6장. 무선과이동네트워크 (WirelessandMobileNetworks)and...

6장. 무선과 이동 네트워크(Wireless and Mobile Networks)(Wireless and Mobile Networks)

순천향대학교 컴퓨터공학과

이 상 정

순천향대학교 컴퓨터공학과 1

컴퓨터 네트워크

배경배경

휴대폰 가입자 수가 유선전화 가입자 수를 넘어섬 휴대폰 가입자 수가 유선전화 가입자 수를 넘어섬

무선 인터넷 사용 증가• 스마트폰 노트북(laptops)스마트폰, 노트북(laptops)

두 개의 서로 다른 중요한 이슈두 개의 서 다 중 이슈

• 무선 (wireless)• 무선 링크 상에서의 통신

• 이동성 (mobility)• 네트워크 연결 지점을 변경하는 이동 사용자의 관리

6. 무선과 이동 네트워크순천향대학교 컴퓨터공학과 2


6장. 무선과 이동 네트워크6장. 무선과 이동 네트워크

6.1 개요 이동성

6.5 이동성 관리: 원리주소체계무선

6.2 무선 링크와 무선 네트워크의

특징

• 주소체계

• 라우팅

6.6 이동 IP특징

• CDMA

6 3 Wi-Fi: 802 11 무선 랜

6.6 이동 IP

6.7 셀룰러 네트워크에서의이동성 관리

6.3 Wi Fi: 802.11 무선 랜

6.4 셀룰러 인터넷 접근• 셀룰러 구조

6.8 무선과 이동성: 상위 계층프로토콜에의 영향

6 9 요약• 셀룰러 표준

6.9 요약



무선 네트워크 구성 요소 – 무선 호스트무선 네트워크 구성 요소 무선 호스트

무선 호스트무선 호스트

스마트폰, 노트북

애플리케이션 수행

네트워크

고정 또는 이동

무선이 항상 이동성을 의미하는 것은

인프라스트럭처(infrastructure)

을 의미하는 것은아님



무선 네트워크 구성 요소 - 기지국무선 네트워크 구성 요소 기지국

( )기지국(base station)

유선 네트워크에 연결

중계(relay) – 유선 네트

네트워크

중계(relay) 유선 네트워크와 영역 내의 무선호스트 사이에 패킷을 송신네트워크

인프라스트럭처(infrastructure)

e.g., 셀 타워(cell towers), 802.11 AP(access points)AP(access points)



무선 네트워크 구성 요소 – 무선 링크무선 네트워크 구성 요소 무선 링크

무선 링크무선 링크

무선 호스트를 기지국에연결

백본 링크(backbone 백본 링크(backbone link )로도 사용

다중 접속 프로토콜이 링크 접근을 조정네트워크 크 접근을 조정

다양한 전송률, 전송거리

네트워크인프라스트럭처(infrastructure)



무선 네트워크 표준들의 일부 링크 특징무선 네트워크 표준들의 일부 링크 특징



무선 네트워크 구성 요소인프라스크럭처 방식– 인프라스크럭처 방식

인프라스트럭처 방식인프라스트럭처 방식

기지국은 이동 호스트를 유선 네트워크에 연결결

핸드오프(handoff): 이동 호스트가 기지국을변경하여 유성 네트워네트워크 변경하여 유성 네트워크에로의 접속점을 변경하는 과정

네트워크인프라스트럭처(infrastructure)



무선 네트워크 구성 요소애드 혹 ( d h ) 방식– 애드 혹 (ad hoc) 방식

애드 혹 방식

기지국 없음

노드는 링크 도달 영역내의 다른 노드들과만전송

노드들 스스로 네트워크를 구성

• 노드들 간에 라우팅• 노드들 간에 라우팅



무선 네트워크 분류무선 네트워크 분류

단일 홉, 기반구조 존재 (single-hop, infrastructure-based) 단일 홉, 기반구조 존재 (single hop, infrastructure based)

• 호스트는 기지국을 통해 보다 큰 유선 네트워크와 연결

• 802.11 WiFi, 셀룰러, 802.16 WiMAX

단일 홉 기반구조 없음 ( i l h i f t t l ) 단일 홉, 기반구조 없음 (single-hop, infrastructure-less)

• 유선 네트워크와 연결된 기지국 없음

• 블루투스(bluetooth) 네트워크, 애드 혹 형태의 802.11( ) ,

다중 홉, 기반구조 존재 (multi-hop, infrastructure-based)

• 호스트는 몇 개의 무선 노드의 중계를 거쳐서 기지국에 도달하여 더 큰 유선네트워크와 연결네트워크와 연결

• 무선 센서 네트워크(wireless sensor network), 무선 메시 네트워크(wireless mesh network)

( ) 다중 홉, 기반구조 없음 (multi-hop, infrastructure-less)

• 기지국 없이 여러 개의 무선 노드들의 중계를 거쳐 서로 통신

• MANET(mobile ad hoc network), VANET(vehicular ad hoc network)

6. 무선과 이동 네트워크

MANET(mobile ad hoc network), VANET(vehicular ad hoc network)




6.1 개요

무선

6 2 무선 링크와 무선 네트워크의

이동성

6.5 이동성 관리: 원리주소체계6.2 무선 링크와 무선 네트워크의

특징• CDMA

• 주소체계

• 라우팅

6.6 이동 IP• CDMA

6.3 Wi-Fi: 802.11 무선 랜

6.6 이동 IP





6.9 요약



무선 링크의 특징 – 유선 링크와 차이무선 링크의 특징 유선 링크와 차이

무선 링크는 유선 링크와 크게 다르고 유선 보다 통신이 어려 무선 링크는 유선 링크와 크게 다르고 유선 보다 통신이 어려움

무선 링크의 차이 무선 링크의 차이• 신호 세기의 감소 (decreased signal strength)

• 물체를 통과하면서 무선 신호가 약화되고, 송신자와 수신자 사이의 거리가 증가함에 따라 신호 세기가 감소 경로 손실( h l )가 증가함에 따라 신호 세기가 감소, 경로 손실(path loss)

• 다른 출발지들로부터의 간섭 (interference from other sources)

• 동일 주파수 대역의 서로 다른 송신자들 간의 무선 전파들이 서로 간섭동일 주파수 대역의 서 다른 송신자들 간의 무선 전파들이 서 간섭

• 예: 2.4 GHz의 무선 전화와 802.11b 무선 랜의 간섭주변 전자기 잡음(모터, 전자 렌지 등)과의 간섭

• 다중경로 전파 (multipath propagation)다중경로 전파 (multipath propagation)• 무선 신호가 물체와의 반사, 굴절, 산란 등으로 서로 다른 경로를 거쳐서

전파• 다중경로 전파는 수신 측에서 신호를 제대로 수신하지 못하게 함



다중경로 전파 (multipath propagation)다중경로 전파 (multipath propagation)

반사 산란 회절차단 굴절반사 산란 회절차단 굴절

LOS pulsesmultipathpulses

송신 측 신호

수신 측 신호



무선 링크의 특징 – SNR무선 링크의 특징 SNR

SNR (signal-to-noise ratio) SNR (signal to noise ratio)• 측정된 수신 신호의 세기와 잡음의 상

대적인 비율

• SNR이 클수록 잡음으로부터 신호의추출이 용이

3가지 변조(modulation) 기법의 SNR 변화에 따름 BER 예

• BER(bit error rate)은 송신된 비트가 수신특에서 오류로 검출될 확률

• 무선 전송에서는 디지털 전송을 못하기 때• 무선 전송에서는 디지털 전송을 못하기 때문에 디지털 데이터(0과 1은)는 아날로그신호로 변환하는 디지털 변조(digital modulation)를 해야 함


modulation)를 해야 함



디지털 변조디지털 변조

기본 디지털 변조 방식 기본 디지털 변조 방식• ASK(Amplitude Shift Keying)

• FSK(Frequency Shift Keying)( q y y g)

• PSK(Phase Shift Keying)

BPSK (Binary Phase Shift Keying)

• 180도 위상이동

• 단순 PSK단순 PSK

QAM (Quadrature Amplitude Modulation)

• amplitude and phase modulation 결합

• 한 심볼에 n 비트 코딩



무선 링크의 특징 – 물리 계층 특징무선 링크의 특징 물리 계층 특징

동일한 변조 기법 내에서는 SNR 값이 높을 수록 BER은 낮아 동일한 변조 기법 내에서는 SNR 값이 높을 수록 BER은 낮아짐• 송신자가 출력 세기를 높임 -> SNR 증가 -> BER 감소

• 출력 세기 높임 -> 더 많은 에너지 소모 -> 더 많은 배터리 소모

동일한 SNR 내에서는 높은 전송률의 변조 기법이 높은 BER 값을 가짐

이동 중에 물리 계층 변조 기법의 동적인 선택 가능



무선 네트워크의 특징무선 네트워크의 특징

숨은 터미널 문제 (hidden terminal problem)• A는 B로 전송을 시작, C는 A를 수신을 못함

C는 B로의 전송을 원함 매체가 f 임을 감지하고 송신• C는 B로의 전송을 원함, 매체가 free임을 감지하고 송신(CS(carrier sensing) 실패)

• B에서 A,C 수신 충돌, A는 충돌 검출 못하고 계속 전송(CD(collision detection) 실패)

• A는 C에 대해 숨겨짐, C도 A에 대해 숨겨짐



CDMA (1)CDMA (1)

CDMA (Code Division Multiple Access) CDMA (Code Division Multiple Access)• 코드 분할 다중 접속

• 무선 랜 및 셀룰러 등에서 사용되는 공유 매체 접속 프로토콜

CDMA 동작 원리• 각 사용자에게 유일한 코드를 할당

• 모든 사용자들이 동일 주파수를 공유

각 사용자는 데이터를 인코드하기 위한 자신의 칩핑 시퀀스( hi i• 각 사용자는 데이터를 인코드하기 위한 자신의 칩핑 시퀀스(chipping sequence, 코드)를 가짐

• 인코드된 신호 = (원래 데이터) x (칩핑 시퀀스)• 수신자는 인코드된 신호와 칩핑 시퀀스를 내적(inner-product)하여

디코딩• 코드들이 직교성(orthogonal)을 가지면 여러 사용자가 최소의 간섭으

로 동시에 송수신


로 동시에 송수신



CDMA (2)CDMA (2)

• 코드공간에서 직교성드공간에서 직교성• 3차원 공간에서 두 벡터의 내적(inner product)이 0이면 직교적

• (2,5,0) ∙ (0,0,17) = 2 ∙ 0 + 5 ∙ 0 + 0 ∙ 17 = 0

• (3 -2 4) ∙ (-2 3 3) = 3 ∙ -2 + -2 ∙ 3 + 4 ∙ 3 = 0• (3, 2,4) ( 2,3,3) = 3 2 + 2 3 + 4 3 = 0

• 칩핑 시퀀스 직교성 예칩핑 시퀀스 직교성 예

• 칩핑 시퀀스 A: (1,1,1,-1,1,-1,-1,-1)

• 칩핑 시퀀스 B: (1,-1,1,1,1,-1,1,1)

A B (1 1 1 1 1 1 1 1) (1 1 1 1 1 1 1 1)• A ∙ B = (1,1,1,-1,1,-1,-1,-1) ∙ (1,-1,1,1,1,-1,1,1)= 1 ∙1 + 1 ∙-1 + 1 ∙1 + -1 ∙1 + 1 ∙1 + -1 ∙-1 + -1 ∙1 + -1 ∙1= 1 -1 + 1 -1 + 1 + 1 -1 -1 = 0



CDMA 인코드/디코드 (Encode/Decode)CDMA 인 드/디 드 (Encode/Decode)



두 송신자 CDMA 예두 송신자 CDMA 예




6.1 개요

무선


이동성


특징• CDMA

• 주소체계

• 라우팅


6.3 Wi-Fi: 802.11 무선 랜

6.6 이동 IP





6.9 요약



IEEE 802.11 무선 랜IEEE 802.11 무선 랜

IEEE 802 11 무선 랜 IEEE 802.11 무선 랜• Wi-Fi 라고도 함

• 802.11b, 802.11a, 802.11g, 802.11n 표준, , g,

• CSMA/CA 매체 접속 프로토콜

• 인프라스트럭처 방식과 애드 혹 방식

표준 주파수 범위 데이터 율

802 11b 2 4 2 485 GH 최대 11 Mb802.11b 2.4 ~ 2.485 GHz 최대 11 Mbps

802.11a 5.1 ~ 5.8 GHz 최대 54 Mbps

802.11g 2.4 ~ 2.485 GHz 최대 54 Mbps 현재 널리 사용

802.11n 2.4 ~ 2.485 GHz 최대 200 Mbps MIMO(multiple-input


802.11n 2.4 2.485 GHz 최대 200 Mbps MIMO(multiple inputmultiple-output) 안테나


802.11 구조 (802.11 Architecture)802.11 구조 (802.11 Architecture)

무선 호스트가 기지국과 통신 무선 호스트가 기지국과 통신• 기지국(base station)

= AP (access point)

BSS (Basic Service Set)• 셀 (cell)이라고도 함

• 인프라스트럭처 모드

• 하나 이상의 무선 호스트• 하나 이상의 무선 호스트

• 하나의 기지국

• 애드 혹 모드

• 무선 호스트로만 구성



802.11: 채널과 결합802.11 채널과 결합

802 11b/g 채널 802.11b/g 채널• 2.4GHz~2.485GHz의 주파수 범위에서 11개의 서로 다른 주파수의

채널로 분할 (85 MHz 대역폭)

• AP 관리자가 채널 선택

• 간섭(interference) 가능성

인접한 AP와 같은 채널 사용• 인접한 AP와 같은 채널 사용

호스트는 단 하나의 AP와 결합(associate)되어야 함 호스트는 단 하나의 AP와 결합(associate)되어야 함• 채널을 스캐닝(scanning)하고, AP의 이름(SSID)과 MAC 주소가 포

함된 비콘 프레임(beacon frame)을 청취

• 결합할 AP를 선택

• 인증(authentication)을 수행할 수도 있음 [8장]

• DHCP 수행하여 AP 서브넷의 IP 주소를 획득


• DHCP 수행하여 AP 서브넷의 IP 주소를 획득



802.11: 수동적/능동적 스캐닝( i / ti i )(passive/active scanning)

능동적 스캐닝1. H1에서 탐사 요청 프레임

수동적 스캐닝1. AP들로 부터 비콘 프레임이 전 1. H1에서 탐사 요청 프레임

(probe request frame)이 브로드캐스트

2. AP로 부터 탐사 응답 프레임( )

1. AP들로 부터 비콘 프레임이 전송

2. H1에서 선택된 AP로 결합 요청메시지 전송

(probes response frame)이도착

3. H1에서 선택된 AP로 결합 요청 메시지 전송

3. 선택된 AP에서 H1으로 결합 수락 메시지를 전송


청 메시지 전송4. 선택된 AP에서 H1으로 결합

수락 메시지를 전송


802.11: MAC 프로토콜802.11 MAC 프로토콜

CSMA/CA (carrier sense multiple access/collision CSMA/CA (carrier sense multiple access/collision avoidance)• 이더넷과 같이 랜덤 접속 프로토콜 사용

• CSMA: 전송 전에 채널을 감지(sense)

• CA: 충돌 회피

( )• 충돌 감지(collision detection)하지 않음

• 약한 수신 신호로 인해 전송 시 충돌 감지 어려움

• 숨은 터미널 문제, 신호 감소(fading) 등으로 모든 충돌 감지 어려움, ( g)

• 따라서 충돌 감지하지 않고 회피



802.11: CSMA/CA802.11 CSMA/CA

802.11 송신 측1. 채널이 사용되지 않음을 감지하면

• DIFS(Distributed Inter-Frame Space)라는짧은 시간 동안 기다린 후 전체 프레임 전송

2. 채널이 사용 중이면

• 임의의 백오프 시간을 선택하고, 채널이사용되지 않는 동안만 감소하고 만료되사용되지 않는 동안만 감소하고 만료되면 프레임 전체를 전송한 후 ACK를 기다림

• ACK를 수신하지 못하면 백오프 인터벌을 증가시킨 후 단계 2를 반복

802 11 수신 측802.11 수신 측 프레임을 수신하면

• SIFS (Short Inter-Frame Space)라는 짧은 시


( p )간 동안 기다린 후 ACK 프레임을 전송


충돌 회피 (Collision Avoidance)충돌 회피 (Collision Avoidance)

아이디어 아이디어• 숨은 터미널이 존재해도 충돌을 회피할 수 있도록 채널을 예약

• 짧은 예약 패킷을 도입하여 긴 데이터 프레임의 충돌을 예방

동작1. 송신자는 CSMA를 사용하여 작은 RTS(Request to Send) 패킷을

AP에 전송

• RTS 역시 충돌 가능성이 있지만 짧음• RTS 역시 충돌 가능성이 있지만 짧음

2. AP는 RTS에 응답하여 CTS(Clear to Send) 패킷을 브로드캐스트

3. 모든 노드들이 CTS를 수신

• 송신 측은 데이터 프레임을 전송

• 다른 노드들은 전송을 지연



RTS와 CTS를 사용하는 충돌 회피RTS와 CTS를 사용하는 충돌 회피



802.11 프레임: 주소 (1)802.11 프레임 주소 (1)

Address 1: 프레임을수신하는 무선 호스트나 AP의 MAC 주소

Address 3: AP가 연결된라우터 인터페이스의

Add 4 애드 혹나 AP의 MAC 주소 MAC주소 Address 4: 애드 혹네트워크에서만 사용

Address 2: 프레임을전송(송신)하는 무선호스트나 AP의 MAC


주소


802.11 프레임: 주소 (2)802.11 프레임 주소 (2)



802.11 프레임: 주요 필드802.11 프레임 주요 필드



802.11: 동일한 서브넷에서의 이동성(M bilit )(Mobility)

H1이 이동하더라도 같은 IP 서 H1이 이동하더라도 같은 IP 서브넷에 남아 있으면 IP 주소는동일

스위치위치• H1을 어느 AP와 결합 할 것인가?

• 자가 학습(self learning) (5장)

• 스위치는 H1으로부터의 프레임을 관찰하여 H1에 도달할수 있는 스위치 포트를 기억수 있 위치 기억



802.11: 진전된 특징 (1)(Ad d C biliti )(Advanced Capabilities)

전송율 적응 (rate adaptation) 전송율 적응 (rate adaptation)• 모바일 사용자가 이동함에 따라

SNR이 변함

• 기지국, 모바일 사용자는 동적으로 전송률을 변경

• 물리계층 변조 기법 변경• 물리계층 변조 기법 변경

1 노드가 기지국에서 멀어지면1. 노드가 기지국에서 멀어지면SNR이 작아지고, BER은 커짐

2. BER이 너무 커지면 더 낮은BER을 갖도록 낮은 전송률로BER을 갖도록 낮은 전송률로스위치



802.11: 진전된 특징 (2)802.11 진전된 특징 (2)

전력 제어 (power management)• 노드는 명시적으로 휴면 상태(sleep state)와 동작 상태(wake state)

를 번갈아 가며 변경

노드에서 AP로 전송 노드에서 AP로 전송• 노드는 AP에게 자신이 다음 비콘 신호 때까지 수면 모드로 진입할 것

임을 알림

• 802.11 프레임의 전력 제어 비트를 1로 세팅

• AP는 일반적을 100ms마다 비콘 신호를 전송

노드는 다음 비콘 신호 직전에 깨어남 (250 소요)• 노드는 다음 비콘 신호 직전에 깨어남 (250us 소요)

비콘 신호• AP에 버퍼링된 프레임을 수신해야 하는 노드들의 목록 포함• AP에 버퍼링된 프레임을 수신해야 하는 노드들의 목록 포함

• 목록에 해당하지 않으면 노드는 다시 수면 상태로 진입

• 전송 프레임이 없는 노드의 99%는 수면 상태 유지 (100ms vs. 250us)



802.15: WPAN (Wi l P l A N t k)(Wireless Personal Area Network)

10m 반경 이내 저전력 통신 10m 반경 이내 저전력 통신

2.4 GHz 무선 대역• ISM (Industrial Scientific Medical) 비허가 무선대역ISM (Industrial, Scientific, Medical) 비허가 무선대역

용도• 케이블 대체(마우스,키보드,헤드폰)케이블 대체(마우 ,키 ,헤 폰)

• 애드 혹: 인프라스트럭처 없음

태스크 그룹• 802.15.1

• 블루투스(Bluetooth), 1 Mbps 전송률

802 15 2: Wi Fi 등과 공존• 802.15.2: Wi-Fi 등과 공존

• 802.15.3: WPAN-HR (High Rate), 55 Mbps 전송률

• 802.15.4: WPAN-LR (Low Rate)


802.15.4 WPAN LR (Low Rate)

• Zigbee, 6LoWPAN, 250 Kbps 전송률



802.15.1: 블루투스802.15.1 블루투스

마스터/슬레이브 마스터/슬레이브(master/slave)• 슬레이브가 마스터에게 전송 허용

을 요청

• 마스터가 요청을 승락



802.16: WiMAX

World Interoperability for World Interoperability for Microwave Access

넓은 범위의 다수 사용자 넓은 범위의 다수 사용자• ~ 6 마일 (도시 영역)

• ~14 Mbps

기지국 모델 (base station model)• 802.11과 셀룰러 전화 네트워크과

유사

• 기지국과 호스트는 전방향 안테나기지국과 호스트는 전방향 안테나

• 기지국 간에는 점대점 안테나



802.16: WiMAX TDM 프레임 구조802.16 WiMAX TDM 프레임 구조

전송 프레임 전송 프레임• 다운-링크 서브프레임 (down-link subframe)

• 기지국 -> 노드

• 업-링크 서브프레임 (up-link subframe)

• 노드 -> 기지국




6.1 개요

무선


이동성


특징• CDMA

• 주소체계

• 라우팅


6.3 Wi-Fi: 802.11 무선 랜

6 4 셀룰러 인터넷 접근

6.6 이동 IP



• 셀룰러 표준


6 9 요약6.9 요약



셀룰러 네트워크 구조의 요소셀룰러 네트워크 구조의 요소

MSC 셀들을 광역 네트워크에 연결 콜 설정 및 해제 이동성 처리

지리적 영역

셀(cell)

Mobile Switching

지리적 영역

기지국(base station , BS)은 802.11 AP와 유사

Public telephonenetwork, andInternet

gCenter 이동 사용자는 BS를 통

해 네트워크에 연결

무선 인터페이스는 이

Mobile Switching

Center

동 사용자와 BS 간의 물리 및 링크 계층 프로토콜

wired network



무선 인터페이스 접근 기술무선 인터페이스 접근 기술

두 가지 무선 스펙트럼 공유 두 가지 무선 스펙트럼 공유방법 중 하나 사용

FDMA/TDMA 결합• 채널을 여러 개 주파수 대역으로채널을 여러 개 주파수 대역

나눔, FDMA

• 각 채널을 시간 슬롯으로 분할, TDMATDMA

CDMA• 코드 분할 다중 접속• 코드 분할 다중 접속

• 각 사용자는 고유의 칩핑 순서

• 주파수나 시간이 분할되지 않음



셀룰러 표준 및 기술: 2 세대셀룰러 표준 및 기술 2 세대

2 G 시스템: 음성 채널 2 G 시스템: 음성 채널• IS-136 TDMA

• FDMA/TDMA 결합

• 북미

• GSM (global system for mobile communications)

• FDMA/TDMA 결합

• 가장 널리 사용

• IS-95 CDMA• IS-95 CDMA

• 코드 분할 다중 접속

• 한국, 북미



셀룰러 표준 및 기술: 2.5 세대셀룰러 표준 및 기술 2.5 세대

2 5 G 시스템: 음성 및 데이터 채널 2.5 G 시스템: 음성 및 데이터 채널• 2 세대 에서 3 세대 사이

• GPRS (general packet radio service)(g p )

• GSM에서 발전

• 다중 채널 상에서 데이터 전송

• 40~60 kbps 패킷 기반 데이터 서비스

• EDGE (enhanced data rates for global evolution)

• GSM/GPRS 전송률 개선• GSM/GPRS 전송률 개선

• 384 kbps 전송률

• CDMA-2000, 1 단계

• IS-95에서 발전

• 144.4 kbps 전송률




3 G 시스템: 음성 및 데이터 채널 3 G 시스템: 음성 및 데이터 채널• UMTS (universal mobile telecommunications service)

• HSDPA/HSUPA (High Speed Uplink/Downlink packet Access)( g p p p )

• 14 Mbps 전송률• CDMA-2000

• TDMA 슬롯들에서의 CDMA• TDMA 슬롯들에서의 CDMA• 1xEVDO (1xEvlution Data Optimized)• 3 Mbps 전송률




4 G 시스템: 음성 및 데이터 채널 4 G 시스템: 음성 및 데이터 채널• 차세대 모바일 브로드밴드 기술

• 유비쿼터스 무선 인터넷 접근

• 모바일 상에 고화질 영상, 스트리밍 서비스

• 4G LTE (long term evolution)

다운로드 속도• 다운로드 속도

– 75 Mbps (LTE), 1 Gbps (LTE-Advanced)

• 업로드 속도

– 37.5 Mbps (LTE), 500 Mbps (LTE-Advanced)




6.1 개요

무선


이동성


특징• CDMA

• 주소체계

• 라우팅

• CDMA

6.3 Wi-Fi: 802.11 무선 랜


6.6 이동 IP

6.7 셀룰러 네트워크에서의6.4 셀룰러 인터넷 접근• 셀룰러 구조


이동성 관리

6.8 무선과 이동성: 상위 계층프로토콜에의 영향프로토콜에의 영향

6.9 요약



이동성 (Mobility)이란?이동성 (Mobility)이란?

네트워크 관점에서 본 다양한 이동성(mobility)의 정도 네트워크 관점에서 본 다양한 이동성(mobility)의 정도

이동성 없음 높은 이동성

이동 사용자가이동 사용자가같은 AP를 통해 접속 이동 사용자가 연결을

유지한 채 다수의 AP를 통과

이동 사용자가DHCP를 적용하여네트워크에 연결하고 끊음고 끊음



이동성: 용어 (1)이동성 용어 (1)

홈 네트워크(home network) 홈 에이전트(home agent)이동 노드의 영구적인 네트워크(e.g., 128.119.40/24)

이동 노드를 위해서 이동성 관리 기능을 수행하는 홈 네트워크 개체

WAN(wide area network)

영구적인 주소(permanent address)이동 노드에 도달하기 위해

network)

항상 사용될 수 있는 홈 네트워크 주소(e.g., 128.119.40.186)

상대방(correspondent)



이동성: 용어 (2)이동성 용어 (2)

방문 네트워크(visited network)현재 위 한이동 노드가 현재 위치한

네트워크(e.g., 79.129.13/24)영구적인 주소

(e.g., 128.119.40.186)

COA(Care-Of-Address)이동 노드의 방문네트워크 주소네트워크 주소(e.g., 79,129.13.2)

WAN홈 네트워크

방문 에이전트

WAN(wide area network)

방문 에이전트(foreign agent)이동 노드를 위해서 이동성 관리 기능을 수행하는방문 네트워크 개체

상대방(correspondent)이동 노드와 통신하려는


방문 네트워크 개체이동 노드와 통신하려는개체


이사 간 친구 찾기 예이사 간 친구 찾기 예

자주 이사 가서 주소가 빈번히 바뀌는 여자 친구를 찾기

어떻게 주소를 찾는가?• 모든 전화번호부 책 검색하기?

여자 친구 부모를 통해 알아보기?• 여자 친구 부모를 통해 알아보기?

• 여자 친구가 주소를 알려주기를 기대?



이동성 관리: 접근 방법 (1)이동성 관리 접근 방법 (1)

라우터들이 관리 라우터들이 관리• 라우터가 라우팅 테이블 교환 등을 통해 이동 노드의 영구적인 주소

를 광고

• 라우팅 테이블에는 이동 노드의 위치가 저장

• 종단 시스템 변경 없음

종단 시스템이 관리간접 라우팅 (i di i )• 간접 라우팅 (indirect routing)

• 상대방이 홈 에이전트를 거쳐서 이동 노드와 통신

• 직접 라우팅 (direct routing)직접 라우팅 (direct routing)

• 상대방이 이동 노드의 방문 주소를 획득하여 직접 이동 노드와 통신



이동성 관리: 접근 방법 (2)이동성 관리 접근 방법 (2)

라우터들이 관리 라우터들이 관리• 라우터가 라우팅 테이블 교환 등을 통해 이동 노드의 영구적인 주소

를 광고수백만개이상의

이동노드들로• 라우팅 테이블에는 이동 노드의 위치가 저장

• 종단 시스템 변경 없음

이동노드들로확장 불가능

종단 시스템이 관리간접 라우팅 (i di i )• 간접 라우팅 (indirect routing)

• 상대방이 홈 에이전트를 거쳐서 이동 노드와 통신

• 직접 라우팅 (direct routing)직접 라우팅 (direct routing)

• 상대방이 이동 노드의 방문 주소를 획득하여 직접 이동 노드와 통신



이동성 관리: 등록 (Registration)이동성 관리 등록 (Registration)

방문 네트워크홈 네트워크

wide area network

12

이동 노드가 방문네트워크에 진입 시

방문 에이전트는 홈 에이전트를 접촉:"이동 노드가 내 네트워크 영역 내에

등록 결과

네트워크에 진입 시방문 에이전트 접촉

"이동 노드가 내 네트워크 영역 내에있음"

등록 결과• 방문 에이전트는 이동 노드의 존재를 알게됨

• 홈 에이전트는 이동 노드의 위치를 알게됨


홈 에이전트는 이동 노드의 위치를 알게됨



이동성 관리: 간접 라우팅 (1)이동성 관리 간접 라우팅 (1)

방문 에이전트는 패킷을

홈 네트워크방문 네트워크

홈 에이전트 패킷을 가로채서방문 에이전트로 전달

방문 에이전트는 패킷을받아 이동 노드로 전달

방문 네트워크방문 에이전트로 전달

wide area network

3

22

41

상대방이 이동 노드의영구적인 주소를 사용하여 패킷들의 주소를

이동 노드는 상대방에게 직접 응답


지정


이동성 관리: 간접 라우팅 (2)이동성 관리 간접 라우팅 (2)

이동 노드는 2개의 주소를 이용 이동 노드는 2개의 주소를 이용• 영구적인 주소

• 상대방이 사용

• 이동 노드의 위치가 상대방에게 투명

• COA (care-of-address)

이동 노드로 데이터그램을 전달하기 위해 홈 에이전트가 사용• 이동 노드로 데이터그램을 전달하기 위해 홈 에이전트가 사용

방문 에이전트의 기능은 이동 노드 자체에서 수행할 수도 있음

삼각 라우팅 (triangle routing)• 상대방과 이동 노드가 같은• 상대방과 이동 노드가 같은

네트워크 영역 내에 있으면 비효율적



이동성 관리: 간접 라우팅,네트워크들 간에 이동네트워크들 간에 이동

이동 노드가 다른 네트워크 영역으로 이동 이동 노드가 다른 네트워크 영역으로 이동• 새 방문 에이전트 등록

• 새 방문 에이전트가 홈 에이전트를 등록

• 홈 에이전트는 이동 노드의 COA를 갱신

• 패킷들은 새 COA를 사용하여 이동 노드로 계속 전달

이동성, 방문 네트워크 변경이 투명(transparent)> 지속적인 연결이 유지!=> 지속적인 연결이 유지!



이동성 관리: 직접 라우팅 (1)이동성 관리 직접 라우팅 (1)

방문 에이전트는 패킷을

홈 네트워크방문 네트워크상대방은 방문 에이전트로

받아 이동 노드로 전달

홈 네트워크방문 네트워크

4

상대방은 방문 에이전트로전달

wide area network

4

24

1

상대방이 이동 노드의

3

상대방이 이동 노드의방문 주소를 요청하여수신

이동 노드는 상대방에게 직접 응답



이동성 관리: 직접 라우팅 (2)이동성 관리 직접 라우팅 (2)

삼각 라우팅 문제 해결 삼각 라우팅 문제 해결

이동, 네트워크 변경이 상대방에게 불투명(non-transparent)(non transparent)• 세션이 시작 시 단 한차례만 홈 에이전트에게 COA 문의

• 이동 노드가 방문 네트워크를 변경하면?

• 홈 에이전트가 COA 갱신해도 소용 없음



이동성 관리: 직접 라우팅,네트워크들 간에 이동네트워크들 간에 이동

앵커 방문 에이전트(anchor foreign agent)

• 이동 노드가 처음 있었던 방문 네트워크의 방문 에이전트

• 데이터는 처음에 항상 앵커 방문 에이전트로 라우팅

이동 노드가 네트워크 간 이동 시 이동 노드가 네트워크 간 이동 시

• 새 방문 에이전트가 데이터를 이전 방문 에이전트에 전달

• 또 다시 이동 시 연속적으로 적용 (chaining)

처음 세션에 방문했던방문 네트워크

앵커 방문에이전트

wide area network

1

에이전트2

4

새 방문 에이전트

35

상대방상대방

새 방문네트워크


새 방문 에이전트에이전트상대방



6.1 개요

무선


이동성


특징• CDMA

• 주소체계

• 라우팅


6.3 Wi-Fi: 802.11 무선 랜


6.6 이동 IP





6 9 요약6.9 요약



이동 IP (Mobile IP)이동 IP (Mobile IP)

RFC 3344 RFC 3344

앞 절에서 소개된 주요 내용 포함• 홈 에이전트 방문 에이전트 방문 에이전트 등록 COA홈 에이전트, 방문 에이전트, 방문 에이전트 등록, COA

• 캡슐화(패킷 내 패킷)

3 가지 구성 요소• 데이터그램의 간접 라우팅

• 에이전트 발견 (agent discovery)

• 홈 에이전트로의 등록



이동 IP: 간접 라우팅이동 IP 간접 라우팅

방문자 에이전트에서 이동 노드로의

홈 에이전트에서 방문 에이전트로 보낸 패킷: 패킷 내 패킷

dest: 128.119.40.186

방문자 에이전트에서 이동 노드로의패킷

dest: 79.129.13.2 dest: 128.119.40.186

영구적인 주소: 128.119.40.186

COA(care-of address): 79.129.13.2

d t: 128 119 40 186dest: 128.119.40.186

상대방이 보낸 패킷



에이전트 발견 (Agent Discovery)에이전트 발견 (Agent Discovery)

에이전트 광고 (agent discovery) 에이전트 광고 (agent discovery)• 방문/홈 에이전트가 서비스를 광고

• ICMP 메시지 브로드캐스트 (타입=9)( )

type = 9 code = 0 checksum

0 8 16 24

router address

standard ICMP fieldsH,F 비트:

홈/방문 에이전트

type = 16 length sequence #

R 비트: 방문 에이전트에등록 요청

RBHFMGV bits reserved

mobility agent advertisement

extension

registration lifetime

0 or more care-of-

등록 청


0 or more care ofaddresses


이동 IP: 등록 예이동 IP 등록 예

visited network: 79.129.13/24

home agent

HA: 128.119.40.7 foreign agent

COA: 79.129.13.2 COA: 79.129.13.2

….

ICMP agent adv. Mobile agent MA: 128.119.40.186

registration req. COA: 79.129.13.2 HA: 128.119.40.7

registration req.

COA: 79 129 13 2MA: 128.119.40.186Lifetime: 9999 identification:714 ….

COA: 79.129.13.2 HA: 128.119.40.7 MA: 128.119.40.186 Lifetime: 9999 identification: 714 encapsulation format….

registration reply i i l HA: 128.119.40.7

MA: 128.119.40.186 Lifetime: 4999 Identification: 714 encapsulation format

registration reply

HA: 128.119.40.7 MA: 128.119.40.186 Lifetime: 4999 Identification: 714

time


…. Identification: 714 ….


셀룰러 네트워크의 구성 요소: 복습셀룰러 네트워크의 구성 요소 복습

서로 다른 셀룰러 네트워크,각기 다른 이통사가 관리

MSC: Mobile

Switching Center


Center


셀룰러 네트워크에서의 이동성 관리셀룰러 네트워크에서의 이동성 관리

홈 네트워크 홈 네트워크• 사용자가 가입한 이통사의 셀룰러 네트워크 (예, SKT, KT, LGT)

• HLR (home location register)( g )

• 가입자의 영구적인 셀룰러 번호와 개인정보(서비스 가입, 선호도, 요금납부), 가입자의 현재 위치 등이 포함된 데이터베이스

방문 네트워크• 이동 노드가 현재 위치한 네트워크이동 가 현재 위치한 네 워

• VLR (visitor location register)

• 현재 네트워크에 있는 이동 사용자의 엔트리를 갖는 데이터베이스

홈 네 워 일 수 있음• 홈 네트워크일 수도 있음



GSM: 이동 노드로 간접 라우팅GSM 이동 노드로 간접 라우팅

HLR 홈 네트워크

홈 MSC

HLR 홈 네트워크correspondent

2

홈 MSC는 HLR에 문의

1콜이 홈 네트워크로전달

홈 MSC는 HLR에 문의,방문 네트워크에서의이동 노드의 이동 번호(roaming number)를 얻음

PSTN(public switched

MSC

VLR

1전달

3

telephonenetwork )

MSC

홈 MSC는 방문 네트워크의4

이동 사용자

방문 네트워크

MSC로 콜을 전달

방문 네트워크의 MSC는 기지국을 통해이동 사용자에게 콜을 전달하고 완료


방문 네트워크이동 사용자에게 콜을 전달하고 완료


GSM: 공통 MSC 내 핸드오프 (1)GSM 공통 MSC 내 핸드오프 (1)

핸드오프 목표 핸드오프 목표• 끊김 없이 새 기지국을 통해 콜 라

우팅

핸드오프 발생 이유• 새 BSS의 더 강한 신호

(연결 지속, 적은 밧데리 소모)

• 부하 균형: 현재 BSS의 채널 해제부하 균형: 현재 BSS의 채널 해제

• GSM은 핸드오프 수행 정책(policy,왜 핸드오프를 하는지)을 명시하지 않고, 어떻게 하는지(메커니즘)을 명시게 하는지(메커니즘)을 명시

핸드 오프는 이전 BSS에 의해 개시BSS: Basic

ServiceSet



GSM: 공통 MSC 내 핸드오프 (2)GSM 공통 MSC 내 핸드오프 (2)

1 이전 BSS는 방문 MSC에게 핸드오프가 임박했다1. 이전 BSS는 방문 MSC에게 핸드오프가 임박했다는 것과 핸드오프될 BSS를 알려줌

2. MSC는 자원을 할당하고 새 BSS로 경로를 설정

3 새 BSS는 이동 노드가 사용할 무선 채널을 할당3. 새 BSS는 이동 노드가 사용할 무선 채널을 할당하고 활성화

4. 새 BSS는 MSC와 이전 BSS에게 준비가 되었음을 알림을 알림

5. 이전 BSS는 이동 노드에게 핸드오프를 통지하고, 이동 노드는 새 BSS로 핸드오프

6. 이동 노드와 새 BSS는 새 채널을 활성화하는 메시지 교환

7. 이동 노드는 새 BSS에게 핸드오프 완료 메시지를 보내고, 이 메시지는 방문 MSC에 전달. MSC는 진행 중인 콜을 새 BSS의 이동 노드로 재 라우팅


8. 이전 BSS의 경로에서 할당된 자원들을 해제



GSM: MSC 간의 핸드오프 (1)GSM MSC 간의 핸드오프 (1)

앵커 MSC (anchor MSC) 앵커 MSC (anchor MSC)• 콜이 처음 시작할 때 이동 노드

가 방문한 MSC

• 앵커 MSC를 콜 진행 동안 변경되지 않고 유지

이동 노드가 새 MSC 영역으 이동 노드가 새 MSC 영역으로 이동할 때 새 MSC가 MSC체인의 끝에 추가체인의 끝에 추가

IS-41 셀룰러 네트워크에서는 MSC 체인을 최소화하는선택적인 경로 최소화 단계수행



GSM: MSC 간의 핸드오프 (2)GSM MSC 간의 핸드오프 (2)

앵커 MSC (anchor MSC) 앵커 MSC (anchor MSC)• 콜이 처음 시작할 때 이동 노드

가 방문한 MSC

• 앵커 MSC를 콜 진행 동안 변경되지 않고 유지

이동 노드가 새 MSC 영역으 이동 노드가 새 MSC 영역으로 이동할 때 새 MSC가 MSC체인의 끝에 추가체인의 끝에 추가

IS-41 셀룰러 네트워크에서는 MSC 체인을 최소화하는선택적인 경로 최소화 단계수행



이동 IP와 GSM 이동성 비교이동 IP와 GSM 이동성 비교

GSM 요소 GSM 요소 설명 이동 IP 요소

홈 시스템 이동 사용자의 고정 전화번호가 속한 네트워크 홈 네트워크홈 시스템 이동 사용자의 고정 전화번호가 속한 네트워크 홈 네트워크

게이트웨이 이동 교환센터 혹은 홈 MSC, HLR

홈 MSC: 이동 사용자의 경로 가능 주소를 얻기위한 접촉점HLR: 고정 전화번호 프로파일 정보 이동

홈 에이전트

HLR HLR: 고정 전화번호, 프로파일 정보, 이동사용자의 현재 위치, 등록 정보 등을 포함하는홈 시스템 내 데이터베이스

방문 시스템 이동 사용자가 현재 위치한 네트워크 방문 네트워크방문 시스템 이동 사용자가 현재 위치한 네트워크(홈 시스템 제외)

방문 네트워크

방문 MSC, VLR 방문 MSC: MSC와 연계된 셀 내에 이동 노드로들어오거나 나가는 콜을 설정

방문 에이전트들어오거나 나가는 콜을 설정VLR: 각 방문 이동 사용자의 등록 정보 등을포함하는 방문 시스템 내의 임시 데이터베이스

MSRN(Mobile 이동 사용자 혹은 상대방에게 보이지 않으며 홈 COAMSRN(Mobile Station Roaming Number) 혹은 이동번호 (roaming

b )

이동 사용자 혹은 상대방에게 보이지 않으며 홈MSC와 방문 MSC 간의 전화 콜 세그먼트용경로 가능 주소

COA


number)


무선과 이동성: 상위 계층 프로토콜에의 영향무선과 이동성 상위 계층 프로토콜에의 영향

논리적으로는 무선의 영향이 최소화…… 논리적으로는 무선의 영향이 최소화……• 최선의 노력(best effort) 모델은 변경되지 않고 유지

• TCP/UDP가 무선, 이동 환경에서도 적용,

그러나 실제는 성능 면에서 유선과 무선은 차이가 뚜렷• 비트 오류(폐기된 패킷, 링크 계층 재전송으로 인한 지연), 핸드 오프

에 기인한 패킷 손실/지연

• TCP는 손실을 혼잡으로 간주하여 불필요하게 혼잡 윈도우 크기를 줄• TCP는 손실을 혼잡으로 간주하여 불필요하게 혼잡 윈도우 크기를 줄임

• 실시간 트래픽의 지연 장애

• 무선 링크의 제한된 대역폭



요약 (Summary)요약 (Summary)

무선무선

무선 링크:• 전송률, 거리

이동성

원칙: 주소체계, 이동 사용자로의 라우팅,

• 채널 장애

• CDMA

IEEE 802 11 (“ i fi”)

로의 라우팅• 홈, 방문 네트워크

• 직접, 간접 라우팅 IEEE 802.11 (“wi-fi”)

• CSMA/CA는 무선 채널 특성을반영

• COA (care-of-address)

사례 학습이동 IP

셀룰러 네트워크• 구조

표준 ( GSM CDMA 2000

• 이동 IP

• GSM의 이동성

상위 계층 프로토콜에의 영향• 표준 (e.g., GSM, CDMA-2000,

UMTS)

상위 계층 프로토콜에의 영향


6장. 무선과이동네트워크 (WirelessandMobileNetworks)and...

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