 통신
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기저대역층 (Baseband Layer) (3)
• 프라이머리와 여러 세컨더리와의 통신
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블루투스 링크
• SCO(Synchronous Connection-Oriented) 링크
– 전송 지연 없이 보내고자 할 때
– 각 방향당 한 개씩 두 타임슬롯으로 규칙적 전송
– 최대 3개의 SCO 링크를 만들 수 있고, 각 링크 당
64kbps의 오디오 신호 전송가능
• ACL(Asynchronous Connectionless Link)
–
–
–
–
오류 없는 전송이 필요할 때
오류 발생 시 패킷 재전송
1개, 3개, 또는 그 이상의 슬롯 사용 가능
최대 721kbps
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동기비트 및
프라이머리
식별자
세컨더리 주소,
만약 0이면 브
로드캐스트
프레임 구조
헤더영역
에러검출
상위 계층의
데이터 타입
정지대기 ARQ
순서번호
정지대기 ARQ
확인응답용
흐름제어용,
1이면 수신불가
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블루투스 표준
• Bluetooth Special Interest Group (SIG)
– 1998년에 결성된 블루투스 규격 제정 단체
버전
데이터율
최대 처리량
특징
Version 1.0 and 1.0B
호환성 문제
Version 1.1
IEEE 802.15.1-2002
Version 1.2
1Mbps
0.7Mbps
Version 2.0 + EDR
(+는 옵션)
3Mbps (+EDR) 2.1Mbps
(+EDR)
2004년 채택
+EDR: Enhanced Data
Rate
Version 3.0 + HS
(+는 옵션)
24Mbps (+HS,
802.11링크)
2009년 채택
+HS: High Speed
Version 4.0LE
IEEE 802.15.1-2005
2010년 채택
Bluetooth Low Energy
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참고) 자동반복요청
• 자동반복요청
– Automatic Repeat reQuest, ARQ
– 두 호스트간 흐름제어와 오류제어의 용도
• ARQ의 세가지 방법
– 정지-대기(stop-and-wait) ARQ
– go-back-n ARQ
– 선택적 반복 (selective repeat) ARQ
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정지-대기 (Stop-and-Wait) ARQ
전송한 프레임 번호,
확인응답되면 전송
할 프레임 번호
전송중인
프레임 번호
송신기는
한 프레임을
보내고
다음 프레임을
보내기 전에
확인응답
(Acknowledgement,
ACK)을 언제나 기다림
40
정상 동작 시
받기를 기대하는
다음 프레임 번호
정지-대기 ARQ에서 유실된 프레임
• 송신기는 프레임
을 보낼때마다
타이머를 동작시
기고, 전송한 프
레임을 확인응답
이 올때까지 보
관
• 타이머에 설정된
시간이 다 지날
때 까지 확인 응
답이 안오면 손
실된 것으로 간
주하고 다시 보
냄
재전송
41
정지-대기 ARQ에서 손상된 프레임
• 수신자는 오직 온전하게 수신된 프레임에
대해서만 긍정확인응답을 내고 손상된 프
레임에 대해서는 어떠한 확인응답도 보내
지 않는다.
• 송신자는 확인응답이 오지 않으므로 프레
임이 전송 중 유실된 것으로 간주한다.
• 결과적으로, 손상된 프레임에 대한 정지대기 ARQ의 동작은 유실된 프레임의 경우
와 동일하게 동작한다.
42
정지-대기 ARQ에서 유실된 확인응답
ACK가 받지 못했
으므로 프레임이
유실된 것으로 간
주하고 재전송
프레임 0을 받
기를 기대하는
데 프레임1이
수신되었으므
로 버린다
43
정지-대기 ARQ에서 지연된 확인응답
프레임 1을 받
기를 기대하는
데 프레임0이
수신되었으므
로 버린다
프레임 1이 손
실되지 않았으
면 받았을 것
이다.
ACK0을 기대
하는데 ACK1
이 수신되었으
므로 무시
44
정지-대기 ARQ에서 피기백킹
•
데이터 프레임에 확인응답을 합해서 보내는 끼워보내기(piggybacking)을
사용하여 전송 대역폭 절약
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Go-back N ARQ (1)
• 네트워크에서의 지연(delay)의 종류
– 전파지연(propagation delay)
• 송신지에서 목적지까지 전파되는데 걸리는 시간
– 전송지연(transmission delay)
• 패킷의 첫번째 비트부터 마지막 비트까지 보내는 데 걸리는 시간
– 큐잉지연(queuing delay)
• 패킷이 버퍼에서 전송을 위해 기다리는 시간
– Q&A
• WAN에서 가장 영향을 미치는 지연은?
• LAN에서 가장 영향을 미치는 지연은?
• 물리적인 환경과 관계없이, 망 내 트래픽의 분포와 관련된 지연은?
• 정지-대기 ARQ의 단점
– 한 프레임을 보내고 확인응답이 올 때까지 매번 기다려야 한다.
– 전파지연이 큰 네트워크에서 전송효율이 50%까지 감소
• Go-back N ARQ, 선택적 반복 ARQ
– 여러 프레임을 보낸 후 확인응답을 받을 수 있다.
– 슬라이딩 윈도우 프로토콜(sliding
46 window protocol) 사용
Go-back N ARQ (2)
• 순서번호(sequence number)
– 프레임 번호로 헤더에 기록
– m비트 필드라면 0~2m-1 번호가 modular-2m 방식으로 매겨진다.
– 예) m=3일때: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 0, 1, 2, …
• 송신 노드의 슬라이딩 윈도우
– 윈도우의 크기는 통보 받은 수신 노드의 버퍼 크기
– 올바른 확인 응답이 수신될 때 오른쪽으로 이동
7개의 프레임을 보
낼 수 있음
2개의 프레임을 보
내고 ACK를 받은 후
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Go-back N ARQ (3)
• 수신노드의 슬라이딩 윈도우
– 창 크기는 항상 1로 받기를 기대하는 프레임 번호를 담고 있음
– 순서가 뒤바뀌어 들어오는 프레임은 항상 무시함
– 올바른 프레임이 수신될 때 오른쪽으로 이동
0번 프레임을 받기
를 기대함
0번 프레임을 받고
난후
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Go-back N ARQ (4)
•
슬라이딩 윈도우의 제어 변수
– S: 최근에 보낸 프레임의 순서번호, 확인응답되면 보낼 프레임의 순서번호
– SF: 창 안에 있는 첫번째 프레임의 순서번호, SL: 창안에 있는 마지막 프레임의 순서
번호
– R: 수신하기를 기대하는 프레임의 순서번호
•
타이머
– 송신자는 프레임을 전송할 때마다 타이머를 설정
•
확인응답
– 온전하게 수신된 프레임에 대해서만 긍정응답(ACK)을 보낸다.
•
프레임 재전송
– 프레임이 손상 또는 유실되었음을 식별하면 송신노드는 손상된 프레임부터 재전송
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Go-back-N ARQ의 정상 동작
S가 SL과 같아질 때까지
계속 보낼 수 있다.
50
Go-back-N ARQ의 손상 또는 유실된 프레임
2번을 기
대하는데
3번이 수
신되었으
므로 버림
타임아웃
되면 확인
응답이 안
된 첫번째
프레임(SF)
부터 재전
송
51
선택적 반복 (Selective-Repeat) ARQ
• Go-back N ARQ의 단점
– 프레임 손상이 빈번한 링크에서는 많은 수의 프레임이 재전송되
어야 하므로 비효율적
• 선택적 반복 ARQ
– 손상된 프레임만 재전송
– 전송효율은 높아지나 수신자쪽 처리과정은 복잡
• 송신 노드와 수신 노드의 슬라이딩 윈도우
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선택적 반복 ARQ에서 유실된 프레임
2번을 기대하
는데 3번이
수신되었으므
로 2번을 다
시 보내주기
를 요청
NAK(negative acknowledgement, 부정응답)
53