무선 LAN, Wi-Fi 이야기

by Blogger 하얀쿠아
2017. 2. 8. 01:47 소프트웨어 Note/Network Technology



무선 랜 관련 용어 설명


우선 알아두어야 할 몇가지 용어들에 대해 간략히 설명하겠다.


AP(Access Point)

보통 "에이피-"라고 발음한다. AP(Access Point)는 그 자체로는 무선 중계 기지국의 의미를 가지고 있다.

즉 안테나와 무선 신호처리, 관리 기능, 유선 네트워크와 무선 네트워크를 연동하는 기능을 가지고 있다.

쉽게 생각을 하자면 유선 랜의 허브에 해당하며, AP를 통하여 기존 유선 랜과 연동이 가능하다. 

최근에는 AP에 인터넷공유기능을 내장한 유무선 인터넷 공유기 혹은 무선 인터넷 공유기 등이 더욱 일반화 되어 가고 있다.



Infrastructure(Access Point Network) 모드 / Ad-Hoc모드 (Peer-to-Peer Network)

모든 무선 랜 카드는 AP가 있는 경우와 없는 경우 두 가지로 동작모드(Operation Mode)를 설정 가능하다.



AP가 없는 경우 : Ad-Hoc


"에드혹"이라고 발음한다. 이 모드로 설정하면 작은 무선 네트워크 그룹을 간단하고 빠르게 설치가 가능하다. 모든 데스크탑 PC나 컴퓨터들이 무선 랜 카드를 가지고 있는 경우이며 파일과 프린터 공유가 가능하다. 유선랜과 비교하자면 허브없이 1:1 크로스 케이블로 연결 하는 것과 유사하다고 볼 수 있겠다. AP를 사용하는 것 보다는 신뢰성이나 보안성이 떨어진다.





AP가 있는 경우 : Infrastructure 모드


"인프라스트럭쳐"라고 발음한요. 이 모드로 설정하면 기존 유선 네트워크에 손쉽게 연동이 가능하다.
즉 무선 랜 카드를 장착한 PC나 컴퓨터들이 Access Point를 통하여 손쉽게 기존 유선 네트워크와 연동되어 파일 공유 및 프린터 공유 그리고 인터넷 사용 등이 가능하다. 참고로 Access Point는 두 가지 종류가 있다. 단순히 무선과 유선을 연동하는 기능만을 제공하는 기본적 Access Point와 무선 공유기(Access point+인터넷 공유기)가 있다. 아래 그림은 무선 공유기의 예이다. 유선 랜과 비교하자면 AP는 허브에 해당한다. Ad-Hoc모드 보다는 신뢰성 및 보안성이 더 좋다.







SSID (Service Set IDentifier)

유선 랜은 네트워크를 연결할 때 물리적으로 전기신호가 통할 수 있는 케이블들이 연결되기 때문에 같은 허브에만 연결하면 되었지만 무선 랜은 빈공간을 매체로 통신을 하기 때문에 같은 공간에 다른 무선네트워크가 존재하는 경우 혼신이 불가피 해진다. 이런 문제를 해결하기 위해 같이 통신을 할 모든 무선 장비들은 동일한 ID(식별부호)를 사용하여 통신을 하게되며, 모든 신호마다 그 ID를 포함시켜 혼신을 회피하게 된다. 이러한 ID를 SSID라고 부른다. 좁은 공간 안에 두개이상의 무선 네트워크가 존재가능하며, 이때 각 AP마다 서로다른 SSID를 부여하면 사용자는 무선랜카드를 통해 스캐닝을 하여 이들을 구분할 수 있고, AP를 골라서 연결 한 후 통신에 사용할 수 있다.



채널(Channel)

우리나라에서 802.11b표준을 사용하는 무선 랜에서 채널은 1번부터 13번까지 가능하다. 주파수 대역은 2.4Ghz 이며, 범위는 2412~2472Mhz, 한 채널 당 5Mhz씩 증가한다.

채널은 TV의 채널을 생각하면 된다. 예를들어 특정 방송국의 방송을 보려면 해당 채널을 맞추어야 하는 것처럼, 무선랜을 통해 특정 AP 혹은 무선장비와 통신을 하려면 같은 채널을 사용하도록 설정해야 한다.

단, 무선네트워크를 구성할 때 같은 공간에 2개 이상의 네트워크가 존재한다면 같은 채널을 사용할 수 없는데, 이때는 각 AP간에는 4채널의 간격을 두어야 간섭을 최소화 할 수 있다. 즉 첫번째 AP가 1번 채널을 쓰고 있다면 4채널의 간격을 두어서(2,3,4,5채널), 두 번째 AP는 6번 채널을 사용하도록 해야 한다는 말이고, 만약 세 번째 AP가 존재한다면, 그 세번째는 11번 채널을 사용하도록 설정해야 한다. 결과적으로 채널 역시 무선 랜 카드나 AP등에 해당 채널 값이 입력이 되어야 한다.

 


안테나의 특성


무선은 특성상 여러 가지 변수와 요인들에 의해 신호품질이 개선 될 수도, 악화될 수도 있다.

그러한 여러 요인 중 상당히 중요한 것은 안테나이다. 안테나의 특성을 파악하는 것만으로도 무선신호의 품질을 어느정도 개선 할 수 있다. 

이 경우에도 빛의 성질을 적용하면 이해하기 쉬울 것 같다.

 

 즉, 형광등이나 벽 등에 부착된 간접조명은 빛이 방 전체에 골고루 퍼지지만 멀리까지는 빛이 나가지 않는다. 일반적인 30~40평대의 아파트를 상상해 보길바란다. 거실의 형광등을 켜면 거실정도는 밝게 되지만, 저멀리 주방이나 발코니 등은 약간만 밝아질 뿐, 여전히 어둡다.

그러나 스포트라이트나 서치라이트와 같은 조명기구에서 나오는 빛은 좁은 부분만을 비추지만 강한 빛이 멀리까지 나간다.

이렇듯이 안테나도 무지향성(형광등/간접조명과 유사)과 지향성(스포트라이트나 서치라이트와 유사) 등의 서로다른 안테나가 존재하며, 어떤 안테나를 사용하느냐에 따라 무선 랜의 신호가 전달되는 범위의 길이와 형태가 달라진다. 그래서 대부분의 안테나가 어떤 특정 방향으로 놓아졌을 때, 이와는 다른 방향으로 놓아지는 여러가지 경우들보다 송수신되는 신호의 품질/세기가 가장 좋다. 


 이러한 것을 안테나패턴(Antenna Pattern)이라고 한다. 즉 지향성(Uni-directional)이나 무(無) 지향성(Omni-directional)이냐가 안테나패턴 종류이다. 지향성의 경우 안테나가 신호를 보내는 방향과 신호를 송수신할 상대 무선장비가 마주 보고 있지 않다면 무선신호는 도달되기 어렵다.

 

또 다른 하나의 특성은 안테나극성(Antenna Polarization)이다. 즉 전자기장의 방위성인데 무선 랜의 전파가 공간을 통과하는 특성 이다. 물론 일반사용자는 정확한 극성에 대해서 알 필요는 없다. 그러나 최소한 현재 극성이 수직적인지(Vertical) 수평적(horizontal)인지는 알아야만 한다. 이 특성에 따라 만약 송신용 안테나와 수신용 안테나의 극성이 불일치하게 된다면, 신호세기는 90%이상의 격감될 수 있기 때문이다. 즉 막대기처럼 생긴 안테나의 경우 상대방 무선 장비가 안테나를 수직으로 세워 놓았다면 자신의 무선 장비 안테나 역시 막대기 처럼 생긴 경우는 동일하게 수직으로 세워야 한다.

 

모든 안테나는, 그것이 비록 스마트폰 처럼 내장된 형태라도, '패턴'과 '극성'의 특성을 가지고 있다. 

이런 특성때문에 안테나를 이동시키거나 AP를 재구성함으로써 무선 환경을 개선 시키거나 사용 가능한 범위를 확장하거나 변경 할 수 있다. 즉 노트북을 약간 옆으로 돌리는 것만으로도 안테나 패턴에 의해 신호품질을 개선 할 수 도 있게 되는 것이다.

만약 AP(무선인터넷공유기)를 선택 시 내장안테나를 가진 제품이나 안테나 1개짜리 제품보다는 토끼 귀 처럼 2개의 작은 안테나를 가진 AP를 선택하는 것이 좋은 극성을 가지게 할 것이다.

 

그 외에 안테나에서 발생하거나 받는 신호의 세기를 나타내는 이득(gain)과 손실(loss)은 데시벨(dB)이라는 단위로 표시되는데 이것은 안테나가 가질 수 있는 신호의 세기를 말한다. 이것은 안테나의 입력된 전력과 출력되는 전력의 비례관계를 의미한다.(자세한 식은 사실 나도 잘 모르겠으므로 생략한다). 


다만 데시벨이 높을수록 출력되는 신호의 세기가 강해지지만 반드시 입출력 전력비에 비례적으로 강해지는 것은 아님을 유의해야 한다.

즉, 전력비가 2:1일 때 데시벨은 3dB이지만, 100:1일때는 20dB 이라는 것 이다.


또한 안테나는 신호를 증폭하기 보단 알맞은 형태의 무선파형으로 변환해 준다고 생각해야 한다. 

즉, 아래 표에서 여러가지 안테나중 dipole안테나의 이득은 6dB이고 parabolic안테나의 이득은 최고 25dB이어서 parabolic안테나가 신호는 훨씬 멀리 나가지만, parabolic의 경우 방향이 안 맞으면 dipole보다 연결신호가 오히려 약하게 된다. 전파의 파형을 변형해서 이득이 좋아지는 것이지 신호자체가 강력해지는 것은 아니며, 신호자체를 강하게 하려면 별도의 증폭장치를 이용해야 한다. 이러한 장비는 매우 고가이고 관련기관으로부터 허가를 받아야 사용 가능한 경우도 많으므로 일반적인 소호(SOHO) 사용자나 가정용으로 쓸 수 있는 것은 아니다.


종류 

설치/적용 

패턴 

극성 (Polarization) 

이득 (Gain dB) 

형태 

Quarte Wave (회초리형) 

이동용 

무지향성 

수직적 

 

stacked dipole 

데스크탑 벽면 독립설치 

무지향성 

수직적 

 

Panel 

벽면 

지향성 (150도 fan형) 

수직적 

10 

Yagi/Uda 

독립설치 

지향성 (15도 beam형) 

수직/수평적 

12~15 

 

Parabolic 

독립설치 

지향성 (5도 beam형) 

수직/수평적 

18~25 




무선랜 최적환경 만들기

무선랜 환경을 구성할 때, 몇가지 지켜야 하는 사항들이 있다. 이 내용을 준수한다면 무선랜을 통해 최적의 송수신율을 끌어 낼 수 있다.

장애물과 간섭 및 잡음으로 인한 신호세기 격감 최소화 하기.

일반적으로 전파는 주파수, 전송전력의 출력 값, 안테나의 형태와 지향점등에 영향을 받는다.

이중에 주파수, 전송전력의 출력 값 등은 관련법규에서 제한하는 최대치까지 사용이 가능하도록 되어있기 때문에 사용자로썬 그다지 바꿀 수 있는 부분이 없다. 또 안테나의 형태나 지향점 역시 어느 정도는 개선을 시킬 수 있겠지만 SOHO환경과 일반가정에서 쓸 수 있는 안테나 역시 매우 제한적이므로 사용자에게 선택의 폭이 넓은 것은 아니다. 결국 사용자는 주어진 장비를 최대의 효과를 내기위해서 전파의 성질에 대한 기초지식을 이용하는 것이 무선 랜 환경의 효율성을 높이는데 가장 중요한 관건이라 할 수 있겠다.

 

장애물 : 빈공간이 최상의 조건.

 유선 랜에서 케이블의 설치 상태에 따라 네트워크 품질이 영향을 받듯이, 빈 공간을 매체로 신호를 주고 받는 무선 네트워크은 전파가 통과하는 공간에 어떤 물체로 채워져 있는가에 따라 영향을 받는다.

 통신을 하려는 무선 장비간 사이에 장애물이 전혀 없는 빈공간이 최상의 조건이고, 만약 장애물이 존재한다면 그 물체의 성격에 따라 신호격감이 강해지기도 하고 약해지기도 하는 것 이다. 즉 무선 랜 장비사이가 장비를 기준 시점으로 서로 눈으로 보이고 가까운 거리에 놓는다면 최상인 것이다.(이론적으로 300m까지 무선랜 신호가 도달이 가능 하지만 이는 매우 이상적인 환경에서 테스트 했을 때 이다. 실내에서는 장애물이 없고 AP가 육안으로 확인이 가능한 범위에서 30~50m까지 일반적으로 사용이 가능하고 가정에서는 벽이 많이 있기 때문에 이보다 더 줄어든다. 단 옥외에서 특별한 안테나와 장비를 채용하면 최고 3Km까지도 가능하다.)


 다음이 장애물에 성격에 따른 설명이다. 전파는 눈에 보이는 것이 아니기 때문에 빛과 유사한 성격을 많이 가지고 있는데, 무선 랜의 전파를 빛으로 가정해서 조건을 검사해 보면 유사한 추측이 가능하다.(전등을 천장에 달면 장애물 간섭 없이 실내공간에 골고루 빛이 가는 원리와 같이 AP도 천정이나 벽면의 높은 위치에 많이 설치하는 것은 빛과 무선 랜의 전파 성질이 유사하기 때문이다.)

 

장애물의 밀도가 높을수록 신호가 약해짐(Fading)

 벽돌이나 돌 같은 밀도가 높은 장애물이 비교적 밀도가 낮은 석고보드나 목재벽보다 신호를 더 약하게 만든다.

 

전도체는 거의 완벽하게 신호를 차단하고 일부를 반사 시킴

 금속으로 만들어진 문 혹은 환기용 금속재덕트나 금속으로 만들어진 가구등 모든 전도체로 만들어진 물체는 거의 완벽하게 무선 신호를 차단한다. 예를 들어 무선 랜카드와 AP사이에 거울을 둔다면 반사를 위해 거울안쪽에 발라진 금속이 신호를 차단 시킬 수 있다. 이렇게 차단되는 경우는 소멸되는 것이 아니고 반사된다고 보아도 된다. 마치 거울에 빛이 거의 완벽히 차단되지만 반사가 되는 것과 같이 전도체는 무선 랜의 전파를 차단/반사 시킨다. 즉 빛의 반사체가 거울이라면 무선 랜 전파의 반사체는 전도체입니다. 빛이 거울이나 꼭 거울이 아니더라도 벽이나 가구에 의해 반사되어 간접조명이 이루어지듯 무선 랜의 전파는 완전한 전도체가 아니라도 전도정도에 따라 전파는 반사 될 수 있으며 이는 무선 랜 통신에 영향을 미칠 수 있다.





무선 지역네트워크 (Wireless LAN)

보통 무선랜이라고 하며, 무선 네트워크를 하이파이 오디오처럼 편리하게 쓰게 한다는 뜻에서 와이파이(Wi-fi)라는 별칭으로도 불린다. 무선접속장치(AP)가 설치된 곳을 중심으로 일정 거리 이내에서 PDA나 노트북 컴퓨터를 통해 초고속 인터넷을 이용할 수 있다. 무선주파수를 이용하므로 전화선이나 전용선이 필요없으나 PDA나 노트북 컴퓨터에는 무선랜카드가 장착되어 있어야 한다.

1980년대 말 미국의 프록심(Proxim)사와 심볼(Symbol)사 등의 무선기기 회사에서 처음으로 사업화하였으나 다양한 방식이 난립하여 일반화되지는 못했다. 1999년 9월 미국 무선랜협회인 WECA(Wireless Ethernet Capability Alliance; 2002년 WiFi로 변경)가 표준으로 정한 IEEE802.11b와 호환되는 제품에 와이파이 인증을 부여한 뒤 급속하게 성장하기 시작하였고, 우리나라에는 2000년에 도입되어 대학과 기업을 중심으로 활성화되고 있다.


초기에는 전파 도달거리가 10m에 불과했으나 2000년대에 들어와서는 50~200m 정도까지 대폭 늘어났다. 전송속도가 4∼11Mbps로 대용량의 멀티미디어 정보도 주고받을 수 있으며, 장시간 사용해도 사용료가 저렴하고, 이동성과 보안성까지 갖추고 있다. 유선 연결이 복잡한 백화점이나 병원·박물관 등과 전시회·세미나·건설현장 등 일시적으로 네트워크를 설치하는 데에 매우 유용하다. 2002년 12월 현재 보안과 주파수 간섭·전력소모·로밍서비스 등 해결해야 할 문제들이 많긴 하나 4세대이동통신 시장을 이끌어갈 것으로 전망된다. 



320Mbps에 도전하는 차세대 무선랜 규격 802.11N

무선랜의 속도가 100Mbps를 넘어 320Mbps에 도달한다면 어떤 변화가 생길까? 굳이 속도 때문에 불편한 유선 환경을 고집해야할 이유가 사라질 것이다. 지금 IEEE에서는 새로운 무선기술의 연구가 한창이다. 비공식적이긴 하지만, 이 새로운 표준(802.11n)은 802.11a와 802.11g의 두배인 108Mbps에서 최대 320Mbps의 대역폭을 지원한다. 더욱 놀라운 것은 이론상 속도가 아닌 실제 속도라는 것이다.


현재 802.11n 표준을 개발중인 High Throughput Task 그룹은 MAC계층과 물리(PHY)계층의 변형을 통해 데이터가 각 계층 사이의 접속점 (SAP : Service Access Point)을 통과할때 발생하는 대역폭 손실의 최소화를 위해 연구중이다. 이것은 802.11의 데이터 전송속도의 증가를 의미하며, 결과적으로 사용자들이 체감할 수 있는 성능의


증대를 가져오게 된다. 802.11g의 경우 54Mbps를 지원하지만 데이터 전송과정(암호화와 복호화, 에러 정정, 트래픽 관리 등)과 데이터 오버헤드로 인해 실제 사용자가 느낄 수 있는 속도는 절반에 불과한 20Mbps인 것을 생각하면 쉽게 이해가 될 것이다. 무선으로 320Mbps의 대역폭을 만끽하기 위해선 좀더 기다려야 한다. IEEE 802.11 워킹그룹의 회장인 스튜어트 케리는 이 기술의 적용이 2005년 이후에나 이뤄질 것으로 예상한다. 하지만 802.11g 표준이 IEEE로부터 공식인증 되기도 전에 802.11g제품을 출시한 제조사들의 발빠른 행보 역시 802.11n에도 적용될 것으로 예상된다. 

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