링크 계층 - Wireless

Wireless(무선 인터넷)

• host에서 Gateway router까지(single hop) 링크 없이 네트워크 연결이 이뤄지는 것을 말한다.
• 대부분 Wireless는 Infrastructure(AP, Access Point)가 갖춰진 상황에서 single hop 형태로 구현된다.

Wired Link VS Wireless

• 데이터 전송 일관성
  • 유선 링크는 케이블이 외부 환경에 차단되어있기 떄문에 거리와 상관없이 일관된 신호 세기를 보장한다.
  • 무선 링크는 AP에서 거리가 멀어질 수록 신호 세기가 exponential 하게 하락한다.
• Wireless는 Hidden terminal problem이 발생한다.
  • 두 host간 거리가 멀면 서로의 신호를 감지할 수 없기 때문에 CSMA/CD 방식을 이용해 Collision을 방지하는 것이 불가능하다.
  • 두 host가 서로의 전송 반경 내에 있어도 동시에 말할 경우 자신이 전송하는 신호를 크게 듣고 거리가 먼 host의 다른 신호를 작게 감지하기 때문에 Collision 탐지가 불가능해진다.

Wifi (IEEE 802.11)

• BSS (Basic Service Set)
  • 무선 호스트와 Base station인 AP(access point)로 구성된 집합을 의미한다.
• Passive Scanning
  • 각각의 AP 들은 주기적으로 beacon frame에 본인 네트워크 정보(AP, Ap mac address)를 담아 broadcast 한다.
  • 그 중 가장 신호세기가 좋은 AP를 선택하게 된다.
  • AP가 자신의 정보를 host에게 주기적으로 전달해주기 때문에 Passive Scanning 이라고 한다.

CSMA/CA (Collision Avoidance)

• Wifi에서 사용하는 맥프로토콜이다.
• Wifi는 CSMA/CD 방식을 사용해 Collision을 탐지 할 수 없기 떄문에 수신측에서 ACK를 전송한다.
  • 전송 계층의 ACK와는 다른 개념이다. 전송 계층의 ACK는 host와 host, end to end 사이에 전송 완료를 확인하기 위함이었다면 링크 계층의 ACK는 1 hop 사이의 전송 완료를 확인하기 위함이다.
• sender는 DIFS 시간동안 채널을 listen하고 채널에 다른 데이터 전송이 감지되지 않으면 데이터를 전송한다.
• receiver는 데이터를 정상적으로 받으면 SIFS 시간동안 기다렸다가 sender에 ACK를 보낸다.
• ACK를 정상적으로 받지 못하면 random backoff로 기다렸다가 다시 데이터를 보낸다.
• CSMA/CA는 CSMA/CS와 다르게 데이터 전송을 시작하면 중간에 중단할 수가 없다. 따라서 데이터가 제대로 전달되지 않으면 자원 낭비가 심하다.
• 이러한 문제를 보완하기 위해 RTS(Ready To Send), CTS(Clear To Send) 데이터 프레임을 추가로 사용한다.
  • 전송하고자 하는 데이터를 보내기 전에 용량이 작은 RTS(전송하고자 하는 데이터 정보가 담김, 데이터 전송 시간 등)를 AP에 먼저 보낸다.
  • 이때 sender 주변 전송 범위에 위치한 host는 sender의 RTS를 함께 받는다. sender의 RTS를 감지한 다른 host는 그 시간동안 대기한다.
  • RTS를 정상적으로 받은 AP는 CTS(전송하고자 하는 데이터 정보가 담김, 데이터 전송 시간 등)를 broadcast한다.
  • RTS를 보낸 sender외 CTS를 감지한 다른 host들은 해당 시간동안 대기한다.
  • CTS를 받은 sender는 데이터를 전송하고 전송이 완료되면 AP는 ACK를 broadcast한다.
  • 만약 CTS가 전송되고 있을 때 sender의 RTS를 받지 못하는 범위에 있는 다른 sender가 다시 RTS를 보내게 되면 broadcast되고 있던 CTS데이터가 noise가 되고 그 주변 host들은 CTS를 듣지 못해 데이터 전송이 가능하다고 판단해 다시 RTS를 전송하게 된다.
  • 그러면 정상적으로 데이터를 보내던 sender의 데이터가 다른 RTS로 인해 noise가 되어 ACK를 받지 못하게 되면서 모든 과정은 처음부터 반복된다.
• 하나의 링크에 host가 늘어날수록 충돌, 지연이 계속 반복된다.

frame addressing

• AP는 host와 연결된 곳은 무선 인터페이스, wifi frame, CSMA/CA을 사용하지만 router와 연결되 부분은 유선 인터페이스 ethernet frame, CSMA/CD을 사용한다.
• AP는 host와 연결된 곳은 무선 인터페이스, wifi frame, CSMA/CA을 사용하지만 router와 연결되 부분은 유선 인터페이스 ethernet frame, CSMA/CD을 사용한다.
• ethernet frame과 다르게 wifi frame에는 address가 3개 들어간다.
  • address1: frame을 받는 host or AP mac address
  • address2: frame을 전송하는 host or AP mac address
  • address3: AP가 속해있는 Router의 Mac Address
• Wifi frame에 address가 src, dst가 2개가 아닌 3개인 이유는 AP는 Link Layer device이기 때문에 IP 패킷의 IP주소를 보고 경로를 파악하는 것이 불가능하기 때문이다.
• wifi frame에는 address 필드 외에 frame control 필드가 있다. frame control 필드는 16bit 로 구성되어있다.
  • Protocol version
  • Type : frame Type(RTS, CTS, ACK, data)
  • SubType
  • ToAp, FromAp etc...

Mobility

• mobile device가 같은 router에 물려있는 AP1에서 AP2로 이동하면 커넥션은 끊기지 않는다.
• 커넥션은 전송 계층에서 이루어지는 것으로 TCP 커넥션은 srcIP/Port 와 desIP/Port 로 이루어진 고유한 쌍이다.
• 같은 subnet에 속해있는 AP1에서 AP2로 이동하면 srcIP/Port, destIP/Port 중 어떤 것도 변하지 않기 때문에 커넥션도 끊기지 않는다.
• 이동시에 변경되는 것은 router에서 AP1이나 AP2로 전달하는 Switch의 Switch Table의 entry만 변경된다.
• switch는 switch Table을 self learning 방식으로 업데이트 하는데 이 경우에는 AP1에서 AP2로 이동한 device가 dummy request를 보내면 switch Table이 갱신된다.