[2기 부산 최은진] 당신의 스마트폰이 Wi-Fi에 접속하기 까지

몇 년 전부터 스마트폰이 널리 보급되기 시작하면서 스마트폰에 장착된 Wi-Fi 모듈로 언제 어디서나 쉽게 Wi-Fi를 통해 인터넷에 접속할 수 있게 되었습니다. 단순히 스마트폰을 키고 웹 브라우저를 열어서 인터넷을 하는 그 짧은 사이에는 많은 일들이 일어납니다. 이러한 과정들에 대해서 설명해 보고자 합니다.

스마트폰 시장의 발달로 많은 스마트폰이 일반인들에게도 널리 보급되었습니다. 이제 스마트폰은 일상생활의 필수품이라고 할 수 있을 정도로 흔하게 사용하고 있는 모바일 디바이스가 되었습니다. 스마트폰은 통화를 하거나 문자를 주고받기 위해서 사용하기도 하지만, 인터넷을 하는 것이 스마트폰의 주된 사용 목적이라고 할 수 있습니다. 방송통신위원회와 한국인터넷진흥원이 국내 스마트폰 사용자를 대상으로 스마트폰 이용 실태조사를 하였는데 50%에 가까운 사람들이 스마트폰 사용 시 무선 인터넷과 모바일 앱 기능을 주로 사용하고 있는 것으로 나타났습니다.

이렇게 스마트폰으로 무선 인터넷을 이용하기 위해서는 통신사가 제공하는 이동통신망인 3G 혹은 LTE 통신망을 이용하거나, Wi-Fi를 통해 인터넷에 접속해야 합니다. 많은 스마트폰 사용자들은 무료로, 통신사 무선데이터를 소모하지 않고도 인터넷에 접속할 수 있는 Wi-Fi를 자주 이용합니다.

여기서 Wi-Fi에 대해서 간단하게 알아보겠습니다. Wi-Fi란 IEEE 802.11를 기반으로 하는 무선랜 연결을 말합니다. IEEE 802.11 무선랜 표준으로 802.11a, 802.11b, 802.11g 그리고 현재 널리 보급된 802.11n이 있습니다. 802.11n을 이용한 Wi-Fi 통신은 최대 300Mbps 까지 속도를 낼 수 있습니다. 최근에 나오는 스마트폰은 802.11n을 지원하는 무선랜 모듈을 장착해 빠른 무선 인터넷을 즐길 수 있습니다.

Wi-Fi 통신은 스마트폰과 같이 무선랜 모듈이 장착된 무선 단말들과 AP(Access Point)라고 불리는 인터넷에 연결된 장치간의 통신을 말합니다. 무선 단말들은 인터넷에 연결되어 있는 AP에 접속하여 데이터를 AP를 통해 주고받으며 인터넷을 할 수 있게 됩니다. 이렇게 하나 이상의 무선 단말들과 AP로 구성된 구조를 BSS(Basic Service Set)이라고 하며, 이러한 형태로 네트워크를 구성하는 방식을 Infrastructure 방식이라고 합니다. 이와는 다르게 AP 없이 무선 단말들 간에 네트워크를 형성한 것을 Ad-Hoc 방식이라고 합니다. Wi-Fi 통신을 위해서 주로 Infrastructure 방식으로 네트워크 환경을 구성합니다.

이렇듯 스마트폰으로 Wi-Fi를 이용하기 위해서는 AP에 접속하여야 합니다. 우리가 흔히 와이파이존 이라고 부르는 곳에 이런 AP가 있습니다. 주로 무선 공유기가 이런 AP 역할을 합니다. Wi-Fi로 인터넷을 할 수 있도록 AP를 구성해 놓은 지점을 핫스팟(Hotspot)이라고 하며 주변에서 쉽게 찾아볼 수 있습니다. 스마트폰으로 무선인터넷을 사용하는 사람이 점차 늘어나자 이에 맞추어 핫스팟도 늘어나기 시작했습니다. 건물 안이나 밖, 버스 정류장, 심지어 바닷가에서도 핫스팟을 찾아볼 수 있습니다.

스마트폰은 AP를 찾아 인식하고 AP와 연결되어야만 인터넷을 할 수 있게 됩니다. 스마트폰은 어떻게 AP가 있는지 알아내고 AP와 연결을 하게 될까요?

각각의 AP는 AP를 설치한 네트워크 관리자가 부여한 SSID(Service Set Identifier)를 가지고 있습니다. 스마트폰의 Wi-Fi 설정에서 주변에 있는 AP들의 SSID를 확인할 수 있습니다. 스마트폰은 주변에 AP들이 있는지 없는지를 알아내기 위해 먼저 AP 탐색(Scanning)을 하게 됩니다.

IEEE 802.11 표준에서 통신이 이루어지는 주파수 대역을 정해 놓았습니다. 802.11은 2.4GHz 대역의 주파수와 5GHz 대역의 주파수에서 동작합니다. 여기서 2.4GHz 주파수 대역은 13개의 채널로 나누어 사용하게 됩니다.

각각의 AP들은 이 13개의 채널 중 하나를 선택하여 그 채널의 주파수 대역으로 통신하여야 합니다. 스마트폰은 이 13개의 채널을 조사하여 어떠한 AP들이 있는지를 알아내게 됩니다.

 

AP는 자신의 존재를 알리기 위해 사용하고 있는 채널로 비콘 프레임(Beacon Frame)을 일정 주기마다 전송합니다. 스마트폰은 이 비콘 프레임을 수신하여 이 AP의 SSID와 MAC 주소는 무엇인지, 어떤 채널을 사용하는지, 신호 강도는 어떠한지를 알 수 있게 됩니다. 이렇게 Mobile Device가 비콘 프레임을 수신하고 채널을 찾는 과정을 수동적 스캐닝(Passive Scanning)이라고 합니다.

어떤 경우에는 비콘 프레임을 수신해서 찾는 것이 아닌 AP를 직접 찾아야 할 때도 있습니다. 이때는 스마트폰이 프로브 요청 프레임(Probe Request Frame)이라는 메시지를 모든 채널로 보내야 합니다. 프로브 요청 프레임이 도달하는 영역 내에 존재하는 AP들은 프로브 응답 프레임(Probe Response Frame)을 보내게 됩니다. 스마트폰은 프로브 응답 프레임을 수신하여 어떤 AP들이 있는지를 알아내게 됩니다. 이런 식으로 모바일 디바이스가 프로브 요청 프레임을 보내어 AP들을 찾는 과정을 능동적 스캐닝(Active Scanning)이라고 합니다.

 

위와 같은 과정을 거쳐 스마트폰은 주위에 어떤 AP들이 있는지 알아내게 됩니다. 찾아낸 AP는 하나일 수도 있고 여러 개 일수도 있습니다. 어떤 AP를 선택해야 할지에 대해서는 표준으로 정해진 것은 없습니다. 주로 사용자에게 찾아낸 AP와 신호 강도를 보여주고 선택하게 합니다. 혹은 이전에 접속했던 AP가 있다면 자동으로 다시 접속이 되기도 합니다.

 

선택된 AP로 접속해 인터넷을 하기 위한 마지막 과정으로 스마트폰이 AP에 자신을 인증(Authentication)시키는 과정이 있습니다. 인증 방법에는 다음과 같은 세 가지 방법이 있습니다.

• 개방형 인증

어떠한 인증 알고리즘도 사용하지 않는 인증 방법이다. AP는 모든 인증 요청을 승인한다.

 

• 공유키 인증

WEP(Wired Equivalent Privacy) 키를 이용하여 인증하는 방법이다. 접속을 원하는 SSID를 가진 AP에 연결 요청 메시지를 보내면 AP는 임의의 문장을 생성하여 연결 응답 메시지에 포함하여 보낸다. 응답 메시지를 받은 장치는 응답 메시지에 포함된 문장을 WEP 암호화를 적용하여 암호문으로 만든 뒤 AP로 전송한다. AP는 수신된 암호화 문장을 공유키를 이용하여 복호하여 원본 문장과 비교한 뒤, 일치한다면 인증 요청을 수락하게 된다.

 

• MAC 주소 인증

802.11 표준 인증 방법은 아니나 많은 AP 장치에서 지원하고 있는 인증 방식이다. 각각의 NIC마다 부여된 고유한 6byte의 주소 값인 MAC 주소를 통해 인증을 시도한다. AP는 접속을 허용하는 장치의 MAC 주소들을 목록으로 저장해 놓고, 접속을 요청하는 장치의 MAC 주소가 목록에 있는지를 확인하여 인증을 수락한다.

AP에서 직접 인증 과정을 처리할 수 있지만 인증 서버를 따로 두어 인증 과정만을 처리하게 할 수도 있습니다. 이렇게 인증 과정을 거치고 나면 AP에 접속하여 서로 통신을 할 수 있게 됩니다. 비로소 스마트폰으로 인터넷을 할 준비가 된 것입니다.

 

지금까지 Wi-Fi에 접속되는 과정에 대해서 알아보았습니다. 위 과정은 스마트폰뿐만 아니라 무선인터넷이 가능한 모든 모바일 디바이스에 적용되는 사항입니다. 더 자세한 사항은 IEEE 802.11 표준에서 확인하실 수 있습니다.

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참고 문헌

• 컴퓨터 네트워킹 –하향식 접근-, James F. Kurose, Keith W. Ross

• 무선랜 보안 안내서, 방송통신위원회, 한국인터넷진흥원

• 2012년 상반기 스마트폰이용실태조사 요약보고서, 방송통신위원회, 한국인터넷진흥원

• http://ko.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11

• http://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%99%80%EC%9D%B4%ED%8C%8C%EC%9D%B4