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ISSN : 1225-7672(Print)
ISSN : 2287-822X(Online)
Journal of the Korean Society of Water and Wastewater Vol.32 No.4 pp.309-315
DOI : https://doi.org/10.11001/jksww.2018.32.4.309

The case study on wireless lan design technique for Bansong purification plant using network integrated management system and security switch

Eunchul Park1, Hyunju Choi2*
1Management Information System Dept, K-water
2Department of Mathematics Science and Computer(MSC), Kyungnam University
Corresponding author: Hyunju Choi (E-mail: hjchoi@kyungnam.ac.kr)
01/06/2018 28/06/2018 04/07/2018

Abstract


Currently, the commercialization of the 5th Generation (5G) service is becoming more prevalent in domestic communication network technology. This has reduced communication delay time and enabled large-capacity data transmission and video streaming services in real-time. In order to keep pace with these developments, K-water has introduced a smart process control system in water purification plants to monitor the status of the water purification process. However, since wireless networks are based on the public Long Term Evolution (LTE) network, communication delay time remains high, and high-resolution video services are limited. This is because communication networks still have a closed structure due to expense and security issues. Therefore, with 5G in its current form, it is very difficult to accommodate future services without improving the infrastructure of its communication networks. In recognition of these problems, this study implemented the authentication and management function of wireless networks on a wired network management system in the K-water Bansong water purification plant. The results confirmed that wired Local Area Network (LAN) services give a higher security performance than an expensive commercial wireless LAN system. This was achieved by using an Internet Protocol (IP) address management system of wired networks and the packet filtering function of the Layer2 (L2) switch. This study also confirmed that it is possible to create a wireless LAN service that is 3.7 times faster than the existing LTE communication network.



네트워크 통합관리시스템과 보안스위치를 이용한 반송정수장 무선랜 구축사례

박 은철1, 최 현주2*
1한국수자원공사, 정보관리처
2경남대학교 교양융합대학 MSC교육부

초록


    1 서 론

    인류가 도구를 사용하기 시작한 이래 산업화를 이 루기까지 약 2000년 이라는 시간이 걸린 반면, 최초의 컴퓨터(에니악, 1958)가 등장한 이후 정보화 사회로 진화하기 까지는 불과 60년의 시간밖에 걸리지 않았 다. 인류 문명의 단지 3%에 해당하는 기간 만에 ICT (Information & Communication Technology) 기술의 발 전으로 언제, 어디서나, 누구와도 대용량의 정보를 교 환할 수 있게 되었다. 특히 스마트폰의 확산으로 무선 인터넷 이용이 활성화 되었고 이는 소통과 협업이라는 새로운 work paradigm으로의 업무가 전환되게 되었다. 기업의 경영환경도 ‘창의성’과 ‘효율성’을 중시하는 work smart가 미래 경영환경의 중요한 축이 된 것이다 (Bae et al., 2014; Kang et al., 2014; Lim et al., 2017). 따라서 그간 폐쇄망 운영과 보안성이 우수한 유선네 트워크 기반의 기반시설 통신망 또한 변화의 흐름을 거스를 수 없게 되었다. 이러한 흐름에 순행하기 위하 여 K-water에서는 정수장에 스마트 공정 관리 시스템 (이하 SiS : Smart iWater System)을 도입하여 수처리 공정상황을 확인할 수 있도록 하고 있다 (Park et al., 2018). 그리고 국가기반시설에 적용되는 서비스인 만 큼 지정된 단말에 MDM(Mobile Device Management system)을 탑재하여 자료저장이 불가능하도록 하였고 SSL(Secure Socket Layer) 기반의 VPN(Virtual Private Network) 터널을 이용해 전송되는 데이터를 암호화 하 고 있다. 그러나 단점으로 무선네트워크를 공중망인 LTE를 기반으로 하고 있다는 것이다. 이는 지연시간이 40 ms 이상으로 길고 전송속도 또한 20~30 Mbps로 고 해상도 동영상 서비스 제공이 제한적이다. 따라서 실시 간 수처리 공정상황을 확인하는 것은 다소 제한적일 수 있다. 또한 최근의 5G기반의 실감형 콘텐츠 서비스 가 상용화 된다 하더라도 기반시설 통신망의 구조적인 개선이 없으면 모바일 서비스를 수용하기 힘든 구조인 것이다 (Jung et al., 2013; Koo et al., 2014).

    따라서 본 연구는 K-water의 반송정수장을 대상으 로 유선네트워크 관리시스템을 활용하여 무선네트워 크의 인증과 관리 기능을 구현하고 기본적인 네트워 크 품질 측정 및 QR코드(Quick Response Code)를 활 용한 동영상 스트리밍 서비스를 시험하였다. 이를 통 하여 기반시설 통신망의 모바일 서비스 개선을 위한 방안을 제안하고자 하며 특별히 무선네트워크 구축을 위해 필요한 고가의 보안장비(인증서버, 무선랜 데이 터 보안) 대신에 유선네트워크의 관리시스템을 활용 하여 저비용 고효율 구조의 무선네트워크 구축기법을 소개하고자 한다.

    2 무선랜(Wireless-Fidelity) 소개

    2.1 무선랜의 유형 및 구성요소

    무선네트워크는 서비스 범위와 구성방법 등에 따라 크게 3가지 범위로 분류되며 아래와 같다 (Han et al., 2011; Hwang et al., 2013; Jeon et al., 2003; Seo et al., 2011; Song et al., 2002).

    • 1) WPAN(Wireless Personal Area Network): 단거리 Ad-Hoc 또는 Peer to Peer (P2P) 방식으로 연결되며 노 트북간의 데이터 전송이나 스마트폰과 헤드셋의 쌍으 로 연결된 무선 통신 단말기간의 통신을 말한다.

    • 2) WLAN(Wireless Local Area Network): 유선랜의 확장개념으로 사용되는 소규모 사무실 등의 무선네 트워크를 말한다.

    • 3) WMAN(Wireless Metropolitan Area Network): 대 도시와 캠퍼스 등 넓은 지역을 대상으로 높은 전송속 도를 제공하는 네트워크를 말한다.

    일반적인 형태의 무선랜은 IEEE 802.11 기반으로 Wi-Fi라고 불리며 좁은 지역에 단말 간의 무선네트워크 연결을 지칭한다. Gateway와 단말이 무선 AP(Access Point)를 통해 연결되고 2.4 GHz 또는 5 GHz 대역의 전자기파를 사용하며 특징은 아래와 같다.

    • 1) 802.11(초기버전): 최고전송속도 2 Mbps로 적외 선 신호나 ISM(Industrial Scientific and Medical) 대역 인 2.4 GHz대역 파를 사용하고 혼잡제어를 CSMA/ CA(Carrier-Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 를 사용한다. 초기형태로 호환성이 부족하고 속도가 느려 활성화되지 않았다.

    • 2) 802.11b: 802.11 규격에서 발전된 형태로 최대전 송속도는 11 Mbps를 지원하나 실제 CSMA/CA 과정 에서 속도가 줄어 6~7 Mbps를 지원하여 유선네트워 크를 대체하는 형태 로 무선네트워크 활성화의 시초 가 되었다.

    • 3) 802.11a: 5 GHz 전파대역을 사용하여 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 기술을 사 용하여 최대 54 Mbps의 전송속도를 지원하며 2.4GHz 대역의 무선전화기나 블루투스 신호와 간섭이 적은 장점이 있다.

    • 4) 802.11g: 802.11a 규격과 전송속도가 같지만 2.4 GHz 대역 전파를 사용하나 많이 사용되지 않고 있다.

    • 5) 802.11n: 802.11 표준에 MIMO(Multiple-input Multiple-output)와 40 MHz 채널 대역폭을 가진 물리계 층, 맥 계층의 프레임 집적기술을 추가하여 만들어졌고 최대 전송속도는 300 Mbps를 지원한다. 시중에 판매되 는 무선공유기 대부분이 802.11n을 지원하고 있다.

    이러한 무선랜 중 Wi-Fi라 부르는 무선랜 서비스는 Fig. 1와 같이 망에 연결되는 게이트웨이와 유선랜을 확장하는 AP로 구성되며 통상 가정에서 사용하는 무선 랜 공유기는 게이트웨이와 AP가 통합된 형태로 동작한 다. 하나의 무선AP와 다수의 단말기가 모여진 최소 규 모의 네트워크를 BSS(Base Service Set)라 부르고 다수 의 BSS가 모여진 네트워크를 ESS(Extended Service Set) 라 한다.

    여기서 BSS를 이루는 무선랜의 주요구성요소는 서 비스를 이용하는 무선단말기(Station)와 네트워크와 단 말을 연결하는 무선AP가 있으며 무선랜과 무선랜을 연결해 주는 무선 브리지로 구성되며 특별히 비인가 자의 무선랜 사용을 차단하고 사용자의 인증키를 관 리하는 인증서버(Radius)가 추가될 수 있다.

    2.2 무선랜의 데이터 보호

    무선랜의 경우 전자기파를 사용하여 무선AP에서 발송되는 전파의 강도와 지형지물에 따라 서비스 범 위 이상으로 전파가 전달될 수 있으며 이로 인해 유 선보다 도청에 더욱 취약한 구조이다. 따라서 무선랜 은 전송되는 데이터를 암호화하기 위하여 WEP(Wired Equivalent Privacy)를 지원하고 있다. WEP는 무선전송 데이터를 사전에 약속된 공유 비밀키와 임으로 선택 되는 IV(Initial Vector)값을 조합한 64비트 또는 128비 트의 비밀키로 데이터를 암호화하는 방식이다 (Park et al., 2002; Yoo et al., 2012). 이후 WPA(Wi-Fi Protected Access)가 출시되었는데 WEP보다 강력한 256비트의 암호화와 송수신된 패킷을 외부에서 수집 하거나 변경했는지를 판단하기 위한 메시지 무결성 확인(Message Integrity Check) 및 임시키 무결성 프로 토콜(Temporal Key Integrity Protocol, TKIP)을 사용한 다. 현재 사용되는 강력한 암호화 방식은 WPA2 (Wi-Fi Protected Access Ⅱ)를 사용하고 있다. AES (Advanced Encryption Standard)를 기본으로 채택하고 있으며 임시키 무결성 확인을 CCMP(Counter Cipher Mode with Block Chaining Message Authentication Code Protocol)로 대체하고 있다 (Min et al., 2015). 여기서 PSK(Pre-Shared Key)를 사용하게 되면 1개의 유일무일 한 범용 암호를 생성하게 되고 단말에 저장하게 된다. 별도의 인증서버를 운영하지 않는 소규모 네트워크에 서는 PSK 생성을 통한 범용 인증방식을 적용하며 대 규모 기업용 네트워크는 사용자 인증을 별도의 인증 서버(Radius)를 통해 접속을 제한하는 방식을 사용하 고 있다.

    2.3 무선랜의 침해위협

    강력한 암호화 알고리즘과 사용자인증 정책에도 불 구하고 무선랜은 보안상의 침해위협을 안고 있다. 침 해위협은 크게 무선 네트워크 접속을 위한 인증과정 과 전송되는 데이터의 암호화 취약점으로 분류될 수 있으며 대표적인 취약점은 Fig. 2과 같다. 단말이 불법 AP를 통해 외부나 다른 망으로 연결될 수 있는 접점 이 발생하거나 공격자에 의해 무선랜 구간의 트래픽 을 수집하고 암호화 킷값을 cracking 하여 인증번호 및 SSID(Service Set Identifier)정보를 탈취함으로써 불 법적으로 네트워크에 접속할 수 있다. 반대로 AP에 부하를 유발하게 함으로써 정상적인 단말이 서비스를 이용할 수 없도록 하는 공격기법이 있다. 따라서 취약 한 무선랜의 보안을 위해서는 SSID를 숨기고 WPA2 와 PSK로 암호화 및 인증체계를 사용하여야 하며 비 인가 된 네트워크 접속을 차단할 수 있는 보안대책 마련이 필요하게 된다.

    3 반송정수장 통신망 내부의 무선랜 구 성방안

    K-water에서 이용하고 있는 기반시설 통신망의 모바일 서비스는 공중망(LTE)을 이용하고 있어 대역폭이 좁고 지연시간이 길어 대용량 스트리밍 데이터 전송에 적합하 지 않음을 확인하였다. 반면 실감형․초고화질․증강현실 등 미래형 서비스가 실시간으로 대량의 데이터를 전송할 수 있어야 함에 따라 지연시간이 길고 대역폭이 적은 기존의 모바일서비스는 더 이상 수용이 불가능 하다. 이를 개선하기 위해서는 지연시간이 적고 실시간 대량의 데이터 전송이 가능한 고속 무선랜이 필요하며 기반시설 통신망에 도입할 수 있도록 보안이 강화된 무선랜 서비스 가 필요하다. 그러나 무선랜 서비스를 자가 망으로 구축 하기 위해서는 고가의 인증서버와 컨트롤러 등 관리와 관제시스템이 필요로 하여 그간 도입이 미뤄지고 있었 다. 이러한 여건 속에 보안성이 강한 무선랜 서비스를 자가 망으로 구축하기 위하여 유선랜의 관리시스템과 고기능 보안스위치를 활용함으로써 무선랜의 도입비용 이 저렴한 서비스 구축사례를 소개한다.

    3.1 사용자 인증 및 IP/MAC(Media Access Control) address filtering 기법

    경남 창원시 소재의 반송정수장은 중앙조정실을 중심 으로 Star형의 설비감시용 CCTV(Closed Circuit Television) 네트워크가 구성되어 있다. 각 스위치는 Fig. 3에서 보 는 것과 같이 1Gbps의 2중화된 업링크를 갖추고 있으 며 ERP(Ethernet Ring Protection)를 사용하고 있어 회 선장애에 강한 무중단 네트워크를 구성하고 있다. 특 히 스위치(L2 및 L3)는 국정원으로부터 인증 받은 보 안기능이 탑재된 스위치로 스위칭 패브릭 이외 보안 모듈이 탑재됨에 따라 IP spoofing, DoS(Deny of Service)등의 유해 트래픽 정보를 탐지/차단하고 보안 모듈에 IP/MAC 기반의 필터링 기능이 탑재됨에 따라 서 일반 스위치가 갖는 ACL(Access Control List) 정책 관리보다 훨씬 강력하고 손쉬운 보안정책 운영관리가 가능하다. 또한 network management system은 SNMP(Simple Network Management Protocol)의 trap로 그 뿐 아니라 보안스위치의 실시간 로그를 수집하여 탐지/차단 정책을 실시간으로 관리할 수 있도록 하였 고 NAC(Network Access Control) 기능을 포함하여 IP/MAC 기반의 사용자 인증을 제공함에 따라 IP 및 MAC 기반의 강력한 사용자 인증기능을 제공하고 있다.

    본 연구에서는 이러한 유선랜의 강력한 보안환경을 이용하여 기반시설 통신망에 무선랜 서비스 제공이 가능 하도록 개선방안을 도출하였다. 물리적인 구성은 보안 L2 스위치에 WPA2-PSK/AES 암호화가 가능한 300 Mbps 를 지원하는 AP를 설치하고 지정된 단말과 통신할 수 있도록 Fig. 4와 같이 구성하였다. 불법 무선국 및 비인가 자의 무선랜 접속 차단을 위한 무선랜 침입 방지시스템 (WIPS : Wireless Invasion Prevention System)을 설치하였다.

    사용자의 인증은 통합관리시스템(VIPM : Visual IP Manger)을 통해 IP와 MAC을 등록하고 변경이 불가능하도록 IP를 MAC에 고정하였다. 이러한 사전 등록과정을 통 해 IP spoofing을 통한 패킷의 변조와 비인가자의 불 법접속을 1차적으로 차단할 수 있었다.

    두 번째 인증과정은 무선AP의 보안설정으로 사용 자는 WPA2의 보안접속에 AES 256 bit로 데이터를 암 호화 하며 SSID를 숨기고 PSK로 특수문자 조합 11자 리의 보안인증 접속을 시행하도록 구성하였다. 사용 자는 네트워크에 접속하기 전에 IP와 MAC 정보를 등 록하여야 하고 무선네트워크에 사용자 인증의 보안접 속을 완료하여야만 무선인터넷에 접속하여 서비스 이 용이 가능하도록 구성하였다.

    3.2 무선랜의 보안시스템 구성

    앞서 2.1에서 언급된 내용에서는 사용자 단말이 무 선랜과 유선랜에 접속할 수 있도록 하는 사용자 인증 과 데이터 암호화 방법에 대한 설명을 하였다. 반면 무선랜은 외부로부터의 침해 위협에 노출되어 있어 비 인가 사용자 및 불법 무선랜에 대한 사용 통제를 위한 방안마련이 필요하였다. 이를 위해 무선랜 침입 방지시 스템 WIPS(Wireless Intrusion Prevention System)을 설치 하였다. 무선 네트워크 환경에서 단말과 AP간의 트래 픽을 분석하여 악의적이 행위(해킹, 악성코드 유포 및 서비스 거부 등)를 할 경우 탐지/차단이 가능한 시스템 을 말한다. WIPS를 설치하고 허용된 단말과 AP이외 다른 모든 Ad-Hoc 및 AP를 차단하도록 Fig. 5과 같이 설정하였다. 등록된 SSID인 BANSONG_CCTV와 BANSONG_FA 이외에 비인가된 무선랜인 ipcat, ipdog 가 탐지되어 차단되고 있음을 보여주고 있다.

    여과지동 L2는 통신이 가능하도록 허용된 단말의 IP와 MAC 주소 이외에는 모든 패킷을 차단(Drop)하 도록 구성하여 무선랜으로 부터 들어오는 트래픽을 Filtering 하도록 L2방화벽 역할을 구성하였다. IP 및 MAC 고정을 통한 패킷필터링의 개념을 Fig. 6에 나 타내었다. 통과하는 inbound 및 outbound traffic 모두 를 대상으로 등록된 IP와 MAC 주소 이외의 트래픽 은 drop하도록 동작하여 L2 방화벽 역할을 할 수 있 었다.

    4 반송정수장 통신망 내부의 무선랜 구 성 결과

    4.1 무선랜의 품질

    시험용 무선랜을 구축하고 지정된 단말과 NVR 사 이의 연결성을 확인하였다. 802.11n 72 Mbps로 접속 하였고 대역폭 측정 프로그램인 iPerf를 이용하여 최 대 가용한 대역폭을 측정하였다. 시험결과를 Table 1 에 나타내었다. LTE 망에 비해서 3.7배 이상의 대역폭 이 늘어났고 지연시간이 95%이상 개선되었으며, 전송 속도의 편차가 45%이상 감소하여 LTE망에 비해 월등 한 품질개선 효과를 얻을 수 있었다.

    시험조건이 사용 중인 NVR을 이용한 점과 AP의 up-link 포트가 최대 100 Mbps를 지원하는 제한 때문에 이론상 측정 가능한 최대속도는 100 Mbps 이하가 될 것이다. 다만 AP가 802.11 g를 지원함에 따라 up-link가 gigabit을 지원할 경우 무선단말과의 300 Mbps의 고속 무선네트워크 구성이 가능할 것으로 판단된다.

    4.2 무선랜의 보안성

    시험시스템의 보안수준을 K-water에 사용하고 있는 회의실 무선랜과 비교하여 보았다. 그 결과 Fig. 7에서 보는 것과 같이 불특정 다수의 단말이 접속하여 단말 의 사용통제가 어려운 OA(Office Automation)의 2단계 보안(인증서버 + Tunneling) 보다 L2 스위치의 패킷필 터링 기능을 이용한 L2 방화벽 구성이 추가됨에 따라 보안성이 더욱 강화되었음을 확인할 수 있다.

    상용화된 고가의 무선랜이 인증서버와 컨트롤러 도 입을 위해 100백만 원 이상의 비용을 수반하는 반면 네트워크 관리시스템(VIPM)과 고기능스위치 도입 시 10백만원으로 10%의 비용만으로도 무선랜 구성이 가 능하여 경제적으로도 큰 비용절감 효과를 기대할 수 있었다.

    시험시스템의 L2 방화벽이 실제로 유해트래픽을 탐 지하여 차단하는지를 검증하였다. 방식은 무선랜에 시험용 노트북을 IP와 MAC을 등록하고 윈도우즈 기 반의 DoS공격 툴(AttackPacket Ver 2.6.1.0)을 이용하여 NVR 서버까지 TCP/UDP 기반의 실제공격을 가하여 트래픽이 차단되는지 확인하였고 시험결과를 Table. 2 에 나타내었다.

    TCP와 UDP 기반의 대표적인 해킹행위인 scanning, spoofing 및 DoS 공격 패킷을 탐지하고 패킷이 정상적 으로 drop되는 것을 확인하였다. IP와 MAC주소를 도 용하는 것이 성공하더라도 악의적인 공격행위를 탐지 하여 차단하는 동작이 가능함에 따라 일반적으로 많 이 쓰이고 있는 무선랜의 구성보다 더욱 강력한 보안 성능을 얻을 수 있음을 확인하였다.

    4.3 동영상 스트리밍 시험

    시험용 무선랜이 고해상도 영상화면을 streaming하 는데 만족할만한 성능을 나타내는지 실시간 영상 전 송시험을 시행하였다. 그리고 Fig. 8에서와 같이 동영 상 프레임의 끊김, 화면왜곡 등의 품질이 떨어지는 부 분을 동영상편집 프로그램(곰 인코더)를 통해 횟수와 시간을 분석하였다. 그 결과 QR 코드를 스캔할 경우 URL 접속 주소링크를 연결하고 최초 스트리밍 시작 지연 시간 약 30초를 제외하면 3분짜리 720P의 고화 질 동영상을 재생하는데 있어서 부자연스러운 끊김이 4회 발생하였고, 끊김 시간은 5.1초로 전체 재생시간 180초의 2.8% 이하로 나타났다. 이는 재생하는 동안 약간의 화면 깨짐 현상이 발견되는 정도이며 전반적 인 동영상 스트리밍은 만족스러운 결과를 얻을 수 있 었다.

    5 결 론

    국내 통신망은 현재 평창 동계 올림픽을 계기로 5G 서비스의 사용화가 가시화되고 있다. 이를 계기로 증 강현실, 실감형 콘텐츠 등의 고속 대용량의 traffic을 유발하는 서비스가 활성화 될 전망이다. 그러나 폐쇄 적인 망구조를 우선시하는 국가 기반시설의 경우 비 용과 보안상의 이유로 고속 무선랜 도입을 지연시키 고 있다. 이는 협업과 업무효율성을 중요시하는 smart work 정부정책에 반하는 것으로 더 이상 미룰 수 없 는 시대적 과제가 되었다. 따라서 본 연구에서는 폐쇄 적인 망구조를 사용하고 있는 정수장의 경우 지정된 단말간에 무선랜 서비스를 제공시 유선네트워크의 IP 관리시스템(VIPM)과 L2 스위치의 패킷 필터링 기능 을 이용함으로써 문제를 해결 하고자 하였다. 그 결과 상용화된 고가의 무선랜 구축방식보다 보안성능이 더 욱 강화된 무선랜 서비스가 가능함을 확인하였고, 기 존에 사용하고 있는 LTE 통신망 보다 3.7배 이상 빠 른 무선랜 서비스가 가능하다는 것이 확인되었다. 이 는 유선랜의 관리시스템의 사용범위를 확장함으로써 유․무선 네트워크의 통합관리를 도모할 수 있으며 저 비용으로 고성능 무선랜을 구축할 수 있는 계기가 될 것으로 판단된다. 다만, 본 연구를 통한 시험사례가 서비스 될 수 있기 위해서는 국가정보원의 보안성검 토가 필요함에 따라 종래의 무선랜(인증서버+관리시 스템)의 보안정책에 대한 기준을 유연하게 확대적용 할 수 있도록 정책적인 연구가 필요할 것이다.

    Figure

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    Universal wireless LAN configuration diagram.

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    Security vulnerability of wireless LAN.

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    CCTV block diagram and switching fabric of security L2 switch.

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    Test system block diagram of wireless lan for bansong purification plant.

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    Detection status of WIPS.

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    Concept of harmful packet filtering using fixed IP and MAC.

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    Comparison of OA and test wireless LAN.

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    Video streaming test with QR code scanning.

    Table

    The result of bandwidth test with wireless LAN

    Blocking result of harmful traffic like DoS

    References

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