CSMA/CA로 이해하는 무선 LAN의 충돌 회피와 채널 접근

충돌을 감지하기 어려운 무선 채널에서 먼저 양보하는 방식

CSMA/CA는 여러 장치가 같은 무선 채널을 사용할 때 충돌 가능성을 전송 전에 낮추는 매체 접근 제어(MAC) 프로토콜이다. 유선 환경에서 주로 쓰이는 CSMA/CD와 달리, 무선 환경의 제약을 전제로 설계됐다.

무선 통신은 송신과 수신을 동시에 수행하기 어려운 반이중(Half-duplex) 방식이다. 전송 중인 신호를 감지하기도 쉽지 않으며, 신호 감쇠 때문에 모든 노드가 서로를 감지할 수 없다. 이 구조적 한계가 히든 노드(Hidden Node) 문제로 이어진다.

채널을 확인하고 대기한 뒤 전송하는 흐름

스테이션은 데이터를 보내기 전에 무선 매체를 듣고 채널 상태를 판단한다. 채널이 비어 있더라도 곧바로 보내지 않고 IFS를 기다린 뒤, 난수 기반의 백오프 타이머를 거친다. 이 대기 과정이 끝났을 때 매체가 비어 있으면 전송을 시도한다.

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IFS는 응답 프레임과 일반 데이터의 순서를 나눈다

프레임 사이에 시간적 간격을 두면 충돌 확률을 낮출 수 있다. IFS는 우선순위에 따라 구분된다.

• SIFS(Short IFS): 10μs
  가장 짧은 대기 시간이며 ACK, CTS, 폴링 응답처럼 즉시 응답해야 하는 프레임에 사용한다.
• PIFS(PCF IFS): SIFS + 슬롯 시간
  PCF(Point Coordination Function) 모드에서 AP(Access Point)가 사용하며, 중간 우선순위 통신에 활용한다.
• DIFS(DCF IFS): PIFS + 슬롯 시간
  일반 데이터 전송에 사용하는 가장 긴 대기 시간으로, 우선순위가 낮은 비동기 데이터 서비스에 쓰인다.

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백오프는 경쟁 중인 스테이션의 전송 시점을 흩어 놓는다

각 스테이션은 0에서 CW(Contention Window) 사이의 랜덤 값을 고른 뒤, 그 값에 슬롯 타임을 곱해 백오프 타이머를 설정한다. 매체가 사용 중이면 타이머를 멈추고, 다시 비면 카운트를 이어 간다. 타이머가 0이 된 시점에 데이터 전송을 시도한다.

ACK를 받지 못해 충돌이 발생한 경우에는 대기 범위를 넓힌다. CW 값은 CWnew = 2 × CWold + 1로 증가한다.

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IEEE 802.11 무선 LAN의 기본 접근 방식인 DCF(Distributed Coordination Function)는 이 CSMA/CA를 기반으로 한다. 각 스테이션이 독립적으로 매체 접근을 결정하며, 경쟁 기반으로 동등한 접근 기회를 얻는다.

서로 보이지 않는 노드가 같은 수신기로 보낼 때

히든 노드 문제에서는 노드 A와 C가 서로를 감지하지 못하지만, 둘 다 노드 B와 통신할 수 있다. A와 C가 동시에 B로 전송하면 충돌은 B에서 발생한다. 기본 CSMA/CA만으로는 이를 해결할 수 없다.

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RTS/CTS는 이 문제에 대응하는 가상 캐리어 감지 방식이다. 송신 노드는 데이터 전에 RTS(Ready To Send)로 AP에 전송 의사를 알리고, AP는 CTS(Clear To Send)를 통해 특정 노드의 전송을 허가한다. 각 노드는 NAV(Network Allocation Vector)에 채널 사용 예상 시간을 기록해 그 기간에는 전송 시도를 미룬다.

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RTS/CTS 교환이 진행되면 모든 노드는 NAV를 설정하고 해당 시간 동안 전송을 미룬다. 대용량 데이터 전송에서는 효과적일 수 있지만, 소량 데이터 전송에서는 오버헤드가 커질 수 있다.

슬롯 타임은 백오프의 기준 단위다

슬롯 타임은 CSMA/CA 백오프 알고리즘이 사용하는 기본 시간 단위다. IEEE 802.11b에서는 20μs, 802.11g/n에서는 9μs로 정의한다.

매체 접근 경쟁의 최소 단위로 쓰이며, 더 짧은 슬롯 타임은 네트워크 처리량 향상으로 이어진다. 다만 전파 지연과 신호 처리 시간 같은 물리적 제약을 고려해야 한다.

운영 환경에서 보는 CSMA/CA

공항이나 카페처럼 사용자가 많은 공공 Wi-Fi 환경에서는 경쟁하는 장치 사이의 접근 제어가 필수적이다. 혼잡한 환경에서는 RTS/CTS를 활성화해 히든 노드 문제를 줄일 수 있고, 대용량 파일 전송에서는 RTS Threshold 값을 조정해 성능을 최적화할 수 있다.

스마트 홈에서는 다수의 IoT 장치가 같은 무선 네트워크를 공유한다. CSMA/CA는 저전력 장치의 채널 접근을 지원하며, 센서 데이터가 주기적으로 전송될 때 충돌 가능성을 낮춘다.

공장 자동화처럼 실시간 제어 데이터를 보내야 하는 환경에서는 CSMA/CA의 QoS 확장인 EDCA(Enhanced Distributed Channel Access)를 활용한다. 중요도에 따라 IFS 값과 CW 범위를 달리 설정해 우선순위를 보장한다.

고밀도 환경에서 남는 과제

트래픽이 늘면 충돌 확률이 높아지고 성능은 저하된다. 백오프 자체가 대기 시간을 만들며, RTS/CTS는 소형 패킷에서 오버헤드가 될 수 있다. 고정된 CW 크기는 네트워크 환경 변화에 유연하게 대응하기 어렵다.

개선 방향으로는 네트워크 상황에 맞춰 CW를 조정하는 적응형 백오프 알고리즘, 기계 학습 기반의 충돌 예측 및 회피 메커니즘이 있다. IEEE 802.11ax에서는 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)로 채널 효율을 높이고, 공간 재사용 기술로 동시 전송 가능성을 확대한다.

무선 네트워크의 요구사항에 따라 RTS 임계값, 프래그먼테이션 임계값, 백오프 윈도우 크기 같은 CSMA/CA 파라미터를 조정할 수 있다.