제나가 보낸 안녕은 미나미에게 어떻게 도착할까?

글자는 숫자로, 숫자는 패킷으로

제나의 휴대폰은 와이파이가 아니라 모바일 데이터로 연결되어 있습니다. 먼저 하나 짚어 둘 것이 있습니다. 안테나는 글자를 알지 못합니다. 전파에는 숫자로 바뀐 신호만 실립니다.

앱은 글자를 정해진 규칙에 따라 바이트로 바꿉니다. 그다음 휴대폰 안의 여러 계층이 차례로 헤더라는 머리말을 붙입니다. 헤더에는 어디로 가는지, 어느 연결에 속하는지 같은 정보가 들어 있습니다. 이렇게 네트워크가 다루는 작은 단위를 패킷이라고 합니다. 메시지 하나가 꼭 패킷 하나인 것은 아닙니다. 짧은 글자는 패킷 하나에 담길 수 있고, 긴 내용은 여러 조각으로 나뉩니다.

종단간 암호화를 쓰는 서비스라면 글자를 바이트로 바꾼 직후 앱이 내용을 먼저 암호화할 수도 있습니다. 그런 경우 중간의 서버는 내용을 읽지 못하고 전달만 합니다. 다만 모든 서비스가 같은 방식을 쓰지는 않습니다.

더 읽기 1 · 글자가 바이트가 되는 예시

영상은 "안녕"이라는 두 글자가 정해진 규칙에 따라 바이트가 되는 모습을 예시로 보여 줍니다. 영상에 나오는 바이트 값과 비트 줄은 이해를 돕기 위한 그림입니다.

핵심은 두 가지입니다. 첫째, 글자를 바이트로 바꾸는 규칙은 앱과 서비스가 정해 두며, 받는 쪽도 같은 규칙으로 되돌립니다. 둘째, 헤더는 앱 하나가 붙이는 것이 아니라 휴대폰 안의 여러 계층이 차례로 붙입니다. 메시지의 경계와 패킷의 경계는 같지 않으므로, 받는 쪽은 조각을 모두 모아 다시 조립해야 합니다. 암호화는 이 과정에서 글자를 바이트로 바꾼 직후, 네트워크 패킷이 만들어지기 전에 일어날 수 있습니다.

이미 마련된 길

메시지를 보낼 때마다 가입자인지 확인받을까요? 그렇지 않습니다. 휴대폰이 망에 처음 붙을 때 유심의 가입자 정보로 인증과 허가를 받고, 데이터를 주고받을 세션도 보통 그때 만들어 둡니다. 세션은 전용 회선이 아니라, 패킷이 지나갈 경로와 규칙을 정해 둔 약속에 가깝습니다.

그렇다고 무선 연결이 늘 열려 있는 것은 아닙니다. 한동안 데이터를 주고받지 않은 휴대폰은 전력을 아끼려고 무선 연결을 쉬게 둡니다. 보낼 것이 생기면 기지국과 무선 연결을 다시 잇습니다.

흔한 예는 보낼 데이터가 있다고 기지국에 알리고 자원을 요청하는 경우입니다. 기지국의 스케줄러가 언제, 어떤 주파수 자원을 쓸지 정해 주면 제나의 휴대폰이 그 자원에 신호를 싣습니다. 미리 정해 둔 자원을 쓰는 방식도 있습니다. 휴대폰에서 기지국으로 올라가는 이 방향을 상향링크라고 합니다. 정리하면, 인증과 데이터가 지나갈 길은 대개 미리 마련되어 있고, 필요할 때 무선 자원을 받아 그 길에 메시지를 싣습니다.

전파가 되어 기지국으로

패킷은 무선으로 보내기 알맞은 크기의 블록에 담깁니다. 블록마다 CRC 검사값과 오류 정정을 위한 여분이 더해지고, 채널 상태에 맞춘 변조를 거쳐 OFDM 계열의 신호가 됩니다. 앞에서 하나씩 본 과정들입니다.

이 신호가 제나의 휴대폰 안테나에서 전파로 나갑니다. 휴대폰이 만든 이 전파는 먼저 기지국까지의 공기 구간을 건넙니다. 제나의 휴대폰이 미나미의 휴대폰으로 직접 전파를 쏘는 것이 아니라, 먼저 가까운 기지국으로 보냅니다.

기지국은 받은 신호를 거꾸로 풉니다. 부반송파를 나누고, 채널이 일그러뜨린 만큼 보정하고, 복조한 뒤 오류 정정으로 고칩니다. CRC 검사에 실패한 블록은 재전송으로 다시 받아 합칩니다. 검사를 통과한 블록들은 위쪽 계층에서 모여 패킷으로 다시 조립되며, 필요한 조각이 모두 모여야 다음 구간으로 넘어갑니다.

여기서 중요한 점이 하나 있습니다. 공기 중의 전파가 케이블 속으로 그대로 들어가지는 않습니다. 기지국이 비트를 되찾은 뒤, 다음 구간에 맞는 새 신호로 다시 만들어 보냅니다. 정보는 이어지지만 파형은 구간마다 바뀝니다.

더 읽기 2 · 구간마다 신호를 다시 만드는 이유

영상이 보여 주는 요지는 "정보는 이어지지만 파형은 구간마다 바뀐다"는 것입니다. 공기 중의 전파와 광케이블 속의 빛은 서로 다른 신호이며, 기지국이 비트를 되찾은 뒤 다음 구간에 맞는 새 신호를 만들어 보냅니다.

이 때문에 앞 편들의 내용이 한 번의 전송에 모두 들어 있습니다. 휴대폰에서는 블록마다 CRC와 오류 정정 여분을 붙이고 변조해 OFDM 계열의 신호로 만들며(4편 OFDM, 6편 링크 적응, 9편 오류 정정), 기지국에서는 이를 거꾸로 풀고 실패한 블록은 HARQ로 다시 받아 합칩니다. 영상의 그림은 이 흐름을 이해하기 위한 단순화이며 실제 장비의 처리 순서와 세부 구현을 나타내지 않습니다.

기지국 뒤의 길

기지국에서 나온 패킷은 백홀이라는 연결을 따라 통신사의 코어망으로 갑니다. 백홀에는 광케이블이나 마이크로파 같은 무선 링크가 쓰입니다. 기지국 혼자 인터넷 전체를 맡는 것은 아닙니다.

기지국을 포함해 휴대폰과 무선으로 이어지는 부분을 무선접속망이라고 합니다. 그 뒤의 코어망은 큰 상자 하나가 아니라 인증, 세션 관리, 이동성 관리, 데이터 전달 같은 일을 나눠 맡는 여러 기능의 모임입니다. 안녕 한마디가 이 기능들을 모두 거치지는 않습니다. 연결을 만들고 바꾸는 제어의 길과 사용자 데이터가 지나가는 길이 나뉘어 있고, 메시지는 주로 데이터 전달 쪽 길을 따라갑니다. [1]

8편의 핸드오버를 떠올려 봅니다. 휴대폰이 움직여 기지국이 바뀌면 이 데이터 길의 기지국 쪽 끝이 새 기지국으로 바뀌었습니다. 그래서 움직이는 중에도 흐름이 이어집니다. 코어망의 데이터 전달 기능은 패킷을 바깥 인터넷으로 이어지는 출구로 보내고, 인터넷에서는 여러 라우터가 목적지 주소를 보고 패킷이 갈 다음 길을 골라 줍니다.

서버를 지나 미나미에게

도착지는 메신저 서비스의 서버입니다. 이 패킷의 목적지 주소는 미나미의 휴대폰이 아니라 서버의 IP 주소입니다. 여기서는 서버가 메시지를 중계하는 대표적인 방식을 예로 듭니다. 서버는 받는 사람의 계정과 연결 상태를 찾습니다. 종단간 암호화라면 내용은 읽지 못해도 누구에게 보낼지만 알면 됩니다. 서비스 정책에 따라 바로 보내거나, 미나미가 받을 수 있을 때까지 잠시 보관합니다.

서버가 보낸 패킷은 다시 인터넷을 건너 미나미가 가입한 통신사의 코어망으로 들어갑니다. 미나미도 모바일 데이터로 연결되어 있다고 하겠습니다. 제나와 다른 통신사일 수도 있습니다. 코어망은 미나미의 세션을 관리하고, 휴대폰이 대략 어느 지역에 있는지 알고 있습니다.

미나미의 휴대폰이 쉬고 있었다면 그 지역의 기지국들이 호출 신호를 보내 휴대폰을 깨우고 무선 연결을 다시 잇습니다. 그다음 기지국이 자원을 정해 전파로 내려보내며, 이 방향을 하향링크라고 합니다. 미나미의 휴대폰은 앞에서 기지국이 했던 일을 똑같이 합니다. 복조하고, 오류를 고치고, CRC로 확인하고, 실패하면 재전송을 받아 합칩니다. 패킷이 다시 조립되면 암호화된 내용은 앱이 복호화하고 화면에 "안녕"을 띄웁니다.

더 읽기 3 · 도착 표시와 읽음 표시, 그리고 실패

화면의 작은 표시는 서비스마다 뜻이 다릅니다. 영상의 설명에 따르면 도착 표시는 보통 서버나 기기가 메시지를 받았다는 뜻이고, 읽음 표시는 미나미가 대화를 열어 봤다는 뜻인 경우가 많습니다. 정확한 뜻은 서비스가 정합니다.

이 길이 늘 성공을 보장하지는 않습니다. 무선 구간은 재전송으로, 앱과 서버는 다시 보내기나 보관으로 실패를 줄이지만, 망이 끊기거나 휴대폰이 꺼져 있으면 도착이 늦어지거나 실패할 수 있습니다. 앞 편에서 본 것처럼 신뢰성은 절대적인 약속이 아니라 높은 확률로 성공하도록 설계한 결과입니다.

도착, 그리고 처음으로

처음 우리는 안테나 속에서 움직이는 전자에서 출발했습니다. 그 움직임이 전파를 만들었고, 전파는 여러 부반송파와 안테나로 정보를 실어 날랐습니다. 그 정보는 보호받으며 사람을 따라 움직이는 네트워크를 건넜습니다. 그 끝에 "안녕"이라는 두 글자가 있습니다. 전송 버튼 하나 뒤에는 물리와 네트워크가 이렇게 이어져 있습니다. 다음에 휴대폰으로 메시지를 보낼 때, 잠시 이 길을 떠올려 보세요.

참고 자료와 설명의 범위

이 글과 영상은 메시지 한 통이 지나는 길을 처음 접하는 사람을 위한 단순화한 설명입니다. 두 사람이 모두 모바일 데이터를 쓰고 서버가 메시지를 중계하는 대표적인 예를 골랐으며, 모든 서비스와 모든 망에 그대로 해당하지 않습니다. 종단간 암호화, 자원 요청과 할당, 호출 신호, 도착과 읽음 표시는 조건이 붙는 예시입니다. 영상의 바이트 값과 그림은 이해를 위한 것입니다.

아래 자료는 제어 평면과 사용자 평면이 나뉜다는 설명을 확인한 문서입니다. 앞 편들의 내용(OFDM, 스케줄링, 링크 적응, 핸드오버, 오류 정정)은 해당 편의 설명을 따릅니다. 무선 자원 스케줄링을 다룬 MathWorks 문서는 확인 시점에 접속이 거부되어(HTTP 403) 이번에 본문을 새로 확인하지 못했고, 그래서 자원 요청과 할당을 "흔한 예"로만 표현했습니다. 이번 게시에서 규격 조항까지 독립적으로 검토했다는 뜻은 아닙니다.

제어 평면(접속, 시그널링, 세션, 이동성, 인증)과 사용자 평면(데이터 전달)의 구분. Ericsson · 5G Core.

이어서 읽기

• 9편 · 오류 정정, CRC, HARQ
• 8편 · 셀 재선택과 핸드오버
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