A Study on Inter-networking Protocol for Wireless LAN and Broadband Wireless Access Networks

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동범 모
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1 제 8 장무선 LAN 한기준경북대학교컴퓨터공학과 kjhan@knu.ac.kr

2 무선 LAN 대역확산기법사용 ISM (Industrial, Scientific, Medical) Band 사용 비허가대역 구조 Infrastructure architecture Ad hoc architecture Computer Engineering 2

3 Configurations Distributed Ad Hoc Network Station AH2 Station AH1 Station AH3 Ad hoc - no infrastructure Independent Basic Service Set : IBSS direct communication limited coverage area Computer Engineering 3

4 Ad hoc 망 Computer Engineering 4

5 Configurations - Infrastructure DISTRIBUTION SYSTEM Portal IEEE 802.X AP AP Station BSS-A Station BSS-B Station Station Access Point(AP) 가하나의 BSS (Basic Service Set) 를관리 AP 는 DS (Distribution System) 라불리는무선망으로연결되어, 전체가하나의 Extended Service Set(ESS) 을형성 ESS 내의스테이션들은상호통신가능 BSS 에서다른 BSS 로이동가능 LLC 레벨에서 ESS 는단일 IBSS 로동작 ESS 내의모든노드간에는연결이보장되므로 ESS 를하나의큰논리적인 BSS 로볼수있다 Computer Engineering 5

6 Infrastructure 망 Computer Engineering 6

7 Infrastructure 망 Computer Engineering 7

8 무선 LAN 의통신프로토콜구조 One MAC supporting multiple PHYs Medium Access Control (MAC) the protocol DSSS PHY FHSS PHY IR PHY the transmitters and receivers Computer Engineering 8

9 무선 LAN 의매체접근제어 DCF(Distributed Coordination Function) DCF 의구현은반드시요구 비실시간데이터전송에적합 Time Bounded / Async Contention Free Service PCF Optional Async Contention Service MAC PCF(Point Coordinated Function) Optional DCF 와공존하며 DCF 상위에위치 실시간트래픽에적합 DCF (CSMA/CA ) PHY Computer Engineering 9

10 무선 LAN 의매체접근제어 ( 계속 ) AP 는 DCF 와 PCF 구간을조정해서경쟁구간과비경쟁구간을교대로반복 비콘 (beacon) 신호 AP 에의해주기적으로발생 각구간의타이밍정보를각단말에알려주는역할 단말은이정보를이용하여비경쟁구간 (CFP: Contention Free Period) 인지경쟁구간 (CP: Contention Period) 인지구분 CFP (polling) CP (contention) CFP (polling) superframe Computer Engineering 10

11 무선 LAN 의매체접근제어 ( 계속 ) PCF 는채널이빌때까지연기됨 CFP 반복구간 CFP 반복구간 무경쟁구간비경쟁구간 경쟁구간 PCF ( 선택사항 ) DCF 매채매체사용중 CF-Burst 가변길이 " Reset NAV" PCF 연기 비동기트래픽연기 NAV Computer Engineering 11

12 Distributed Coordination Function(DCF) 기본액세스방식으로사용 Ad-hoc 에서단독으로사용하거나 infrastructure 환경에서 PCF 와공동으로사용 스테이션간경쟁에의한매체사용권제어 CSMA/CA(Carrier CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 기법기반 best effort basis no guaranteed service 전송도중에수신신호를들을수 ( listen while talking ) 없으므로 CSMA/CD 는사용불가 Computer Engineering 12

13 Point Coordination Function(PCF) 비경쟁서비스 (Contention Free Service) 지원 AP 에의한폴링 (polling) 방식으로매체사용권제어 Time Bounded Services 제공 낮은전송지연변이를제공 패킷음성, 비디오 Computer Engineering 13

14 CSMA/CA 알고리즘 데이터를전송하기전에먼저캐리어를감지 캐리어가감지되면현재전송중인프레임이완전히끝날때까지기다린 다. 일정한시간 (DIFS : DCF Inter Frame Space) 동안채널이빈상태 로계속유지되면즉각데이터프레임을전송 DIFS 동안캐리어가감지되면전송을연기하고랜덤백오프 (random backoff) 절차수행 얼마동안기다린후전송을재시도할것인지를결정하는절차 기다리는시간은백오프타이머의값으로결정 수신자는프레임을수신하면 SIFS 후에 ACK 로응답 만약송신자가 ACK 를수신하지못할경우 ( 즉, 충돌시 ) 다시백오프절 차로되돌아감 Computer Engineering 14

15 CSMA/CA 의기본개념 Computer Engineering 15

16 Priority Access 프레임의중요도에따라 IFS 에차등을둠 시급을요하는제어용프레임은상대적으로 IFS 를작게하여대기시간을줄임 데이터프레임, 관리프레임을보낼때 : 비교적큰값인 DIFS (DCF IFS) 비경쟁구간시작시 : 그보다작은 PIFS (PCF IFS) ACK, CTS 등의제어프레임을보낼때는가장작은 SIFS (Short IFS) By the use of IFS (Interframe( Space) SIFS (Short IFS) : ACK, CTS, 또는 fragment burst 의 2번째이후 fragment 를보낼때사용 PIFS (PCF IFS) : CFP 시작시 priority access 를위하여사용 DIFS (DCF IFS) : 데이터프레임또는관리프레임을보낼때사용 SIFS < PIFS < DIFS Computer Engineering 16

17 Priority Access DIFS 보다오랫동안 idle 이면접근 DIFS Contention Window DIFS PIFS Busy Medium SIFS Backoff-Window Next Frame Slot time Defer Access Select Slot and Decrement Backoff as long as medium is idle Computer Engineering 17

18 CSMA/CA 의기본개념 Computer Engineering 18

19 재전송의경우 Computer Engineering 19

20 Carrier Sensing 물리적캐리어감지 (PCS: Physical carrier sensing) 무선인터페이스에서감지되는실제의캐리어로서신호강도에의하여감지가상캐리어감지 (VCS: Virtual carrier sensing) MAC 에서감지 전송중인프레임의채널점유기간이얼마나될지예상한후그시간동안스스로채널접근을하지않는것을의미 프레임내의 duration 필드를사용하여채널점유기간이얼마나될지를알려줌 (msec 단위 ) 데이터프레임전송시간 + SIFS + ACK 전송시간 Duration 필드를읽어자신의 NAV (Network Allocation Vector) 를설정하고그시간동안에는채널접근을하지않음 프레임을수신하는노드는 duration 필드를읽어서그기간동안전송을자제하는데그기간길이는각자의 NAV (Network Allocation Vector) 라고부르는카운터에설정 VCS = 1 또는 CCA = 1 이면채널점유상태임 Computer Engineering 20

21 VCS 의개념 DIFS SIFS 송신지 RTS SIFS Data SIFS 목적지 CTS ACK NAV(DATA) NAV(CTS) 다른노드 NAV(RTS) Computer Engineering 21

22 Random Backoff Algorithm 백오프타이머의값은각노드에서랜덤하게주어지는데재전송시도가증가할수록지수적으로증가백오프구간동안에는빈슬롯이지날때마다타이머의값을 1만큼감소 ( 채널이점유상태일경우에는타이머를동결 ) 백오프타이머가 "0" 이되면전송을개시 i Backoff time = ranf () Slot _ Time 재전송시도가증가할때마다 contention window 가지수적으로증가 ( 초기값 = 0~7) 슬롯타임은물리계층에따라다른값을가짐충돌확률감소높은부하에서효율적으로동작공정성제공 모든스테이션은 MSDU 단위로경쟁 모든스테이션은동일한확률로채널접근 Time bounded 서비스지원불가 Computer Engineering 22

23 랜덤백오프절차 Frame DIFS CWindow Cwindow = 경쟁윈도우 = 백오프시간 = 잔여백오프시간 Defer Backoff Frame Defer Frame CWindow Defer Frame CWindow Defer Frame CWindow Computer Engineering 23

24 RTS/CTS 메카니즘 CSMA/CA 경쟁에서이긴노드는데이터프레임을보내기전에먼저 RTS (Request to Send) 을송출하여 " 채널이예약되었음 " 을알림 RTS 를들은목적지노드는 SIFS 후에 CTS (Clear to Send) 로응답 CTS 를수신한발신자는비로소전송을개시이과정에서 RTS 와 CTS 를듣는다른모든노드들은 duration 필드를읽어서자신의 NAV 를설정하여전송을자제함으로써충돌을방지 MAC 레벨의수신확인응답 (ACK: acknowledgment) 메커니즘 충돌발생시전체프레임을끝까지전송함으로써야기되는대역폭낭비문제점을해결낮은부하에서는 handshaking overhead 문제 RTS/CTS 의사용은옵션이나반드시구현되어야함 hidden node 문제를경감 Computer Engineering 24

25 RTS/CTS 메카니즘 STA RTS CTS AP RTS-Range AP CTS-Range STA Data Ack STA Stations do not hear each other But they hear the AP Computer Engineering 25

26 Hidden node 및 Exposed node Hidden node 무선 LAN 에서는위치에따라캐리어를감지하는능력의차이가존재 A가 B로전송시, C 는캐리어를감지하지못하므로빈채널로오인하여 C도 B에게데이터를전송하여충돌이발생 목적지와는동일한영역에있으나송신자영역밖에위치한노드 C는 A의 hidden node Exposed node 송신자와는동일한영역에있으나목적지범위밖에위치한 node B가 A로전송시, C 는캐리어를감지하여채널사용을포기하므로대역폭활용도가낮아지는문제점이발생 C가 B의 exposed node A D B C Computer Engineering 26

27 CSMA/CA with RTS/CTS DIFS 송신지 RTS 데이터 목적지 SIFS CTS SIFS SIFS ACK Collision Window 다른노드 DIFS NAV (RTS) 다음프레임 NAV (CTS) 접근연기 연기후대기 Computer Engineering 27

28 DCF Fragmentation Computer Engineering 28

29 PCF 알고리즘 CFP 구간이시작되면, PC 가채널을감지하여 PIFS 동안계속 idle 상태에있을경우 beacon 프레임을전송 beacon 프레임 : 동기화및타이밍 Beacon 프레임을수신한모든스테이션은자신의 NAV 를 CFP 의최대값으로갱신하여발신억제 CFP 구간에서는 Poll에대한응답또는MPDU 수신에대한 ACK만전송가능 PC 는 beacon 을전송한다음 SIFS 후에 CF-Poll(no data), Data, 또는 Data+CF-Poll 프레임을보낸다 CF-aware 스테이션이 CF-Poll(no data) 를받으면 SIFS 이후에 CF- ACK(no data) 또는 Data+CF-ACK 프레임으로응답함 CF-Poll(no data) 을받은스테이션이보낼프레임이없을경우, Null Function(no data) 프레임을 PC 에게보낸다. PC 가 Data+CF-ACK 프레임을수신하면다음스테이션에게 Data+CF- ACK+CF-Poll 프레임을보냄 (CF-ACK 는이전프레임에대한응답으로사용 ) PC 가데이터프레임에대한 ACK 를받지못하면 PIFS 기다린후폴링리스트의다음스테이션을폴링함 CF-End 프레임을보내어 CFP를종료 저부하상황이거나 PC가보낼데이터가없을경우 Computer Engineering 29

30 Polling Computer Engineering 30

31 PCF Contention free period SIFS SIFS SIFS PIFS SIFS CP B D1+Poll D2+ACK+Poll D3+ACK+Poll D4+Poll CF_End U1+ACK U2+ACK U4+ACK PIFS SIFS SIFS SIFS Dx = AP-Frame NAV Ux = Station-Frame Computer Engineering 31

32 무선 LAN 의표준화 태스크그룹 a b g e 5GHz 밴드를이용함 54Mbps 의속도를제공함 2.4GHz 밴드를이용함 11Mbps 의속도를제공함 특징 2.4GHz 밴드를이용함 IEEE b 와비슷하나속도를 20Mbps 로향상시킴 보안기능을향상시켰으며 QoS 강화를위해 MAC 지원기능채택 IP 전화와비디오같은초고속서비스에 QoS 를제공함 f AP 간의로밍기능을향상시킴 i 무선 LAN 의보안기능을대폭향상함 h IEEE a 에전파간섭을방지하는기능을추가함 Computer Engineering 32

33 블루투스 소형정보기기간 PAN(Persnal Area Network) 을형성하여통신 2.4GHz 대의 ISM(Industry, Scientific, Medical) 밴드사용 10m 전송거리내 1Mbps 전송속도제공 주파수호핑방식사용 Bluetooth SIG 및 IEEE WPAN WG 표준화진행 Computer Engineering 33

34 블루투스 Computer Engineering 34

35 블루투스응용 Figure Computer Engineering 35

36 피코넷 (Piconet) 슬레이브 슬레이브 마스터 대기 대기 슬레이브 대기 Computer Engineering 36

37 피코넷의구성 최소구성단위 구성요소 마스터 (master) 주파수호핑패턴생성등의피코넷을관리 슬레이브 (slave) 스탠바이상태 기기들간연결이되지않은상태 각기기들은 1.28 초마다새로운메시지를받아들임 (listen) 연결요청이있으면그기기가마스터가되어다른기기들을인식하기시작 (inquiry/page) Computer Engineering 37

38 피코넷의구성 ( 계속 ) 파크 (park) 상태 8비트의파크 (park) 주소가할당된기기 2 8 = 256 개의슬레이브를가짐 활성 (active) 상태 3비트의활성 (active) 주소를할당받아서피코넷에참여 2 3 = 8 개중, 1 개는브로드캐스팅주소이므로 7 개의슬레이브를가짐 기기들은활성모드, 대기 (hold) 모드, 탐지모드중하나가됨 Computer Engineering 38

39 Scatternet Computer Engineering 39

untitled

untitled + T (1) T (1) T (0) T (1) T (0) T (0) T (1) 1 2 3 4 13 14 15 Data In + Data Out 1 T (1) 4 2 (exclusive OR) : + Media Access Protocol Cycle(240ms) Even Frame (120ms) Odd Frame (120ms) M V Voice M V Voice