항상 써왔지만 잘 모르던 Wifi
해당 글은 ChatGPT-4와 함께 작성되었으며, 공부한 것을 정리한 것이기에 오류와 업데이트되지 못한 정보가 있을 수 있습니다.
<2024.03.09 수정>
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최근에 Wifi를 연결하지 못해 애를 먹은 적이 있었다.
개발하는 사람이 고작 이것을 하나 해결하지 못하다는 사실이 부끄러웠고, 그 뒤로 생각해보니 항상 쓰는 이 Wifi에 대해서 아무것도 모른다는 사실을 떠올렸다.
그래서 간단하게 나마 정리해보고자 한다.
1. 개요와 역사
와이파이(Wi-Fi, WiFi)는 전자기기들이 무선랜(WLAN)에 연결할 수 있게 하는 기술로서, 주로 2.4GHz UHF 및 5GHz SHF ISM 무선 대역을 사용한다.
- Wikipedia
무선랜(Wireless Local Area Network)은 무선 신호 전달 방식을 이용하여 두 대 이상의 장치를 연결하는 기술이다.
이를 이용해 사용자는 근거리 지역에서 이동하면서도 지속적으로 네트워크에 접근할 수 있다.
오늘날 대부분의 무선랜 기술은 IEEE 802.11 표준에 기반하고 있으며, Wifi라는 마케팅 네임으로 잘 알려져 있다.
UHF는 극초단파(Ultra High Frequency)를 의미하며, 전자기파 스펙트럼 내의 무선 주파수 범위를 나타낸다.
UHF는 300MHz에서 3GHz까지의 범위를 포함하며, 텔레비전 방송, 휴대전화, 위성 통신, GPS, Wi-Fi 및 블루투스 등 다양한 무선 통신에 사용된다.
VHF(very high frequency, 초단파)와 같은 낮은 주파수 대역에 비해 UHF의 짧은 파장은 건물과 같은 장애물을 통한 침투력이 더 좋아 도시 환경에 적합하다.
또한 UHF 안테나는 일반적으로 더 작고 컴팩트하여 휴대용 장치에 적합하다.
그러나 UHF 신호는 비와 같은 대기 조건으로 인해 신호 손실에 더 취약하며, 일반적으로 낮은 주파수 대역에 비해 범위가 짧다.
또한, UHF 대역은 이 주파수 범위를 사용하는 다양한 응용 프로그램으로 인해 더 혼잡할 수 있다.
SHF, ISM 무선 대역
SHF(Super High Frequency)는 전파 주파수의 일부로, 3 GHz에서 30 GHz 사이의 주파수를 포함한다.
ISM(Industrial, Scientific, and Medical) 무선 대역은 국제 전기 통신 연합(ITU)이 전파를 유일하게 무선 통신 이외의 산업, 과학, 의료에 고주파 에너지원으로 사용하기 위해 지정한 주파수 대역이다.
일부 SHF 주파수 대역, 특히 5 GHz 대역,은 ISM 대역으로 지정되어 무선랜(WLAN)과 같은 무선 통신 기술에 사용된다.
무선랜은 일반적으로는 암호로 보호되어 있지만, 대역 내에 위치한 어느 장치라도 무선랜 네트워크의 자원에 접근할 수 있도록 개방도 가능하다.
Wifi는 물리적 케이블 없이 전자 기기가 인터넷에 연결하고 서로 통신할 수 있게 해주는 무선 네트워킹 기술이다.
이는 1990년대 전기 및 전자 관련 기술의 표준화를 촉진하는 단체인 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)가 무선 네트워킹의 기반을 마련한 802.11 표준을 만든 것에서 시작되었다.
그 후 다양한 버전으로 발전하여 속도, 범위 및 보안에서 개선이 이루어졌다.
현재는 802.11ac 및 802.11ax(Wi-Fi 6)와 같은 표준이 존재한다.
2. 구성 요소
2.1 액세스 포인트
액세스 포인트는 Wi-Fi 신호를 방송하여 Wi-Fi 네트워크를 생성하는 네트워킹 장치(공유기, 라우터)다.
유선 및 무선 장치를 인터넷에 연결하고 이들 간의 통신을 용이하게 한다.
일부 액세스 포인트에는 데이터 트래픽을 관리하고 네트워크 내의 장치에 IP 주소를 할당하는 라우터가 내장되어 있다.
액세스 포인트는 일반적으로 신호 범위를 개선하기 위해 여러 개의 안테나를 갖추고 있다.
2.2 Wi-Fi 카드 또는 어댑터
Wi-Fi 카드 또는 어댑터는 컴퓨터, 스마트폰, 태블릿 등의 장치가 Wi-Fi 신호를 수신하고 전송할 수 있도록 하는 하드웨어 구성 요소이다.
장치 내부에 통합되어 있거나 외부 USB 또는 다른 인터페이스를 활용해 연결해 사용할 수 있다.
이러한 카드는 액세스 포인트 및 기타 Wi-Fi 장치와의 호환성을 보장하기 위해 특정 Wi-Fi 표준을 사용한다.
2.3 안테나
안테나는 액세스 포인트와 Wi-Fi 지원 장치의 필수 구성 요소로, 라디오 신호를 송수신한다.
장치와 Wi-Fi 표준에 따라 다양한 모양, 크기 및 디자인이 있다.
3. 작동 원리
Wifi 네트워크는 무선 전파를 이용하여 기기와 액세스 포인트 간의 데이터를 전송한다.
Wifi 네트워크에 연결하면 기기가 무선 신호를 사용하여 액세스 포인트에 요청을 보낸다.
그런 다음 액세스 포인트는 인터넷과 통신하여 요청된 데이터를 가져와서 다시 무선 전파를 사용하여 기기로 되돌려 보낸다.
이 과정을 통해 무선 인터넷 접속과 네트워크 내 기기 간의 통신이 가능해진다.
4. 표준 및 주파수 대역
https://ko.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11Wifi 표준은 Wifi 네트워크의 성능과 기능을 결정한다.
가장 일반적인 표준은 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n, 802.11ac 및 802.11ax이다.
그 중 802.11n 표준에서 도입된 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 기술은 전송 속도와 신호 강도를 크게 개선했다.
MIMO 기술은 무선 전파를 효과적으로 사용하기 위해 여러 개의 송신 및 수신 안테나를 활용한다.
이를 통해 한 번에 여러 데이터 스트림을 전송하고, 각 스트림은 독립적인 통신 경로로 작동한다.
이로 인해 전체적인 성능과 통신 효율이 크게 향상되며, 네트워크 대역폭 및 신호 강도가 증가한다.
이 기술의 도입으로 802.11n 표준은 802.11g와 비교하여 최대 전송 속도가 빨라졌으며, 안정적인 연결 및 더 넓은 범위를 제공하게 되었다.
또한, 802.11n 표준은 2.4GHz 및 5GHz 주파수 대역을 모두 지원하여, 이전 표준에서 겪었던 주파수 간의 호환성 문제도 해결하였다.
이후 802.11ac 표준에서는 MIMO 기술의 발전된 형태인 MU-MIMO(Multi-User Multiple Input Multiple Output) 기술이 도입되어 여러 기기와의 동시 연결 성능이 개선되었다.
이를 통해 동시에 여러 기기를 지원해야 하는 현대의 무선 네트워크 환경에 대응할 수 있게 되었다.
각 표준은 2.4 GHz 및 5 GHz와 같은 다른 주파수 대역에서 작동하며, 속도와 범위가 다르다.
일반적으로 5 GHz 대역은 더 빠른 속도와 덜 혼잡한 통신을 제공하지만, 2.4 GHz 대역에 비해 범위가 짧다.
5. 보안
민감한 정보를 보호하고 무단 접근을 방지하기 위해 Wifi 네트워크의 보안을 확보하는 것이 중요하다.
일반적인 Wifi 보안 프로토콜에는 WEP, WPA, WPA2 및 WPA3이 있다.
Wired Equivalent Privacy(WEP): 1999년에 도입된 WEP는 WiFi 네트워크를 위해 설계된 최초의 보안 프로토콜이다. 그러나 심각한 취약점이 발견되어 현재는 사용되지 않는다.
WiFi Protected Access(WPA): WEP의 단점을 해결하기 위해 개발된 WPA는 2003년에 도입되었다. TKIP(Temporal Key Integrity Protocol) 암호화 및 개선된 보안 조치를 사용했다. 그러나 일부 공격에 취약했다.
WiFi Protected Access 2 (WPA2): 2004년에 출시된 WPA2는 WPA를 대체하고 데이터 암호화를 위해 보다 안전한 Advanced Encryption Standard(AES)를 도입했다. WPA2는 현재까지 널리 사용되고 있다.
WiFi Protected Access 3 (WPA3): 2018년에 출시된 WPA3는 보다 강력한 암호화 방법과 무차별 대입 공격에 대한 개선된 보호를 통해 더욱 강화된 보안을 제공한다.
6. 공유기(Router) 역할
Wifi 공유기(Router, 이하 라우터)는 기기를 인터넷에 연결하고 데이터 전송을 관리함으로써 네트워킹에서 중요한 역할을 수행한다.
라우터는 패킷을 수신한 다음 도착해야 할 목적지로 전달하는 역할을 주로 수행하며 라우팅, DNS 캐싱, ARP 캐싱, 그리고 컨텐츠 캐싱과 같은 다양한 기능을 수행한다.
패킷(Packet)이란?
패킷은 네트워크를 통해 전송되는 데이터의 단위다.
인터넷을 통해 정보를 보내거나 받을 때, 데이터는 패킷이라는 더 작은 조각으로 나눠진다.
이 패킷들은 데이터뿐만 아니라 소스와 목적지 주소와 같은 중요한 메타데이터도 포함하고 있어 네트워크를 통해 올바르게 라우팅 될 수 있도록 한다.
목적지에 도착하면 패킷들은 원래 데이터를 재구성하기 위해 다시 조립된다.
패킷은 헤더와 페이로드로 구성된다.
헤더는 주소 지정 및 라우팅 세부 정보와 같은 제어 정보를 포함하며, 페이로드는 전송되는 실제 데이터를 포함한다.
6.1 라우팅
데이터 패킷이 네트워크를 통해 출발지에서 목적지까지 이동하는 최적의 경로를 선택하는 과정이다.
패킷 헤더의 정보를 분석하여 패킷에 대한 가장 효율적인 경로를 결정한다.
라우터에 의해 사용되는 여러 라우팅 프로토콜이 있으며, 이 프로토콜들은 네트워크 경로에 대한 정보를 교환하고 최적의 경로를 결정하는 데 사용된다.
이러한 프로토콜에는 정적 라우팅, 동적 라우팅 (RIP, OSPF, EIGRP, BGP) 등이 포함된다.
6.2 DNS 캐싱
DNS(Domain Name System)는 사람이 이해할 수 있는 도메인 이름(예: www.example.com)을 IP 주소로 변환하는 역할을 수행한다.
라우터는 이러한 변환 정보를 일정 기간 동안 저장하여, 동일한 도메인 이름에 대한 요청이 반복되면 빠르게 응답할 수 있도록 DNS 캐싱 기능을 제공한다.
6.3 ARP 캐싱
ARP(Address Resolution Protocol)는 IP 주소를 해당 네트워크의 물리적 주소인 MAC(Media Access Control) 주소로 변환하는 프로토콜이다.
라우터는 최근 사용한 IP 주소와 MAC 주소 간의 매핑 정보를 ARP 캐시에 저장하여, 동일한 IP 주소에 대한 요청이 있을 경우 빠르게 응답할 수 있다.
6.4 컨텐츠 캐싱
일부 고급 라우터는 웹 콘텐츠 캐싱 기능을 제공하여 자주 접근되는 웹 페이지나 파일을 로컬에 저장한다.
해당 웹 페이지나 파일에 대한 요청이 있을 때 라우터가 인터넷 상의 원격 서버에서 데이터를 가져오지 않고, 로컬 캐시에서 바로 제공할 수 있다.
7. 장점 및 단점
7.1 장점
이동성 및 유연성: Wi-Fi는 사용자가 커버리지 영역 내에서 이동하면서 인터넷에 연결되어 있을 수 있게 하여 온라인 자원 및 응용 프로그램에 원활한 접근을 제공한다.
케이블 비용 감소: 무선 네트워크는 물리적 케이블이 필요 없어 큰 또는 복잡한 환경에서 설치 및 유지 보수 비용이 절감된다.
간편한 설치 및 구성: Wi-Fi 네트워크는 광범위한 기술 지식 없이도 빠르게 설치 및 구성할 수 있어 가정 및 비즈니스 환경에서 사용자 친화적이다.
다양한 장치 및 사용자 지원: Wi-Fi 네트워크는 동시에 많은 장치를 수용할 수 있어 다양한 장치와 여러 사용자가 있는 가정, 사무실 및 공공장소에 적합하다.
7.2 단점
제한된 범위: Wi-Fi 네트워크의 범위는 액세스 포인트의 전력, 안테나 유형 및 환경 장애물(예: 벽, 가구)과 같은 요소에 따라 달라짐. 신호 강도는 거리가 멀어짐에 따라 감소하여 큰 공간이나 여러 층에서 연결 문제가 발생할 수 있다.
간섭: Wi-Fi 네트워크는 전자레인지, 무선 전화 또는 인접한 Wi-Fi 네트워크와 같은 다른 전자 기기로부터의 간섭을 겪을 수 있으며, 이는 신호 품질을 저하시키고 성능에 영향을 줄 수 있다.
전력 소비: Wi-Fi 장치는 유선 연결보다 더 많은 전력을 소비할 수 있어 모바일 장치의 배터리 수명이 줄어들거나 정지 장치의 에너지 소비가 증가할 수 있다.
보안 위험: 무선 네트워크는 제대로 보호되지 않은 경우 해킹 및 무단 접근에 더 취약할 수 있다.
