선이 없이 네트워크가 연결되는 무선 LAN에 대해 살펴보며, 무선 LAN에 구조에 대해 살펴보고 네트워크와 네트워크를 연결해주는 장치에 대해 알아본다.

1. 무선 LAN

  • 무선 LAN은 BSS와 ESS 두 종류의 서비스를 지원
  • 하나의 AP를 지원하냐, 둘 이상의 AP 그룹을 지원하냐의 차이
  • ESS를 사용하면 여러 AP들이 커버하고 있는 어떤 지역에서도 로밍할 수 있다.
  • AP(Access Point) 를 유무선 공유기라고도 함
  • 흔히 IP 공유기라고 부름
  • 무선 LAN과 직접적으로 연관된 무선 LAN 장비를 AP라고 부른다.
  • 카페, 집에서 어떤 WIFI 리스트를 보고 선택을 하게 되는데, 그게 바로 무선 장치 즉, AP를 선택하는 행위

Basic Service Set(BSS)

  • Infrastructure 모드/ Ad hoc 모드로 나뉨
  • WI-FI에도 두 모드를 지원
  • WIFI는 대부분 인프라 모드를 사용하여 작동

Infra 모드: AP라는 중앙의 기지국을 이용하는 모드

  • Wi-Fi 액세스 포인트를 기지국이라고 한다.
  • wifi wlan 허브를 구입한 후, KT, LGU+, SK브로드밴드와 같은 인터넷 서비스 제공업체(ISP)가 제공하는 가정용 라우터의 통신 포트에 연결하여 기지국을 인터넷에 연결한다.
  • 기지국 아래에 수백 개의 단말기가 존재해도, 서로 직접 통신할 수는 없고 기지국(허브)을 통해서만 통신할 수 있다.

Ad hoc 모드: AP가 없는 모드

  • 중간에 AP 장치를 경유하지 않고 직접 통신하는 모드
  • 다른 통신 기반 시설없이 무선 어댑터가 설치된 단말만으로 네트워크의 구성이 가능
  • 기지국이 없음이 무선 단말기들이 서로 직접 통신. 곧 단말이 라우터, L3의 역할을 하는 것
  • 예를 들어, 북한에 간다면 사용할 수 있는 인프라 네트워크가 존재하지 않는다. 이 경우, 군인들이 사용하는 무선기기들과 통신하기 위해서는 Ad-hoc 네트워크를 사용해야 한다.
  • 단말이 많아질 수록 네트워크의 범위도 그만큼 넓어지고 통신 범위도 넓어진다. 단, 통신 범위 거리 안에 있어야 한다.
  • 하나의 독립적인 IBSS는 다른 IBSS에 연결할 수 없다. IBSS끼리 서로 통신할 수 없다.

Extended Service Set(ESS)

  • 여러 BSS로 구성된 서비스를 의미
  • BSS는 분산 시스템이라고 불리는 유선 네트워크에 연결된다.

기본적인 Wi-Fi 동작

Wi-Fi 인터페이스를 켜면 기지국(AP)가 검색된다.

각각은 BSS ID라고 불리는 기지국의 고유 이름이다.

이 기지국들이 동일한 무선 주파수를 사용하면 서로 간섭이 발생한다. 예를 들어, 동시에 여러 개의 라디오를 켜면 제대로 소리를 들을 수 없다. TV 채널이 서로 다른 것처럼 Wi-Fi는 약간 다른 주파수를 설정하여 채널로 나뉜다. 채널 스캐닝을 통해 어떤 기지국이 어떤 채널을 사용하고 있는지 파악하고, 최대한 간섭을 줄이는 채널을 선택합니다. 채널 스캐닝 결과, 어떤 기지국이 있고 어떤 세기의 신호가 있는지 등등의 정보를 얻게 된다.

이러한 신호 정보를 '비콘'이라고 한다. 비콘 프레임은 IEEE 802.11 기반 WLAN의 매니지먼트 프레임 중 하나이다. 비콘 프레임은 주기적으로 전송되어 무선 LAN의 존재를 알린다. 비콘 프레임은 BSS에서 AP에 의해 전송이 된다. Wi-Fi를 사용하는 디바이스는 사용 가능한 채널들을 검색하는 두 가지 방법(능동/수동) 중 하나를 사용할 수 있다. 능동 스캔 중에는 클라이언트 라디오가 직접 probe 요청을 전송하고, AP로부터 probe 응답을 수신한다. 수동 스캔에서 클라이언트 라디오는 각 채널에서 AP가 주기적으로 보내는 비콘을 수신 받기 위해 대기한다.

기지국은 일정 시간 간격으로 '비콘'이라는 신호를 보낸다. 이 비콘에는 타임스탬프, 시간 간격, SSID, 사용된 채널 번호, 기능 정보와 같은 기지국에 대한 유용한 정보를 포함하고 있다.

통신하고자 하는 AP를 찾아 선택한 후에는, 'Authentication'과 'Association'이 필요하다. Authentication은 단말이 기지국을 이용할 권한을 가지고 있는지 여부를 확인하는 작업이다. 암호확인은 가장 많이 사용되는 인증방법이다.

이 절차가 성공적으로 수행되면 Association을 한다. 단말은 AP 또는 라우터와 연결(등록)하여 네트워크에 완전히 접근할 수 있다. Association은 AP가 각 단말을 기록하여 프레임이 제대로 전달되도록 한다. Association은 Ad-hoc 모드가 아닌 무선 인프라네트워크에서만 발생한다. 이 2가지 절차가 끝나게 되면, 데이터가 전송될 수 있다.

우리집 최적의 와이파이(WIFI) 채널(Channel) 찾기 외장 뇌장소 (tistory.com)

LAN에서 사용하는 매체의 종류와 특성에 대해서 알아보고, 유선 LAN의 구조와 Ethernet에서의 변화와 고속 및 Gigabit Ethernet에 대해서 알아본다.

1. LAN에서 사용하는 매체

신호를 전달하는 물질을 매체라고 하는데, LAN에서 사용하는 매체가 무엇이 있는지 알아본다. 그리고 매체의 종류로 선으로 연결되는 유도매체와 선 없이 연결되는 비유도 매체로 나누어서 학습한다.

  • LAN에서 사용하는 매체의 종류와 특성

전송 매체의 종류

  • 전송 매체는 에너지를 전달하는 물질을 의미
  •  

유도 매체 = 유도체 = 유선 = guided

꼬임선(TP; Twisted-pair cable)

  • 쉴드(차폐) 유무에 따라 UTP, STP로 나뉜다.
  • 쉴드는 외부로부터 잡을 막아주는 보호막
  1. UTP(Unshield)
    • 쉴드(차폐)X
    • 대부분의 TP케이블이 UTP에 해당
    • UTP의 성능이 많이 향상되었다.
    • UTP 카테고리: UTP 품질 기준으로 분류해놓은 것
      • CAT5 가 가장 많이 쓰임
    • TP 커넥터: 어댑터
      • RJ-45를 가장 많이 사용
  2. STP(Shield)
    • 비싸다

동축 케이블(Coaxial cable)

  • TP 케이블보다 높은 주파수의 신호를 전달
  • 중심축에 내부 도체가 있고 이를 절연체로 둘러 싼 뒤, 여기에 외부 도체를 원통의 그물 형태로 씌우고[[1]](https://namu.wiki/w/동축 케이블#fn-1), 최종적으로 피복으로 감싼 형태의 케이블이다.
  • 케이블의 굵기, 도체의 굵기, 쉴드의 특성, 전기적 특성 등등에 따라서 수도 없이 많은 종류가 있는데, 그냥 이런 구조를 가지기만 하면 모두 동축케이블이라고 부른다.
  • 구리선을 쓴다고 동축이 아니다.
  • 그러나 감쇄가 심해 최근 사용이 줄어드는 추세. 광케이블로 넘어가는 추세
  • 안에 굵은 구리선에 하나, 밖을 감싸고 있는 구리선, 겉에 피복으로 구성됨
  • e.g. VTR-비디오와 TV를 연결하는 선
  • 동축 케이블 커넥터
    • 동축 케이블 LAN은 거의 사용하지 않음
    • 케이블 TV에서 보통 사용.

광케이블(Fiber-optic cable)

  • 위 케이블들과 다르게 전기 신호 대신 빛 신호를 전달
  • 유리나 플라스틱으로 만들어짐
  • 현존하는 매체 중에서 가장 고속의 광대역 전송이 가능한 매체
  • 해저 케이블, 유선 통신 등 많은 영역에서 다양하게 사용
  • 고속, 외부 잡음이 적음
  • 광케이블 커넥터
    • 3종류의 커넥터가 존재
    • SC 커넥터, ST 커넥터, MT-RJ 커넥터

비유도 매체 = 비유도체 = 무선 = unguided

  • 매체: 공기
  • 물리적인 도체 없이 신호를 전달하는 매체
  • 공기에 주파수를 쏜다.
  • 파가 존재함
  • 주파수가 높을 수록 직진성이 강해진다.
  • 보통 1G를 기준으로 1G보다 낮으면 라디오 웨이브, 1G보다 높으면 마이크로 웨이브
  • 라디오 웨이브; 라디오파 - 다방향성이 강함
  • 마이크로 웨이브;마이크로파 - 단방향성이 강함

네트워크 전체에서의 LAN의 위치

  • 라우터를 기점으로 외부는 WAN, 내부는 LAN이다.

LAN 프로토콜 규격

LAN은 OSI 7계층의 1,2계층에 대한 규격이다.

2. 유선 LAN: Ethernet

유선 LAN 표준에 대해 알아보며, 대표적으로 이더넷의 프레임 형태, 주소 등에 대해 살펴보고 이더넷의 발전 과정에 대해 학습한다.

Ethernet 표준 채택 역사

  • Xerox사에서 1976년에 이더넷 발명
  • 초기에 Digital Equipment, Intel, Xerox 3사에서 이더넷을 표준으로 제안
  • 미국 표준기구인 IEEE에서 이더넷을 표준으로 지정
  • 국제표준화기구인 ISO에서 이더넷을 국제표준으로 채택

LAN 프로토콜의 계층

  • 공유된 매체에서 어떻게 데이터를 전송할까라는 고민에서 시작된다.
  • MA - CSMA - CSMA/CD, CSMA/CA
  • 매체를 여러 개의 장치가 접속하는 사용하는 프로토콜
  • 이더넷은 OSI 7계층의 1,2 계층에 대한 규격이다.
  • 이더넷은 LLC와 MAC으로 구성된 2개의 부계층이 존재
    • 매체가 다양한데, 다양한 매체들을 수용하도록 돕는 계층인 MAC
    • 이외에 매체에 관계없이 공통적으로 필요한 기능을 수행하는 LLC

MAC 계층

  • MAC 계층은 매체의 특성과 운용방식에 따라 여러 개의 프로토콜이 존재

LLC 계층

  • 흐름제어, 에러제어 등 각종 제어에 대한 행위를 수행
  • LLC는 모든 LAN에서 공통의 계층

IEEE 802 Working Groups

  • 속도와 토폴로지에 따라서 표준을 정하는 위원회를 설립
  • 위원회 이름이 프로토콜 이름으로 사용되기도 함
  • 처음엔 LAN 프로토콜인 이더넷으로 시작하면서 발전을 거듭하면서 다양한 표준을 지정
  • 무선랜은 802.11
  • 근거리 통신 PAN(LAN아님)은 802.15 - e.g. 블루투스, ZigBee
  • 이동통신 802.16, 802.20
  • 이더넷을 초석으로 발전한 형태

이더넷 속도 발전 과정

10배씩 빨라짐!

  1. 이더넷 - 10Mbps
  2. 패스트 이더넷 - 100Mbps
  3. 기가비트 이더넷 - 1Gbps
  4. 텐-기가비트 이더넷 - 10Gbps

이더넷 프레임(MAC 프레임)

  • 이더넷 프레임은 7개의 필드로 구성
  • Physical layer header = (Preamble + SFD) 를 포함시키기도 하고 안 포함하기도 함
  • 왜냐하면 하드웨어가 비트 손실이 발생할까봐 임의로 끼워놓기 때문에 관점에 따라서 달라진다고 해석
  • Preamble: 프레임이 곧 도착하니 준비하라는 의미
  • SFD(Start frame delimiter): 프레임의 시작을 알림
  • 목적지 주소
  • 송신지 주소
  • 길이/ 타입: 네트워크 계층의 프로토콜을 길이 또는 타입으로 명시
  • 데이터: 최소 46바이트에서 최대 1500바이트에서 가능
  • CRC: Cyclic Redundancy Check: 사용자가 보내는 메시지에 에러 검출 목적
  • 프레임 전체 길이는 최대 1518, 최소 64바이트 (데이터 길이 + 나머지 18바이트)

주소 지정

  • 각 시스템은 NIC(Network Interface Card)를 갖고 있는데, LAN 카드라고도 불림
  • LAN카드에는 고유주소가 설정되어 있음
  • MAC 주소, Ethernet 주소, 하드웨어 주소라고 함
  • IP주소와 다르게 사용자가 설정할 수 없음
  • 공장에서 출하될 때 정하는 주소
  • 6바이트로 이루어져 있으며 보통 16진수로 표기
  • 브로드캐스트 주소는 모든 비트가 '1'인 FF-FF-FF-FF-FF-FF 로 구성
  • 그 외에는 보내고자하는 주소와 받는 사람의 주소를 정확히 명시하는 유니캐스트가 있다

MAC 프로토콜

  • 이더넷은 1-persistent CSMA/CD 를 사용
  • 데이터를 보내기 전에 Carier sense하여 충돌 감지
  • 유휴라고 판단이 되면 바로 치고들어가서 쏜다.
  • 여러 매체가 동시에 이렇게 결정이 될때 충돌이 발생

이더넷의 형태

이더넷(10Mbps)

  • 숫자 10은 속도를 의미
  • base: base band 신호 방식 - 디지털 신호를 그대로 보내는 방식
    • LAN 케이블 자르면 깍두기 모양의 디지털 신호가 나온다
  • 뒤에 숫자는 케이블 종류를 의미

10Base-5

  • 500m의 버스형 두꺼운 동축케이블
  • 처음에 만들어진 이더넷
  • think ethernet 또는 thinknet으로 불림
  • 동축케이블을 여러 장치들이 공유매체로 사용하는 LAN
  • 10Mbps의 속도, 베이스밴드 신호방식, 한 세그먼트가 500m에 달함(한 케이블의 최대길이)
  • 리피터를 달면 최장 2500m까지 가능
  • 거의 사용X

10Base-2

  • 200m의 버스형 얇은 동축 케이블
  • 두 번재 개발된 이더넷
  • thin ethernet/ cheapernet 이라고 불림
  • 동축 케이블을 여러 장치들이 공유매체로 사용하는 LAN
  • 두께가 10BASE5보다 얇음
  • 10Mbps 속도, 베이스밴드 신호방식, 한 세그먼트가 185m에 달함
  • 거의 사용x. 동축케이블의 문제점 때문

10Base-T

  • 스타형 UTP
  • Twisted Pair Ethernet
  • CSMA/CD 방식을 10Mpbs, Baseband, Twisted pair 방식으로 구현
  • 대부분 UTP 케이블로 사용
  • 허브: LAN에서 많이 사용되는 네트워크 장치
  • IP 공유기가 허브에 해당. 뒷면에 RJ-45커넥터를 연결할 수 있는 구멍이 존재

10Base-F

  • 스타형 광케이블
  • 시스템과 허브를 연결하는 케이블로서 광케이블을 이용

Fast Ethernet

  • 기존의 이더넷보다 10배 빠름, 100Mbps
  • 기존 이더넷과 호환 가능
  • 자동협상(Autonegotiation)기능으로 속도 등을 조정
  • 개발된 형태는 3종류

100BASE-TX

  • Two-wires category 5 UTP
  • TX: Two-wires 송수신이 동시에 되는 기능
  • 성능이 더 좋다.

100BASE-CX

  • Two-wire fiber

100BASE-T4

  • Four-wires category 3UTP
  • T4: 동시에 송수신을 허용하지 않음

Gigabit Ethernet

  • 또 10배 빨라짐
  • 1기가부터는 광케이블을 훨씬 많이 사용함
  • 속도가 1Gbps로 상향되었으나 기존 이더넷이나 고속 이더넷과 서로 호환 가능
    • 48비트 주소, 프레임 형태, 최소/최대 프레임 크기, 자동협상 기능 등을 지원
  • 광섬유나 TP를 이용한 개발된 형태를 갖고 있음
    • SX, LX, CX 모두 광케이블
    • Twisted wire를 사용할 수는 있음. 동시에 주고 받을 순 없다.
  • 속도만 계속 빨라지고 CSMA/CD프로토콜은 전혀 바뀌지 않음

Ten-Gigabit Ethernet

  • 프로토콜 그대로 사용하고 10배 빨라짐
  • 기존 이더넷, 고속 이더넷, 기가비트 이더넷과 서로 호환되도록 설계
    • 48비트 주소, 프레임 형태, 최소/최대 프레임 크기, 자동협상 기능 등을 지원

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