11강Wired LAN (Ethernet) & Wireless LAN (WiFi)

Wired LAN (Ethernet)

• 802.3, CSMA/CD(과거 기술), Ethernet switch(최근 기술)

Ethernet

• 최초로 사용된 LAN 기술 입니다.
• Single chip, multiple speeds (쉽게 구현)
• 간단하고 저렴.
• 속도 경쟁에서 뒤쳐지지 않고 있다.
• 이더넷 변천사

여기까지가 UTP로 구현하고 그 이상은 Fiber로 한다.

Ethernet: Physical Topology

• 이더넷은 Bus 토폴로지로 초창기에 구현되었다. (90년대까지는 인기)

• star 토폴로지 : 오늘날에 많이 사용

• 중앙에 활성스위치
• 각 “spoke”는 각각의 이더넷 프로토콜을 실행해서 노드간의 충돌이 없다.

이더넷의 특징

• Connectionless and Unreliable Service
• 데이터의 순서보장X, 에러가 나도 버림.
• 에러 체크는 TCP에서 하는 것이다.
• CRC-32 o 수신자는 프레임을 조용히 삭제합니다. o 상위 프로토콜이 이를 알아내야 할 의무가 있습니다.

프레임 형식(IEEE 802.3)

• Preamble(서문): alternating 0s and 1s (0과 1을 번갈아 사용)
• Start frame delimiter (SFD): 1 byte of 10101011
• Destination address (DA)
• Source address (SA)
• Type
• Data
• CRC: CRC-32

왜 최대 크기가 존재하는가? 1. 메모리가 비싸서 2. 독과점(monopolizing)을 막기 위해서

최소 크기의 존재 이유 : CSMA/CD 프로토콜의 특징 때문에 존재합니다.

• CSMA /CD 특징

CSMA 란 자기가 송신하고 있지 않은데 데이터가 송신되는 경우가 Carrier sencing 이고, 자기가 보낸 크기보다 큰게 디텍션 되는경우가 CD carrier detection입니다.

예시

만약 10 Mbps의 bandwidth를 가졌다면 maximum propagation time은 25.6 μs이고, what is the minimum size of the frame?

• 답 : The minimum frame transmission time is

• The minimum size of the frame is 10 Mbps × 51.2 μs 로 512 bit 또는 64 byte입니다. 이것은 실제 이더넷 최소 프레임 크기이다.

Addressing

이더넷은 한 바이트당 거꾸로 보내주게 됩니다.

• 보내줄때 가장 끝에 있는 LSB가 0인지 1인지에 따라서 결과가 달라서 그것부터 보기 위해서 LSB부터 보내는 방식을 취합니다.
• 예시

유니캐스트, 멀티캐스트 및 브로드캐스트 전송 구별하기

• 표준 이더넷에서의 전송은 항상 브로드캐스트입니다.
• 허브가 수동 요소인 경우
• 유니캐스트 전송
• 멀티캐스트 전송의 경우
• 브로드캐스트 전송에서

Many different Ethernet standards

MAC 프로토콜은 시간에 지나더라도 변화가 없다. (다 호환됨)

여기서 보면 physical layer 가 다름을 볼 수 있다.

Ethernet Switch

• CSMA/CD 방식으로 과거에 이더넷을 사용했었다. 다만 현재에는 이더넷 스위치 방식을 사용하고 CSMA/CD방식은 MAC에서만 사용된다.
• 이더넷 스위치 방식은 store와 Forward를 해준다고 보면된다.
• store 같은 경우 버퍼링을 말하고 Forwarding은 라우팅을 말한다고 봐도 된다.
• 들어오는 Mac주소를 기반으로 Frame을 하나 또는 그 이상으로 link를 보낸다.
• 스위치 방식은 연결을 송신, 수신 두가닥을 하기 때문에 충돌이 없이 작동하므로 CSMA/CD를 할 필요가 없어지는 것 이다. → full duplex 이다.
• 내부적으로 forwarding을 구현할 때 스위칭 태이블을 사용한다.

Multiple Simultaneous Transmission(다중 동시 전송) → 스위치

• 호스트는 전용이자, 직접적으로 switch와 연결되어있다.
• 스위치는 패킷을 버퍼링한다.
• full duplex 방식이다.
• 각 링크는 own collison doamin을 가집니다.
• 이 그림에서 (A와 A’), (B와 B’) 간의 통신은 충돌 없이 동시에 이루어질 수 있다.

스위칭 태이블

• 스위치는 처음에는 비어있는데 learning을 한다.

• 스위치는 스위치 태이블을 활용해서 MAC 주소를 가지고 있습니다.
• 이것은 라우팅 태이블과 비슷합니다.
• hop by hop방식으로 라우팅 태이블보다 간단한 방식을 사용합니다.
• 프레임이 스위치에 도착하는 경우

• 포워딩 태이블은 계속 살아있는게 아니라, 살아있는 시간이 있고 시간이 지나면 삭제됨으로써 메모리를 관리한다.

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Wireless LAN (WiFi)

먼저 무선 통신을 이해하면 도움이 된다.

• 5G 와 4G 같은 경우 커버리지가 상당히 높다. 4G가 더 넓고 5G는 더 빠르다고 이해하면 된다.
• 와이파이와 블루투스는 상대적으로 적은 크기를 가지는 것을 볼 수 있다.

IEEE 802.11 Project

IEEE 에 와이파이 표준을 정의한다.

와이파이를 wireless Ethernet 또는 wireless LAN이라고 정의한다.

• WiFi Alliance라는 산업단체가 있는데, 그곳에서 와이파이 인증을 해준다.
• 와이파이는 크게 2개의 주파수 대역을 사용한다.

2.4GHZ대역과 5GHz 대역을 사용한다.

• 2.4GHz 대역 같은 경우 무료로 사용가능하고 (주파수 너비가 매우 좁다. 3개정도?)
• 5GHZ대역 같은 경우 국가 인프라 망등에 사용한다. (주파수의 너비가 더 넓다.)
• 802.11ax는 간섭을 줄이는 기술이 들어가서, wifi 6에서 사용된다.

802.11 LAN Architecture

무선 host는 base station을 통해서 통신을 하는데 base station이 access point(AP)라고 불린다.

BSS(Base Service Set)이란 AP하나가 담당하는 서비스 영역이다. BSS를 cell이라고도 부른다.

• wifi도 Ad hoc mode라고 직접 통신을 하는 모드가 존재한다.
• BSS간 연결된 네트워크를 ESS라고 부른다.

Ad hoc BSS는 직접 통신으로 군용 통신에 발달하였고 직접 통신 (인프라가 없고 기지국이 없다.)

ESS는 BSS 간 통신이라고 이해하면 된다

802.11: Channels, Association

• 2.4GHz 대역이 ISM 대역이고 5GHz대역이 uniband 대역이다.
• Host 같은 경우 AP와 연결되어야 한다.

1. beacon(1초에 10번정도 내가 누구인지 AP가 뿌린다.)을 감지해서 Scans channels를 한다. 프레임은 AP의 이름을 포함하고 있다. (SSID → service set identifier →AP의 이름), 그리고 맥 주소도 포함하고 있다.
2. 이 정보들을 기반으로 AP를 선택해서 연결을 요청한다.
3. 인증 수행 가능하다.
4. 일반적으로 DHCP를 실행해서 AP 서브넷에서 IPN 주소를 얻는다.

두가지 스캐닝 방식

passive Scanning

• 단말이 AP를 스캔하는 방식

Active Scanning

• 단말이 직접 AP에 브로드 캐스팅을 하면 그때 AP가 반환하는 방식 (능동적 방식)

IEEE 802.11: Multiple Access

802.11는 공용 주파수이므로 들어가기 전에 확인을 하는 작업인 LBT( listen before talk)를 지켜야만 한다.

모든 충돌 감지를 이뤄내는 것은 아니다. CSMA/CA ⇒ 문제 (hidden node problem, fading 문제)

IEEE 802.11 MAC Protocol: CSMA/CA

DCF: 분산 조정 기능

• IFS: 프레임 간 공간
• DIFS는 DCF를 위한 간격이다.
• 802.11 sender
• 802.11 reciver

Avoiding Collisions

• 아이디어 : 발신자가 데이터 프레임에 무작위로 엑세스 하지 않고 채널을 에약 할 수 있도록합니다.
• 발신자는 먼저 CSMA를 사용해서 BS 에게 small request-to-send(RTS)를 보냅니다.
• BS는 RTS에 대한 응답으로 clear -to-send(CTS)를 broadCast 로 전송합니다.
• 모든 노드가 CTS를 수신하고
• 송신자원을 예약하는 방식임을 볼 수 있다.

CSMA/CA와 NAV방식

Virtual Carrier Sensing (NAV)

• 이 방식에서는 RTS에 얼마동안 자원을 사용할지 적혀있다.

NAV로 데이터 자원을 보존하는 것을 볼 수 있다.

CTS 같은 경우 한 AP영역안에 모든 단말이 같이 수신한다.

MAC Sublayer

• Network Allocation Vector (NAV)
• 핸드셰이킹 중 충돌
• 히든 스테이션 문제(또는 히든 노드 문제)

FRAME addressing

이 구조는 RTX, CTX, DATA전송에도 전부 사용되는 방식이다.

dest, src, router 순서로 데이터가 들어가 있다.

• Frame은 RTS CTS로 둘다 사용할 수 있다는 것을 알면 된다.

Mobility within Same Subnet

와이파이는 모빌리티를 지원하려고 만들어진 프로토콜은 아니다.

그럼에도 불구하고 AP가 관장하는 하나의 라우터들이 관장하는 동일한 IP주소를 사용하는 네트워크를 IP 서브넷이라고 부릅니다.

파워 saving의 가장 좋은 방법은 전원을 끄는 것 입니다.

노드는 AP-모바일 간 프레임이 전송되면 절전 상태를 유지하고, 그렇지 않으면 다음 비콘 프레임이 전송될 때까지 다시 절전 모드로 전환 하는 방식입니다.

AP는 일반적으로 100msec마다 비콘 프레임을 보냅니다.