CCNAWLAN

Wireless Fundamental

강사 계영수

본 포스팅은 저의 허락없이 다른 곳에서 사용할 수 없습니다.

안녕하세요 계영수 강사입니다.

이번 강의 포스팅에서는 무선 네트워크(Wireless LAN)의 기초에 대해서 살펴보겠습니다. 참고로 이번 포스팅에서 다루는 주제는 CCNA 시험의 아래와 같은 주제에 대응됩니다.

  • 1.1.d Access Point
  • 1.11.a Non-Overlapping Wi-Fi Channels
  • 1.11.b SSID
  • 1.11.c RF(Radio Frequency)

이번 포스팅 이후에 다른 포스팅에서도 연속적으로 무선 네트워크를 다루겠지만, 이번 포스팅이 무선 네트워크에 대한 전반적인 개요와 기초 과정이 될것 같습니다.

이번 포스팅에서 다룰 내용은 다음과 같습니다.

  1. RF(Radio Frequency, 무선 주파수) 소개: RF는 AM/FM 라디오, 마이크로파, 레이더, 그리고 Wi-Fi 등을 포함하여 다양한 목적으로 할당된 전자기파 주파수의 범위를 말합니다. 우리가 흔하게 사용하는 무선 네트워크가 바로 RF를 이용하여 데이터를 송수신하기 때문에 RF를 이해하는 것이 매우 중요합니다.
  2. IEEE 802.11 무선 표준: 유선 이더넷에 다양한 표준(특히 IEEE 802.~ 로 시작하는 표준들)이 정의가 되어 있는 것처럼, 무선 네트워크에도 다양한 IEEE 표준(무선 네트워크의 표준은 보통 802.11~ 로 시작)이 정의되어 있습니다.
  3. 무선 LAN과 유선 LAN의 차이점: 이번 포스팅에서 기존의 유선 기술이 아닌 무선 기술을 다루기 때문에 새로운 지식이 많이 언급될 예정입니다. 잘 정리하면 좋을 것 같습니다.

참고) ChatGPT에게 물어본 RF의 정의

RF(Radio Frequency, 무선 주파수)는 한마디로 **공기(공간)로 보내는 “전기 신호의 파동”**이에요. 우리가 흔히 말하는 **무선 통신(와이파이, 블루투스, 휴대폰, RFID, 무전기, GPS 등)**은 거의 다 RF를 써서 “선 없이” 정보를 주고받습니다.

1) RF를 아주 쉽게 비유하면
  • 물결(파도): 돌을 던지면 물결이 퍼지죠? RF도 비슷하게 공간으로 퍼지는 파동이에요.
  • 소리도 파동이지만, RF는 **전파(전자기파)**라서 “공기 진동”이 아니라 전기·자기장이 함께 흔들리며 퍼져요.
2) 주파수(Frequency)가 뭐냐
  • 주파수는 **1초에 몇 번 흔들리냐(진동하냐)**예요. 단위는 Hz.
    • 1 kHz = 1,000번/초
    • 1 MHz = 1,000,000번/초
    • 1 GHz = 1,000,000,000번/초
  • RF는 보통 kHz~GHz 대역을 말하는 경우가 많아요(상황에 따라 더 넓게 부르기도 함).
3) 왜 주파수가 중요해?

주파수에 따라 성격이 달라져요(대충 이렇게 기억하면 좋아요):

  • 낮은 주파수(긴 파장)
    • 멀리 가거나 장애물을 비교적 잘 돌아가지만
    • 같은 시간에 담을 수 있는 정보량(대역폭)이 제한적일 때가 많음
  • 높은 주파수(짧은 파장)
    • 더 많은 데이터를 빠르게 보낼 수 있지만(대역폭 유리)
    • 벽/사람/비 같은 것에 더 약해지고, 직진성이 강해짐

예시)

  • AM/FM 라디오: 상대적으로 낮은 주파수 대역을 활용
  • Wi-Fi 2.4GHz: 벽 통과가 비교적 낫고 범위가 넓은 편
  • Wi-Fi 5GHz: 속도/혼잡 측면 유리하지만 벽에 더 약한 편
  • 5G(특히 mmWave): 초고속 가능하지만 도달거리/장애물에 매우 민감
4) RF로 “정보”는 어떻게 실어 보내?

그냥 파동만 보내면 “삐——” 같은 한 가지 신호뿐이죠.
그래서 파동에 변화를 줘서(변조, Modulation) 0과 1 같은 데이터를 실어 보냅니다.

  • 진폭(세기)을 바꾸거나
  • 주파수를 바꾸거나
  • 위상(타이밍)을 바꾸거나

이런 방식으로 데이터가 “파도에 실려” 날아갑니다.

5) RF 시스템을 구성하는 핵심 요소(감 잡기용)
  • 송신기(Tx): 신호를 만들어서 보내는 쪽
  • 수신기(Rx): 신호를 받아서 해석하는 쪽
  • 안테나(Antenna): 전기 신호 ↔ 전파 신호를 바꿔주는 “변환기”
  • 대역폭(Bandwidth): 한 번에 쓸 수 있는 “도로 폭”(넓을수록 고속 가능)
  • 출력(Power): 얼마나 세게 보내냐(세면 멀리 가지만 간섭/전력/규제 이슈)
  • 노이즈/간섭(Noise/Interference): 잡음·혼선(품질/속도를 깎아먹음)

무선 네트워크(Wireless LAN) 소개

먼저 무선 네트워크, 보통 무선 LAN(Wireless LAN) 혹은 WiFi라고 하는 기술에 대해 소개하겠습니다. 다른 유형의 무선 네트워크도 간단히 보겠지만, 이번 포스팅에서는 특히 CCNA 시험 패스에 필요한 수준의 무선 LAN(Wireless LAN) 지식에 집중적으로 설명하려고 합니다.

무선 LAN에 사용되는 표준은 IEEE 802.11에 정의되어 있습니다. (유선 이더넷의 통신 규약들은 대부분 IEEE 802.3 계열에 정의된 것과 같습니다.)

참고로 ‘Wi-Fi’라는 용어는 Wi-Fi Alliance의 상표이며, IEEE 기술적 표준과는 상관없습니다. Wi-Fi Alliance는 장비가 802.11 표준을 준수하고 다른 장치와 상호 운용되는지 테스트하고 인증하는 단체입니다. Wi-Fi 인증은 802.11 기술 표준을 정확히 따르기 때문에, Wi-Fi 인증을 받은 제품간에는 무선 통신에 문제가 없다는 것을 보증하는 것입니다. 사실 오늘날 나오는 무선 제품들은 굳이 Wi-Fi 인증을 받지 않아도, IEEE 802.11를 정확하게 따르기 때문에 모두 훌륭하게 동작합니다. 어쨌든 Wi-Fi 인증을 받은 장치는 영상의 Cisco 무선 액세스 포인트(AP) 뒷면 사진처럼 ‘Wi-Fi Certified’ 마크를 사용할 수 있습니다.

따라서 엄밀히 말하면 802.11 무선 LAN을 지칭할 때 ‘Wi-Fi’라는 용어는 기술적으로 (특히 표준이라는 관점에서…) 정확한 표현은 아닙니다. 하지만 사람들이 802.11 무선 LAN을 지칭할 때 Wi-Fi라는 용어를 일반적으로 사용하므로, 저도 이번 포스팅 포함 향후 무선 포스팅에서 두 용어를 혼용해서 사용하겠습니다.

무선 네트워크의 특징과 문제점

무선 네트워크에는 우리가 해결해야 할 몇 가지 문제점이 있습니다.

1. 무선 LAN 통신의 특성상, 데이터 송수신할때, 공유하는 무선 RF에서 전파의 충돌이 발생할 수 있습니다.(Shared Medium & Collision)

무선 전파가 도달하는 범위 내의 모든 무선 장치는 모든 무선전파(프레임)을 수신합니다. 이는 마치 유선 네트워크에서 이더넷 허브(Ethernet Hub)에 연결된 장치들과 동작 원리와 비슷합니다.

  • 이더넷 스위치: 프레임을 의도한 수신자에게만 전달할 수 있으며, 전이중(Full-duplex) 통신을 지원하여 동시에 송수신이 가능해 충돌이 거의 발생하지 않습니다.
  • 이더넷 허브 & WLAN: 수신한 모든 프레임을 플러딩(Flooding)하며, 여러 장치가 동시에 통신하려 할 때 충돌(Collision)이 발생할 수 있습니다.
  • 무선 신호는 물리적으로 분리된 영역안에 갇혀 있는 것이 아니라 송신 장치로부터 전자기파 형태로 전파(Radiate)되기 때문에, 범위 내의 Wi-Fi 활성 장치들은 해당 프레임을 모두 수신할 수 있습니다.

2. 데이터 보안 (Data Security)

범위 내 모든 장치가 무선 프레임을 수신하므로 LAN 내부의 데이터 프라이버시가 큰 우려 사항이 됩니다.

  • 유선 네트워크에서는 보통 인터넷과 같은 공유 네트워크로 전송할 때만 암호화하지만, 무선 네트워크에서는 송신기의 범위 내에 있는 누구라도 데이터에 접근할 수 있으므로 LAN 내부에서도 데이터를 암호화하는 것이 매우 중요합니다.

3. CSMA/CA (충돌 회피)

충돌을 방지하고 반이중(Half-duplex) 통신을 원활하게 하기 위해 CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)가 사용됩니다.

  • 유선 네트워크의 CSMA/CD(Collision Detection)는 충돌을 감지하고 복구하는 데 사용되지만, 무선 네트워크의 CSMA/CA는 아예 처음부터 충돌이 발생하지 않도록 이를 회피하는 데 동작원리가 사용됩니다.
  • 기본적으로 CSMA/CA를 사용할 때, 장치는 다른 장치가 전송을 멈출 때까지 기다렸다가 데이터를 전송합니다.
CSMA/CA의 간단한 절차:
  1. 송신 장치가 프레임을 조립하고 전송을 준비합니다.
  2. 채널이 비어 있는지 확인하기 위해 듣습니다(Listen).
  3. 채널이 사용 중이면 임의의 시간(Random period) 동안 대기합니다.
  4. 다시 듣습니다. 이번에 채널이 비어 있다면 프레임을 전송합니다.
    * 참고: RTS(Request to Send)와 CTS(Clear to Send) 패킷을 사용하는 선택적 기능도 있지만, CCNA 수준에서는 CSMA/CA가 무선 LAN에서 충돌 회피를 위해 사용된다는 점만 알면 됩니다.)

4. 규제 (Regulation)

무선 통신은 다양한 국제 및 국가 기관에 의해 규제됩니다. 아무 채널에서나 데이터를 전송할 수 없으며, 사용 가능한 채널은 국가마다 다를 수 있습니다. 다행히 802.11 표준은 무선 LAN에 사용할 수 있는 주파수를 명시하고 있습니다.

무선 신호 도달 범위와 RF 현상

무선 연결에서는 케이블 길이나 전자기 간섭 외에도 고려해야 할 요소들이 더 많습니다. 신호가 얼마나 멀리 이동할 수 있는지, 즉 신호 범위(Signal Range)에 영향을 미치는 요소들을 살펴보겠습니다.

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  1. 흡수 (Absorption): 무선 신호가 물체를 통과할 때 열로 변환되어 신호가 약해지는 현상입니다. (예: 벽을 통과할 때 신호가 약해짐)
  2. 반사 (Reflection): 신호가 금속 같은 물질에 부딪혀 튕겨 나가는 현상입니다. (예: 엘리베이터 안에서 Wi-Fi 수신율이 낮은 이유)
  3. 굴절 (Refraction): 신호가 다른 매질로 들어갈 때 속도 차이로 인해 파동이 휘어지는 현상입니다. (예: 물속의 빨대가 휘어 보이는 것과 같은 원리, 유리나 물 등)
  4. 회절 (Diffraction): 파동이 장애물을 만나 그 주위로 돌아가는 현상입니다. 이로 인해 장애물 뒤에 사각지대(Blind spot)가 생길 수 있습니다.
  5. 산란 (Scattering): 신호가 먼지, 스모그, 울퉁불퉁한 표면 등에 의해 사방으로 흩어지는 현상입니다.

이 모든 요소(흡수, 반사, 굴절, 회절, 산란)는 무선 신호의 품질에 영향을 미치므로, 무선 액세스 포인트(AP)의 위치를 계획할 때 반드시 고려해야 합니다. 또한 간섭(Interference)도 중요합니다. 이웃집의 무선 LAN처럼 동일한 채널을 사용하는 다른 장치들이 간섭을 일으킬 수 있습니다.

무선 주파수(RF)의 이해

무선 신호를 보내기 위해 송신기는 안테나에 교류 전류를 가합니다. 이것이 전자기장을 생성하고 파동으로 퍼져 나갑니다.

  • 진폭 (Amplitude): 전기장과 자기장의 최대 세기입니다. 파동의 높이로 생각하면 됩니다.
  • 주파수 (Frequency): 주어진 시간 단위당 위/아래 사이클의 수입니다. 가장 일반적인 단위는 **헤르츠(Hz)**이며, 이는 초당 사이클 수입니다. (KHz, MHz, GHz, THz 등)
  • 주기 (Period): 한 사이클이 걸리는 시간입니다. (예: 주파수가 4Hz이면 주기는 0.25초)
Wi-Fi 주파수 대역

IEEE 802.11 무선 LAN은 주로 두 가지 대역을 사용합니다.

  1. 2.4 GHz 대역: 실제 범위는 2.4 GHz ~ 2.4835 GHz. 개방된 공간에서 더 멀리 도달하고 벽 같은 장애물 투과력이 좋습니다. 하지만 많은 장치가 사용하여 간섭 문제가 더 심할 수 있습니다.
  2. 5 GHz 대역: 실제 범위는 5.150 GHz ~ 5.825 GHz이며 4개의 작은 대역으로 나뉩니다. 2.4 GHz보다 범위는 짧지만 간섭이 적고 속도가 빠른 경향이 있습니다. (참고: Wi-Fi 6(802.11ax)는 6 GHz 대역도 포함합니다.)

무선채널

각 대역은 여러 개의 **채널(Channel)**로 나뉩니다.

2.4 GHz 대역의 채널 중첩 문제

2.4 GHz 대역의 채널들은 서로 **중첩(Overlap)**됩니다. 예를 들어, 채널 1(2401~2423 MHz)은 채널 2, 3, 4, 5와 주파수 범위가 일부 겹칩니다. 인접한 액세스 포인트 간의 간섭을 피하기 위해 겹치지 않는 채널을 선택하는 것이 중요합니다.

  • 권장 채널: 2.4 GHz 대역에서는 1번, 6번, 11번 채널을 사용하는 것이 권장됩니다. 이 세 채널은 서로 겹치지 않습니다.
  • 단일 AP만 있다면 아무 채널이나 써도 되지만, 여러 AP가 있는 대규모 LAN에서는 인접한 AP끼리 겹치지 않는 채널(1, 6, 11)을 사용해야 성능 저하와 간섭을 막을 수 있습니다.
허니콤(Honeycomb) 패턴

1, 6, 11번 채널을 사용하여 AP를 배치할 때 허니콤(벌집) 패턴을 사용합니다.

  • 각 AP의 커버리지 영역(BSA)은 음영 지역을 없애기 위해 약간 겹치게(약 10~15%) 배치하지만, 주파수(채널)는 겹치지 않게 배치하여 AP 간의 간섭을 피합니다.
  • 5 GHz 대역은 겹치지 않는 채널로 구성되어 있어 간섭을 피하기가 훨씬 쉽습니다.

802.11 표준 (Wi-Fi Generations)

1997년 최초의 802.11부터 2019년 802.11ax(Wi-Fi 6)까지 다양한 표준이 있습니다. CCNA 시험을 위해 다음 표준들의 이름, 사용 주파수, 이론적 최대 데이터 속도를 암기하는 것이 좋습니다.

  • 802.11b: 2.4 GHz, 최대 11 Mbps
  • 802.11a: 5 GHz, 최대 54 Mbps
  • 802.11g: 2.4 GHz, 최대 54 Mbps
  • 802.11n (Wi-Fi 4): 2.4/5 GHz, 최대 600 Mbps
  • 802.11ac (Wi-Fi 5): 5 GHz, 최대 6.93 Gbps
  • 802.11ax (Wi-Fi 6): 2.4/5/6 GHz, 최대 9.6 Gbps

(참고: 802.11n은 Wi-Fi 4, ac는 Wi-Fi 5, ax는 Wi-Fi 6라고 부르지만, Wi-Fi 1, 2, 3은 공식 명칭이 없습니다.)

서비스 세트 (Service Sets)

802.11은 무선 네트워크 장치 그룹인 서비스 세트(Service Set)를 정의합니다. 모든 서비스 세트의 장치는 동일한 SSID(Service Set Identifier)를 공유합니다. SSID는 사람이 읽을 수 있는 네트워크 이름입니다
(예: “MyHome”).

  1. IBSS (Independent Basic Service Set):
    • AP 없이 두 개 이상의 무선 장치가 직접 연결되는 방식입니다.
    • Ad-hoc 네트워크라고도 부릅니다.
    • Apple의 AirDrop 같은 파일 전송에 주로 사용되며, 확장성이 낮습니다.
  2. BSS (Basic Service Set):
    • 인프라스트럭처(Infrastructure) 모드의 일종입니다.
    • 클라이언트들이 서로 직접 연결되지 않고 AP를 통해 연결됩니다.
    • BSSID (Basic Service Set ID): AP를 고유하게 식별하는 ID로, AP 무선 인터페이스의 MAC 주소입니다. (SSID는 같을 수 있어도 BSSID는 유일해야 합니다.)
    • BSA (Basic Service Area): AP의 신호가 도달하여 사용 가능한 물리적 영역을 뜻합니다. (BSS는 장치 그룹, BSA는 물리적 영역)
  3. ESS (Extended Service Set):
    • 단일 AP의 범위를 넘어 더 큰 무선 LAN을 만들기 위해 사용합니다.
    • 여러 개의 BSS가 모여 하나의 ESS를 형성합니다.
    • AP들은 유선 네트워크(스위치 등)로 연결됩니다.
    • 모든 BSS는 동일한 SSID를 사용하지만, 서로 다른 BSSID와 서로 다른 채널(간섭 방지)을 사용합니다.
    • 로밍(Roaming): 클라이언트가 AP 사이를 이동할 때 재연결할 필요 없이 끊김 없는 연결을 제공합니다. 이를 위해 BSA 간에 약 10~15%의 중첩 영역이 필요합니다.
  4. MBSS (Mesh Basic Service Set):
    • 모든 AP에 이더넷 케이블을 연결하기 어려울 때 사용합니다.
    • 메시 AP는 두 개의 라디오를 사용합니다. 하나는 클라이언트 연결용(BSS 제공), 다른 하나는 AP 간의 백홀(Backhaul) 네트워크 형성용입니다.
    • RAP (Root Access Point): 유선 네트워크에 연결된 AP.
    • MAP (Mesh Access Point): 무선으로 연결된 AP들.
    • 트래픽은 MAP에서 MAP를 거쳐 RAP로 전달되어 유선 네트워크로 나갑니다.

무선과 유선의 연결 및 AP 모드

DS (Distribution System)

802.11에서 업스트림 유선 네트워크를 DS라고 부릅니다.

  • 각 무선 BSS 또는 ESS는 유선 네트워크의 VLAN에 매핑됩니다.
  • 예: “Sales Wi-Fi” SSID는 유선 네트워크의 VLAN 10에 매핑됨.
  • 하나의 AP가 여러 개의 무선 LAN(여러 SSID)을 제공할 수도 있습니다. 이때는 스위치와 **트렁크(Trunk)**로 연결하여 각 SSID를 서로 다른 VLAN에 매핑합니다. (예: 직원용 Wi-Fi는 VLAN 10, 게스트 Wi-Fi는 VLAN 11)
기타 AP 모드
  1. 리피터 (Repeater): AP의 신호를 단순히 재전송하여 BSS 범위를 확장합니다. 단일 라디오 리피터는 송수신을 같은 채널에서 번갈아 하므로 대역폭이 50%로 줄어듭니다.
  2. 워크그룹 브리지 (Workgroup Bridge, WGB): 무선 기능이 없는 유선 장치를 무선 네트워크에 연결해 줍니다. WGB가 AP의 무선 클라이언트 역할을 하고, 유선 장치는 WGB에 연결됩니다.
    • uWGB (Universal WGB): 한 장치만 연결 가능 (표준).
    • WGB (Cisco): 여러 유선 클라이언트 연결 가능 (Cisco 전용).
  3. 아웃도어 브리지 (Outdoor Bridge): 물리적 케이블 없이 장거리 네트워크를 연결할 때 사용합니다. 지향성 안테나를 사용합니다.
    • Point-to-Point: 두 지점 연결.
    • Point-to-Multipoint: 중앙 사이트와 여러 사이트를 연결 (Hub-and-spoke).

퀴즈

질문 1: 2.4 GHz 대역을 사용할 때, 여러 AP를 사용하는 경우 어떤 채널들을 선택해야 합니까?

정답: 1, 6, 11
널 1, 6, 11은 서로 겹치지 않으므로 AP가 서로 가까이 있어도 간섭을 피할 수 있습니다.

질문 2: 기업 네트워크가 주로 유선인 경우, 네트워크에서 AP의 목적은 무엇입니까?

정답: 무선 장치를 유선 네트워크에 연결하기 위해
해설: 802.11에서 유선 네트워크는 DS(Distribution System)라고 하며, AP의 주된 역할은 무선 장치를 이 유선 네트워크에 연결하는 것입니다.

질문 3: 무선 LAN에서 일반적으로 사용되는 대역은 무엇입니까? (2개 선택)

정답: A. 2.4 GHz, D. 5 GHz

질문 4: ESS에 대한 설명 중 옳은 것은 무엇입니까? (2개 선택)

정답: 각 BSS는 고유한 BSSID를 사용한다. 로밍은 AP 간 이동 시 끊김 없는 연결을 제공한다.
해설: 각 BSS는 동일한 SSID를 사용해야 하며(A 오답), 인접한 AP는 간섭을 피하기 위해 겹치지 않는 채널을 사용해야 합니다(D 오답).

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