Wi-Fi (IEEE 802.11)
wifi
IEEE 802.11은 무선 LAN(Wireless LAN)을 위한 대표적인 표준으로, 여러 세대에 걸쳐 진화해 왔다. 각 세대는 최대 전송 속도, 통신 거리, 그리고 사용 주파수 대역에서 차이를 보이며, 사용 환경과 목적에 따라 적절한 규격이 선택된다. 가장 초기형인 802.11b는 1999년에 등장했으며, 2.4GHz 대역에서 최대 11Mbps의 속도와 약 30미터의 통신 범위를 제공했다. 이후 2003년에는 속도를 크게 개선한 802.11g가 같은 2.4GHz 대역에서 최대 54Mbps를 지원하게 되었고, 호환성을 유지하면서 더 빠른 데이터 전송이 가능해졌다.
2009년에 등장한 802.11n, 일명 Wi-Fi 4는 두 가지 주파수 대역(2.4GHz, 5GHz)을 모두 지원하고, 최대 600Mbps의 속도와 70미터에 이르는 거리 확장으로 큰 성능 향상을 이뤘다. 이후 802.11ac (Wi-Fi 5)는 2013년에 발표되었고, 5GHz 전용으로 동작하면서 3.47Gbps까지 속도를 끌어올렸으며, 여전히 70미터의 범위를 유지했다.
가장 최근 표준 중 하나인 802.11ax, 즉 Wi-Fi 6는 2020년을 기준으로 최대 14Gbps에 달하는 속도를 지원하며, 2.4GHz와 5GHz를 모두 사용하는 듀얼밴드 구조로 설계되었다. 이외에도 일반적인 가정용 Wi-Fi 범위를 넘어서 새로운 용도를 겨냥한 표준들도 있다. 예를 들어 802.11af는 기존에 사용되지 않던 TV 대역(54790MHz)을 이용하여 1킬로미터 거리까지 통신이 가능하며, 35560Mbps의 전송 속도를 제공한다. 또 802.11ah는 900MHz 대역을 활용하며, 비슷하게 1킬로미터의 넓은 커버리지를 제공하면서도 347Mbps까지 속도를 낼 수 있다. 이러한 표준은 IoT나 장거리 저전력 통신에 적합한 설계를 목표로 한다.
이들 모든 IEEE 802.11 규격은 공통적으로 CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 방식의 다중 접속 제어 방식을 채택하고 있으며, 인프라 구조(기지국을 통해 연결되는 방식)와 애드혹 구조(노드 간 직접 연결 방식)를 모두 지원하는 설계를 기반으로 한다. 이는 무선 환경에서 충돌을 피하고 효율적인 채널 사용을 보장하기 위한 핵심적인 접근 방식이다.
802.11 무선 LAN에서의 기본 통신 구조는 크게 두 가지 방식으로 나뉘며, 그중 하나가 바로 인프라스트럭처 모드(infrastructure mode)이다. 이 모드에서는 무선 호스트(예: 스마트폰, 노트북 등)들이 액세스 포인트(AP, Access Point)와 직접 통신하며, 이 AP가 다시 유선 네트워크(예: 스위치, 라우터)를 통해 인터넷에 연결된다. 이와 같이 하나의 AP와 그에 연결된 무선 호스트들이 구성하는 하나의 단위를 BSS (Basic Service Set), 또는 흔히 셀(cell)이라고 부른다. BSS는 무선 네트워크의 가장 기본적인 구성 단위로, 하나의 셀 안에서는 모든 장치가 같은 AP와 연결되어 통신한다.
예를 들어, 도서관 1층과 2층에 각각 설치된 Wi-Fi AP가 있다고 가정하면, 1층은 BSS 1, 2층은 BSS 2로 나눌 수 있다. 각 BSS는 독립된 무선 네트워크 셀이며, 무선 호스트들은 자신의 위치나 수신 강도에 따라 가까운 AP에 연결된다. 무선 호스트가 한 BSS에서 다른 BSS로 이동하면, 핸드오프(handoff)와 같은 절차를 통해 연결이 전환된다.
반면, 애드혹(ad hoc) 모드에서는 AP 같은 중앙 노드가 존재하지 않으며, 무선 호스트들끼리 직접 연결되고 서로 데이터를 주고받는다. 이 모드에서는 각 노드가 다른 노드와 직접 통신하며 자체적으로 네트워크를 구성하는 구조이기 때문에, 작은 임시 네트워크를 빠르게 구성할 수 있지만, 확장성과 연결 안정성 측면에서는 인프라 모드에 비해 제약이 있다.
IEEE 802.11 무선 LAN에서는 사용 가능한 전체 주파수 대역이 여러 개의 채널(channel)로 나뉘어 있으며, 각 채널은 서로 다른 주파수를 사용한다. 예를 들어 2.4GHz 대역에서는 1번부터 13번까지의 채널이 존재하고, 5GHz 대역은 더 많은 비중의 채널을 제공한다. 일반적으로 AP(Access Point) 관리자가 어떤 채널을 사용할지 직접 설정하게 되는데, 만약 인접한 AP들 간에 같은 채널을 선택하게 되면 서로 간섭(interference)이 발생할 수 있다. 이는 특히 사람이 많은 환경에서 Wi-Fi 성능 저하의 원인이 된다.
한편, 새로운 무선 호스트(예: 스마트폰, 노트북 등)가 네트워크에 접속하려고 할 때 먼저 자신이 연결할 AP를 탐색하고 선택(association)하는 절차를 거친다. 이 과정은 다음과 같은 순서로 진행된다.
먼저, 호스트는 다양한 채널을 스캔(scan)하면서 AP가 주기적으로 전송하는 비콘 프레임(beacon frame)을 수신한다. 이 프레임에는 해당 AP의 SSID(네트워크 이름)와 MAC 주소 등의 정보가 담겨 있다. 호스트는 이 정보를 바탕으로 어떤 AP에 연결할지를 결정하고, 그 AP에 association request를 전송해 연결을 요청한다.
연결이 수락되면 이후 보통 인증(authentication) 절차가 수행되며, 이는 다음 장(Chapter 8)에서 자세히 다루게 된다. 인증이 끝나면, 호스트는 보통 DHCP 프로토콜을 통해 IP 주소를 자동으로 할당받는다. 이 IP 주소는 선택한 AP가 속한 서브넷 내에서 발급되며, 이를 통해 무선 호스트는 본격적으로 인터넷에 접속할 수 있게 된다.
IEEE 802.11 표준의 2.4GHz 대역은 대략 2.400GHz에서 2.484GHz 사이의 주파수를 사용하며, 이 범위 안에 최대 14개의 채널이 존재한다. 각 채널은 약 22MHz의 대역폭을 차지하고 있고, 중심 주파수는 5MHz 간격으로 떨어져 있다. 예를 들어, 채널 1은 2.412GHz, 채널 6은 2.437GHz, 채널 11은 2.462GHz를 중심으로 한다.
하지만 중요한 점은, 이 채널들이 서로 대역폭이 겹친다는 점이다. 즉, 채널 1과 채널 2는 중심 주파수는 다르지만 사용하는 실제 주파수 범위가 겹치기 때문에 간섭(interference)이 발생할 수 있다. 이러한 간섭을 피하기 위해, 일반적으로는 채널 1, 6, 11과 같이 서로 간섭이 없는 비중첩 채널(non-overlapping channels)만을 선택해서 사용하는 것이 Wi-Fi 설계에서의 기본 원칙이다.
한국이나 미국에서는 채널 1부터 11까지만 일반적으로 사용 가능하고, 일본은 채널 14까지도 허용되지만, 대부분의 기기나 네트워크 환경에서는 1, 6, 11이 가장 흔히 선택된다. 이 다이어그램은 채널 설계 시 AP 간 간섭을 줄이고 네트워크 품질을 높이기 위한 중요한 기초 자료로 쓰이며, 특히 여러 개의 AP를 설치해야 하는 환경(예: 학교, 사무실, 기숙사 등)에서는 이 채널 구성을 신중하게 고려해야 한다.
무선 호스트가 새롭게 네트워크에 접속하려면, 먼저 주변에 존재하는 AP를 찾아야 한다. 이를 위해 802.11에서는 스캐닝(scanning)이라는 절차를 수행하며, 방식은 passive(수동) 방식과 active(능동) 방식 두 가지가 있다.
Passive scanning에서는 무선 호스트(H1)가 먼저 아무것도 전송하지 않고, 단순히 여러 채널을 순차적으로 청취(listen)한다. 각 AP는 주기적으로 beacon frame이라는 신호를 전송하는데, 이 비콘 프레임에는 해당 AP의 SSID(네트워크 이름), MAC 주소, 지원 기능 등이 포함되어 있다. H1은 이 프레임을 수신하고, 이 중에서 연결할 AP를 선택한다. 선택이 끝나면, H1은 해당 AP로 association request 프레임을 전송하고, AP는 이에 대해 association response를 응답함으로써 연결 절차가 완료된다. 이 방식은 조용히 AP를 찾는 방식이라 간섭이 적고, 배터리 소모도 적지만, 비콘 전송 주기를 기다려야 하므로 시간이 더 걸릴 수 있다.
반면, Active scanning에서는 H1이 먼저 각 채널에 대해 probe request 프레임을 브로드캐스트한다. 그러면 각 AP는 이에 반응하여 자신을 알리는 probe response 프레임을 H1에게 보낸다. 이 응답들을 모두 받은 후, H1은 가장 적합한 AP를 선택하여 association request를 전송하고, AP는 association response로 응답하면서 연결이 완료된다. 이 방식은 더 빠르게 연결할 수 있지만, H1이 먼저 신호를 내보내기 때문에 조금 더 많은 전력을 소모하고, 네트워크에 간섭을 줄 수도 있다.
두 방식 모두 최종적으로는 AP와의 연결(association)을 확립하는 동일한 목표를 갖고 있으며, 그 차이는 AP를 발견하는 방식과 초기 통신의 주체가 누구냐에 있다. 실제 기기에서는 상황에 따라 이 두 방식을 적절히 혼합해서 사용하기도 한다.
802.11 무선 네트워크에서 가장 중요한 과제 중 하나는 충돌(collision)을 피하는 것이다. 무선 호스트가 둘 이상 동시에 데이터를 전송하려고 하면 충돌이 발생할 수 있기 때문에, 이를 방지하는 메커니즘이 반드시 필요하다. 이를 위해 802.11에서는 CSMA (Carrier Sense Multiple Access) 방식을 사용한다. 이는 말 그대로 전송하기 전에 먼저 채널을 감지(sense)해서 다른 노드가 이미 전송 중이라면 자신은 기다리는 방식이다. 즉, 누가 먼저 사용하는지 살펴보고, 비어 있을 때만 전송을 시작하는 것이다.
하지만 이 방식은 유선 이더넷에서 사용하는 CSMA/CD (Collision Detection)처럼 충돌을 감지해서 중단하는 방식은 사용하지 않는다. 그 이유는 무선 환경에서는 충돌 감지가 매우 어렵기 때문이다. 예를 들어, 자신이 전송하는 강한 신호 때문에 수신기의 약한 응답을 감지하지 못하거나, 신호가 약해져 사라지는 페이딩(fading) 현상 때문에 충돌이 감지되지 않을 수 있다. 또한, 숨겨진 단말(hidden terminal) 문제처럼 두 노드가 서로의 존재를 알 수 없을 때도, 충돌을 감지하는 것이 불가능하다.
따라서 802.11은 충돌을 감지하기보다는 충돌을 사전에 회피(Avoidance)하는 방식인 CSMA/CA (Collision Avoidance)를 채택하고 있다. 이 방식은 채널이 비어 있는지 먼저 확인하고, 전송 전에 일정 시간을 기다리는 방식으로 충돌 가능성을 줄인다.
슬라이드 하단의 그림은 이러한 문제를 보여주는 예시다. 노드 A와 B는 서로의 신호를 감지할 수 있고, B와 C도 서로의 신호를 감지할 수 있지만, A와 C는 서로의 존재를 인식하지 못하는 상황이다. 이 상태에서 A와 C가 동시에 B에게 데이터를 전송하면 충돌이 발생하지만, A와 C는 서로를 볼 수 없기 때문에 충돌 가능성을 알지 못한다. 이처럼 무선 환경에서는 공간적 분리로 인해 감지되지 않는 충돌이 존재하며, 이것이 유선과는 다른, 무선 환경에서의 CSMA/CA 설계의 이유다.
802.11에서는 CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)라는 방식을 통해 무선 노드 간 충돌을 피하려고 한다. 기본 아이디어는 “채널이 비어 있는지 먼저 듣고, 비어 있으면 보내고, 아니면 기다려라”는 매우 직관적인 전략이지만, 무선 환경에서는 이 전략을 조금 더 정교하게 구현해야 한다.
전송 절차는 다음과 같이 이루어진다.
먼저 송신자는 채널이 비어 있는지 감지(sense)한다. 만약 채널이 일정 시간(DIFS, Distributed Inter-Frame Space) 동안 비어 있다면, 송신자는 전체 데이터를 곧바로 전송한다. 이때는 충돌 감지(collision detection)는 하지 않는다. 왜냐하면 무선 환경에서는 송신하면서 동시에 충돌을 감지하는 것이 거의 불가능하기 때문이다.
하지만 만약 채널이 이미 사용 중이라면, 송신자는 바로 전송하지 않고, 랜덤한 백오프 타이머(random backoff time)를 설정하고 기다린다. 이 타이머는 채널이 다시 비게 될 때까지 멈춘 상태로 있다가, 채널이 비면 다시 타이머가 감소하기 시작한다. 타이머가 0이 되면, 그때 데이터 전송을 시도하게 된다. 이는 여러 노드가 동시에 대기하는 상황에서 충돌을 피하기 위해 무작위성을 부여한 장치다.
데이터를 전송한 후, 수신자는 데이터 프레임을 잘 받았으면 일정 시간(SIFS, Short Inter-Frame Space)이 지난 뒤 ACK(응답 프레임)을 송신자에게 보내 응답한다. 이 ACK는 숨겨진 단말(hidden terminal) 문제를 해결하는 데 필수적이다. 왜냐하면 송신자는 자신이 전송한 패킷이 성공적으로 전달되었는지 직접 감지할 수 없기 때문에, ACK를 통해 간접적으로 확인하는 방식이 필요하다. 만약 ACK가 오지 않으면, 송신자는 충돌이 났다고 판단하고 백오프 타이머 범위를 더 늘려서 다시 전송을 시도한다.
이러한 방식은 충돌을 완벽히 방지할 수는 없지만, 충돌 가능성을 최소화하면서도 무선 환경의 제약을 고려한 현실적인 설계라 할 수 있다. 특히 숨겨진 단말 문제를 고려한 ACK 절차와, 랜덤 백오프 메커니즘은 802.11에서 핵심적인 신호 제어 방식이다.
무선 환경에서는 두 노드가 서로의 존재를 감지하지 못하고 동시에 전송을 시도해 충돌이 발생하는 숨겨진 단말(hidden terminal) 문제가 빈번하게 발생한다. 이를 해결하기 위해 IEEE 802.11은 CSMA/CA 외에도 RTS/CTS(Request to Send / Clear to Send)라는 추가 메커니즘을 제공한다. 이 방식의 핵심 아이디어는, 송신자가 본격적인 데이터 프레임을 보내기 전에 채널 사용을 예약(reservation)한다는 것이다.
구체적인 절차는 다음과 같다. 먼저 송신자는 데이터 프레임을 전송하기 전에 작고 짧은 크기의 RTS 프레임을 AP 또는 기지국(base station)에 전송한다. 이 RTS 프레임은 여전히 CSMA를 사용하여 보내기 때문에, 기존처럼 먼저 채널이 비어 있는지 감지하는 과정은 유지된다. 그러나 중요한 점은, 만약 이 RTS가 다른 노드의 RTS와 충돌하더라도, 그 피해는 비교적 작다는 점이다. 데이터 프레임에 비해 매우 짧기 때문에 시간적으로나 자원적으로 손실이 적다.
RTS를 받은 기지국은 해당 송신자에게 CTS 프레임(Clear to Send)을 방송 형태로 전송한다. 이 CTS는 주변의 모든 노드가 들을 수 있도록 전송되기 때문에, 해당 CTS를 받은 노드들은 이제 이 채널이 일정 시간 동안 예약되었음을 알게 된다. 따라서 다른 노드들은 이 기간 동안 전송을 유보(defer)하고, 충돌을 피할 수 있게 된다. CTS를 받은 송신자는 이제 자신이 보낼 전체 데이터 프레임을 안전하게 전송할 수 있다.
이 과정은 마치 무선 채널을 미리 “예약”하고 나서 사용한다고 볼 수 있으며, 특히 숨겨진 단말 문제처럼 송신자 간에 서로의 존재를 감지할 수 없는 상황에서 매우 효과적이다. 비록 RTS/CTS를 사용하는 경우에도 RTS들끼리는 충돌할 수 있지만, 이 충돌이 짧고 빠르게 해결될 수 있다는 점에서 전체적인 충돌 확률과 충돌 비용을 크게 줄여준다.
무선 환경에서의 충돌 회피를 위한 RTS/CTS 교환 과정(RTS-CTS exchange)은, 데이터 전송 전에 채널을 미리 예약하는 방식으로 숨겨진 단말 문제를 해결하고자 한다. 이 슬라이드는 노드 A와 B가 같은 AP(액세스 포인트)에 연결되어 있고, 동시에 데이터를 전송하려는 상황을 가정하고 있다.
먼저, 노드 A는 채널이 비어 있는 것을 감지하고, RTS(Request to Send) 프레임을 AP에 전송한다. 이때 마침 노드 B도 비슷한 시점에 자신의 RTS(B)를 보내려고 하지만, 이미 A의 RTS가 먼저 전송되었기 때문에 B의 시도는 실패하거나 충돌할 수 있다. 그러나 이 충돌은 RTS가 매우 짧은 프레임이기 때문에 큰 손실을 유발하지 않는다.
AP는 A의 RTS를 수신하고, 이에 대해 CTS(Clear to Send) 프레임을 전송한다. 이 CTS는 브로드캐스트 형태로 전송되기 때문에, 근처에 있는 모든 노드—즉, B를 포함한 다른 노드들—도 이 CTS(A)를 듣고 인지할 수 있다. 그 결과, 노드 B는 현재 채널이 노드 A에게 예약되었다는 것을 알게 되고, 자신은 전송을 유보(defer)하게 된다.
그 이후 노드 A는 AP에게 DATA 프레임을 전송하고, AP는 성공적으로 수신했음을 나타내는 ACK(A)를 A에게 돌려준다. 이 일련의 과정은 무선 환경에서 발생할 수 있는 충돌을 사전에 방지하면서도, 채널의 효율적인 이용을 가능하게 해준다.
핵심은 RTS와 CTS를 통해 다른 노드들에게 “지금 이 채널은 예약되었어요”라는 정보를 전달하고, 그 정보에 따라 다른 노드들이 전송을 억제함으로써 충돌 가능성을 낮춘다는 점이다. 특히, A와 B처럼 서로의 신호를 감지할 수 없는 숨겨진 단말(hidden terminal) 상황에서도 CTS가 전파되기 때문에 B는 A의 존재를 인식하고 전송을 피할 수 있다.
802.11 무선 LAN에서 전송되는 프레임의 구조는 매우 정교하게 설계되어 있으며, 특히 네트워크 상에서 어떤 장치가 송신자인지, 수신자인지, 어떤 라우터를 거치는지 등을 명확하게 구분할 수 있도록 여러 개의 주소 필드를 포함하고 있다. 이 프레임 구조에서 가장 중요한 특징 중 하나는, 최대 4개의 MAC 주소 필드가 존재한다는 점이다.
먼저, Address 1은 현재 프레임의 최종 수신자의 MAC 주소다. 예를 들어, AP가 무선 호스트에게 데이터를 보낸다면, Address 1은 해당 무선 호스트의 MAC 주소가 된다. 반대로, 무선 호스트가 AP에게 프레임을 보낸다면 Address 1은 AP의 주소가 된다.
Address 2는 이 프레임의 송신자의 MAC 주소다. 즉, 실제로 이 프레임을 전송하고 있는 장치의 주소를 나타낸다. 예를 들어 무선 호스트가 프레임을 보내고 있다면, 이 필드에는 그 호스트의 MAC 주소가 들어간다.
Address 3은 이 프레임이 속한 최종 목적지 또는 출처를 식별하는 MAC 주소다. 이는 일반적으로 유선 네트워크 상의 라우터 인터페이스의 주소가 들어가며, 무선 구간을 지나 유선망으로 들어가거나 반대로 유선망에서 무선망으로 전환될 때 중요하게 사용된다.
마지막으로, Address 4는 일반적인 인프라스트럭처 모드에서는 사용되지 않고, 애드혹(ad hoc) 모드에서만 사용된다. 이 경우, 네트워크에 중심이 되는 AP 없이 호스트 간 직접 통신이 이루어지기 때문에, 출발지와 목적지를 더 명확히 구분하기 위한 추가 주소가 필요한 것이다.
위에 있는 필드 구조를 보면, 프레임의 가장 앞에는 frame control과 duration 필드가 있다. 뒤쪽에는 payload(데이터)와 오류 검출을 위한 CRC(Cyclic Redundancy Check)가 따라온다. 그리고 그 사이에 있는 여러 개의 주소 필드가 프레임의 흐름과 라우팅 경로를 지정한다.
802.11 무선 프레임과 802.3 유선 이더넷 프레임 간의 주소 매핑을 보여주는 예시다. 그림에서는 호스트 H1이 무선으로 데이터를 전송하고, 이 데이터가 액세스 포인트(AP)를 거쳐 라우터 R1을 통해 유선망(이더넷)으로 전송되는 구조를 나타낸다.
이때 802.11 프레임에서는 다음과 같이 세 개의 주소 필드가 사용된다
- Address 1: AP의 MAC 주소 — 현재 이 프레임의 최종 수신자(즉, 무선 구간에서 목적지).
- Address 2: H1의 MAC 주소 — 실제 송신자.
- Address 3: 라우터 R1의 MAC 주소 — 무선 프레임의 상위 네트워크 목적지로서의 의미, 즉 이더넷 쪽에서 이 프레임이 가야 할 다음 경로.
이 프레임이 AP를 거쳐 유선망으로 전달되면, AP는 이를 802.3 이더넷 프레임으로 변환하게 되는데, 이때 목적지 주소는 R1의 MAC 주소로, 송신자 주소는 AP의 MAC 주소로 바뀐다. 즉, 무선 구간에서는 3개의 주소를 통해 무선 송신자, 무선 수신자, 상위 목적지를 명시하고, 유선 구간에서는 표준 2개의 주소(MAC dest, MAC source)만으로 충분히 전달할 수 있게 되는 것이다.
각 필드가 어떤 역할을 수행하는지를 보여준다. 여기서 핵심이 되는 몇 가지 필드를 짚어보면 다음과 같다.
- Frame Control (2바이트): 이 필드는 프레임의 타입(RTS, CTS, DATA, ACK 등), 서브타입, 방향 정보(AP로 가는지, AP로부터 오는지), 전력 관리, 암호화(WEP), 프래그먼트 여부 등의 다양한 제어 정보를 담고 있다.
- Duration (2바이트): 이 필드는 RTS/CTS 기반의 채널 예약 시간 등을 명시하여, 다른 노드들이 해당 시간 동안 전송을 피하도록 한다.
- Address 1 ~ Address 3 (각각 6바이트): 앞서 설명한 송신자, 수신자, 목적지 주소.
- Address 4 (선택적, 6바이트): ad hoc 모드일 때만 사용됨.
- Sequence Control (2바이트): 프레임의 일련번호로, 신뢰성 있는 데이터 전송(reliable delivery)을 위해 사용된다.
- Payload (0~2312바이트): 실제 전송되는 데이터.
- CRC (4바이트): 사이클릭 리던던시 체크로 오류 검출에 사용된다.
이 구조는 단순히 데이터를 전송하는 데 그치지 않고, 충돌 회피, 프래그먼트 처리, 전력 관리, 암호화 등 무선 네트워크에서 필요한 복잡한 요구사항들을 모두 지원할 수 있게 설계되어 있다.
802.11 무선 LAN 환경에서 사용자가 하나의 서브넷 안에서 이동할 경우, 예를 들어 H1이라는 무선 호스트가 BSS 1(기존 AP)에서 BSS 2(다른 AP)로 이동했다고 하자. 이 경우 H1은 여전히 같은 IP 서브넷에 속해 있으므로, IP 주소는 바뀌지 않는다. 즉, 논리적으로는 여전히 동일한 네트워크에 연결되어 있다고 간주되며, DHCP를 다시 수행할 필요도 없다. 이런 점에서 802.11은 사용자의 이동성을 비교적 자연스럽게 수용할 수 있다.
문제는 이제 네트워크 상의 스위치가 H1이 어느 AP에 연결되어 있는지 어떻게 아는가이다. 여기서 중요한 역할을 하는 것이 스위치의 self-learning(자기 학습) 기능이다. 이 기능은 이미 Chapter 6에서 다룬 바와 같이, 스위치가 수신 프레임의 MAC 주소와 포트를 기억해두는 것을 말한다. 즉, H1이 새 AP를 통해 데이터를 전송하게 되면, 그 프레임은 스위치를 거쳐가게 되고, 이때 스위치는 “아, 이제 H1의 MAC 주소는 이 새로운 포트(즉, 새로운 AP 방향)에서 들어오는구나”라고 학습하게 된다.
이러한 방식으로 인해, 호스트가 물리적으로 다른 위치(다른 AP)로 이동하더라도, 네트워크는 자연스럽게 그것을 인식하고, 프레임 전송 경로를 자동으로 갱신한다. 이 덕분에 호스트는 기존의 IP 주소를 유지한 채로 계속해서 통신을 이어갈 수 있으며, 사용자는 핸드오프 과정조차 인식하지 못할 정도로 부드럽게 연결이 유지된다.
무선 통신 환경에서는 사용자가 이동하거나 장애물이 생기면 신호 대 잡음비(SNR, Signal-to-Noise Ratio)가 실시간으로 변하게 된다. IEEE 802.11에서는 이러한 환경 변화에 대응하기 위해 rate adaptation(속도 적응) 기능을 제공하는데, 이는 기지국(AP)과 무선 호스트가 현재 SNR에 따라 적절한 전송 속도와 변조 방식을 선택하는 방식으로 동작한다.
구체적으로 말하면, 사용자가 AP로부터 멀어질수록 SNR이 점점 낮아지고, 그에 따라 BER(Bit Error Rate, 비트 오류율)은 증가하게 된다. 이때 높은 속도를 제공하는 복잡한 변조 방식(예: QAM256, 8 Mbps)을 계속 사용할 경우 오류가 빈번하게 발생하기 때문에, 전송 효율이 오히려 떨어질 수 있다. 이런 상황에서는 시스템이 더 단순한 변조 방식(예: QAM16, BPSK 등)으로 전환하게 된다. 이 방식은 전송 속도는 낮지만, 낮은 SNR 환경에서도 안정적인 전송이 가능하다.
슬라이드에 제시된 SNR vs. BER 그래프는 이 관계를 잘 보여주고 있다. 가로축은 SNR(dB), 세로축은 BER이며, 각 변조 방식별로 특정 SNR 이상에서만 안정적인 전송이 가능한 구간이 명확하게 드러난다. 예를 들어 SNR이 약 10dB 정도일 때는 BPSK(1 Mbps)만 실용적으로 쓸 수 있고, SNR이 20dB 이상이 되면 QAM16(4 Mbps), 30~40dB 수준에서는 QAM256(8 Mbps) 같은 고속 전송도 가능해진다. 따라서 무선 장치는 자신의 현재 SNR을 기준으로 가장 높은 속도를 제공하면서도 BER 요구사항을 만족시키는 변조 방식으로 동적으로 전환한다.
한편, 무선 기기의 배터리 수명을 연장하기 위한 중요한 기능이 power management(전력 관리)이다. 여기서 무선 호스트는 AP에게 “나는 일정 시간 동안 절전 모드에 들어갈 거야”라고 신호를 보낼 수 있다. 그러면 AP는 그 노드에게는 데이터를 보내지 않게 되며, 해당 노드도 라디오 회로를 꺼서 에너지를 절약하게 된다. 이때 중요한 것이 beacon frame(비콘 프레임)이다. AP는 주기적으로 비콘 프레임을 전송하고, 그 안에는 “이 AP가 전송해야 할 데이터가 기다리고 있는 무선 호스트 목록”이 포함된다.
노드는 자신이 슬립 상태에서 깨어나 비콘 프레임을 수신하고, 그 안에 자신의 MAC 주소가 포함되어 있다면 계속 깨어 있으면서 데이터를 수신한다. 만약 자신의 주소가 없다면 다시 슬립 모드로 들어간다. 이 방식은 전송 지연을 거의 유발하지 않으면서도 배터리 소모를 최소화할 수 있어, 모바일 기기에서 매우 중요한 설계다.
이 타임라인은 Wi-Fi 기술의 최신 발전 과정과 향후 전망을 보여준다. 먼저, Wi-Fi 7로 알려진 IEEE 802.11be는 2021년부터 본격적인 표준화 작업이 시작되었다. 2021년 5월에는 Draft 2.0, 그리고 2022년 5월에는 Draft 3.0이 발표되며 기술적인 안정화가 이루어졌고, 이 시점에서 등장한 주요 기능으로는 멀티링크 동작(Multi-Link Operation), 하나의 STA(무선 단말) 당 복수의 자원 단위(RU: Resource Unit) 할당, 트리거 기반 업링크 최적화(Optimized Triggered Uplink Access) 등이 포함되었다.
이어 2023년 2월에는 Draft 4.0, 그리고 2024년 11월에 최종 개정안(Final Amendment)이 승인되었다. 이때까지 Wi-Fi 7은 320MHz의 넓은 채널 대역폭, 4096-QAM(4K QAM) 고밀도 변조 방식, 그리고 Restricted Target Wake Time과 같은 고급 절전 기술을 포함하면서 완성되었다. 특히 4K QAM은 이전 세대보다 더 많은 비트를 한 심볼에 담을 수 있어, 이론적으로는 데이터 전송 효율이 크게 향상된다.
이 기술의 상용화는 빠르게 이루어졌고, Wi-Fi 7 인증 제품은 2023년 12월부터 인증이 시작되어 현재 시점에서는 다양한 제품들이 시장에 등장하고 있다. 하지만 이 표준이 안정적으로 정착되기까지는 시간이 걸리기 때문에, Wi-Fi 7의 제품 생태계는 2024년 이후에도 계속 확장될 전망이다.
한편, Wi-Fi 7의 뒤를 이을 차세대 표준인 802.11bn, 즉 Wi-Fi 8에 대한 논의도 이미 시작되었다. 2022년 7월부터 “Ultra High Reliability (UHR)” 연구 그룹이 구성되어 신뢰성과 결정성을 강화한 새로운 기능들에 대한 연구가 시작되었고, 이어 2023년에는 UHR 프로젝트가 공식 승인(PAR 승인)되면서 표준화 작업이 본격화되었다. 이후 Task Group TGbn이 조직되었고, 향후 Wi-Fi 8에서는 Multi-AP Coordination(다중 AP 간 협력),
Distributed Multi-Link Operation, PHY/MAC 계층에서의 결정적 성능 향상, AP 전력 절감 기법 등 다양한 기술적 진보가 목표로 설정되었다.
Wi-Fi 8은 2028년에 인증 제품 출시를 목표로 하고 있으며, Wi-Fi 7보다 더 높은 안정성, 더 낮은 지연, 더 정밀한 시간 제어와 에너지 효율을 제공할 것으로 기대된다.