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  • 무선 네트워크에 대해서
    Tech/Network 2021. 1. 21. 01:46

    오늘은 무선 랜(Wireless LAN)에 대해서 알아보려고 합니다. 무선 랜은 무선 통신 표준 기술 중 하나인 'IEEE 802.11'에 기반한 서로 다른 장치들간의 데이터 전송 방법입니다. 일반적으로 우리는 흔히 무선 랜을 와이파이(Wi-Fi)라고 부르는데, 결이 살짝 다릅니다. 와이파이는 인증 마크로 IEEE 802.11 표준에 기반해 서로 다른 기기와의 상호호환성이 보장될 때 부여되는 인증 이름입니다.

     

    무선 랜은 유선 랜과 비교하면 기술의 역사가 짧기에 등장 초기에는 제품마다 규격의 해석이나 구현되고 있는 기능 등에 차이가 있었습니다. 그래서 이전에는 모든 제품 사이의 상호호환성이 보장되지 않았고, 제조사가 다른 기종에서는 통신이 불가능했던 적이 있었죠. 그래서 무선 랜 기술의 추진 단체인 '와이파이 얼라이언스'는 무선 랜 규격에 맞는 제품 간의 통신이 확실히 가능한지 테스트를 진행해 합격한 제품에는 와이파이 로고를 붙여줬었죠.

     

    잠깐 무선 랜을 사용하는 방식에 대해서 이야기해보자면, 무선 랜의 통신 모드는 총 2가지가 있습니다. 첫 번째는 애드혹(Ad-hoc) 모드로 피어 투 피어 통신입니다. 서로 다른 무선 랜 클라이언트가 직접 통신하는 방식으로, 닌텐도 DS 등과 같은 곳에서 대전게임을 할 때 사용합니다. 두 번째는 인프라스트럭처(Infrastructure) 모드로 우리가 흔히 무선 랜을 사용하는 방식입니다. 애드혹과는 다르게 직접 클라이언트 간의 연결을 이루지 않고 공유기(=홈라우터)나 무선 AP(Access Point)를 통해 통신이 이루어지는 것이죠. 

     

    2.4GHz? 5.0GHz?


    무선 랜을 '무선 통신'이라고는 했지만, 유선과는 다르게 어떻게 정보를 전달할 수 있는 것일까요? 바로, 공기 중에 전파를 타고 데이터를 전송시키는 것입니다. 그러나 아무런 규칙없이 전파를 통해 데이터를 무작정 쏘아 보낸다면 충돌이 일어나 데이터가 손실이 되거나 혼선이 일어나는 상황이 발생하고 말겠죠. 따라서 서로 충돌 없이 잘 전송될 수 있도록 교통정리가 필요하고, 이를 위해 주파수 대역이 나뉘어져 할당받게 되는 것입니다. 국가에서 인가를 받아야지만이 사용할 수 있는 주파수 대역이 있는가 하면, 허가를 받지 않고도 누구나 쓸 수 있는 주파수 대역이 있습니다. 바로, 전자레인지나 블루투스, 무선 랜 등을 사용하기 위한 대역인 것입니다.

    * 주파수 재할당 가격 놓고 정부-이통3사 정면 충돌, 한겨레신문

     

    인가를 받지 않고도 사용할 수 있는 주파수 대역은 다음과 같습니다. 1) 흔히 ISM(Industrial, Scientific, Mechanical)이라 불리는 900MHz2.4GHz가 있습니다. 900MHz는 대부분의 구형 무선 전화기에서 사용하며, 2.4GHz는 신형 무선 전화기, 전자레인지, 무선 포인터, 무선 마우스, 블루투스 장비 그리고 추후 살펴볼 IEEE 802.11, 802.11b, 802.11g이라는 무선 랜 표준에서 사용되죠. 다음은 2) U-NII(Unlicensed National Information Infrastructure)이라 불리는 5GHz가 있습니다. 해당 주파수 대역은 신형 무선 전화기나 IEEE 802.11a, 802.11n 무선 랜 표준에서 사용되죠.

    출처 : 이지스함, 전투기 기술 담은 5G시대 열린다, 매일경제

    기본적으로 동일한 공간 안에서 종류가 다른 신호는 서로 다른 주파수를 써야지만이 간섭이 없습니다. 문제는 점점 더 많은 무선 통신을 하는 기기들이 등장하고 있고, 한정된 주파수로 동일 공간 내 무선 통신을 해야하는 상황이 빈번하게 나타난다는 것입니다. 당장 제 책상만 봐도 PC, 블루투스 마우스나 스피커 등등이 있으니까요. 그래서 우리는 그나마 사용이 원활한 고주파를 사용할 수 밖에 없게되는 것입니다. 우리가 점점 더 높은 주파수를 사용하는 이유는 자원 부족 외에도 전송할 수 있는 데이터의 양을 늘리기 위한 목적도 있습니다. 낮은 주파수의 파장(2.4GHz)은 낮은 전력을 소모하면서 비교적 장애물(벽 등)의 방해 없이 먼 거리를 나아갈 수 있다는 장점이 있지만, 동 시간 대비 높은 주파수에 비해서 전달할 수 있는 파동이 작기에 전달되는 데이터의 양도 작을 수밖에 없습니다. 따라서 우리는 5.0GHz와 같은 비교적 높은 주파수를 사용하는 것이죠. 따라서 최근에는 5.0GHz를 사용하는 추세이며, 공유기에서도 듀얼밴드로 2.4GHz와 5.0GHz를 모두 지원해주기도 합니다.

     

    사용이 원활하고 전송할 수 있는 데이터의 양이 많다고 해서, 즉 속도가 빠르다고 해서 무조건 높은 주파수만을 사용하는 것이 좋은 것은 아닙니다. 같은 전력을 사용해 보낼 수 있는 거리가 한정적이며 전력 소모도 크기 때문입니다. 말했듯이, 2.4GHz에 비해 좁은 범위를 커버하며, 투과성이 약해 벽과 같은 장애물이 있는 곳에서는 사용 품질이 떨어집니다. 물론, 와이파이 증폭기와 같은 기기를 통해 5.0GHz의 커버 범위를 늘려 원활히 사용할 수는 있습니다. 이런 맥락으로 5세대 이동통신, 즉 5G는 3G나 LTE에 비해 높은 주파수를 사용하는 통신방식이므로 기지국도 더 촘촘히 지어야만 하는 것입니다. KT 통신 커버리지 사이트를 보면, 5G는 한참 남았네요.

     

     

    IEEE 802.11


    앞 서 말했듯이, IEEE 802.11은 무선 근거리 통신망을 위한 통신 표준입니다. 802.11이 가장 초기 모델이며, a/b/g/n/ac 등의 표준이 존재합니다. 과거 음성을 무선 LAN에서 사용하는 경우, 2.4GHz 대역의 IEEE 802.11b와 g를 사용하고, 데이터형은 5GHz IEEE802.11a를 사용하는 것이 일반적이었으나, 최근에는 IEEE 802.11n, ac를 사용하는 단말이 등장하여 기업 네트워크도 11n과 ac를 점차 도입하고 있는 추세입니다. 하단의 공유기는 최근 구입한 공유기인데, 802.11ac를 지원하여 최대 867Mbps를 지원해준다고 명시되어 있었습니다. 물론, 공유기로부터의 거리나 주변 장애물들에 따라 속도가 달라질 수는 있습니다. 각 표준별 장단점이나 특징이 있으나 이번에는 넘어가고 추후 자세히 다루고자 합니다.

     

     

    주파수 대역별 채널


    다음은 주파수 대역별 채널입니다. 우선, 2.4GHz 대역의 채널을 살펴보자면 다음과 같습니다. 미국과 캐나다에서는 1~11번 채널을 사용하고, 일본만이 유일하게 1~14번 채널을 사용합니다. 국내를 비롯한 그 외 전 세계에서는 1~13번 채널을 사용하고 있죠. 그렇다면, 채널은 무엇일까요? 바로, 해당 주파수의 명칭을 편히 지칭하기 위해 붙인 값입니다. 예를 들어, 2.4GHz 내 2412MHz 주파수의 어려운 숫자를 매번 기억해 설정할 때 사용하기는 힘드니 통상 1번 채널이라고 편히 이름 붙이는 것이죠. 따라서 우리는 채널 번호만 기억해 비교적 쉽게 채널 설정을 합니다.

     

    채널을 설정하는 이유는, 위에서 설명한 것과 동일하게 주파수간 간섭을 피해 보다 원활한 통신 환경을 갖추기 위해서입니다. 만약, 여러 채널이 겹쳐지게 된다면 연결 속도가 느려지거나 끊어지는 상황까지도 발생하게 되죠. 각 채널은 5MHz의 간격을 지니고 있으며, 대개 중심주파수 간 거리가 최소 25MHz인 경우 간섭 없이 동시에 작동할 수 있다고 합니다. 따라서, 무선 통신망을 구성할 때 서로 중첩되지 않는 채널 1, 6, 11번을 사용해 구성하게 되죠. 또한, 위에서 말한 것처럼 전자레인지나 무선 전화기, 블루투스 디바이스 등도 해당 대역을 사용하기에 다른 기기들의 간섭을 받을 가능성이 높습니다. 허나 2.4GHz라는 낮은 주파수의 특성상 장애물에 강하며 야외에서도 사용할 수 있죠.

    

    다음은 5.0GHz입니다. 해당 채널에서는 비교적 채널 선택이 자유롭습니다. 채널의 수도 많을뿐더러 주파수의 중복이 없어 19개의 채널(DFS 채널 포함)을 사용할 수 있습니다. 과거에는 DFS(Dynamic Frequency Selection) 기능이 없었을 때는 기상 레이더나 군용 레이더를 사용하는 채널인 52~64번 채널 그리고 100~140번 채널을 사용할 수 없었습니다. 그러나 DFS라는 동적으로 채널을 조절할 수 있는 기술이 등장하고, 해당 기술이 5250-5350, 5470-5650MHz 대의 필수 조건으로 등록되면서 DFS 채널을 사용할 수 있게 되었죠. 그러나 DFS 채널을 사용할 때는 주의할 점이 있습니다. 해당 채널은 기상 레이더나 군용 레이더와의 공용 채널로, 레이더가 우선 순위에 있습니다. 따라서, 무선 랜 AP(Access Point)가 레이더파와의 간섭을 감지하면 무선 서비스는 정지시키고 약 1분 후에 채널을 변경하여 재접속을 하게 됩니다. 즉, 실시간성이 중요한 서비스를 운영하고 있다면 아무리 사용 가능한 채널이라 하더라도 DFS 채널의 사용은 피해야만 하죠. 

     

     

    또한, 5250-5350, 5470-5650MHz 대의 필수 적용되어야 하는 기술로는 TPC(Transmit Power Control)가 있습니다. 해당 기능은 기기간 전파 도달 거리를 제어하기 위한 기능입니다. 예를 들어, 100mW를 지원하는 공유기와 20mW를 지원하는 무선 전화기가 있다고 가정하면, 만약 무선 전화기가 공유기로부터 20mW의 거리를 넘는 곳에 멀리 떨어져있다면 공유기만 전화기에 연결되고 전화기는 공유기에 연결되지 못 하는 상황이 발생하게 됩니다. 이런 상황 속에서 파워를 조절할 수 있는 기술이 바로 TPC이죠. 표준은 아니지만, 시스코에서는 DTPC(Dynamic Transmit Power Control)이라는 동적으로 전력을 조절할 수 있는 기능이 있습니다.

     

    DFS 채널에서 적용되는 DFS/TPC 기술을 살펴보았고, 그 외 5.0GHz 채널에서 참고해야할 점이 몇가지가 더 있습니다. 36~64번 채널은 실내에서만 사용이 가능하며, 100~140번 채널은 실내와 야외 모두 사용가능합니다. 전파 특성상 직진성이 높고 벽과 같은 장애물 투과율도 현저히 떨어지기에 가까이에서 사용해야 통신 품질이 좋습니다. 또한, 대역폭을 늘려 여러 채널을 묶어서 사용할 수 있습니다. 이론상 정말 아무런 간섭이 없는 곳이라면 채널 본딩으로 속도가 빨라지겠지만, 실제 환경에서는 넓은 도로를 점유하는 것에 따른 혼선을 유발하는 것이므로 오히려 속도가 줄어들 수 있습니다. 참고로 방송통신위원회에서는 채널 본딩을 권장하지 않고, 대역폭을 22MHz 이하로 운영할 것을 권장하였습니다.

     

     

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