호수 아래의 세상, Wi-Fi 네트워크의 매체 접근 제어
호수 아래의 세상, Wi-Fi 네트워크의 매체 접근 제어
  • 이기석/ 컴공 박사후연구원
  • 승인 2013.04.10 15:54
  • 댓글 0
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무선 데이터 전송시스템 (Wi-Fi)

유유히 호수 위를 떠다니는 오리의 모습을 보면 평화롭다는 생각이 들지만 호수 아래의 발은 쉴새없이 움직이고 있다. 우리대학 구성원들이 많이 사용하는 스마트폰의 세상도 이와 비슷하다는 사실을 알고 있는가? WiFi Zone에서 스마트폰으로 인터넷을 사용하면 클릭 한 번에 빛의 속도로 원하는 정보를 보여준다. 이것이 우리가 볼 수 있는 호수 위의 스마트한 세상이다. 하지만 이러한 정보를 주고받기 위해 스마트폰은 매 순간 수많은 경쟁을 반복해야 한다. 본 기사에서는 스마트폰의 호수 아래 세상, Wi-Fi 네트워크의 매체 접근 제어에 대해서 이야기해보도록 하겠다.

IEEE 802.11 표준 매체 접근 제어
무선 네트워크 기기들은 정보 전송을 위해 특정 주파수 대역의 전파를 사용한다. 하지만, 여러 개의 기기들이 동시에 같은 주파수 대역을 사용할 수는 없다. 여러 개의 전파가 같은 주파수 대역에서 섞이면 받는 쪽에서 해석을 할 수 없는 신호가 되어버리기 때문이다. 그래서 같은 주파수 대역을 사용하는 기기들의 전송이 겹치지 않게 조절하는 과정이 필요한데, 이것이 매체 접근 제어다. 현재 가장 널리 사용되는 무선 네트워크는 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)라는 국제 전기전자분야 학술기구 내에서 LAN(Local Area Network)/MAN(Metropolitan Area Network) 관련 표준에 대해 논의하는 802위원회의 11번째 워킹 그룹이 제정한 매체 접근 제어 표준을 사용한다. 표준의 이름은 그룹의 이름을 그대로 딴 IEEE 802.11이라 불리지만, 우리에게는 IEEE 802.11 표준을 적용한 제품을 인증해주는 동업 조합인 WiFi Alliance의 상표명 “Wi-Fi”로 더 잘 알려져 있다. IEEE 802.11의 매체 접근 제어 방식은 매우 간단하다는 장점을 가지고 있다. 이러한 장점 덕분에 제작비용이 저렴하여 현재 가장 널리 사용되는 무선 네트워크이다.

CSMA/CA 방식과
Birthday paradox
IEEE 802.11은 CSMA(Carrier Sense Multiple Access, 반송파 감지 다중 액세스)/CA(Collision Avoidance, 충돌 방지)라 불리는 매체 접근 제어 방식을 사용한다. CSMA/CA의 동작은 다음과 같다. 가장 기본 동작은 다른 전송을 방해하지 않기 위해 전송하기 전에 항상 사용하는 주파수 대역에 다른 전송이 있는지 확인하는 Carrier Sensing이다. 하지만 Carrier Sensing으로 전송이 확인되지 않는 경우, 아무런 동작 없이 모두 동시에 전송을 시작하게 되면 서로 충돌이 일어날 수 있다. 이를 방지하기 위한 동작이 무작위로 선택된 유닛시간만큼 대기했다가 전송을 수행하는 Backoff이다. Backoff 동작을 통해 선택한 유닛 시간의 길이가 다른 경우에는 충돌을 피할 수 있게 되는 것이다. 여러분이 가지고 있는 스마트폰은 WiFi Zone에서 전송을 할 때 마다 CSMA/CA 동작을 계속해서 반복하고 있다. 하지만 불행히도 CSMA/CA는 기기들 간의 충돌을 효율적으로 제어하지 못한다. 같은 주파수 대역을 쓰는 기기들이 많아질수록 같은 시간만큼 Backoff 동작을 수행하여 서로 전송을 방해할 확률이 급격히 높아지기 때문이다.
CSMA/CA의 비효율성은 확률이론의 ‘Birthday paradox’를 통해 쉽게 이해할 수 있다. 축구 경기 중 축구장 안에는 양 팀 각 11명의 선수와 주심을 포함해 23명이 경기에 참여하게 된다. 이들 중 생일이 같은 사람이 있을 확률은 얼마일까? 1년은 365일, 사람의 수는 23명. 얼핏 보기에는 생일이 같은 사람이 있을 확률이 10%도 되지 않아 보인다. 하지만 이 경우 생일이 같은 사람이 있을 확률이 50% 이상으로, 없을 확률보다 높다. CSMA/CA의 경우 0에서 31중 무작위로 선택한 정수배 만큼의 단위 시간 동안 Backoff를 수행한다. Birthday paradox와 같은 원리로 생각해 보았을 때, 경쟁 기기의 수가 많아질수록 같은 시간 동안 Backoff를 수행할 확률이 급격하게 높아지게 된다. 일반적으로 경쟁하는 기기들의 수가 5개가 넘어가게 되면, 전송 간의 충돌이 많이 일어나 매우 비효율적으로 동작하게 된다. 여러분이 구입한 AP를 여러 사람들이 함께 사용할 때 인터넷이 느려지고 자주 끊어지는 상황이 발생하는 이유가 바로 여기에 있다.

Backoff 기간 제어를 통한
충돌 회피 방식
그렇다면 네트워크 분야의 연구자들은 이 문제를 해결하기 위해 어떤 노력을 했고 또 하고 있을까? IEEE 802.11 표준에서는 전송이 방해받을 때마다 Backoff 기간의 선택 범위를 2배로 늘리는 방식을 제안하고 있다. 예를 들어, 한번 전송 방해를 받으면 0에서 31 사이에서 Backoff 기간을 선택하는 것이 아니라 0에서 63 사이에서 기간을 선택하는 것이다. 같은 맥락에서 경쟁자 수에 맞추어 처음 Backoff 기간의 선택 범위를 조절하자는 연구도 있었다. 예를 들어, 경쟁자가 적을 때는 0에서 31보다 작은 범위에서, 경쟁자가 많을 때는  보다 큰 범위에서 Backoff 기간을 선택하는 전략이다. 하지만 Birthday paradox에서 알 수 있듯이 선택 범위를 넓히는 것은 같은 Backoff 시간선택의 확률을 효율적으로 줄이지 못한다. 이를 보완하기 위해서 나온 방식이 여러번의 짧은 Backoff 반복하여 경쟁자를 매번 줄여나가는 방식이다. 매번 짧은 Backoff를 통해 경쟁자가 1/3 씩 줄어든다면, Backoff를 서너 번만 반복하더라도 (1/3)3, (1/3)4가 되어 전송 방해 확률을 크게 줄일 수 있다. 하지만 기존의 IEEE 802.11 표준과 크게 다른 방식으로 동작하여야 하기 때문에 실용화하기 어렵다는 단점을 가지고 있다. 이미 사용 중인 IEEE 802.11 기반의 기기들을 모두 버릴 수는 없기 때문이다. 안타깝지만 현실에서는 좋은 기술이 항상 환영받는 것은 아니다.

Backoff 시간 정보교환을 통한
충돌 회피 방식
또 다른 것으로는 자신이 Backoff할 시간을 미리 알려주는 방식이 있다. 전송을 하면서 작은 정보를 담아 주변 기기들에게 모두 알려주는 것이다. 이미 사용 중인 IEEE 802.11 기반 기기들과 공존도 가능하며 가장 확실하고 직접적인 방식이지만, 기기들 간의 거리, 무선 잡음이나 장애물 등 다양한 이유에서 Backoff할 시간 정보를 올바르게 알지 못하는 경우가 발생할 수 있다는 단점도 가지고 있다. 여기에 필자는 명시적인 정보교환 없이 주변 기기들의 Backoff할 시간을 알아내는 방법을 제안했다.
IEEE 802.11 표준에서는 항상 Backoff 할 시간을 무작위로 선택하기 때문에 명시적인 정보교환 없이 주변 기기들의 Backoff 시간을 알아내기 힘들다는 단점이 있다. 하지만 모든 기기들이 전송 후 다음 전송을 위해 항상 같은 시간동안 Backoff를 수행한다면, 주변 기기들의 Backoff 시간을 충분히 예측하고 피할 수 있다. 이 방식의 장점은 약간의 수정만으로 IEEE 802.11 기반의 기기들에 적용할 수 있을 뿐만 아니라, 현재 사용중인 IEEE 802.11 기기들과도 아무런 문제없이 동작할 수 있기 때문에 점진적인 교체가 가능하다. 이 문제는 IEEE 802.11의 핵심적인 과제로, 현재도 다양한 방식의 해결 방법들이 연구되고 있다.

우리가 매일 사용하고 있는 스마트폰과 무선 네트워크에 대해 공학도로서의 흥미와 더불어 상식적인 내용을 전달하기 위해 본 기사를 작성했다. 필자가 애청하는 TV 프로그램으로 개그콘서트에 “We can 척”이라는 코너가 있다. 내용을 전혀 알지 못해도 단어 몇 개만 알면 마치 다 아는 척을 할 수 있다는 내용이다. “Wi-Fi, 그거 상표명이야”, “랜덤 Backoff 충돌확률이 높으니까, 내 AP를 사용하지 마”, “Birthday Paradox 알아?” 등, 이 정도만 이야기할 수 있다면 어디에 가든지 IEEE 802.11 표준에 대해서 아는 척을 할 수 있을 것이라 생각한다. 이상 스마트폰 무선 네트워크의 호수 아래 세상 이야기였다.


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