정보통신공학과 통신학과, 정보처리기사 등 정보통신시스템 요약정리 52. 와이파이(Wi-Fi) 시스템과 무선 메시 네트워크(WMN)

52. 와이파이(Wi-Fi) 시스템과 무선 메시 네트워크(WMN)

 

가. 와아파이(Wi-Fi) 시스템
와이파이(Wi-Fi : Wireless Fidelity)는 무선 데이터 전송 시스템을 지칭하며, 무
선 네트워크를 하이파이(Hi-Fi) 오디오처럼 편리하게 사용한다는 의미로 와이파이라
고 부르고 있다. 와이파이는 초고속 인터넷망에 무선 접속장치(AP)를 설치해 노트북
컴퓨터나 스마트폰 등을 통해 무선으로 인터넷을 이용할 수 있다. 즉 AP를 이용하여
인터넷 도달 범위를 확장한 형태이다.
초기 무선 LAN 제품을 사용하는 데 있어 가장 큰 문제점으로 부각한 것이 호환성에
대한 문제였다. 각 제조업체들이 모두 IEEE 802.11에 따른 표준 규격을 기반으로 제
품을 공급했으나, 호환이 되지 않아 각기 다른 제조업체의 제품을 사용할 수는 없었
다. 이에 따라 업계에서 무선 LAN 제품의 시장을 확대시키자는 목적으로 별도의 단체
를 설립해 호환성을 검증하기로 했다.
Wi-Fi 협회(Wi-Fi Alliance)는 무선 LAN 제품 간 상호운용성에 대한 인증을 제
공하기 위해 1999년 창립된 비영리 조직으로 2003년 상반기까지 WECA(Wireless
Ethernet Capability Alliance)라는 명칭이었다. 이 협회는 무선 LAN 제품에 대해
상호운용성에 대한 테스트를 진행하고 테스트에 통과한 제품에 대해서 Wi-Fi 인증을
부여한다. Wi-Fi 협회에서 테스트를 하는 제품은 초기 IEEE 802.11b에 한정돼 있었
으나, IEEE 802.11g, IEEE 802.11a 등 전송 속도를 개선한 기술들이 등장함에 따라
이들 기술을 기반으로 하는 전 제품으로 확산됐다.
Wi-Fi 인증을 획득한 제품에 대해서는 상호간의 호환성이 입증됨으로써 서로 다른
제조업체들의 제품이라도 혼용해서 사용할 수 있음을 입증한다. 이에 따라 무선 LAN
제품의 확산에 일조하게 됐는데, Wi-Fi가 확산되고 난 이후에는 거의 모든 무선 LAN
제품들이 Wi-Fi 인증을 획득해 출시한다. 국내의 무선 LAN 서비스 업체에서도 무선
LAN 제품의 구매 제품들의 기술 규격에 Wi-Fi 인증을 의무화하고 있다. 그래서 최근
무선 LAN 제품은 표준 규격 종류와는 상관없이 Wi-Fi라는 이름으로 총칭해서 부른다.
3세대(3G) 이동통신 W-CDMA(Wideband Code Division Multiple Access) 기
술과 와이파이는 둘 다 스마트폰에서 무선 인터넷을 사용할 수 있도록 해주는 기술이지만, 각각 무선과 유선에 뿌리를 둔 점이 서로 다른 기술이다. 3세대 이동통신 WCDMA는 무선을 기본으로 휴대폰을 연결해 주는 공중 이동통신 기술이다. 통신회사
의 전화국에서 교환기를 거쳐 전국 각 지역에 세워져 있는 기지국까지는 유선으로 신
호를 전달하고, 기지국에서 휴대폰이나 스마트폰까지는 무선으로 신호를 전달하는 방
식이다. 즉, 기지국을 중심으로 반경 2~3Km 내에 있는 휴대폰이나 스마트폰을 무선
으로 연결해 주는 것이다. 여기서, 3세대 이동통신 W-CDMA 기술은 1세대인 아날로
그 이동통신 기술과 2세대인 CDMA 방식의 디지털 이동통신 기술에서 한 걸음 더 진
화된 것으로서, 대용량 데이터 전송과 영상전화 및 글로벌 로밍 등이 가능하다. 이 기
술은 높은 시설 투자비용으로 인해 데이터 통신비용이 매우 비싸다.
반면에, 와이파이는 유선을 기반으로 한 무선 LAN 기술의 일종으로서, 가정 및 회
사 등에 들어온 초고속 인터넷 회선을 소형 AP에 연결하여 가까운 거리 내에서는 노
트북 컴퓨터나 스마트폰 등을 이용해 인터넷을 사용할 수 있게 한 것이다. 따라서 와
이파이는 초고속 인터넷이 있는 곳에서라면 AP만 설치하면 이용할 수 있기 때문에 이
용요금이 매우 저렴하다. 현재, 우리나라에서는 대학이나 공항 등 공공시설에서 무료
로 와이파이 서비스를 제공하고 있다. [그림 4-53]은 3G 이동통신 W-CDMA 기술과
와이파이를 통한 무선인터넷 접속 경로를 비교한 것이다.

3G 이동통신 기술과 와이파이를 통한 무선인터넷 접속 비교

한편, 와이브로는 초고속 무선인터넷으로서 무선에서도 유선에서처럼 초고속으로
인터넷을 사용할 수 있다. 이동통신과 무선 LAN의 중간 정도 되는 기술로서 기지국을 중심으로 반경 1Km 전후에서 초고속 무선인터넷이 가능하다. 우리나라의 한국전자통
신연구원(ETRI)과 삼성전자, 그리고 미국의 인텔 등이 주도하여 만든 기술 규격이며,
외국에서는 모바일 와이맥스라고 한다.
와이브로의 강점은 최대 30Mbps의 빠른 데이터 속도로 시속 100Km 이상으로 달
리면서도 사용할 수 있다는 점이며, 3세대 이동통신 기술인 W-CDMA보다 속도가
3~4배 빠르다. 그러나, 기술적인 우수성에도 불구하고 아직도 국내에서는 수도권 등
일부 지역에서만 일부 스마트폰으로 사용할 수 있는 문제점이 있다.
이와 같이 와이브로는 이동전화 전파를 이용하여 무선인터넷이 구축된 환경에서 인
터넷을 사용할 수 있다. 반면에 와이파이는 AP가 설치된 곳의 일정 거리 안에서 초고
속 인터넷을 할 수 있는 LAN, 즉 흔히 알고 있는 무선인터넷 혹은 무선 LAN을 의미
한다. 와이파이는 유선 LAN에 비해 케이블이 필요 없어 PC 등의 단말기를 쉽게 이동
시킬 수 있고, 복잡한 배선공사를 하지 않아도 되는 장점이 있다. 개발 초기에 전파 도
달거리가 10m에 불과했으나 이제는 50~200m 정도까지 대폭 늘어났고, 전송속도도
300Mbps까지 향상되어 대용량의 멀티미디어 정보도 주고받을 수 있게 됐다.
와이파이는 ISM 대역에 속한 주파수를 이용하므로, 전파 사용료가 없어 무료 또는
저렴한 비용으로 이용할 수 있다. 그러나, 소출력 기기일 경우에는 송출 허가를 받지
않아도 되기 때문에 ISM 대역의 주파수를 사용하는 산업 및 의료용 기기가 설치된 지
역에 와이파이 서비스가 급증하면서, 이들 기기와의 전파간섭 등으로 인해 위험에 질
수 있다는 우려가 있다.

나. 무선 메시 네트워크(WMN : Wireless Mesh Network)
무선 LAN에서 대중화에 성공한 것은 IEEE 802.11b, 이를 와이파이(Wi-Fi)라고
불리기도 한다. 현재 광역 통신망(WAN)을 구성하는 이동통신망과 함께 무선 네트워
크 시장을 양분하고 있던 무선 LAN은 최근 차세대 무선 기술에 의해 독보적인 위치가
흔들리고 있다. 우리나라에서는 와이브로(WiBro : Wireless Broadband Internet)
라고 불리는 모바일 와이맥스(Mobile WiMAX)에 의해 차세대 시장에서의 주도권을
뺏기고 있다. 고정형 와이맥스가 무선 LAN의 확장형이라고 한다면, 모바일 와이맥스
는 무선 LAN에 이동성을 부가한 것이다. 또한 가정용 무선 데이터 통신에 있어서는
블루투스(bluetooth)와 UWB(Ultra Wide Band)의 결합으로 막강한 경쟁자가 생기
는 등 IEEE 802.11n의 시장 입지는 좁아지고 있다.
이에 IEEE 802.11n의 시장 경쟁력을 높일 수 있는 것으로 부각되고 있는 것이 바
로 무선 메시 네트워크다. 무선 메시 네트워크는 넓은 의미에서 애드혹(Ad-hoc) 통신 기술로부터 유래했으며, 무선인프라 환경에서 고정이나 이동 중에 기지국대 기지국,
단말대 단말, 기지국대 단말 등 모든 노드가 통신을 할 수 있는 다중경로를 가지는 메
시형 토폴로지를 무선망에 도입한 기술이다. 즉, 무선 메시 네트워크는 기본적으로 다
수의 상호 연동된 네트워크 노드를 통해 무선 네트워크의 범위를 확장시킨 것이다.
그동안 무선 LAN 환경은 AP와 단말기 사이를 유선 케이블이 없이 연결시켜주는
것이었을 뿐이며, AP에서 백본 네트워크까지는 케이블이 필요한 것이 현실이었다. 하
지만 무선 메시 네트워크 기술을 이용하면 케이블의 설치 없이 여러 AP를 하나의 무
선 네트워크 또는 핫존(hot zone)에 연결해 방대한 접속거리를 제공할 수 있다. 무선
네트워크 서비스 기술인 무선 메시 네트워크는 광대역 데이터 전송과 휴대폰 이동성을
결합한 차세대 무선 네트워크 기술로서 AP당 접속거리가 수 Km로 기존 무선
LAN(50∼200m)에 비해 월등한 우위를 보인다.
무선 메시 네트워크는 미국 국방 프로젝트 연구소(DARPA)에서 1990년대 중반부터
군사목적의 야전용 통신 시스템으로 지속적으로 연구해 왔다. 무선 메시 네트워크는
[그림 4-54]와 같이 무선 환경에서 어떤 AP가 다른 AP와 여러 개의 연결성을 그물 형
태로 가지며, 경로에 대한 자동 구성능력(auto configuration), 그리고 문제 발생 시
자가 치유능력(self-healing) 등의 기능을 제공하는 것을 기본 사양으로 하고 있다.

또한 백본 네트워크에 유선으로 직접 연결되지만, 대다수의 AP는 유선 케이블이 없
이 단순히 무선만으로 통신이 이뤄지기 때문에 케이블링 비용과 구축 시간을 절감할
수 있다. 동적 라우팅과 복수개의 경로 사용을 통한 부하 균형(load balancing)이 무
선 노드 사이에서 동작해 네트워크의 트래픽이 분산되는 장점도 가지고 있다. 그리고 AP를 통해 각종 단말을 연결하는 기존의 일반 무선 네트워크는 수신범위를 벗어나면
연결이 끊어지는데 비해, 무선 메시 네트워크는 각 단말들이 그물망처럼 연결되므로
네트워크를 혁신적으로 확장시킬 수 있다.
실외용 무선 LAN을 말할 때 무선 브리지나 AP에 추가로 장착하는 외장형 안테나
를 흔히 떠올리지만, 무선 메시 네트워크는 유선 연결이 없이 무선 네트워크를 실외로
확장할 수 있으며, 단순 무선 구간의 확장이 아닌 보안과 로밍 등의 지능을 갖춘 무선
시스템이 설치돼 무선 서비스를 제공한다는데 근본적인 차이가 있다.
그러나, 모든 무선 메시 토폴로지가 똑같이 구성되지는 않는다. 기본적으로는 풀 메시
(full mesh)와 부분 메시(partial mesh)의 형태로 토폴로지가 구분되며, 토폴로지 외에
구성 요소에 따라 하드웨어 메시, 소프트웨어 메시, 그리고 하이브리드 메시 형태로 분리
된다. 대부분의 무선 메시 네트워크에서는 AP 역할을 수행하는 네트워크 노드만 메시 네
트워크에 참여하지만, 메시 네트워크 구성요소에 클라이언트를 포함하는 형태도 있다.
무선 메시 네트워크는 무선 LAN AP들을 연결할 때 유선 케이블이 아닌 무선으로
연결해서 케이블 설치를 최소화할 수 있다. 또한 무선 LAN 서비스를 좀 더 광범위한
지역까지 확대할 수 있기 때문에 군대나 대학은 물론 건설업체나 제조업체들의 산업
현장에 적용할 수 있다. 그동안 무선 LAN을 구축할 때 AP까지는 유선 케이블을 연결
해 왔는데, 무선 메시 네트워크는 이런 무선 AP끼리 서로 찾아내 자동으로 연결한다.
[그림 4-55]는 우리나라에서 두바이에 건설한 세계 최고층 빌딩‘버즈두바이’ 에 무선
메시 네트워크 기술을 적용한 예이며, 보조지지대가 없는 초고층 빌딩 건축 현장에 무
선 메시 네트워크 기술을 사용한 것은 세계 최초이다.

버즈두바이 건설에 사용되는 무선 메시 네트워크의 구성 예

무선 메시 네트워크가 단일경로를 통한 통신방식이 아니기 때문에, 통신이 이루어
지던 노드에서 물리적 절체나 트래픽의 과부하 등으로 노드에 문제가 발생하면, 현재
의 통신망에서 최적의 새로운 라우팅 경로를 찾게 된다. 이러한 네트워크 복구를 위해
모든 노드에서 주기적으로 최적의 무선링크를 탐색하며, 자신의 노드에서 처리되는 트
래픽의 양 및 지연율 등을 계산하여 최적의 통신 네트워크를 구성할 수 있도록 한다.
이와 같이 메시형 네트워크 토폴로지를 무선 환경에서 항시 자동으로 자체 구성이 가
능하므로, 생존성이 낮은 점대 다중점의 기존 무선통신 방식에 비해 다중 경로에 따른
통신의 신뢰성을 높일 수 있다. 이러한 특성은 소방 및 재난통신이나 군통신과 같이
기존 통신 인프라가 열악하거나, 상황에 따라 네트워크를 즉시 자동적으로 구성해 통
신이 이뤄져야하는 응용 분야에 유용하다.
기존의 와이파이 서비스는 핫스폿 형태로 제공되기 때문에. 이동 중에 접속이 끊길
수 있고, 광역 네트워크를 구성하기 위해서는 유선망을 사용해야 하는 어려움이 있다.
그러나 무선 메시 네트워크는 메시 노드에 전원만 공급되면 광역의 네트워크를 구성할
수 있으며, 특히 커버리지 내에서 고속 로밍을 지원하기 때문에 기차, 지하철 등과 같
은 고속 이동체에 대한 서비스에도 유용하다.
무선 메시 네트워크는 고가의 송신탑이나 기지국마다 유선망의 인입이 필요하지 않
아 전체적인 네트워크 구성비용이 저렴하고, IP 기술을 이용함으로써 기존 네트워크
와 연동이 용이하며, 단계적인 네트워크 확장과 커버리지를 증가할 수 있어 계획적인
네트워크 구축이 가능해진다. 또한 기존의 이동통신 기술은 제한된 대역폭과 고가의
구축비용으로 저렴한 고품질의 이동 데이터 서비스가 어렵지만, 무선 메시 네트워크
기술은 고속으로 이동 중에도 음성, 데이터, 비디오 등 다양한 멀티미디어 서비스를
끊김없이 제공할 수 있다.
무선 메시 네트워크의 장비는 대부분 와이파이 기반으로 개발되며, 각 제조회사마
다 독특한 응용 분야에 적합한 라우팅 방식과 장비 특성을 가지고 있다. 무엇보다 중
요한 요소는 홉당 전송률(throughput)과 노드당 지연율(latency)이다. 무선 메시 네
트워크는 멀티라디오(multi radio)를 이용해 전이중 형태로 네트워크 환경을 제공한
다. 즉 메시 노드 관점에서 들어오는 채널과 나가는 채널을 분리시켜 홉당 저하되는
전송률을 최적화 시켰으며, 이에 따른 전송 지연율도 낮췄다.
이와 같이 무선 메시 네트워크는 노드의 이동에 제약이 없고, 네트워크를 동적으로
구성가능하며, 일반적인 네트워크가 용이하지 않을 때 사용하면 효과적이다. 반면에
네트워크 토폴로지가 동적으로 변화되고, 중앙의 감시와 관리가 부족한 단점이 있으
며, 더욱이 무선 매체의 사용으로 인해 다양한 공격에 노출되어 있기 때문에 보안 문제를 해결해야 한다. 특히, 멀티 홉(hop) 방식에 의해 라우팅이 이루어지므로 각 노드
간의 인증이 중요하며, 이를 위해서는 인증 과정이 복잡하지 않고 빠르게 처리되어야
하고, 라우팅과정과 인증과정을 동시에 수행하는 것이 효율적이다.
무선 메시 네트워크는 와이파이 기술과 접목하면서 광역 무선 LAN 구축을 더욱 쉽
고 경제적으로 할 수 있게 됐다. 이와 같은 무선 LAN 메시 네트워크 시장은 2000년
초반 북미를 중심으로 와이파이 기반의 무선 메시 장비 업체들이 등장, 실내 및 핫스
폿용으로 사용한 무선 LAN을 실외의 광역 도시 네트워크 개념으로 확장시켰으며, 무
선 메시 네트워크를 이용한 u-시티(ubiquitous city) 구축이 활발히 진행되고 있다.