3.1무선으로 통신하기

38. 무선 랜의 개념

무선 랜(Wireless Local Area Network)은 케이블 없이 통신하는 네트워크로, 무선 액세스 포인트(Wireless Access Point, AP)라는 장치를 통해 통해 유선 랜과 무선 랜을 연결한다. 일반적으로 우리가 쓰는 무선 공유기 안에 라우터, 스위치 기능과 함께 무선 액세스 포인트가 들어 있다.

무선 랜은 주로 가정, 사무실, 학교 등 작은 범위의 공간에서 사용되어 노트북, 태블릿 등이 연결되는데 이렇게 연결된 장치들은 클라이언트(Client)라고 불린다.

무선 랜은 전자기파(electromagnetic wave)를 사용하여 데이터를 전송한다. 전자기파는 전기적인 변화가 일어날 때 생기는 파동으로, 전기장은 전하(전자)가 있을 때 생기고, 자기장은 전류(움직이는 전하)가 있을 때 생긴다. 시간에 따라 변하는 전기장은 자기장을 만들고, 시간에 따라 변하는 자기장은 전기장을 만든다.

이렇게 전기장과 자기장이 주고 받으며 앞으로 나가는 파동이 전자기파이다. 빛, 전파(라디오), 와이파이, 5G 모두가 다 이 전자기파의 종류이다. 이들의 차이는 주파수(얼마나 빨리 흔들리는지)일 뿐이다.

기지국이나 공유기 안에는 안테나(금속 막대, 패턴)이 있다. 이 안테나에 고주파 전류를 흘려주면, 전자가 흔들려 주변의 전기장이 함께 흔들리고, 이로 인해 자기장이 생기고 또 흔들린다. 이 흔들리는 전기장과 자기장이 전자기파가 되어, 공기 중에(사실 진공이어도 가능하다!) 빛의 속도로 퍼져 나간다.

그리고 통신을 위해 이 파동 위에 정보를 싣는데, 이 과정을 변조(modulation)라고 한다. 변조에는 진폭(세기)을 바꾸거나, 주파수를 바꾸거나, 위상을 바꾸는 것이 있는데, 이런 변조를 효율 좋게 설계해 많은 비트를 표현할 수 있게 한다.

수신하는 쪽에서도 안테나를 이용하는데, 안테나는 금속이니 주변 전기장/자기장들이 전자들을 밀고 당긴다. 이를 통해 안테나에 교류 전압/전류가 생기면 RF 회로(Radio Frequency 증폭기, 필터)가 키우고 정리해 패턴을 파악하고 이를 0과 1로 구성된 데이터로 바꿔 상위 계층으로 올려보낸다.

무선 랜은 일반적으로 2.4GHz 또는 5GHz의 무선 주파수 대역을 사용해 통신하는데, 파장이 길수록 전파가 멀리 전달되고, 파장이 짧을수록 전파가 멀리 가지 않는다. 따라서 파장이 상대적으로 짧은 5GHz보다 2.4GHz가 더 넓은 범위에서 인터넷을 사용할 수 있는 환경을 지원한다. 참고로, 전자기파의 속도는 주파수와 관계 없이 동일하다. 이 둘의 속도 지원 차이는 사용할 수 있는 대역폭과 변조 방식에서 온다.

전파의 거리 및 성능은 많은 요인에 영향을 받는다. 거리가 먼 곳으로 갈수록 전파는 약해지고, 장애물이나 다른 전자기파의 간섭도 전파의 성능에 영향을 미친다. 따라서 무선 랜 설치 시 전파의 안정성을 고려해 안테나 위치나 방향 등을 조절하는 것이 필요하다.

39. 무선 랜의 구성 방식

무선 랜 구성 방식은 크게 두 가지가 있다.

• 인프라스트럭처(Infrastructure): 무선 랜 네트워크에 연결된 모든 장치가 무선 액세스 포인트에 연결되는 방식으로, 무선 액세스 포인트가 장치들 간의 통신을 중재한다.
• 애드혹(Ad-hoc): 무선 액세스 포인트 없이 장치 간에 직접 통신을 한다. 컴퓨터들끼리 서로 연결되어 정보를 교환하고 통신하는데, 보통 작은 범위 내에서 사용되는 경우가 많다.

40. 무선 랜의 규격

무선 랜 기술은 IEEE(전기전자기술자협회)에서 제정한 802.11 시리즈 규격에 따라 동작하는데, 데이터 전송 속도, 주파수 대역, 보안 기능, 전송 거리 등의 세부 사항이 정의되어 있다. 802.11 규격은 와이파이(Wi-Fi)라고도 불리는데, 이는 산업 단체 Wi-Fi Alliance의 등록 상표다.

아래는 다양한 무선 랜 규격 중 일부 예시다.

무선 액세스 포인트나 여기에 연결되는 클라이언트는 하나의 규격만 지원하는 것은 아니고, 기술이 발전할수록 규격이 바뀌기 때문에 장치도 그 규격을 따라야 한다. 이 규격은 무선 액세스 포인트와 클라이언트 모두에서 제공해야 통신을 할 수 있다.

41. 무선 랜의 통신 방법

무선 액세스 포인트와 클라이언트의 통신에는 SSID(Service Set IDentifier, 서비스 세트 식별자)를 사용한다. SSID는 하나의 무선 랜을 다른 무선 랜과 구분해주는 식별자로, 무선 액세스 포인트들은 일반적으로 미리 정해진 SSID를 가지고 있다.

무선 액세스 포인트는 주기적으로 클라이언트에게 브로드캐스트로 비콘 메시지를 보낸다. 비콘(Beacon)이란, 가까운 범위 안에 있는 주변 기기에 SSID, 지원 규격, 채널 정보 등을 전달하는 무선 통신이다. 이 메시지 덕에 클라이언트는 주변에 있는 무선 랜 네트워크의 SSID를 검색할 수 있다.

이 신호를 받은 클라이언트는 자신의 SSID와 같은지 무선 액세스 포인트에 문의하고, 같은 SSID의 무선 액세스 포인트가 이에 응답을 한다. 이후, 설정된 인증 방식이 올바른지 확인한 후 클라이언트는 무선 액세스 포인트에 연결을 요청하고 무선 액세스 포인트로부터 승인을 받아 통신을 시작한다.

무선 액세스 포인트는 클라이언트와 거리가 멀수록 전파가 약해져 연결 상태가 불안정해지거나 통신 속도가 느려질 수 있다. 그렇기 때문에 무선 액세스 포인트는 일반적으로 여러 대 설치하는데, 무선 액세스 포인트를 여러 대 두다 보면 채널 간섭 현상이 발생할 수 있다.

채널 간섭이란, 같은 주파수 안에 여러 무선 액세스 포인트가 있고, 각각의 무선 액세스 포인트가 서로 부딪혀 속도 저하를 일으키는 현상이다. 무선 랜은 여러 기기가 동시에 접속할 수 있도록 주파수 대역을 분리하는데, 이렇게 분리된 주파수 대역을 채널이라고 부른다. 2.4GHz는 13개의 채널이 있으며, 채널 중심 주파수는 5MHz 간격이지만 하나의 채널이 약 20MHz 정도의 대역폭을 사용해 인접한 채널끼리 주파수 대역이 겹치게 된다. 이로 인해 간섭이 생기기 쉽기 때문에, 서로 떨어진 채널 번호를 골라 AP를 배치하는 것이 중요하다. 예를 들어, 1, 6, 11 채널처럼 서로 안 겹치는 채널을 쓰는 것이다.

규격이 다른 경우, 대역이 다르다면 주파수가 달라서 간섭이 발생하지 않는다. 하지만 IEEE 802.11b와 IEEE 802.11g는 다른 채널이어도 일부에서 같은 주파수를 사용하기 때문에 전파 간섭이 발생할 수 있고, 이 때 무선 액세스 포인트에 접속이 잘 안되거나 통신 속도가 느려질 수도 있다.