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IEEE 802.11 스펙 및 핸드오버 절차

IEEE 802.11 무선랜 스펙
 

1. 개요

IEEE 802.11 무선랜은 다양한 정보와 자원을 공유할 수 있게 하는 LAN의 장점과, 제약 없는 연결성 제공이라는 편리성을 동시에 제공하고, 신뢰성 있는 data 전송뿐만 아니라 유연성과 설치의 용이성을 장점으로 갖고 있다. 특히 케이블을 사용하지 않기 때문에 지정학적인 설치의 제한을 받지 않으며 단말의 위치변동 또는 추가 삭제 시에도 선로의 증설이나 변경이 필요 없어 인적, 경제적 비용을 유선 LAN에 비해 현격히 절감할 수 있다.

2. IEEE 802.11 특징

2.1. 표준

표 1은 표준화가 완료된 IEEE 802.11의 각 표준을 나타낸 것이다. 802.11a는 초기 표준으로 54Mbps의 속도와 5GHz대역에서 동작하도록 되어 있으며 802.11-2007로 표준으로 개정되었다. 802.11b는 2.4GHz 대역에서 11Mbps 속도를 제공하며 DSSS(direct sequence spread spectrum) 방식으로만 동작한다. 802.11g는 2.4GHz 대역에서 54Mbps의 속도를 내기 위한 표준이고, 802.11h는 5GHz 대역을 사용하는 위성이나 레이더에서의 간섭을 줄이고자 제안된 표준이다. 802.11i는 MAC에서의 보안 향상을 위한 표준이며 802.11j는 일본에서 4.9 ~ 5GHz 대역을 사용하여 옥내, 옥외, 이동 중에도 무선랜을 제공하기 위한 표준이다. 802.11e는 802.11a와 802.11b를 개선한 표준으로 QoS와 멀티미디어 서비스 면에서 향상된 표준이다.

표 1). 표준화 완료된 IEEE 802.11 standard

standard	name	band
IEEE 802.11a-1999	High-Speed Physical Layer	5GHz
IEEE 802.11b-1999	High-Speed Physical Layer Extension	2.4GHz
IEEE 802.11g-2003	Further Higher Data Rate Extension	2.4GHz
IEEE 802.11h-2003	Spectrum and Transmit Power Management Extensions in Europe	5GHz
IEEE 802.11i-2004	MAC Security Enhancements	-
IEEE 802.11j-2004	4.9 - 5GHz Operations in Japan	4.9 ~ 5GHz
IEEE 802.11e-2005	MAC Enhancement for QoS	-

표 2는 현재 표준화가 진행되고 있는 802.11 각 표준을 나타낸 것이다. 802.11k는 비허가 대역의 무선 환경에서 성능 및 신뢰성을 향상시키기 위해 무선 자원 등과 관련된 링크 관련 정보를 상위 계층에 제공한다. 802.11n은 무선랜 속도를 약 600Mbps까지 향상시키기 위한 메커니즘을 정의하는 표준안이며 802.11p는 ITS(intelligent transportation system) 응용에서 사용되는 5.9GHz 대역의 WAVE(wireless access in vehicular environment)를 정의하고 있다. 802.11r은 VoWLAN(voice over WLAN) 디바이스에 빠른 로밍 및 핸드오프를 위한 표준안이며 802.11s는 메쉬 네트워킹을 위한 프로토콜을 정의하고 있다. 802.11.2는 무선랜 성능 평가를 위한 표준안이며 802.11u는 802.11 외 다른 네트워크와의 연동을 정의하고 있다. 802.11v는 무선랜 기술에 전력절감을 도입하기 위한 표준안이며 802.11w는 802.11 프레임의 보안 향상을 위한 표준안이다. 802.11y는 미국에서 무선랜 광대역 전송을 위해 수정된 표준안이며 802.11z는 기존 802.11e의 DLS(direct link setup) 기능을 향상시킴으로써 DLS 세션을 유지하고 있는 단말들의 전력 소모를 줄이기 위한 표준안이다. DLS는 IEEE 802.11e MAC 표준의 선택적 기능으로 데이터 프레임을 직접 주고받는 기능을 말한다. 이를 사용할 경우 무선랜 채널 사용 효율이 2배 이상 높아지게 된다.

표 2). 표준화 진행 중인 IEEE 802.11 standard

standard	type	name
IEEE 802.11k	Amendment	Radio resource measurement enhancement
IEEE 802.11n	Amendment	High data rate
IEEE 802.11p	Amendment	Wireless access for vehicle environment
IEEE 802.11r	Amendment	Fast roaming
IEEE 802.11s	Amendment	ESS mesh networking
IEEE 802.11.2	Recommended practice	Wireless performance prediction
IEEE 802.11u	Amendment	Wireless interworking with external networks
IEEE 802.11v	Amendment	Wireless networking management
IEEE 802.11w	Amendment	Protected management frames
IEEE 802.11y	Amendment	Contention based protocol
IEEE 802.11z	Amendment	Direct link setup

2.2. 주파수 대역

IEEE 802.11 무선랜은 2.4GHz(IEEE 802.11b/g)와 5GHz(IEEE 802.11a)의 비허가 주파수 대역(ISM : industrial, scientific, and medical)에서 동작한다. 국내에서 사용되는 비허가 주파수 대역은 2.400 ~ 2.4835 GHz, 5.725 ~ 5.825 GHz이다. 표 3은 국내에서 사용중인 무선랜 주파수 대역의 특징을 나타낸 것이다. 예를 들어, 5.725 ~ 5.825 GHz 대역의 주파수를 20MHz의 전송 대역폭이라 가정했을 때 송신출력은 200mW(23dBm)이 된다. 하지만 이는 이상적인 경우이고 통상적으로 이에 훨씬 못 미치는 송신출력을 내게 된다.

표에서 5.25 ~ 5.35 GHz 및 5.47 ~ 5.65 GHz 대역의 주파수 특징을 보면 TPC/DFS라고 되어 있는데, 여기서 TPC(transmit power control)는 5GHz 주파수 대역에서 간섭의 감소, 도달거리 제어 및 전력 소비 감소를 위해 송출전력을 적절히 조정하도록 802.11h에서 제안된 전력 제어 기법을 말한다. 또한, DFS(dynamic frequency selection)는 5GHz 주파수 대역에서 레이더 검출 및 균일한 채널을 사용하기 위한 기법으로서 자동으로 주파수를 할당하는 기법을 말한다.

표 5). 국내 무선랜 주파수 대역 특징

주파수대역(GHz)	최대 송출 전력 (mW/MHz)	최대 안테나 gain (dBi)	특징
2.4 ~ 2.4835	10	6	ISM
5.15 ~ 5.25	2.5	6	-
5.25 ~ 5.35	10	7	TPC/DFS
5.47 ~ 5.65	10	7	TPC/DFS
5.725 ~ 5.825	10	6	ISM

위와 같이 무선랜은 ISM 주파수 대역을 사용하기 때문에 블루투스, 전자레인지, 무선전화기 등 기타 ISM 주파수 대역을 사용하는 장비나 통신 방식과 간섭이 발생한다. 따라서 이러한 점을 최대한 막기 위해 ISM 주파수 대역을 사용하는 장비나 통신 방식에 있어서 송신출력은 일정 수준 이하로 제한될 필요가 있다. 또한, DSSS이나 FHSS(frequency hopping sequence spectrum)의 주파수 스펙트럼을 이용하여 간섭을 줄일 수 있다. 최근에는 802.11b에서 DSSS 변조 방식 중 하나인 CCK(complementary code keying) 방식과 802.11g에서 OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) 방식 등이 도입되면서 주파수 간섭을 줄이기 위한 연구가 지속되고 있다.

2.3. 프로토콜

IEEE 802.11에서는 무선랜을 위한 프로토콜로 PHY와 MAC layer를 정의하고 있다. IEEE 802.11 PHY는 2.4GHz 혹은 5GHz인 비허가 대역 주파수에서 동작한다. 현재 다양한 802.11 PHY 표준이 있는 데 이 중 가장 많이 사용하는 802.11g는 2.4GHz대역에서 동작하고 빠른 전송속도와 저가인 것이 특징이다. 802.11은 기본적으로 송․수신에 있어 TDD(time division duplexing) 방식으로 동작하며 이 때 하나의 주파수 채널은 셀룰러 네트워크에서 셀과 비슷한 개념인 BSS(basic service set) 내에서 통신을 위해 사용된다. 무선랜에 있어 전송속도는 PHY 대역폭에 따라 정해진다. 예를 들어 IEEE 802.11a나 802.11g 같은 경우는 20MHz의 대역폭을 사용하는 데 반해 802.11b는 22MHz의 대역폭을 사용한다. 표 4는 IEEE 802.11의 여러 PHY 기술들의 특징을 나타낸 것이다. 표에서 볼 수 있듯이 802.11 PHY는 서로 다른 변조 및 코딩 기술을 사용하여 다양한 전송속도를 지원한다. 802.11a와 g는 무선랜 속도 중 가장 빠른 54Mbps를 지원한다. 현재 표준화 진행 중인 802.11n은 40MHz의 대역폭과 MIMO(multiple input multiple output) 기술을 이용하여 300~600Mbps의 속도를 지원하고자 연구 중에 있다. 일반적으로 높은 전송속도를 가질수록 전송 범위가 줄어들게 되는 데, 이는 더 높은 차수의 변조 기법(high-order modulation scheme)은 더 높은 SINR(signal-to-interference and noise ratio)을 요구하기 때문이다. 802.11 PHY의 송신 파워 출력은 20dBm 혹은 100mW까지 낼 수 있다.

표 4). IEEE 802.11의 여러 PHY 특징

PHY	Transmission schemes	Frequency bands	Transmission rates supported
Baseline	DSSS, FHSS, IR	DSSS, FHSS - 2.4GHz	1, 2Mbps
802.11a	OFDM	5GHz	6,9,12,18,24,36,48,54Mbps
802.11b	CCK	2.4GHz	5.5, 11+DSSS rates
802.11g	OFDM	2.4GHz	6,9,12,18,24,36,48,54Mbps+DSSS rates
802.11n	OFDM, MIMO	2.4GHz, 5GHz	Up to 600Mbps

그림 1은 MAC architecture를 나타낸 것이다. IEEE 802.11 MAC은 두 개의 coordination function으로 구성되어 있다. 경쟁 기반의 DCF(distributed coordination function)와 경쟁을 필요로 하지 않는 PCF(point coordination function)가 있다. DCF는 CSMA/CA(carrier sense multiple access with collision avoidance)를 기반으로 하며 PCF는 폴링 방식으로 동작하는 MAC function이다. PCF는 구현상에 있어 복잡하며 수요가 적은 등의 이유로 거의 이용되지 않고 있고, 대부분의 WiFi 디바이스는 DCF를 이용하여 동작한다. DCF에서는 채널이 사용되지 않고 있을 때만 전송이 가능하기에 다양한 타입의 디바이스가 공존하여 디바이스 간에 공평한 주파수 사용을 필요로 하는 비허가 주파수 대역에서 가장 적합한 방식이다. QoS와 멀티미디어 서비스 면에서 향상된 표준인 802.11e에서의 MAC은 VoWLAN, video streaming 등과 같은 멀티미디어 서비스에서의 QoS를 지원하기 위해 경쟁을 기반으로 하는 EDCA(enhanced distributed channel access)와 폴링 메커니즘을 이용한 비경쟁 기반의 채널 접근 방식을 사용하는 HCCA(HCF controlled channel access)로 구성되어 있는 HCF(hybrid coordination function)을 사용한다.

그림 1). MAC architecture

IEEE 802.11 MAC은 ARQ(automatic request and response)를 이용하여 프레임의 신뢰성 있는 전송을 지원한다. 기본적으로 MAC은 stop-and-wait ARQ 방식을 정의하고 있으며 802.11e에서는 selective repeat ARQ 방식을 사용한다. 무선랜에서의 이동성 지원은 대부분의 무선랜 사용자들이 이동하면서 사용하는 경우가 없기 때문에 그동안 주된 관심사가 아니었다. 하지만 도보 정도의 이동 속도에 대한 이동성은 지원한다. 무선랜은 한 AP에서 다른 AP로 이동할 때 양쪽으로 링크를 맺은 후 이동하는 것이 아닌 한쪽에서 링크가 끊긴 후 다른 쪽에서 링크를 맺는 hard-handoff 방식을 채택하고 있기에 멀티미디어 서비스를 지원하기 위한 seamless, smooth handoff를 지원하는 것이 표준화 연구 대상이다. 그림 2는 라우터, 브릿지, AP, STA로 구성된 네트워크에서 STA1과 STA2간에 통신이 이루어질 때 프로토콜 스택을 나타낸 것이다. STA과 AP 간에 무선으로 연결된 구간을 제외하고는 MAC 프로토콜이 802.3 MAC으로 구성된 것을 볼 수 있다. LLC(logical link control)는 IEEE 802.2 표준으로 MAC 계층에서 성립된 링크를 통해 데이터를 교환하는 절차에 대한 표준이다. MAC 계층은 공유매체를 통해 신뢰성이 없이 패킷 전송을 하는 반면, LLC 계층은 두 지점 간에 신뢰성 있는 패킷 링크로 전환하게 된다. 그리하여 LLC는 flow control, error control 등을 수행하며 서로 다른 MAC 계층 간 프로토콜을 사용할 수 있게 하여 망의 토폴로지에 관계없는 통신이 가능하도록 한다.

그림 2). 프로토콜 스택

2.4. 네트워크 구조

그림 3은 IEEE 802.11 무선랜의 네트워크 구조를 나타낸 것이다. IEEE 802.11 네트워크의 기본 구조는 여러 STA(station)으로 구성되어 있는 BSS이다. IEEE 802.11은 하나의 AP와 이와 연결된 여러 STA로 구성되어 있는 네트워크인 infrastructure와 STA간에 직접 통신이 가능한 ad-hoc 모드를 지원한다. Infrastructure BSS는 하나의 AP와 이에 연결되어 있는 여러 STA로 구성되어 있는 것을 말한다. Infrastructure 모드에서 STA는 다른 STA나 혹은 해당 AP 밖의 노드와도 통신이 가능하다. IEEE 802.11 AP는 STA를 위한 모든 function이 포함되어 있으며 프레임 라우팅을 포함한 다양한 서비스들을 제공한다. AP는 ESS(extended service set)를 형성하기 위해 DS(distribution system)라 불리는 백본을 통해 연결되어 있다. 여기서 ESS는 seamless한 무선랜 서비스를 제공하며 하나의 AP에서 다른 AP로 핸드오버할 때 필요하다. BSS의 다른 타입으로 IBSS(independent BSS)가 있는데, 이는 ad-hoc 모드에서 사용된다. IBSS는 여러 STA가 서로 직접 연결되어 구성되어 있으며 802.11은 무선 멀티홉 통신을 제공하지 않는다. 멀티홉 통신을 위해서는 MANET(mobile ad-hoc network) 라우팅 프로토콜과 같은 3계층 라우팅을 이용해야한다. 802.11 표준은 DS를 구성하는 방법이나 여러 AP를 연결하는 방법에 대해 정의하고 있지 않다. DS를 구성하는 방법에는 여러 가지가 있으며 802.11 무선랜 구조에서 AP들은 Ethernet을 통해 연결되어 있다. 하지만 표준에서는 AP들 간에 유선이 아닌 무선으로도 구성이 가능하다고 기술되어 있다. 일반적으로 AP는 2계층 스위치 혹은 브리징 디바이스이며 모든 AP들은 2계층 브릿지에 연결되어 있다. 이러한 경우에 모든 AP들은 같은 서브넷 상에 존재하게 된다. 하지만 AP는 3계층 디바이스인 라우터로서도 구현될 수 있는데 이 경우 패킷 혹은 프레임 전송은 3계층의 IP 주소를 기반으로 이루어진다. 802.11 MAC은 프레임 송수신 기능을 가진 time-critical lower MAC과 네트워크 관리와 관련된 less time-critical upper MAC으로 나눌 수 있다. 실제로 AP는 lower layer-2 디바이스로 구현될 수 있으며 lower MAC function만을 포함할 수 있다. Upper MAC function은 lower MAC function이 있는 여러 AP를 연결한 무선랜 스위치에서 구현된다. Portal은 IEEE 802.11 네트워크가 아닌 다른 네트워크와 DS 간에 통신을 위해 필요하다. SS(station service)는 STA 간에

제공되는 서비스를 말하며 인증, QoS 등과 같은 서비스가 가능하고, DSS(distribution system service)는 DS에 의해 제공되는 서비스로 association, distribution, reassociation 등의 서비스를 제공한다.

그림 3). IEEE 802.11 무선 LAN 구조

2.5. 802.11 서비스 종류

802.11에서 제공하는 서비스의 종류는 여러 가지이다. 각 서비스 들은 하나 이상의 MAC 프레임에 의해 제공되며 distribution, integration, association, reassociation, disassociation, authentication 등이 있다.

2.5.1. Distribution

Distribution은 STA 간에 제공되는 주요 서비스 중의 하나로 ESS 내 동작하는 STA에서 송수신하는 모든 데이터 메시지에 의해 발생되며 DSS를 통해 서비스가 이루어진다. 즉, 서로 다른 BSS에 속하는 STA 간에 데이터가 송수신될 때 필요한 서비스이다. 하지만 IEEE 802.11 표준에서는 이 메시지가 전송되는 방법에 대해서는 기술하지 않고 있다.

2.5.2. Integration

Distribution 서비스가 802.11 네트워크가 아닌 유선랜 등과 같이 다른 네트워크에서의 STA와 portal을 통해 이루어질 때 필요한 서비스를 말한다. 즉, integration 서비스는 DSS에서 제공하는 서비스 중의 하나로 portal로 distribution 된 메시지로 하여금 DS는 integration 서비스를 시작하게 되며 DSM¹⁾에서 integrated LAN media로 메시지를 전송하는 데 필요로 하는 것들을 제공한다.

2.5.3. Association

DS 내에서 메시지를 전송하기 위해 distribution 서비스는 어떤 AP가 임의의 STA와 연결을 맺고 있는지 확인할 필요가 있다. 이러한 정보는 association 서비스를 통해 DS에 제공된다. Association은 BSS 간에 핸드오버하는 STA에 있어 필수적인 절차이지만 충분한 정보를 제공하지 못하며, 핸드오버하지 않는 STA에 있어 충분한 정보를 제공한다.

STA는 AP를 통해 데이터 메시지를 전송하기 전에 일단 AP와 association을 맺어야만 한다. 그리하여 DS에서는 STA와 AP를 매핑하게 되어 DS가 이러한 정보를 distribution 서비스를 제공하는 데 사용한다. 이러한 association 서비스에 의해 제공되는 정보들이 DS에 저장되고 관리되는 방법에 대해서는 IEEE 802.11 표준에 언급되어 있지 않다.

2.5.4. Reassociation

Association은 STA가 BSS 간에 핸드오버할 때 충분한 정보를 제공하지 못하는데 이러한 추가적인 정보를 제공하기 위해 reassociation 서비스를 수행하며 이는 DSS 내에서 제공되는 서비스 중의 하나이다. Reassociation은 다른 AP로 현재의 association 속성이 변경되도록 하는 서비스이다. 이는 STA가 같은 AP 상에 association 서비스 중인 동안에도 association 속성 변경이 가능하다.

2.5.5. Disassociation

Disassociation은 기존의 association이 종료될 때 필요로 하는 서비스로 DSS에서 제공된다. Disassociation은 ESS 내에서 DS가 기존의 association 정보를 삭제하도록 한다. 이후에 DS를 통해 disassociation 된 STA로 메시지 전송은 불가능하다.

2.5.6. Authentication

IEEE 802.11 authentication 절차는 SS 내에서 일어나며 STA 간 링크 계층에서 동작하는데 이는 end-to-end 혹은 user-to-user authentication을 제공하지 못한다. 또한, IEEE 802.11은 이러한 authentication을 통해 LAN 접속 제어를 한다. 이러한 authentication을 거치게 된 후 association 절차가 수행된다.

2.6. 참조 모델

IEEE 802.11의 참조 모델은 그림 5와 같다. 802.11의 프로토콜은 PHY와 MAC으로 구성되고 802.11 MAC 위에 802.11 LLC가 있다. 참조 모델에서 sublayer와 entity들은 SAP(service access point)라 불리는 인터페이스를 통해 통신이 가능하다. MAC은 그림에서 볼 수 있듯이 MAC sublayer와 MLME(MAC management sublayer entity) 등 두 개의 sublayer로 구성되어 있다. MAC sublayer는 프레임 생성 및 송수신, 에러 수정 등의 역할을 하며 MLME는 동기화, 핸드오버, 전력 관리, MIB(management information base)와 연결을 제공한다. 여기서 MIB는 네트워크 상에서 디바이스를 관리하기 위해 사용되는 데이터베이스로 SNMP(simple network management protocol)를 이용하여 변경 및 접근이 가능하다. 일반적으로 MLME 동작보다 MAC sublayer에서의 동작이 더 time-critical 하다. PHY는 PLCP(physical layer convergence procedure) sublayer, PMD(physical medium dependent) PLME(physical layer management entity) 등 3개의 sublayer로 구성된다. PMD는 둘 이상의 STA 사이에 무선 채널과 데이터 송수신과 관련된 특성을 정의한다. PLCP는 MPDU(MAC protocol data unit)를 PPDU(PHY protocol data unit)로 매핑하는 방법을 사용하여 PMD를 PHY 서비스에 연결한다. 각 PHY는 고유의 PMD와 PLCP를 정의하며 PLME는 많은 MIB들을 지원함으로써 MIB 서비스를 제공한다. SME는 cross layer 기능집합으로 여러 계층간에 내부적인 통신을 가능하게 한다.

그림 4). IEEE 802.11 참조 모델

2.7. MAC 프레임

MAC 프레임은 크게 MAC 헤더, frame body, FCS로 나눌 수 있다. MAC 헤더에는 frame control, duration, address, sequence control information, QoS control information 등의 정보가 들어가며, frame body에는 frame type와 subtype이 들어간다. FCS(frame check sequence)는 에러체크를 위한 32비트의 CRC(cycle redundancy check)가 들어간다. MAC 프레임의 포맷은 그림 4와 같다. 처음 세 필드는 frame control, duration/ID, address 1과 마지막 필드인 FCS는 모든 프레임에서 나타나게 되며 최소한의 프레임 구성에 필요한 필드이다. Address 2, address 3, sequence control, address 4, QoS control, frame body의 필드들은 특정 프레임 type에서 사용된다. Frame control 필드는 protocol version, type, subtype, To DS, From DS 등 총 11개의 필드로 구성되어 있으며 무선 노드와 노드 간에 전송되는 제어 정보를 담고 있다. Duration/ID 필드는 STA의 AID(association identifier) 정보 등을 담고 있다. 총 4개의 Address 필드는 BSSID(basic service set ID), SA(source address), DA(destination address), TA(transmitting STA address), RA(receiving STA address) 등의 정보를 담고 있다. Sequence control 필드는 fragment 번호와 sequence 번호로 구성된다. QoS control 필드는 프레임과 관련된 QoS 정보를 담고 있으며 frame body 필드는 가변적이며 프레임의 type이나 subtype에 관련된 정보를 담고 있다. FCS 필드는 32비트의 CRC를 포함한 필드로 MAC 헤더와 frame body의 모든 필드의 오류를 검사하게 되며 calculation field라고도 한다.

그림 5). MAC frame format

3. IEEE 802.11 핸드오버

Infrastructure BSS 내에서 STA는 데이터 전송 이전에 AP와 association 과정을 거쳐야 한다. 하지만 이러한 연결이 성립되기 전에 scanning 및 authentication 과정이 먼저 일어나고 이후에 다른 AP로 핸드오버를 하게 되는데 이를 BSS-transition이라고도 하며 새로 association 과정을 거치기에 reassociation이 수행된다. 즉, 핸드오버 혹은 BSS-transition은 같은 뜻으로 사용된다.

3.1. 초기 연결 설정

초기에 STA의 전원이 켜지거나 BSS 영역에 진입하게 되면 초기에 연결 설정이 이루어진다. 이 과정을 위해서 STA는 AP로부터 동기화 정보를 얻어야 하는데, STA는 동기화 정보를 얻기 위해 모든 채널에 있어 수동 혹은 능동적인 탐색을 해야 한다. 수동적인 AP 탐색의 경우 STA에서 각기 주파수가 다른 물리 채널을 검색하며 주기적으로 AP에서 송신하는 beacon 프레임의 정보를 이용하여 적합한 AP를 선택한 후 연결요청을 시도한다. 그림 6과 7은 각각 수동형과 능동형 AP 탐색 및 연결 절차를 나타낸 것이다. STA는 물리 계층에서 각 채널별로 검색하여 AP1과 AP2의 beacon 프레임을 비교한 후, beacon 프레임의 신호세기를 토대로 가장 양호한 AP2를 선택하여 연결설정 요구 메시지를 송신하고 AP에서 연결 응답 메시지를 수신하게 되면 채널이 연결된다. 능동적인 AP 탐색의 경우 STA는 각 주파수가 다른 물리채널로 probe request 메시지를 전송하고 AP에서 응답하는 probe response 메시지들을 검색하여 적합한 AP를 선택한 후 ACK 메시지와 함께 연결 요청을 시도한다.

그림 6). STA의 수동적인 AP 탐색 및 연결 절차

그림 7). STA의 능동적인 AP 탐색 및 연결 절차

3.2. 핸드오버 절차

그림 8은 802.11의 (re)association 절차를 나타낸 것이다. STA가 다른 AP의 정보를 얻기 위해 probe request frame을 보낸다. 이 메시지를 받은 STA는 probe response frame을 전송하여 데이터 전송율 등과 같이 association 과정을 맺기 위해 필요한 정보를 제공한다. 이후 authentication request를 전송하여 인증절차를 거치게 되는데 AP에서 해당 STA의 접속을 허락할지 안할지에 대한 응답을 authentication response를 통해 전송한다. 이후 association 과정을 거쳐 AP는 STA에 대한 자원할당을 하고 동기화를 수행한다. STA에서 association request 메시지를 AP로 보내면 association 과정은 시작되는데, 이 메시지에는 전송율 등과 같은 정보와 연결하고자 하는 네트워크의 SSID(service set ID)와 같은 정보가 포함된다. RADIUS 서버와의 통신을 통해 인증절차를 거치며 IAPP 패킷 송수신을 통해 STA의 이동을 이전 AP에게 알리게 된다. 그 후 AP는 association response 메시지를 전송하여 해당 STA에 대한 수락 여부를 알리고 수락할 경우 해당 STA에 대한 자원을 할당하며 association ID를 설정하게 된다.

그림 8). 802.11 핸드오버 절차

3.2.1. Scanning

Scanning은 STA와 이웃한 AP를 찾는 과정을 말한다. 그림 4에서 probe request와 probe response 메시지를 주고받는 과정이 scanning 과정인데, scanning 과정은 크게 active scanning과 passive scanning으로 나눌 수 있다. Passive scanning 방식은 AP에서 주기적으로 전송하는 beacon 메시지를 통해 이웃한 AP들의 존재와 beacon 전송 간격, BSSID, 채널 용량 등의 파라미터 정보를 전송받는다. AP에서 전송하는 beacon 프레임의 interval은 약 100ms 정도 된다. Active scanning 과정은 그림 4에서 보듯이 STA가 먼저 probe request frame을 broadcast하기에 이웃한 AP에서 beacon 프레임을 수신하여 AP들을 감지하는 passive scanning 과정보다 수행 속도가 더 빠르다. 일부 주파수 대역에서 active scanning 기법을 못하기 때문에 이러한 경우 passive scanning 방식을 사용하며 일반적으로 핸드오버 지연시간을 줄이기 위해 active scanning 기법을 사용한다. Scanning 과정 이후 STA는 RSSI 등과 같은 메트릭 정보를 기반으로 새로 핸드오버하고자 하는 AP를 선택하게 된다.

STA가 AP를 선택하는 기준은 경우에 따라 다르다. 대부분 사용되는 방법은 STA가 수신하는 RSSI(received signal strength indication) 값이 가장 큰 값을 선택한다. RSSI가 가장 큰 값은 가장 성능이 좋은 채널을 말하기 때문에 일반적으로 많이 사용되는 방법이다. 하지만 AP의 송출전력이 가장 높다고 해서 반드시 최선의 선택 방안만이라 볼 수 없다. AP는 여러 STA이 경쟁하기에 많은 load가 걸리게 되며, 기본적으로 DCF 방식으로 동작하기에 만약 낮은 전송속도를 가진 STA가 많이 있을 경우 STA의 throughput은 떨어지게 된다. RSSI 외 또 다른 방법은 BSS 트래픽 부하 정도를 기준으로 하는데 802.11e에서 beacon은 BSS load 정보를 가지고 있다. 이 정보에는 BSS 내의 STA 개수와 AP가 감지한 채널의 이용률, 이용 가능한 채널 용량 등이 포함된다. STA는 scanning 과정을 거칠 때 이러한 정보를 얻을 수 있으며 load를 고려한 최적의 AP를 선택하는 것이 가능하다. STA가 이용 가능한 대역폭은 RSSI 값과 BSS에서의 트래픽 load에 따라 달라지게 된다.

3.2.2. Authentication

Authentication은 유효한 STA인지 AP가 인증하는 과정을 말한다. Authentication 방법에는 두 가지가 있는데 open system과 shared key 방식이 있다. Open system 방식에서 STA는 authentication request frame을 전송하고 이를 수신한 AP는 authentication response frame을 전송한다. 이 방식에서는 authentication request frame에 어떠한 보안이나 인증에 관련된 정보가 실리지 않는다. Shared key 방식에서는 four-way handshake 방식이 사용되는데 이는 AP가 인증을 요구한 STA와 같은 보안키를 가지고 있는 지 확인하는 방식이다. 만약 IAPP가 사용될 경우에는 아무런 정보가 실리지 않은 authentication frame이 전송되며 이전 AP와 새로운 AP 간에 STA에 대한 context 정보를 교환하고 전송 테이블을 업데이트하게 된다.

3.2.3. (Re)association

Association과 reassociation은 무선 단말이 AP에 접속되는 것에 관한 것이다. STA는 STA가 선택한 AP로 이동하여 (re)association 과정을 거치게 된다. (re)association 과정은 (re)association request frame과 (re)association response frame을 교환함으로써 이루어진다. 이 메시지 교환을 통해 STA는 AID(association identification)을 할당받게 된다. 여기서 association은 AP와 STA 간에 mapping하기 위해 이용되며 reassociation은 association 과정을 거쳤던 STA가 ESS내에서 BSS를 변경하거나 혹은 현재 접속되고 있는 상태를 변경하고자 하는 경우에 사용된다. Association과 reassociation의 절차는 request 및 response 메시지를 교환하는 방식으로 같다.

이전 AP와 새로운 AP 간에 주고받는 IAPP 메시지는 그림 8에서 볼 수 있듯이 새로운 AP가 reassociation response를 STA에게 응답하기 전에 교환한다. AP는 IAPP를 이용하여 DS 내에 STA 관련 정보를 교환하기 위해 다른 AP들과 통신할 수 있다. 보통 IAPP를 지원하는 802.11 네트워크는 AP, STA, RADIUS(remote authentication dial in user services) server로 구성된다. RADIUS server는 크게 두가지의 기능을 하게 되는 데, AP의 BSSID와 IP주소를 DS에 매핑하는 기능과 AP 간에 안전한 통신을 위한 키 분배의 기능을 갖고 있다. Reassociation의 절차는 다음과 같다.

STA는 STA의 MAC 주소와 이전 AP의 BSSID 정보를 포함한 reassociation request 프레임을 새로운 AP로 전송한다. 새로운 AP는 이 메시지를 받은 후 이전 BSSID를 인증하기 위해 RADUIS Access-Request 패킷을 RADIUS 서버로 전송하게 되며 이를 수신한 RADIUS 서버는 이전 AP 인증 절차를 거친 후 이전 AP와 새로운 AP 간에 통신을 위한 security block을 포함한 RADIUS Access-Accept 패킷을 통해 응답한다. 그 후, 새로운 AP는 암호화된 IAPP MOVE-notify 패킷을 이전 AP로 전송하게 되며 이에 대한 응답으로 IAPP MOVE-response 패킷을 받게 된다. 그리고 새로운 AP는 STA에 관한 정보를 업데이트 완료했음을 모든 2계층 디바이스에게 알리기 위해 DS로 layer-2 update 프레임을 broadcast하게 된다. 마지막으로 새로운 AP는 reassociation response 프레임을 STA로 전송함으로써 핸드오버 절차는 완료된다. 표준에 따르면 IAPP를 지원하는 802.11 네트워크에서 reassociation 절차를 수행하는 데 있어 핸드오버 지연시간은 약 40ms이고, 핸드오버 전체 지연시간은 300ms 이상이다.

3.2.4. 802.11i authentication and key management, 802.11e TS 설정

STA는 AP와 association 과정을 거친 후 그림 5와 같이 802.11i 기반의 RSNA(robust security network association) 과정을 거치게 되는 경우도 있다. RSNA는 AP와 STA간에 강화된 인증 절차를 수행하게 되며 키관리 알고리즘, 암호화 등을 수행하는 절차를 말하며 필수적으로 수행해야 하는 과정은 아니다. 그림에서 보는바와 같이 802.11i AKMP(association and key management)는 4-way handshake 방식으로 802.1X authentication과 키 관리를 포함한 과정을 거친다. RSNA 과정을 거친 후 STA는 데이터 전송이 가능하다.

STA가 RSNA 과정을 거친 후 AP의 policy에 기반한 QoS 트래픽을 전송하기 위해서 STA는 TS(traffic stream) setup 과정을 거쳐야 한다. TS 설정을 위해 STA는 ADDTS request 프레임과 ADDTS response 프레임을 주고받는다. 이러한 과정을 거친 후 QoS 트래픽 전송이 가능하다.

3.3.2. IAPP 동작

IAPP 동작은 STA 추가, 이동, 그리고 proactive caching 동작 등 크게 세 부분으로 나눌 수 있다. STA 추가 과정은 STA가 새로운 AP와 association을 했을 때 일어난다. STA이 association하게 되면 AP는 DS에게 layer-2 update 프레임과 IAPP ADD-notify 패킷 등 두 개의 패킷을 전송한다. Layer-2 update 프레임은 802.2 type 1 LLC XID(exchange identifier) update response 프레임이다. 이 프레임은 STA가 새롭게 association 한 후의 MAC 주소와 같은 MAC source 주소를 이용해 전송된다. 이 프레임을 수신한 AP나 브릿지 등의 layer-2 디바이스들은 STA의 새로운 위치를 업데이트한다. XID update 프레임은 그림 7과 같다. MAC DA는 브로드캐스팅 MAC 주소를 말하며 MAC SA는 새로 association하는 STA의 MAC 주소이다. Length 필드는 프레임의 길이를 말하며 DSAP와 SSAP에는 null이 들어간다. Control 필드는 프레임의 sequence를 나타내며 HDLC의 control 필드와 동일하며 XID information field에는 프레임의 octet 길이가 들어간다. IAPP ADD-notify 패킷은 패킷의 STA이 패킷을 전송하는 AP와 association 과정을 했다는 것을 AP에게 알리기 위해 UDP/IP와 IAPP를 사용하여 전송된다. 이 IP 패킷은 IAPP 멀티캐스트 주소를 목적지로 하여 전송된다. ESS 내에서 이 패킷을 수신한 AP 들은 이전에 수신한 association 정보를 제거한다.

그림 11). Layer-2 update 프레임 포멧

STA 이동 과정은 STA가 새로운 AP로 핸드오버하여 reassociation 했을 시에 이루어진다. AP로부터 이전 AP에서 핸드오버를 수행하는 STA는 reassociation request 프레임을 새로운 AP로 전송하며 이때 reassociation request 프레임은 이전 AP의 MAC 주소를 포함하게 된다. 새로운 AP는 layer-2 update 프레임과 IAPP MOVE-notify 패킷 등 두 개의 패킷을 전송한다. IAPP MOVE-norify 패킷은 이전 AP로 전송되며 신뢰성있는 전송을 위해 UDP 대신 TCP를 이용한다. 이후에 이전의 AP는 IAPP MOVE-response 패킷을 TCP를 이용하여 응답한다. STA로부터 전송되는 reassociation request 프레임은 old AP 및 new AP의 MAC 주소를 포함하게 되며 이는 new AP가 old AP의 IP 주소를 파악하는 데 필요하다. 그리하여 무선랜 내의 모든 AP에 대해 MAC 주소와 IP 주소를 매핑하게 된다. Layer-2 update 프레임의 목적은 STA 추가를 위한 동작과 같은 목적으로 사용된다. 이 프레임의 특징은 layer-2 update 프레임은 핸드오버의 마지막 단계로써 IAPP MOVE-response 패킷을 old AP로부터 수신한 이후에 broadcast 된다는 점이다.

Proactive caching 동작은 STA가 AP로 association 혹은 reassociation 했을 때나 STA의 context가 변경되었을 때 이루어진다. 기본적으로 proactive caching이 AP의 APME에 의해 trigger 되면 AP는 IAPP CACHE-notify 패킷을 TCP/IP를 이용해 이웃 AP들에게 전송하게 된다. 이에 이웃 AP들은 IAPP CACHE-response 패킷을 TCP/IP를 이용해 전송하게 된다. Notify 패킷은 새로 association 혹은 reassociation을 맺은 STA의 context를 담고 있다. 이러한 proactive caching은 IAPP MOVE-response 패킷을 기다리는 동작 없이 layer-2 update 프레임을 broadcast함으로써 핸드오버에 따른 지연시간을 상당히 감소시킨다.

핸드오버 절차에 있어 이웃한 AP들을 미리 알 수 있는 것은 STA이 다른 AP로부터 핸드오버하게 될 때 해당 AP의 주소를 기록하게 되어 이웃한 AP의 리스트를 유지하게 될 수도 있고, 네트워크 관리자에 의해 수동으로 이웃한 AP 들을 설정하여 유지될 수도 있다.