Le reti wireless

e lo standard 802.11

Perché usare le wireless•Mobilità

L’assenza di cablaggio permette ai terminali,(almeno potenzialmente) di muoversi

Gestire la mobilità rende più complessa la rete.

• Costi

In assenza di un cablaggio pre-esistente, una rete wireless è decisamente meno costosa da realizzare rispetto una rete cablata.

• Flessibilità

E’ facile ad esempio cambiare rete.

E’ facile creare reti “temporanee”.

• Ubiquità

I problemi• Scarsa capacità Il mezzo trasmissivo (etere) è unico e condiviso per cui in generale si

possono servire pochi utenti contemporaneamente o si devono offrire bassi tassi trasmissivi.

• Sicurezza In assenza di specifici controlli, è banale intercettare le informazioni

• Bassa qualità della comunicazione Interferenze, rumore, attenuazioni portano ad elevate probabilità di errore

• Inquinamento elettromagnetico

• Consumo d’energia Nel caso si voglia sfruttare la mobilità

Le soluzioni• SicurezzaSoluzione:Usare comunque sempre meccanismi di cifraturadel traffico e di autenticazione dell’utenza.• Qualità della trasmissioneSoluzione: introdurre codici di protezione (FEC) più efficaciApplicare tecniche a livello di linea e tener conto delle perdite pererrore nei protocolli ad alto livello (TCP)• Consumo di energia:Soluzione: adottare meccanismi specifici di controllo di potenza.• Inquinamento elettromagneticoSoluzione: controllo di potenza e sperare che non faccia male

Scarsa disponibilità di banda

• Questo è forse il problema più serio Nelle reti cablate, in qualunque situazione di scarsità di banda, si può al limiteaggiungere un cavo/fibra.• Nel caso dell’etere lo spettro è utilizzato per moltissimi usi diversi, per cui ogni tipologia di rete (radio broadcasting, radio private, reti cellulari, reti locali, radiofari,ponti-radio, satelliti, …) ha a disposizione una porzione di banda molto ridotta.

La soluzione è data dalla rapidissima attenuazione subita dai segnali radio– Fissata una potenza di trasmissione “ragionevole”, il segnale radio scompare anche come disturbo dopo solo alcuni Km (da 5 a 100 km a seconda del valore di potenza del trasmettitore).– Al di là di questa distanza da un trasmettitore, la porzione di spettro può essere quindi riutilizzata.

Mentre A e B comunicano, F ed E possono usare la stessa porzione di spettro (canale) per comunicare fra loro

Problemi:– D e C non possono riutilizzare lo stesso canale– I terminali in aree diverse non sono in grado di comunicare fra loro.

Si possono allora scegliere due soluzioni– Circostanziare geograficamente il servizio e quindi l’estensione della rete in modo da avere pochi utenti. Più reti che non sono fra loro adiacenti o comunque sono schermate (per esempio da pareti).– Tassellare il territorio (struttura cellulare )

La soluzione più efficace è quella di dividere o tassellare il territorio in aree (celle).• Se la zona di interferenza fosse di dimensioni trascurabili, in ogni area si potrebbe ri-utilizzare la stessa porzione di spettro.• In presenza di interferenza si può fare in modo di dividere lo spettro e impedire che terminali in aree adiacenti usino gli stessi canali.

Questo vuol dire che se la disponibilità di banda è 10 Mbps, in ogni areagli utenti avranno a disposizione (nel caso ideale con zona interferente nulla) l’intera capacità.Se divido il territorio su cui si deve estendere la rete in 100 celle, la capacità complessiva della mia rete wireless diventa 1 Gbps.

Suddivisione in celle/aree •Per far comunicare utenti in celle/aree diverse si possono usare strategie diverse a seconda che la rete sia

– Con punto d’accesso fisso

– Autoconfigurante (ad hoc)

• Reti geograficheLe sole reti geografiche completamente wireless sono quelle che utilizzano i satelliti; si tratta però il più delle volte di reti diffusive o comunque di backbone.• Le reti radiomobili cellulari sono reti geografiche, ma solo la prima parte della rete è in effetti wireless.

• Reti d’accessoIn assenza di infrastrutture già presenti, usare una rete wireless per l’accesso può essere una soluzione economicamente molto vantaggiosa.• Sia la tecnologia radiomobile cellulare (GSM e specialmente UMTS) , che lo standard IEEE 802.11 (Wi-Fi), possono essere usati per realizzare reti d’accesso. Lo standard IEEE 802.16 si occupa di questo.

• Reti locali e ad uso specificoWireless Lan(WLAN)- IEEE 802.11 (Wi-Fi)

Tipologie di reti wireless

WirelessLAN – IEEE 802.11

• Lo standard IEEE 802.11 è stato pubblicato nel 1997– inizialmente prevedeva l’utilizzo della banda ISM 2.4 GHz e le velocità di

trasmissione a 1-2 Mb/s.• Nel 1999 è stato aggiornato (IEEE 802.11:1999)– introduzione di nuove modulazioni e velocità più elevate;– definizione di due nuove versioni: 802.11a e 802.11b.• Sempre nel 1999 è stato adottato dall’OSI/IEC come 8802-11:1999.• Nel 2003 una ulteriore evoluzione ha portato alla definizione delle

specifiche 802.11g.• Questo standard è anche chiamato Wireless Fidelity (Wi-Fi) dal nome di

una associazione di costruttori che lo promuove e verifica la interoperabilità dei prodotti

Il protocollo 802.11

Una 802.11 LAN è basata su una architettura cellulare in cui l’area in cui deve essere distribuito il servizio vienesuddivisa in celle.Ciascuna cella (chiamata Basic Service Set o BSS nellanomenclatura) è controllata da una stazione base denominata Access Point o più semplicemente AP.

Sebbene una wireless LAN possa essere formata da una singola cella, con un singolo Access Point, la maggior parte delle installazioni sarà formata da una molteplicità di celle dove i singoli Access Point sono interconnessi attraverso un qualche tipo di rete di distribuzione (che normalmente viene definita Distribution System o DS)

Access Point

Tipologia ad hoc

La rete di distribuzione è normalmente costituita da una dorsale Ethernet e in certi casi è wireless essa stessa.

Il complesso delle diverse wireless LAN interconnesse, comprendenti differenti celle, i relativi Access Point e il sistema di distribuzione, viene visto come una singola rete 802 dai livelli superiori del modello OSI ed è noto nello standard come Extended Service

Infrastruttura di una WLan

Schema di rete LAN basata sulprotocollo 802.11

Livelli dell’802.11

Lo standard definisce un singolo livello MAC che può interagire con i seguenti tre livelli fisici, operanti a velocità variabili tra 1 e 3 Mbit/s:

• Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) nella banda ISM 2,4 GHz.

• Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) nella banda ISM 2,4 GHz.

• Trasmissione a raggi infrarossi(IR)

Il livello fisico dell’802.11Lo strato fisico include due tecnologie basate su RF :

la Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) e la Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS).

Entrambe sono state definite conformemente alla FCC 15.247 per operare nella banda ISM 2.4 GHz.

Nello standard DSSS ogni bit di informazione viene combinato mediante una funzione XOR con una sequenza numerica Pseudo Random (PN) detta chip code.11-chip Barker per l’802.11Il risultato è uno stream digitale modulato ad alta velocità mediante tecniche Differential Phase Shift Keying (DPSK).

Esempio:

Il periodo del chip code è esattamente uguale alla durata del bit

DSSS=Direct Sequence Spreed Spectrum

Il segnale ricevuto è correlato alla sequenza PN al fine di ricostruire i dati originari e di filtrare eventuali interferenze.

La sequenza PN provoca un’allargamento (spread) della banda passante del segnale risultante (da cui il termine spread spectrum) con una conseguente riduzione del picco di potenza.

Canali DSSS non sovrappostiall’interno della banda ISM

Diversamente dal data rate dei dati che è di 1, 2, 5.5, o 11 Mbit/s, la larghezza di banda del canale per i sistemi DSSS è di circa 20 MHz.Di conseguenza la banda ISM verrà distribuita lungo tre canali non sovrapposti (not overlapping channels).

Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS)

Inventato da Hedi Lamarr nel 1936

Il livello MAC dell’802.11

• La trasmissione wireless è decisamente inaffidabile– il controllo di errore dei livelli superiori (TCP) richiede timer dell’ordine

dei secondi;– risulta più efficiente incorporare un controllo di errore anche nel MAC.

• 802.11 specifica quindi un protocollo per la trasmissione dei frame:– trasmissione del frame da parte della sorgente;– invio di un ACK da parte del ricevitore;– questo scambio è considerato come una operazione unica, che non

deve essere interrotta dalle altre stazioni» l’ACK deve essere inviato entro un tempo detto SIFS;» le stazioni non possono iniziare una nuova trasmissione in tale

intervallo temporale

Il meccanismo di trasferimento richiede quindi lo scambio di due frame.• È possibile aumentare l’affidabilità del meccanismo attraverso uno scambio a 4 vie:– la sorgente invia una richiesta di trasmissione (RTS)alla destinazione;– la destinazione conferma (CTS);– la sorgente invia il frame contenente l’informazione;– la destinazione conferma la ricezione del frame (ACK).• Questo meccanismo può essere escluso.• Il meccanismo RTS/CTS viene utilizzato ancheper risolvere il problema delle stazioni nascoste.

Problema della stazione nascosta

La tecnica di contesa scelta è denominata Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance (CSMA/CA).• Due funzionalità presenti– Distribution Coordiantion Function» realizza il meccanismo di MAC in forma completamentedistribuita;– Point Coordination Function» versione centralizzata per permettere le realizzazione diservizi “delay bounded”.

Ogni stazione che deve trasmettere un pacchetto verifica che il canale sia libero (CSMA)– in caso negativo rimanda la trasmissione;– in caso positivo attende per un tempo pari a un DIFS (ricezione corretta del pacchetto) o a un EIFS (ricezione non corretta) (CA);» se nessun’altra trasmissione inizia in questo intervallo la trasmissione ha luogo;» in caso contrario la trasmissione viene rimandata.• Nel caso in cui la trasmissione venga rimandata, la stazione estrae un tempo casuale di attesa (tempo di backoff):– tale tempo viene decrementato mentre il canale è libero;– al termine del conteggio, il canale deve rimanere libero per un ulteriore tempo DIFS prima di iniziare la trasmissione.

• La mancata ricezione di un ACK– può essere dovuta ad errori o collisioni» tempi di propagazione non trascurabili;– richiede la ritrasmissione del pacchetto relativo» riattivazione del meccanismo di contesa;» fino ad un numero massimo di tentativi.

Meccanismo di Carrier Sense• L’indicazione di mezzo occupato avviene attraverso due meccanismi:– physical carrier-sense» fornito dal livello fisico;» indica la presenza di una trasmissione sul canale;– virtual carrier-sense» realizzato all’interno del MAC;» le intestazioni MAC contengono l’indicazione sulla durata delle transazioni;» questo meccanismo viene indicato come NAV (Network Allocation Vector);» il NAV contiene un valore che viene decrementato dalla stazione,fino a raggiungere il valore 0 (canale libero)

Problema della stazione esposta