[정리] 단말과 무선 AP의 통신 순서

 

1. Wi-Fi 활성화 및 초기화

Wi-Fi 활성화 과정은 PHY 계층(Physical Layer)와 MAC 계층(Media Access Control Layer)의 초기화를 포함하며, 스마트폰의 무선 인터페이스가 동작할 준비를 완료하는 단계입니다. 이 과정은 아래와 같이 세부적으로 나뉩니다:

(1) Wi-Fi 모듈 활성화

• 사용자 동작:
  • 스마트폰에서 Wi-Fi 스위치를 켜면 운영체제(OS)가 Wi-Fi 모듈을 활성화합니다.
  • 이 과정에서 무선 네트워크 인터페이스(Wi-Fi NIC: Network Interface Card)가 기동됩니다.
• 하드웨어 초기화:
  • 무선 칩셋이 전원을 공급받고, 칩셋 내에 저장된 펌웨어(firmware)가 로드됩니다.
  • 안테나와 트랜시버(transceiver)가 초기 상태로 설정되며, 주파수 범위(2.4GHz, 5GHz, 6GHz)를 준비합니다.

(2) PHY 계층 초기화

• 주파수 대역 설정:
  • Wi-Fi 칩셋은 지원하는 주파수 대역(2.4GHz, 5GHz, 6GHz)을 활성화합니다.
    • 2.4GHz 대역: 채널 1~14 (20MHz 대역폭).
    • 5GHz 대역: 채널 36~165 (20/40/80/160MHz 대역폭).
    • 6GHz 대역: 채널 1~233 (Wi-Fi 6E, 최대 160MHz 대역폭).
  • 초기 주파수 설정은 지역 규제(예: FCC, ETSI)에 따라 다르게 구성됩니다.
• 수신기 및 송신기 활성화:
  • 수신기(RX): 주변 채널의 신호를 수신할 준비를 완료합니다.
  • 송신기(TX): 필요 시 프로브 요청(Probe Request) 등 탐색 신호를 전송할 준비를 합니다.
• 대역폭 초기화:
  • 기본 대역폭은 20MHz로 설정되며, 이후 AP와의 협상을 통해 40MHz, 80MHz, 160MHz로 확장됩니다.

(3) MAC 계층 초기화

• MAC 주소 확인:
  • Wi-Fi 모듈의 고유 **BSSID(MAC 주소)**가 활성화되며, 연결 시 사용할 식별자로 설정됩니다.
  • 로컬 임시 MAC 주소(랜덤화된 MAC)가 설정될 수도 있습니다.
• 프레임 구조 설정:
  • 802.11 프레임 형식이 초기화되며, 이후 수신될 Beacon 프레임, Probe Request/Response, Authentication/Association 프레임을 처리할 준비를 완료합니다.
• 스캔 모드 활성화:
  • MAC 계층은 탐색 과정에서 Passive Mode(비콘 수신)와 Active Mode(프로브 요청 전송) 모두를 지원하도록 설정됩니다.
• QoS(서비스 품질) 활성화:
  • MAC 계층은 802.11e를 통해 QoS(Quality of Service) 기능을 준비하여, 다중 연결 환경에서도 효율적인 데이터 처리 지원을 시작합니다.

(4) 운영체제 및 소프트웨어 초기화

• 드라이버 로드:
  • Wi-Fi 칩셋과 통신하기 위해 필요한 드라이버가 OS에서 로드됩니다.
  • 드라이버는 Wi-Fi 탐색, 연결, 데이터 전송을 제어합니다.
• 네트워크 상태 확인:
  • 스마트폰은 이전에 연결된 네트워크를 확인하고, 저장된 SSID 목록과 비교하여 자동 연결 여부를 결정합니다.
• 전력 관리 활성화:
  • 초기화 과정에서 **Wi-Fi 전력 관리(Power Save Mode)**가 설정되어 전력 소모를 최소화합니다.

(5) 안테나 및 채널 준비

• 안테나 구성:
  • 스마트폰에 내장된 Wi-Fi 안테나는 Omni-Directional Antenna로 설계되어 있어, 모든 방향에서 신호를 수신할 수 있습니다.
  • MIMO(Multiple Input Multiple Output) 기술이 지원되는 경우, 다중 안테나가 데이터 전송 효율성을 증가시킵니다.
• 채널 준비:
  • 스마트폰은 각 주파수 대역의 채널 테이블을 생성하며, 스캔 및 연결 과정에서 이 테이블을 참조합니다.

(6) 스마트폰 내부 네트워크 스택 구성

• TCP/IP 스택 초기화:
  • 무선 연결을 위해 스마트폰의 TCP/IP 프로토콜 스택이 활성화됩니다.
  • IP 주소, 게이트웨이, 서브넷 정보는 DHCP 과정을 통해 나중에 할당됩니다.
• 보안 모듈 준비:
  • WPA2, WPA3 등 보안 인증 프로토콜이 활성화됩니다.
  • 암호화 모듈(AES-CCMP, GCMP 등)이 데이터 보호를 위한 초기 설정을 완료합니다.

(7) 결과

• 모든 초기화가 완료되면, 스마트폰은 Wi-Fi 탐지(스캔) 단계로 진입하며, 주변의 AP를 탐색하기 시작합니다.
• 초기화 단계는 스마트폰의 하드웨어, OS, 칩셋 제조사에 따라 약간의 차이가 있을 수 있지만, IEEE 802.11 표준을 기반으로 동작합니다.

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2. 주파수 대역 및 채널 스캔 

(1) 스캔의 개요

• 스마트폰은 활성화된 Wi-Fi 모듈을 통해 2.4GHz, 5GHz, 6GHz 대역에서 사용 가능한 채널을 탐색합니다.
• 스캔은 수동 스캔(Passive Scan)과 능동 스캔(Active Scan)의 두 가지 방식으로 수행됩니다.
• 스마트폰은 각 채널에서 AP의 존재 여부를 확인하기 위해 Beacon 프레임 또는 Probe Response를 수신합니다.

(2) 수동 스캔(Passive Scan)

• 작동 방식:
  • 스마트폰은 각 채널에서 AP가 방송하는 Beacon 프레임을 수신하며 정보를 수집합니다.
  • Beacon 프레임은 802.11 MAC 프레임으로, 주기적(일반적으로 100ms 간격)으로 전송됩니다.
• Beacon 프레임의 주요 정보:
  • SSID: 네트워크 이름
  • BSSID: AP의 MAC 주소
  • Supported Rates: 지원 데이터 속도
  • Channel Information: 채널 번호와 주파수 대역폭
  • Security Settings: 보안 프로토콜(WPA2, WPA3 등)
• 장점:
  • 주변 AP를 소음 없이 탐지 가능 (노이즈와 간섭 최소화).
• 단점:
  • AP의 Beacon 주기(100ms)에 의존하므로 탐지 속도가 느릴 수 있음.

(3) 능동 스캔(Active Scan)

• 작동 방식:
  • 스마트폰이 특정 채널에서 Probe Request를 전송하고, AP가 이에 응답하여 Probe Response를 반환합니다.
• Probe Request/Response의 주요 정보:
  • AP는 자신의 존재를 알리고 지원하는 네트워크 설정 정보를 제공합니다.
• 장점:
  • 수동 스캔보다 탐지 속도가 빠름.
• 단점:
  • 스마트폰이 신호를 적극적으로 송신하므로 전력 소모가 증가.
  • AP가 응답하지 않을 경우 탐지가 불가능.

(4) 채널 스캔 방식

• 2.4GHz 대역:
  • 114번 채널 (일부 국가에서는 1214번 채널 비활성화).
  • 채널 간 간격은 5MHz(중첩 가능).
• 5GHz 대역:
  • 36~165번 채널 (DFS 채널 포함).
  • 20MHz, 40MHz, 80MHz, 160MHz 대역폭 지원.
• 6GHz 대역:
  • Wi-Fi 6E 표준 채널(1~233번) 및 최대 160MHz 대역폭 지원.

(5) 스캔 시간 조정

• Dwell Time(체류 시간):
  • 스마트폰은 각 채널에서 일정 시간 동안 머무르며 신호를 탐지합니다.
  • 일반적으로 10ms~20ms로 설정되며, 고속 이동 환경에서는 이 값이 짧아질 수 있습니다.
• Scan Interval(스캔 주기):
  • Wi-Fi 모듈은 정기적으로 주변 AP를 탐색하며, 주기는 스마트폰 제조사와 설정에 따라 다릅니다.

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3. 네트워크 목록 생성 및 정보 수집 

(1) AP 정보 수집

• 스캔 단계에서 수집한 데이터를 기반으로 AP 목록이 작성됩니다.
• 각 AP 정보는 다음을 포함합니다:
  • SSID: AP의 네트워크 이름 (숨겨진 네트워크는 SSID가 표시되지 않을 수 있음).
  • BSSID: AP의 MAC 주소.
  • Channel Information: 주파수 대역 및 채널 번호.
  • RSSI(Received Signal Strength Indicator): AP의 신호 강도.
  • SNR(Signal-to-Noise Ratio): 신호 대 잡음비.
  • Security Settings: 보안 프로토콜 (Open, WPA2, WPA3 등).
  • Supported Data Rates: AP가 지원하는 데이터 전송 속도.

(2) 네트워크 목록 작성

• 스마트폰은 위 데이터를 기반으로 탐지된 AP 목록을 작성하며, 이를 UI에 표시합니다.
• 사용자에게는 신호 강도(RSSI)가 높은 AP부터 정렬된 형태로 표시되며, 보안 여부도 함께 나타납니다.

(3) 사용자 선택 및 자동 연결

• 사용자가 명시적으로 네트워크를 선택하거나, 저장된 네트워크 설정을 기반으로 자동 연결이 이루어집니다.
• 신호 강도(RSSI), SNR, 보안 설정 등을 바탕으로 우선순위가 결정됩니다.

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4. 신호 품질 평가 

(1) RSSI 분석

• RSSI는 PHY 계층에서 측정된 수신 신호 강도로, 스마트폰이 AP와 얼마나 가까운지를 나타냅니다.
• RSSI 범위 및 품질 해석:
  • -30dBm: 매우 강한 신호(최적 연결).
  • -50dBm: 양호한 신호(일반적인 연결).
  • -70dBm: 약한 신호(속도 저하 가능).
  • -90dBm: 매우 약한 신호(불안정한 연결).

(2) SNR 분석

• SNR(Signal-to-Noise Ratio)는 신호 대 잡음비로, 신호 품질의 핵심 지표입니다.
• SNR 기준:
  • 25dB 이상: 매우 좋은 품질.
  • 15~25dB: 양호한 품질.
  • 10~15dB: 수용 가능한 품질.
  • 10dB 이하: 매우 낮은 품질(연결 불안정).

(3) PER(Packet Error Rate)

• 데이터 전송 중 패킷 손실률을 측정하여 네트워크 상태를 평가합니다.
• PER이 높으면 재전송 요청이 증가하여 네트워크 성능이 저하됩니다.

(4) 품질 평가 결과 활용

• 신호 강도와 품질 데이터를 기반으로 최적의 AP를 선택하거나, 필요 시 로밍(Handoff)을 수행합니다.

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5. AP 선택 및 연결 시도

(1) AP 선택

• 스마트폰은 탐지된 AP 목록 중 최적의 AP를 선택합니다. 선택 기준은 다음과 같습니다:
  • RSSI(신호 강도): 가장 강한 신호를 우선으로 선택.
  • SNR(신호 대 잡음비): 잡음이 적고 신호 품질이 높은 AP를 선택.
  • 보안 설정: WPA2/WPA3로 보호된 네트워크를 선호.
  • 우선순위 설정: 이전에 연결된 적이 있는 네트워크는 자동 연결 우선순위가 높습니다.

(2) 연결 요청 과정

스마트폰과 AP 간 연결은 IEEE 802.11 표준에 따라 Authentication 및 Association 단계를 거칩니다.

1. Authentication 단계
   • Open System Authentication: 모든 클라이언트에 허용되며, WPA2/WPA3 인증과 함께 사용됩니다.
   • Shared Key Authentication: WEP 기반 네트워크에서 사용되며, 보안이 취약하므로 잘 사용되지 않음.
2. Association 단계
   • 스마트폰은 Association Request 프레임을 전송하여 AP와의 연결을 요청합니다.
   • AP는 Association Response 프레임으로 요청을 승인하고, 네트워크 리소스를 할당합니다.
   • 이 단계에서 스마트폰은 AP의 BSSID 및 연결 상태를 저장합니다.

(3) Fast Roaming(802.11k/v/r)

• 이동 중인 스마트폰은 연결된 AP의 신호가 약해지면 더 강한 신호를 가진 AP로 빠르게 로밍(Handoff)을 수행합니다.
• 802.11k: AP와의 측정 보고를 통해 최적의 AP를 식별.
• 802.11v: 네트워크에서 클라이언트 장치의 로밍 결정을 지원.
• 802.11r: 로밍 시 인증 단계를 간소화하여 빠른 전환을 지원.

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6. 보안 인증 및 IP 주소 할당 

(1) 보안 인증

스마트폰과 AP는 네트워크 보안을 위해 암호화 및 인증 과정을 거칩니다.

1. WPA2/WPA3 인증
   • 스마트폰과 AP는 4-Way Handshake를 수행하여 암호화 키를 교환합니다.
   • PMK(Pairwise Master Key): PSK(Pre-Shared Key) 또는 인증 서버를 통해 생성.
   • PTK(Pairwise Transient Key)와 GTK(Group Temporal Key)는 데이터 암호화를 위해 각각 생성됩니다.
2. EAP(Extensible Authentication Protocol)
   • WPA3에서는 EAP 기반 인증이 자주 사용됩니다(EAP-TLS, EAP-PEAP 등).
   • EAP-TLS는 디지털 인증서를 사용하여 가장 높은 수준의 보안을 제공합니다.

(2) IP 주소 할당

• AP는 스마트폰에 DHCP 프로토콜을 사용해 네트워크 설정을 제공합니다.
  • IP 주소: 스마트폰에 고유한 IP를 할당.
  • 서브넷 마스크: 네트워크 경계 설정.
  • 게이트웨이: 인터넷 접속 경로 설정.
  • DNS 서버: 도메인 이름 해석 정보 제공.

(3) IPv6 지원

• 최신 AP와 스마트폰은 IPv6 주소 할당을 지원하며, Router Advertisement를 통해 IPv6 설정이 자동으로 구성됩니다.

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7. 대역폭 및 채널 협상 

(1) 채널 및 대역폭 협상

• AP와 스마트폰은 최적의 대역폭(20/40/80/160MHz)과 채널을 협상합니다.
• Dynamic Frequency Selection(DFS):
  • 5GHz 및 6GHz 대역에서 DFS를 통해 레이더 간섭이 없는 채널을 선택합니다.

(2) 대역폭 선택 기준

• 20MHz: 간섭이 많은 환경에서 안정성을 위해 좁은 대역폭 사용.
• 40MHz: 중간 수준의 성능을 제공하며, 2.4GHz 및 5GHz 대역에서 주로 사용.
• 80/160MHz: 고속 데이터 전송이 필요한 환경에서 사용(5GHz, 6GHz).

(3) OFDMA 및 MU-MIMO

• OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access): AP와 여러 클라이언트가 주파수를 효율적으로 분할 사용.
• MU-MIMO(Multi-User MIMO): 다수의 클라이언트가 동시에 데이터를 송수신할 수 있도록 지원.

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8. 데이터 통신 및 품질 관리

(1) 데이터 전송

• 연결 완료 후 스마트폰은 TCP/IP 프로토콜을 통해 데이터 전송을 시작합니다.
• 데이터는 패킷 형태로 송수신되며, 802.11 프레임으로 캡슐화됩니다.

(2) 품질 관리

• 스마트폰은 지속적으로 다음 지표를 모니터링합니다:
  • RSSI(신호 강도)
  • SNR(신호 대 잡음비)
  • PER(Packet Error Rate)
  • Throughput(전송 속도)

(3) 대역폭 동적 조정

• 간섭이나 신호 품질 저하 시 대역폭을 축소하거나 채널을 변경하여 안정성을 유지합니다.

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9. 연결 종료 및 해제 

(1) 연결 종료 절차

• 사용자가 Wi-Fi를 비활성화하거나 연결된 AP와의 통신이 중단되면 연결 종료 절차가 수행됩니다.
  • Deauthentication: 스마트폰이 AP와의 연결을 종료하고, 인증 정보를 삭제.
  • Deassociation: AP의 네트워크 리소스 할당이 해제.

(2) 전력 절약 모드

• Wi-Fi 모듈은 비활성화되어 배터리 소모를 줄입니다.
• 필요 시 스마트폰은 다시 Wi-Fi 모듈을 활성화하여 탐색을 재개합니다.