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WLAN IEEE 802.11: Descrizione generale

INTRODUZIONE

Gli standard IEEE 802.11 descrivono le specifiche dell’architettura di reti

LAN wireless. Questi nascono dall’esigenza di realizzare reti in area locale senza

dover stendere cavi, complicando l’installazione della rete stessa e aumentandone i

costi.

Nel corso degli anni sono state sviluppate più versioni dello standard, per

supportare velocità di trasmissione sempre più elevate:

− 802.11, versione iniziale dello standard, 1 o 2 Mbps utilizzando le

tecniche Spread Spectrum (FHSS e DSSS)

− 802.11a 54 Mbps nella banda a 5 GHz utilizzando Ortogonal

Frequency Division Multiplexing OFDM

− 802.11b conosciuta anche come Wi-Fi, è un’estensione dello standard

iniziale e utilizzando la tecnica DSSS fornisce una bit-rate di 5.5 e 11

Mbps, sempre nella banda a 2.4 GHz

− 802.11g estensione dell’802.11b, fornisce una bit-rate di 54 Mbps

nella banda ISM a 2.4 GHz

ARCHITETTURA

Lo standard IEEE 802.11 descrive l’architettura del livello MAC (Medium

Access Control) e del livello fisico. E’ definito un livello MAC e tre livelli fisici,

operanti a differenti bit-rate.

802.2

802.11 MAC

Data Link Layer

FH DS OFDM IR Physic layer

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Il livello MAC appare al livello superiore (Logical Link Control LLC) come

un qualsiasi altro protocollo 802.X; per soddisfare i requisiti di affidabilità che i

livelli superiori richiedono sono incorporate delle funzioni particolari, come la

frammentazione, la ritrasmissione e la conferma dei pacchetti, che sono

comunemente di competenza dei livelli superiori.

L’architettura IEEE 802.11 è di tipo cellulare; il sistema è diviso in celle, le

basic service set (BSS), ovvero un insieme di stazioni che trasmettono e ricevono

trame, ognuna delle quali è controllata da una stazione particolare chiamata Access

Point. Più BSS possono essere connesse tra loro attraverso un sistema di

distribuzione (distribution system DS) per formare un extended service set (ESS);

tutte le stazioni dello stesso ESS appaiono come appartenenti allo stesso BSS agli

strati superiori dell’architettura. In questo caso l’Access Point fornisce l’accesso al

DS a tutte le stazioni del BSS. Il DS nella maggior parte dei casi è una LAN cablata

della famiglia 802.X, ma nulla vieta di implementarlo attraverso un collegamento

wireless. Il DS fornisce anche il collegamento ad altre tipologie di reti LAN, tramite

un componente logico dell’architettura, un portale (portal); le reti non wireless

collegate al DS vengono dette integrate. Se siamo di fronte a un BSS non connesso

tramite un DS si parla di indipendent BSS (IBSS), o anche di rete ad hoc. Questo tipo

di rete, del tipo peer to peer, può essere formata anche da sole due stazioni, e in

genere si forma per scopi temporanei, ad esempio riunioni o convegni.

Due BSS indipendenti

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Due BSS collegate attraverso il DS per formare un ESS

BSS collegata attraverso il DS a una rete LAN non 802.11

MODALITA’ DI ACCESSSO AL MEZZO

All’interno di ogni BSS è attiva una funzione di coordinamento (coordination

function CF), ossia una funzione logica che all’interno della cella stabilisce a quale

stazione è permesso ricevere o inviare trame.

Le CF possono essere di due tipi, distributed coordination function (DCF) o

point coordination function (PCF). Nel primo caso la funzione logica è attiva in tutte

le stazioni, mentre nel secondo caso lo è solo in una stazione per ciascun BSS. Il

sistema di accesso principale, il DCF, è chiamato Carrier Sense Multiple Access with

Collision Avoidance (CSMA/CA), simile a quello usato nello standard Ethernet

CSMA/CD dove CD sta per Collision Detection. La modalità CSMA/CA cerca di

ridurre la probabilità di collisione quando il canale diventa libero dopo essere stato

Distribution System Access Point Portale

LAN 802.X

Distribution System Access Point

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occupato per un certo periodo di tempo, in quanto è possibile che più stazioni

cercheranno di trasmettere. Per questo motivo, oltre all’ascolto (sensing) del canale,

sia virtuale che fisico, viene introdotto l’algoritmo di backoff. Ogni stazione, prima

di trasmettere, controlla il canale, per determinare se un’altra stazione ha già iniziato

l’invio di un pacchetto. Il canale deve essere libero almeno per uno specificato

intervallo minimo affinché la trasmissione possa avvenire. Se invece il mezzo è

occupato, la stazione trasmittente dovrà selezionare un intervallo di tempo, detto

appunto di backoff, casualmente entro certi limiti, passato il quale tenterà di nuovo la

trasmissione.

Come detto nel PCF la logica di controllo è presente solo in una stazione

all’interno di un BSS, l’access point, che viene chiamato point coordinator PC. In

questo caso si opera in modalità polling, con il PC che funge da polling master. Il PC

abilita alla trasmissione una stazione alla volta, utilizzando delle trame particolare e

andando a impostare il network allocation vector NAV di ogni stazione. In questo

modo è possibile impostare una modalità di accesso contention free, in quanto il PC

permette la trasmissione ad una stazione alla volta. L’interspazio tra le trame in

questo caso è più piccolo rispetto al caso DCF. Perciò nel caso di sovrapposizione tra

le aree di copertura di una BSS gestita in modalità DCF e di una gestita da un PC,

quest’ultimo avrà la priorità nell’accesso al mezzo trasmissivo. In questo caso

potrebbe essere necessaria una modifica alla modalità di accesso per evitare tale

problema.

FORMATO DELLE TRAME

Esistono tre tipi di trame:

− Data frame, usate per la trasmissione dei dati

− Control frame, che servono per controllare l’accesso al mezzo,

come RTS/CTS o gli ACK e

− Management frame, che sono inviate come le trame di dati, ma

servono per scambiare informazioni di gestione e non vengono

passate ai livelli superiori.

Ogni trama a livello fisico è costituita da quattro componenti fondamentali:

− preambolo (preamble)

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− PLCP Header

− MAC Data

− CRC

Il preambolo contiene due campi: il primo di sincronizzazione, formato da 80

bit, che serve per adattare il ricevitore sull’esatta frequenza di trasmissione (che

potrebbe variare leggermente da quella nominale) e il secondo, chiamato Start Frame

Delimiter, che consiste in 16 bit (0000 1100 0011 1101) usati per sincronizzare la

trama.

Il PLCP header consiste di tre campi separati: PSDU Length Word (PLW),

PLCP Signaling Field (PSF), PLCP Header Error Check Field (HEC). Il PLW

rappresenta il numero di ottetti presenti nel pacchetto, e serve al livello fisico per

determinare correttamente la fine della trasmissione. Il PSF contiene informazioni

sulla bit-rate utilizzata, mentre l’HEC è un campo che serve per controllare l’assenza

di errori all’interno dell’header stesso, ed è realizzato mediante un codice ciclico.

Il CRC permette di individuare la presenza di errori nell’intero pacchetto.

MAC Data non è altro che la trama MAC passata dal livello superiore

dell’architettura. La sua massima lunghezza è di 2304 byte e è formata da tre

componenti principali:

− MAC header

− Corpo della trama

− Frame Check Sequence (FCS), contiene un CRC (Ciclyc

Redundancy Check) di 32 bit per controllare la presenza di

errori

Il formato generale della trama è il seguente

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Nel Frame Control sono presenti vari campi di controllo, come mostrato nella

figura sottostante.

tipi e sottotipi di trame e relative configurazioni dei bit

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Nel protocol version viene specificato il protocollo utilizzato; è principalmente per

compatibilità verso evoluzioni future e per ora i bit sono posti entrambi a zero. In

type e subtype viene specificato il tipo di trama (management, control o data) e la sua

specifica funzione. Il campo To DS è posto a uno quando la trama deve essere

indirizzata all’AP che deve ridistribuirla tramite il Distribution System (anche se la

stazione di destinazione è nello stesso BSS), mentre il bit From DS indica che la

trama proviene dal DS. Il bit More Fragments sarà posto a 1 se la trama fa parte di un

set di frammenti e non è l’ultima della sequenza. Utile è anche il Retry field, che

specifica se la trama corrente è la ritrasmissione di una trama precedente che non è

stata ricevuta correttamente. Il campo Power management è utilizzato dalla stazioni

che sfruttano il Power save mode, come lo è il campo More Data, che indica alla

stazione che ci sono dei pacchetti memorizzati nell’AP. Infine il campo WEP indica

l’utilizzo dell’algoritmo di cifratura, mentre in Order è specificato se la trama utilizza

il servizio StrictlyOrdered.

Il campo Duration/ID ha una doppia funzione a seconda del tipo di trama: è

utilizzato nel meccanismo del Virtual Carrier Sensing per specificare la durata delle

successive operazioni di trasmissione e così aggiornare il NAV, oppure nelle

operazioni di poll identifica la stazione.

Ogni trama può contenere fino a quattro campi Address, e il loro significato è

subordinato ai valori dei campi To e From DS prima visti. Gli indirizzi utilizzato

sono a 48 bit e rispettano lo standard IEEE 802. I primi due sono sempre

rispettivamente l’indirizzo del destinatario e della sorgente del messaggio all’interno

della stessa BSS; questo vuol dire che se il messaggio è diretto in un’altro BSS

dell’ESS l’indirizzo ricevente sarà quello dell’AP, e l’indirizzo della stazione

destinataria vera e propria sarà posto nel terzo campo di indirizzo. Al contrario se il

messaggio è arrivato attraverso il DS, e quindi il bit From DS è posto a 1, l’indirizzo

del mittente sarà uguale a quello dell’AP. Il quarto indirizzo è utilizzato se si sta

usando un sistema di distribuzione di tipo wireless; in questo caso entrambi i bit To e

From DS saranno uguali a 1 e nei primi due indirizzi saranno presenti gli ID dei due

AP interessati, mentre gli indirizzi della stazione sorgente e destinataria saranno posti

nei due restanti campi

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Il campo Sequence Control è utilizzato per controllare l’ordine di frammenti

appartenenti alla stessa trama; è composto dal Sequence Number, che identifica il set

di frammenti, e dal Fragment Number che individua il frammento all’interno del set.

Infine l’ultimo campo, il cyclic redundancy check (CRC), è utilizzato per il

controllo di errore attraverso un codice ciclico.

Quella fin qui presentata è la struttura generica, e non è detto che tutti i campi

siano presenti in ogni trama.

Ad esempio tra le trame di controllo è presente la trama Request To Send

(RTS), che ha il seguente formato:

Nel campo RA viene indicato l’indirizzo della stazione che deve ricevere la

trama seguente, in TA l’indirizzo della stazione che ha spedito il pacchetto e nel

campo Duration è specificata la durata in microsecondi richiesta per l’invio del

messaggio, della trama CTS di risposta e dell’ACK. Sono inoltre compresi tre SIFS

per compensare i ritardi di attesa tra le trame.

La trama Clear To Send (CTS) è così composta:

Nel campo RA è posto l’indirizzo prelevato dal campo TA della trama RTS

immediatamente precedente, di cui la trama CTS è la risposta. Il valore del campo

Duration è sempre ottenuto dalla trama RTS sottraendo il tempo necessario a inviare

il CTS e il tempo di attesa SIFS.

La trama di acknowledgement (ACK) è così composta:

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Anche in questo caso il campo RA è ricavato dalla trama immediatamente

successiva. Il campo Duration è diverso da zero solo se la trama precedente aveva il

bit More Fragments posto a 1; in questo caso il campo durata è ricavato dall’analogo

valore nella trama precedendo sottraendo il tempo necessario alla trasmissione

dell’ACK e l’intervallo SIFS.

Altre trame di controllo sono:

− CF-End: inviata dal PC per annunciare la fine del periodo senza contese

− CF-End + CF-Ack: come sopra ma in questo caso esegue anche

l’acknowledgment di una trama ricevuta precedentemente

− Power Save Poll (PS-Poll): inviato da una stazione all’AP per chiedere la

trasmissione dei pacchetti memorizzati mentre la stazione era in modalità di

risparmio energetico.

La trama principale è ovviamente quella che trasmette dati (Data frame); il

suo formato è il seguente:

I campi di controllo, di indirizzo e l’FSC sono già stati presentati. Il campo

Duration invece ha un comportamento diverso a seconda della modalità di accesso al

mezzo che si sta usando. Se si sta utilizzando la PCF e siamo nel periodo libero da

collisioni (CFP), il campo è settato al suo valore massimo, cioè 32768. Se invece

siamo nell’intervallo di collisione, il campo ha diversi valori:

− se il campo di indirizzo rappresenta un indirizzo di gruppo, è

posto a 0

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− se l’indirizzo invece è unicast e il bit More Fragments è posto

a 0, il campo Duration ha un valore uguale al tempo di

trasmissione di un ACK più un intervallo SIFS.

− Se infine il bit More Fragments è uguale a 1, al campo

Duration del caso precedente bisogna aggiungere il tempo

necessario a spedire il prossimo frammento e quello per

confermarlo attraverso l’ACK

Il corpo della trama ha una lunghezza variabile, e comprende la MSDU, o un

suo frammento, più eventualmente l’IV e l’ICV se si sta utilizzando l’algoritmo

WEP. Le trame che trasportano dati sono otto e sono divisi in due gruppi. Le prime

quattro sono:

− Data: è il frame di dati più semplice e può essere utilizzato sia nel periodo a

contesa che nel periodo contention-free.

− Data + CF-Ack: usato solo nel periodo a contesa, invia dati e esegue

l’acknowledgment di trame ricevute precedentemente

− Data + CF-Poll: può essere utilizzato solo dal coordinatore centrale PC per

inviare dati e contemporaneamente richiede alla stazione destinataria l’invio di

dati eventualmente memorizzati (poll)

− Data + CF-Ack + CF-Poll: combina le funzioni delle due trame sopra esposte

Gli altri quattro tipi di trame in realtà non trasportano dati: il frame Null è

utilizzato per trasmettere informazioni sullo stato del trasmettitore attraverso il

campo Frame Control, mentre le altre trame svolgono la stessa funzioni di quelle

sopra presentate senza però trasportare dati.

Tra le trame di tipo management, una tra le più importanti è il Beacon.

Questa trama viene inviata periodicamente all’interno di un BSS, in genere dall’AP,

e serve ad esempio per sincronizzare le varie stazioni o per la gestione delle stazioni

in modalità Power Save.

I campi presenti in questa trama sono:

− timestamp, che riporta il valore di un timer a scopo di

sincronizzazione;

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− supported rates, che specifica le bit-rate supportate

− alcuni campi specifici a seconda dello strato fisico utilizzato

− il CF Parameter Set, una sequenza di campi che riportano

informazioni sulla modalità PCF: CFP_Count, che indica quanti

DTIM rimangono prima del prossimo CFP (se è uguale a zero vuol

dire che questo beacon ne indica l’inizio); CFP_Period indica il

numero di DTIM tra un CFP e l’altro; CFP_ Max_Duration e

CFP_Dur_Remaining indicano la durata del CFP.

− il campo TIM (traffic indication map), che indica tra quanto tempo

verrà inviata una trama di tipo DTIM (delivery traffic indication

message) e, per le stazioni in modalità Power Save, se ci sono dei

pacchetti memorizzati nell’AP e pronti per essere spediti.

−

Altre trame di tipo management sono le richieste e le risposte di associazione,

di riassociazione, di autenticazione e di probe. Quest’ultima viene usata dalle stazioni

per ottenere informazioni da un’altra stazione o da un AP e serve per identificare un

BSS. L’Announcement Traffic Indication Message viene inviato da una stazione ad

altre stazioni che si trovano in modalità a basso consumo per avvertirle che sono

presenti delle trame memorizzate diretti a quelle stazioni.

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FRAMMENTAZIONE

La serie di standard IEEE 802 prevede pacchetti lunghi fino ad alcune

migliaia di byte (ad esempio in Ethernet la dimensione massima dei pacchetti è di

1518 ottetti). Nelle reti wireless questo potrebbe dare dei problemi, infatti a causa

della maggiore error rate, è più probabile avere errori in pacchetti lunghi. Inoltre

utilizzando la modulazione FHSS ogni trasmissione dovrebbe essere effettuata

all’interno di uno stesso hop ma questo è reso più difficoltoso da pacchetti più

lunghi, con conseguenti ritardi a causa del rinvio della trasmissione. Perciò lo

standard implementa a livello MAC un semplice meccanismo di frammentazione dei

pacchetti.

Innanzitutto però è necessario un meccanismo per l’individuazione e

l’eventuale eliminazione dei pacchetti duplicati. Per far questo ogni trama ha

all’interno un campo, chiamato sequence control field, che consiste di un numero di

sequenza e un numero di frammento. In questo modo si possono individuare i singoli

frammenti (MAC protocol data unit MPDU) che fanno parte dello stesso messaggio

(MAC service data unit MSDU), in quanto avranno tutti lo stesso numero di

sequenza. La stazione ricevente dovrà mantenere un set di tuple del tipo <indirizzo

mittente, numero di sequenza, numero di frammento>, che sarà aggiornato

ogniqualvolta si riceve correttamente una trama intermedia di una sequenza. In

questo modo se una stazione riceverà una trama con il retry field posto a 1 e che è già

presente nell’insieme di trame ricevute potrà scartarla in quanto è il duplicato di una

frame già correttamente ricevuta. La stazione dovrà comunque confermare la trama

attraverso l’ACK anche se questa viene scartata perché già ricevuta.

Quando si deve trasmettere una trama, si deve controllare se è il caso di

frammentarla in pacchetti più piccoli, attraverso il confronto con

FragmentationThreshold. Questo parametro specifica anche la dimensione massima

che devono avere i pacchetti una volta frammentati. Possono essere frammentate solo

le trame unicast; le trame di tipo broadcast o multicast non devono essere

frammentate anche se la loro dimensione eccede il limite imposto. Le trame devono

avere una dimensione fissa, tranne l’ultima che può essere più piccola, e questa

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dimensione non può cambiare durante la trasmissione di una sequenza, ad esempio

per compensare il limite del dwell time. La stazione tenta di trasmettere i frammenti,

aspettando l’ACK dopo ogni invio. Se a causa di errori il numero di tentativi supera

un limite prefissato, la stazione smette di inviare i frammenti rimanenti, e la stazione

ricevente scarta l’intera sequenza ricevuta. Lo standard permette alle stazioni di

inviare pacchetti ad altre stazioni anche se non si è finito di inviare una sequenza.

Questo si dimostra particolarmente utile nel caso di un AP che ha molti pacchetti da

inviare verso diverse stazioni e una di queste non risponde.

La stazione ricevente, una volta ricevuti tutti i pacchetti, avrà tutte le

informazioni per deframmentare la sequenza e ricavare la trama originale. Anche in

questo caso la stazione controlla il tempo di ricezione dei frammenti e se questo

diventa superiore a un valore massimo, l’intera sequenza di frammenti ricevuti viene

scartata. La stazione dovrà controllare anche l’eventuale presenza di frammenti

duplicati e eventualmente scartarli attraverso il meccanismo prima presentato.

IFS

L’intervallo tra due trame successive viene chiamato interframe space (IFS).

Nello standard sono definiti quattro tipi di IFS, per fornire diversi livelli di priorità

nell’accesso al mezzo. Essi sono, partendo dal più breve:

SIFS short interframe space

PIFS PCF interframe space

DIFS DCF interframe space

EIFS extended interframe space

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Il SIFS viene usato nell’invio di ACK, nella risposta a un RTS attraverso il

CTS, nell’invio di una sequenza di frammenti e dal PC per tutte le trame durante il

CFP. Questo è l’intervallo più breve definito nello standard, e viene usato da una

stazione quando questa ha preso il controllo del mezzo e deve mantenerlo per

terminare una serie di trasmissioni. In questo modo la stazione, usando l’IFS più

breve, impedisce ad altre stazioni di utilizzare il mezzo radio, in quanto queste ultime

devono controllare che il mezzo sia libero per un periodo di tempo maggiore. Il suo

valore è calcolato in modo da permettere al ricevitore di passare dalla modalità di

invio alla modalità di ricezione e di decodificare il pacchetto in arrivo.

Il PIFS è usato solamente all’interno dei periodi contention free, durante la

modalità operativa PCF.

Il DIFS viene usato dalle stazioni nella modalità DCF per trasmettere trame di

dati o di management. L’unica eccezione al suo utilizzo è la ricezione di una trama

non corretta.

L’EIFS deve essere usato da una stazione operante in modalità DCF se il

livello fisico riporta la ricezione di una trama affetta da errori. Questo tempo deve

permettere ad altre stazioni di confermare la trame che questa stazione non ha

ricevuto correttamente. Se durante questo intervallo la stazione riceve una trama

senza errori il timer viene azzerato e la stazione torna al normale funzionamento

DCF.

I valori esatti di questi interspazi variano a seconda del livello fisico utilizzato

nella trasmissione.

DCF

Nello standard Ethernet viene utilizzato il meccanismo della identificazione

della collisione (Collision Detection CD), in modo che il livello MAC possa scartare

le trame affette da errore e richiedere un loro ulteriore invio. Nelle reti wireless

questo meccanismo è improponibile in quanto necessita di un canale full duplex, che

farebbe aumentare il prezzo degli apparati, e inoltre sottintende che tutte le stazioni

siano in diretto contatto radio, cosa che invece non è data per scontata nelle reti

802.11. Per ovviare a questi problemi si utilizza il meccanismo Collision Avoidance

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con acknowledgement positivo. Anche in questo caso la stazione deve controllare la

presenza di trasmissioni sul canale attraverso il meccanismo del sensing, che viene

fornito dal livello fisico, e che può essere effettuato anche in modalità virtuale. Se il

canale viene rilevato libero per un tempo uguale al distributed inter frame space

(DIFS) la trasmissione può avvenire, altrimenti si dovrà invocare il meccanismo di

backoff. La stazione ricevente controllerà il pacchetto e se questo sarà ricevuto senza

errori, invierà un acknowledgement (ACK) alla stazione sorgente dopo aver atteso un

intervallo SIFS; se l’ACK non giungerà alla stazione entro un tempo di timeout

prestabilito, quest’ultima ritrasmetterà il messaggio fino alla sua corretta ricezione

oppure dopo un intervallo determinato scarterà il messaggio.

esempio di contesa e IFS

Il sensing del canale viene effettuato anche in modalità virtuale, attraverso lo

scambio preliminare di pacchetti tra le stazioni. Una stazione prima di trasmettere un

messaggio invierà una breve trama detta Request To Send (RTS) in cui saranno

indicati gli indirizzi della stazione sorgente e di quella destinataria, e la lunghezza

della successiva operazione, ovvero la durata dell’invio del messaggio e dell’ACK,

comprensivi di interspazi tra le trame. La stazione di destinazione risponderà con un

altro breve messaggio chiamato Clear To Send (CTS); questo pacchetto avrà la

precedenza sugli altri perché la stazione che lo invia deve aspettare solo un tempo

uguale allo short inter frame space SIFS, che è il minimo intervallo di tempo tra le

trame. All’interno di questo pacchetto saranno specificati gli indirizzi delle due

stazioni interessate nell’operazione e la sua durata, ricavata dal messaggio RTS a cui

però sarà sottratta la durata dell’ACK e dell’intervallo SIFS. La stazione che ha

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inviato la trama RTS dovrà attendere un intervallo di timeout entro il quale si aspetta

di ricevere la risposta dalla stazione destinataria del pacchetto. Se non dovesse

ricevere nessuna trama durante questo intervallo, o se ricevesse una trama ma non

del tipo CTS, questo dovrebbe essere interpretato come esito negativo della

procedura RTS/CTS, perciò la stazione dovrà invocare la procedura di backoff. Se al

contrario la stazione riceve un pacchetto del tipo CTS dalla stazione dal destinatario

del pacchetto RTS, la procedura di invio può continuare. Tutte le altre stazioni alla

ricezione del messaggio aggiorneranno un indicatore interno chiamato Network

Allocation Vector (NAV) alla durata impostata nel messaggio. Questo vettore

manterrà informazioni sull’occupazione futura del canale di comunicazione, e

combinando le sue informazioni con quelle del sensing fisico si potrà conoscere lo

stato di occupazione del mezzo radio. Utilizzando i pacchetti RTS/CTS si hanno

anche ulteriori vantaggi, infatti si evitano collisioni anche nel caso di stazioni

nascoste, ovvero che non siano in contatto diretto tra loro. Tutte le stazioni vicine al

ricevitore avranno ricevuto il CTS e quindi riserveranno un periodo di tempo per

quel messaggio impostando il NAV, mentre le stazioni vicine alla stazione sorgente,

avendo ricevuto l’RTS, non interferiranno con la trasmissione, e in particolare

permetteranno la corretta ricezione dell’ACK. Il discorso si applica anche a stazioni

che ricevono le trame RTS/CTS ma che fanno parte di altre BSS che si

sovrappongono parzialmente con quella interessata. Questo meccanismo ha

significato solo nel caso in cui il messaggio da trasmettere sia significativamente più

grande dei pacchetti RTS/CTS, altrimenti lo standard prevede anche un tipo di

trasmissione senza la prenotazione del mezzo. In questo caso si userà una variabile

detta RTS_Threshold da confrontare con la lunghezza del pacchetto da trasmettere,

al disotto del quale non saranno inviati i pacchetti RTS/CTS.

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esempio di procedura RTS/CTS e uso del NAV

La procedura di virtual channel sense viene utilizzata anche nel caso di una

MSDU frammentata, con alcune modifiche. La stazione che inizia la procedura invia

una trama RTS, in cui il campo Duration/ID è impostato a un valore uguale al tempo

necessario per inviare il primo frammento e l’ACK corrispondente, più due SIFS, e

la stazione che risponde con il CTS utilizza il campo durata in modo simile, cioè per

permettere l’arrivo del primo ACK. Dopo aver ricevuto l’ACK e avere atteso un

intervallo SIFS, la stazione sorgente invia il secondo frammento dell’unità dati, e

sfrutta il campo Duration della trama per impostare il NAV delle altre stazioni fino

alla fine del secondo ACK; anche la stazione ricevente utilizza l’ACK allo stesso

scopo. In questo modo si attua una procedura RTS/CTS virtuale, in quanto queste

trame vengono spedite solo prima del primo pacchetto mentre in seguito vengono

sfruttate le trame dati per lo stesso fine.

utilizzo di RTS/CTS in caso di frammentazione

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L’algoritmo di backoff verrà chiamato in causa ogniqualvolta il mezzo sarà

trovato occupato, sia attraverso il virtual carrier sense che attraverso l’ascolto vero e

proprio del canale, o anche nel caso di errore nel messaggio o nell’ACK. Dopo aver

rilevato che il mezzo di comunicazione è occupato, la stazione attende che torni

libero; quando il canale radio rimane libero per un tempo DIFS, l’algoritmo genera

un tempo addizionale per un ulteriore rinvio della trasmissione, a meno che il timer

non abbia già un valore diverso da zero. Questo serve per minimizzare la probabilità

di collisione tra stazioni che hanno rinviato la trasmissione a causa dello stesso

evento.

Per calcolare il tempo di backoff si applica una semplice formula

BackoffTime = Random() * SlotTime

dove SlotTime è la durata di uno slot temporale mentre Random() è un

numero casuale. Per calcolare questo numero casuale bisogna definire il parametro

contention window CW, che è compreso tra CWmin e CWmax. Il numero Random()

sarà scelto in una distribuzione uniforme nell’intervallo [0,CW]; è importante

assicurarsi che i numeri casuali scelti dalle varie stazioni siano statisticamente

indipendenti tra loro, altrimenti si perderebbe tutto il vantaggio del meccanismo di

backoff. I valori di CW saranno scelti in una sequenza in cui ciascun intero è una

potenza del 2, meno 1 (7, 15, 31, 63,…). Partendo da CWmin, si sceglierà il numero

seguente quando si avrà un tentativo di invio senza successo di un pacchetto, fino a

raggiungere CWmax; se si invia un pacchetto in modo corretto si reimposterà CW al

valore minimo. Ad ogni invio errato quindi l’ampiezza della contention window

raddoppierà, per cui il meccanismo è chiamato exponential backoff algorithm.

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esempio dell’aumento esponenziale della durata della contention window CW

Una volta calcolato il numero casuale, il timer di backoff viene settato a

questo valore. Dopo che il mezzo è rimasto libero per un tempo uguale a DIFS, la

procedura controlla che il mezzo trasmissivo rimanga libero per la durata di uno slot:

se questo avviene, il timer di backoff viene decrementato di un valore uguale alla

durata di uno slot, mentre se il canale è occupato il contatore non viene decrementato

e la procedura di decremento riprendo dopo DIFS. Quando infine il contatore

raggiunge lo zero si avvia la trasmissione. In questo modo la stazione che avrà

calcolato il più breve intervallo di backoff avrà la precedenza sulle altre e inizierà a

inviare il messaggio per prima.

esempio di procedura di backoff: la stazione C, che ha calcolato l'intervallo di backoff più

breve inizia la trasmissione per prima

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La procedura di recupero in caso di errore in una trama, ad esempio dovuto

alla mancata ricezione della trama CTS o di un ACK a causa di collisioni o di

interferenze nel canale radio, deve essere effettuata dalla stazione che ha iniziato la

sequenza di scambio. Questa deve provvedere a rinviare le trame che non sono state

inviate con successo, finché non si ha la conferma di ricezione corretta oppure non si

raggiunge un limite prestabilito, e allora il pacchetto viene scartato. Il limite dipende

anche dal tipo di trama che si sta spedendo: infatti esistono due variabili, Station

Short Retry Counter SSRC e Station Long Retry Counter SLRC, l’una utilizzata

come contatore per gli invii di trame di lunghezza minore o uguale all’RTSTheshold,

l’altra per tutte quelle che superano tale lunghezza. La ritrasmissione delle trame

deve continuare fino a che il contatore interessato non raggiunge il limite associato e

cioè Short Retry Limit o Long Retry Limit.

Quando una stazione riceve una trama che necessita di ACK (questo non

serve ad esempio per pacchetti multicast o broadcast), dopo aver aspettato il SIFS,

invia la conferma del messaggio. La stazione che ha inviato la trama deve attendere

un intervallo di tempo entro il quale si aspetta di ricevere l’ACK; se questo timeout

scade, assume che il pacchetto sia andato perso e perciò utilizza la procedura di

backoff per tentare di inviarlo di nuovo. Per la stazione non è possibile sapere se

l’errore è avvenuto nella trama inviata o nella conferma. Se invece l’ACK giunge a

destinazione, dopo averne controllata l’esattezza, la stazione ricevente può mantenere

il controllo del canale e continuare a inviare un altro pacchetto, sempre ritardando di

SIFS l’invio. Il controllo del canale può essere mantenuto dalla stazione fino a che

non si ha un errore nell’invio, ovvero non si riceve il relativo ACK, oppure si arresta

l’invio di tutti i frammenti relativi a una certa MSDU, oppure se l’operazione di

invio, cioè la trasmissione stessa e il tempo necessario per ricevere l’ACK, non

supera un tempo massimo di occupazione del canale da parte della stazione. La

tecnica di inviare frammenti multipli dopo aver guadagnato il controllo del canale è

chiamata fragment burst.

PCF

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La funzione PCF si basa sulla modalità DCF, di cui sfrutta le regole. Nel

PCF, il point coordinator (PC), che risiede nell’AP, utilizza il meccanismo del

polling per rendere la comunicazione senza contese (contention free). In questa

modalità di funzionamento i periodi liberi da contese (Contention Free Period CFP)

si alternano a intervalli controllati dalla logica DCF, in cui perciò si potrebbero avere

delle contese di utilizzo (Contention Period CP). La sequenza di questi periodi è

organizzata in intervalli detti supertrame (superframe); all’inizio di ognuno di questi

intervalli è presente un periodo senza contese regolato dal PC, mentre nella seconda

parte il coordinatore centrale rimane inattivo per permettere l’uso della modalità a

contesa, disciplinata dal DCF.

Le stazioni che possono rispondere a dei poll, ossia delle richieste, emessi

dall’AP sono chiamate “CF-Pollable” (CF sta per Contention Free). La stazione che

risponde al poll da parte del PC può inviare solo una MPDU, non necessariamente al

PC ma ad ogni altra stazione nel BSS, e inoltre può utilizzare il piggyback, che

consiste nello sfruttare la trama dati per confermare una trama ricevuta in precedenza

usando campi appositi. Nel caso di trasmissione errata, la stazione non può inviare di

nuovo la trama ma deve aspettare una nuova richiesta da parte del PC prima di poter

tentare un nuovo invio. La stazione ricevente, se è “CF-pollable”, deve rispondere

dopo un SIFS alla richiesta del PC, altrimenti se non può rispondere al poll deve

comunque inviare un ACK dopo un intervallo SIFS. In questa modalità non vengono

usate le trame RTS/CTS.

coesistenza di periodi di contesa e periodi senza contese in una supertrama

Il PC all’inizio di un CFP invia una trama di tipo Beacon, contenente un

elemento DTIM, che serve per sincronizzare le stazioni che obbediscono alla logica

22

PCF e fornire parametri relativi al CFP. Il PC crea CFP rispettando la Contention

Free Period Rate CFPR, ossia l’intervallo di ripetizione tra un CFP e l’altro. Il CFP

ha una durata massima prestabilita, CFP_Max_Duration, oltre la quale il controllo

deve essere restituito al DCF. Per evitare che una stazione possa prendere controllo

del mezzo durante un CFP, viene inviato anche il parametro CFP_Max_Duration a

tutte le stazioni riceventi, che impostano il NAV a questo valore. All’inizio di un

CFP, dopo aver atteso un tempo uguale a SIFS, il PC emette un beacon, ossia una

trama di controllo, con cui comunica alle stazioni l’inizio della modalità CF e la sua

durata. In seguito con ogni beacon informerà le stazioni della durata restante del CFP

attraverso il campo CFP_Dur_Remaining, che contiene la durata massima restante

del periodo libero da contese. Diciamo massima perché il PC potrebbe decidere di

interrompere il CFP prima della sua terminazione nominale se non c’è traffico

memorizzato o la polling list è vuota. Durante il CP il parametro

CFP_Dur_Remaining viene posto uguale a zero. Se all’inizio nominale del CFP il PC

rileva che il canale radio è occupato deve ritardare l’invio del beacon, per permettere

la fine del traffico DCF. Quando il PC acquisisce il controllo del mezzo di

comunicazione, lo mantiene fino alla fine del CFP utilizzando intervalli più brevi tra

le trame (PIFS e SIFS, entrambi più brevi del DIFS). Alla ricezione del beacon tutte

le stazioni, siano esse “CF-Pollable” o meno, impostano il NAV alla durata

specificata nel campo CFP_Max_Duration per impedire l’accesso al mezzo; questa

considerazione vale anche per stazioni che fanno parte di altre BSS ma che ricevono

comunque il beacon. Si definisce TBTT (target beacon transmission time) l’istante

nominale in cui il PC invia il beacon, all’inizio di ogni CFP; l’invio potrebbe essere

ritardato se il PC rileva che il mezzo è occupato. Questo parametro serve per la

sincronizzazione delle stazioni all’interno del BSS; inoltre ogni stazione imposta il

NAV al valore contenuto in CFP_Max_Duration ad ogni TBTT, in corrispondenza

dell’inizio programmato del CFP, in modo da bloccare l’accesso al mezzo anche se il

beacon è ritardato a causa di traffico DCF presente sul mezzo radio.

Dopo aver trasmesso il beacon il PC può inviare trame di diversi tipi: –dati –

CF-Poll –dati+CF-Poll –CF-End. La stazione destinataria deve rispondere dopo un

tempo SIFS, anche se non è “CF-Pollable”; in quest’ultimo caso la risposta sarà un

ACK, come nella modalità DCF. Durante il CFP ogni stazione alla ricezione di un

23

beacon con i parametri CF Parameter Set aggiorna il NAV al valore ricavato da

CFP_Dur_Remaining; se la stazione riceve la trama CF-End dal PC, che segnala la

fine del periodo libero da contese azzera il vettore NAV. La stazione che ha ricevuto

un poll ignora, ma non reinizializza, il NAV per effettuare l’invio.

sequenza di beacon

I parametri CFP_Max_Duration e CFP_Dur_Remaining sono stabiliti in

modo da permettere la coesistenza di periodi che utilizzano la logica PCF e altri che

utilizzano la logica DCF. Infatti sono impostati in modo da permettere l’invio di

almeno una trama nel periodo di contesa, e di permettere l’invio di un beacon e di

una trama da parte del PC e la risposta da una stazione durante il CFP.

La polling list, che può essere presente nel PC, serve per forzare l’invio di

richieste alle stazioni durante il CFP, anche se il coordinatore centrale non ha traffico

memorizzato da inviare. Il PC scorre tutta la lista di stazioni e emette richieste per

ogni stazione; quest’ultima trasmette una trama di dati e poi aspetta una nuova

richiesta. Se la polling list non è vuota il PC deve almeno fare una richiesta in un

periodo senza contese. Quando il coordinatore ha eseguito una richiesta per ogni

stazione presente nella polling list, può emettere poll a una stazione nell’elenco

oppure inviare trame dati o di gestione a una qualsiasi stazione, non necessariamente

nella lista. Ogni stazione comunica la propria disponibilità a ricevere polls in fase di

associazione; per comunicare modifiche la stazione deve eseguire la riassociazione.

Nel caso ci siano due aree di copertura di diverse BSS che si sovrappongono

si potrebbero originare delle contese; lo standard prevede perciò delle procedure

risolvere tali problemi. Se all’inizio di un CFP il PC rileva che il mezzo è occupato,

dovrà rinviare la trasmissione del beacon. Il PC perciò aspetta un DIFS e poi un

24

ulteriore intervallo di backoff prima di tentare un ulteriore invio, per limitare al

minimo le possibilità di contesa nel CFP. Per evitare che una stazione di un altro

BSS sovrapposto possa prendere il controllo del mezzo il PC utilizza il PIFS nel caso

in cui una stazione non risponda a un poll entro un SIFS: tale intervallo è più piccolo

del DIFS, perciò il PC avrà la precedenza su altre trasmissioni da parte di stazioni

che usano il DCF.

esempio di sequenza di trasferimento in modalità PCF

SERVIZI

Lo standard IEEE 802.11 non definisce la specifica implementazione del DS,

ma specifica invece i servizi forniti dall’architettura. I servizi possono essere di 2

tipi, servizi di stazione (station services SS) e servizi del sistema di distribuzione

(distribution service services DSS). I SS, presenti in ogni stazione, anche negli AP,

sono i seguenti: -autenticazione (authentication) - deautenticazione

(deauthentication) -privacy -consegna delle MSDU (MSDU delivery).

L’autenticazione permette a una stazione di identificarsi all’interno di una BSS.

Questa procedura è resa necessaria dal fatto che altrimenti ogni stazione abilitata

potrebbe sfruttare le funzionalità della rete; ciò non è vero nelle LAN cablate in

quanto una stazione è implicitamente autenticata dal fatto di essere connessa alla

rete. L’autenticazione può essere di tipo open system, quando cioè l’autenticazione è

permessa ad ogni stazione, oppure può utilizzare il sistema a chiave condivisa. In

questo caso, con l’uso dell’algoritmo WEP (wireless equivalent privacy), una

25

stazione diventa autenticata solo se conosce una chiave segreta. La deautenticazione

consiste semplicemente nel terminare un’autenticazione esistente. Nelle reti wireless

ogni stazione potrebbe ascoltare il traffico di rete. Attraverso il servizio di privacy si

cerca di innalzare la sicurezza delle reti WLAN a un livello equivalente di quello

delle reti LAN cablate. Questo, utilizzando l’algoritmo WEP, cripta il messaggio che

perciò può essere letto solo da stazioni che conoscono la chiave segreta.

I DSS sono i seguenti: -associazione (association) -disassociazione

(disassociation) -distribuzione (distribution) -integrazione (integration) -

riassociazione (riassociation). Il servizio di distribuzione viene invocato

,ogniqualvolta una stazione in un ESS spedisce un messaggio. La stazione

trasmittente invia il messaggio all’AP (di input) a cui è associata, che viene dato in

consegna al DS, il quale provvede a inviare il messaggio stesso all’AP di output, che

recapiterà infine il messaggio alla stazione destinataria. E’ da notare che gli AP di

input e di output potrebbero coincidere. Se la stazione di destinazione fa parte di una

LAN integrata, dopo il servizio di distribuzione si dovrà chiamare in causa il servizio

di integrazione. Questo eseguirà tutte le operazioni necessarie a inviare il messaggio

in maniera corretta, tra cui la conversione degli indirizzi, se richiesta. Il servizio di

integrazione sarà necessario anche nel caso opposto in cui la stazione sorgente sia in

una LAN integrata e la destinazione in una rete 802.11. in questo caso uno dei due

AP di input o di output sarà sostituito da un portale. Da quanto detto sopra si vede

che il DS deve essere in grado di associare all’indirizzo di una stazione l’AP

corrispondente. Questo viene fatto attraverso il servizio di associazione. E’ chiaro

che per non generare confusione una stazione in ogni istante deve essere associata a

un solo AP. Nel caso che una stazione mobile si sposti nell’area di copertura di un

altro BSS deve essere invocato il servizio di riassociazione, per permette al DS di

rimanere a conoscenza dell’esatta mappatura tra AP e stazione. Nel caso la stazione

oltre a cambiare BSS cambi anche ESS, il mantenimento della connettività non è

garantito dallo standard. Tutti questi servizi sono sempre richiesti dalla stazione, e

non dall’AP. Infine il servizio di disassociazione elimina un’associazione esistente.

Ogni tentativo di comunicare con una stazione disassociata darà esito negativo. La

disassociazione non è una richiesta ma una notifica e può essere eseguita sia dalle

stazioni che dagli AP.

26

STRATO FISICO

Lo standard 802.11 definisce varie bit-rate da utilizzare nelle comunicazioni

via radio, a partire da 1 Mbps fino a 11, e con le ultime aggiunte anche 50 Mbps. La

tecnica su cui sono basate le LAN wireless è chiamata a dispersione di spettro

(Spread Spectrum SS). Tra i vantaggi dati da questa tecnologia possiamo evidenziare

la resistenza ad interferenze date da altre trasmissioni vicine e agli effetti di multipath

e di fading, la ridondanza e la sicurezza offerte. Esistono due principale tecniche di

modulazioni che sfruttano lo Spread Spectrum, Frequency Hopping Spread Spectrum

(FHSS) e Direct Sequence spread Spectrum (DSSS).

L’idea alla base della tecnica Spread Spectrum è, come dice il nome stesso, di

ampliare la banda del segnale trasmesso rispetto a quella del segnale originale. In

questo modo si avrà una bassa densità spettrale di potenza, in modo da interferire al

minimo con altri sistemi vicini e da rendere difficile la ricezione del segnale da parte

di intrusi. Inoltre sarà altamente improbabile che una eventuale interferenza riesca a

influenzare una banda di frequenza molto larga, rendendo perciò il segnale rilevabile

anche in presenza di rumori sul canale radio.

All’inizio la banda utilizzata nello standard era quella detta ISM (Industrial

Scientific and Medical), da 2.4 a 2.4835 GHz, ma nelle aggiunte successive, per

aumentare la capacità trasmissiva, si passò ad utilizzare anche la banda a 5 Ghz.

La tecnica di modulazione consiste in due passi principali, il processo di

spreading, attraverso lo spreading code, che genera la maggiore larghezza di banda

del segnale, e la modulazione vera e propria fatta dal messaggio da trasmettere.

Nel caso FHSS lo spreading code è una lista 79 frequenze che vanno da 2.402

a 2.480 GHz, con una larghezza di canale di 1 MHz. Il processo di spreading consiste

nel modificare periodicamente la frequenza della portante (frequency hopping)

usando una precisa sequenza di frequenze detta hopping sequence. Ogni hop, ossia

intervallo, ha una durata uguale a un dwell time, in genere uguale a 100 ms. Fatto

questo il segnale da trasmettere modula la portante con una Gaussian Frequency

Shift Keying GFSK, a 2 (1Mbps) o 4 (2Mbps) livelli, generando un segnale a banda

stretta in ogni intervallo, ma che diventa a banda larga se osservato per un periodo di

alcuni secondi. In questo caso la ridondanza è data dalla possibilità di utilizzare

27

frequenze diverse per effettuare la trasmissione. Per limitare la possibilità di

sovrapposizione dei salti tra stazioni diverse, lo standard definisce 78 sequenze di 79

salti; le stazioni interessate si accordano sulla specifica sequenza da utilizzare prima

della trasmissione.

Nel DSSS invece lo spreading code è dato da una sequenza di 11 bit, detta di

chip, attraverso la quale viene modulata la portante. In pratica ogni bit del messaggio

viene sostituito con questa sequenza, se il bit corrispondente è “1”, o il suo inverso se

il bit è “0”. In questo modo i simboli 1 e 0 sono rappresentati da diverse sequenze e il

ricevitore può ricostruire il messaggio originale anche in presenza di errori su alcuni

dei bit ricevuti. Nella banda ISM sono stati individuati 14 canali, ognuno con una

larghezza pari a 22 MHz; la portante è modulata attraverso il Differential Phase Shift

Keying e anche in questo caso è possibile scegliere tra bit-rate di 1 e 2 Mbps.

L’estensione 802.11b ha portato la bit-rate a 5.5 e 11 Mbps, sempre utilizzando le

frequenze della banda ISM e mantenendo la larghezza del canale a 22 MHz, ma

utilizzando una tecnica leggermente diversa per il processo di spreading.

Lo standard indica anche la possibilità di sfruttare gli infrarossi (IR) come

mezzo trasmissivo. Però in questo caso il collegamento è limitato dal fatto che

possiamo operare solo in line-of-sight, ossia se le stazioni si vedono direttamente.

Questo limite è superabile utilizzando la propagazione per riflessione degli infrarossi,

che porta però a distanze utilizzabili più brevi. Inoltre per evitare danni agli occhi, la

potenza deve essere limitata, limitando la distanza a circa 20 metri. Il vantaggio di

questa tecnologia è l’immunità alle interferenze elettromagnetiche e la sicurezza

intrinseca data dalla breve lunghezza dei collegamenti. In questo caso la bit-rate è

limitata a 1 o 2 Mbps.

Le specifiche IEEE 802.11a hanno introdotto nelle reti LAN wireless un altro

sistema di modulazione, l’OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing),

nella banda 5 GHz. In questo modo si possono raggiungere bit-rate fino a 54 Mbps

utilizzando 52 sottoportanti che possono essere modulate attraverso il binary o

quadrature phase shift keying (BPSK/QPSK), 16-quadrature amplitude modulation

(QAM), o 64-QAM, ottenendo diverse velocità di trasmissione a seconda della

modulazione usata. Lo standard stabilisce anche l’uso di un codice convoluzionale

per la correzione degli errori (FEC forward error correction). Questo tipo di

28

modulazione opera concettualmente come l’accesso multiplo a divisione di frequenza

(Frequency Division Multiple Access FDMA), con la differenza che tutti i canali

sono utilizzati per lo stesso flusso di dati. Questo viene diviso in più flussi, ognuno

dei quali viene poi modulato in una sottoportante, che viene inviata sul canale. Il

principale vantaggio di questa tecnica è che eventuali disturbi riguarderanno solo

alcune sottoportanti e perciò usando un codice FEC si può ricostruire il segnale

originale eliminando gli errori. La spaziatura tra le frequenze delle sottoportanti è di

0.3125 MHz e la correzione degli errori è garantita da un codificatore convoluzionale

1/2, 2/3 o 3/4 a seconda della bit-rate scelta.

tabella che mostra i parametri di modulazione in funzione dalla bit-rate: il

parametro R si riferisce alla ridondanza introdotta dal codificatore convoluzionale

29

codifica delle costellazioni usate nella modulazione

30

SICUREZZA

In una rete wireless, in assenza di qualche tipo di controllo, qualsiasi

terminale adatto potrebbe utilizzare la rete stessa, anche se non è autorizzato in tal

senso. Per ovviare a questo grave problema di sicurezza lo standard IEEE 802.11

definisce il servizio di autenticazione, che permette a una coppia di stazioni,

generalmente stazione e AP, di controllare a vicenda l’effettiva autorizzazione

all’utilizzo della rete.

Nello standard sono definiti due tipi di autenticazione: Open System e Shared

Key. In genere in architetture complesse, cioè ESS, ogni stazione si autentica con

l’AP, mentre in reti ad hoc è possibile anche l’autenticazione reciproca tra due

stazioni.

Nel caso Open System l’autenticazione è permessa a tutte le stazioni, ovvero

ogni terminale ha il permesso di accedere alla rete. Il processo di autenticazione è

molto semplice, in quanto necessita solo di una richiesta da parte di una stazione e, se

come tipo di autenticazione è impostato l’Open System, la risposta positiva della

stazione destinataria. L’autenticazione di tipo Open System è quella di default.

L’autenticazione di tipo Shared Key invece presuppone la conoscenza da

parte della stazione di una chiave segreta condivisa. Questa procedura viene

effettuata senza la necessità di trasmettere la chiave condivisa in chiaro, quindi

richiede l’utilizzo dell’algoritmo di cifratura WEP. La chiave segreta deve essere

inviata ad ogni stazione attraverso un mezzo sicuro indipendente dalla rete wireless.

L’algoritmo di cifratura WEP presentato nello standard è pensato per

aumentare il livello di sicurezza e privacy delle reti wireless a quello delle reti LAN

cablate. Infatti il problema dell’eavesdropping (ascolto di nascosto, senza

autorizzazione) è critico nelle reti senza fili; attraverso questo algoritmo è possibile

evitare l’”ascolto” dei pacchetti inviati da parte di terzi non autorizzati. L’algoritmo

WEP basa la propria forza sul fatto di essere difficilmente decodificabile attraverso

attacchi di tipo “brute force”, a causa della lunghezza della chiave segreta. Inoltre è

possibile cambiare la chiave, rendendo così ancora più difficile ogni tentativo di

decodifica. E’ anche molto efficiente, perciò può essere implementato sia per via

hardware che software.

31

L’algoritmo di cifratura si basa sulla chiave segreta di 40 bit, condivisa tra

tutte le stazioni attraverso una operazione esterna alla rete wireless, e su un vettore di

24 bit chiamato initialization vector (IV). I 64 bit ottenuti dalla loro concatenazione,

chiamati seme, vengono usati come input di un generatore di numeri

pseudorandomici (WEP PRNG). L’output di questo processo è una chiave di

lunghezza uguale alla lunghezza della MPDU da criptare più quattro byte. I quattro

ottetti aggiuntivi servono per cifrare anche l’integrity check value (ICV), una

sequenza di bit che serve per assicurarsi che i dati da trasmettere non vengano

modificati. Per ottenerli viene utilizzato un algoritmo di integrità che usando un

codice ciclico (CRC-32) specificato nello standard elabora il messaggio e crea i 32

bit necessari. Fatto questo il passo finale consiste nell’applicare una trasformazione

matematica, specificatamente lo XOR bit a bit; gli input di questo processo sono la

chiave a lunghezza variabile e la MPDU più l’ICV. Cambiando l’IV si cambia anche

la chiave; tenendo fissa la chiave segreta perciò è possibile modificare l’IV e perciò

anche la sequenza generata dal PRNG. Questo è molto importante perché spesso nei

dati trasmessi alcune parti sono fisse, perciò osservando pacchetti successivi

trasmessi utilizzando la stessa chiave segreta e lo stesso IV è possibile decifrare

alcune parti del messaggio, pur non conoscendo la chiave segreta. E’ possibile

cambiare l’IV anche per ogni pacchetto, in quanto questo viaggia in chiaro e

permette sempre al ricevente di decifrare il messaggio. Questo non comporta alcun

problema perché la conoscenza dell’IV non da alcuna informazione ad un eventuale

aggressore.

La decifratura del messaggio è molto semplice e implica l’inversione del

processo sopra presentato. Dal messaggio ricevuto è possibile estrarre l’IV, che

32

combinato con la chiave segreta fornisce il seme che serve per decifrare il

messaggio. Infatti per l’operazione di XOR vale la seguente proprietà

A ⊕ B ⊕ B = A

Prima di accettare il messaggio però occorre controllare se è stato modificato

attraverso il confronto dell’ICV ricevuto con quello calcolato a partire dal pacchetto.

L’algoritmo che viene utilizzato per la creazione della chiave attraverso il

generatore di numeri pseudocasuali è l’RC4, algoritmo proprietario della RSA. Per

innalzare ulteriormente il livello di sicurezza è stato proposto un algoritmo simile a

questo (WEP2), non standardizzato ma largamente usato, in cui la chiave segreta è

lunga 104 bit, che forma insieme all’IV un vettore di 128 bit.

SINCRONIZZAZIONE

Tutte le stazioni all’interno dello stesso BSS devono essere sincronizzate a

uno stesso timer per un corretto funzionamento. All’interno dello standard è definita

una funzione chiamata timing synchronization function (TSF) che ha il compito di

mantenere questa sincronizzazione; ogni stazione inoltre deve mantenere un timer

TSF locale. Il timer interno è costituito di un contatore modulo 642 , con incrementi

di microsecondi; l’algoritmo qui presentato sincronizza il timer con scostamento

massimo di 4 µs più il massimo ritardo di trasmissione dato dallo strato fisico

utilizzato.

Se è presente un AP, questo sarà il timing master, il cui timer sarà utilizzato

da tutte le altre stazioni del BSS per la sincronizzazione. Se invece siamo in presenza

di un IBSS si utilizzerà un algoritmo distribuito e ogni stazione aggiornerà il proprio

timer solo se il valore ricevuto nel timestamp sarà maggiore del proprio.

33

Nel caso di un BSS, l’AP inizializza il proprio timer indipendentemente dagli

altri e periodicamente invia frame speciali chiamate beacon che contengono tra

l’altro una copia del TSF timer. Tutte le stazioni alla ricezione del beacon aggiornano

il proprio timer a quello ricevuto a prescindere dal valore. L’intervallo tra l’invio dei

beacon è uguale al Target Beacon Transmitting Time (TBTT); se il mezzo è

occupato allo scoccare di uno di questi intervalli l’AP ritarda l’invio del beacon

secondo le regole specificate precedentemente, aggiornando però il timestamp al

tempo effettivo di invio.

RISPARMIO ENERGETICO

In genere le reti wireless sono formati da dispositivi portatili, come palmari e

notebook, per i quali le batterie sono una risorsa di fondamentale importanza, ma

limitata. Per questo motivo lo standard IEEE 802.11 prevede dei meccanismi per

limitarne il consumo, consentendo alle stazioni di passare in modalità a basso

consumo (sleep mode) per alcuni periodi, senza perdere pacchetti destinati a quelle

stazioni. Lo standard definisce due stati in cui può trovarsi una stazione:

− awake: la stazione è completamente attiva

− doze: la stazione non può ricevere o trasmettere trame e consuma

pochissima potenza

Vengono poi definite due modalità di funzionamento, attiva (active mode

AM) e risparmio energetico (power save PS). Se una stazione è in modalità attiva,

deve sempre rimanere nello stato awake, in cui può sempre ricevere e inviare trame.

Se una stazione si trova nella polling list di un AP dovrebbe sempre rimanere in

questa modalità di funzionamento. La modalità risparmio energetico invece permette

alla stazione di passare in modalità doze attraverso meccanismi che comunque

permettono di ricevere tutte le trame dirette a quella stazione o quelle di tipo

broadcast e multicast. Una stazione prima di cambiare modalità di funzionamento

deve informare l’AP con una sequenza di scambio corretta; infatti l’AP conserva

informazioni riguardo allo stato attuale di tutte le stazioni, per memorizzare i

pacchetti destinati alle stazioni in modalità power saving. L’eventuale presenza di

trame memorizzate indirizzate a una determinata stazione viene indicata nel campo

34

TIM (traffic indication map), che viene inserito in ogni beacon. Le stazioni in

modalità power save devono periodicamente attivarsi e ascoltare i beacon inviati

dall’AP, per controllare se c’è del traffico a loro indirizzato. Se sono presenti delle

trame memorizzate la stazione può operare in due modi: se il BSS opera in modalità

DCF, o si trova nel periodo a contesa della modalità PCF, deve inviare un PS-poll

all’AP, che deve rispondere con le MSDU memorizzate al suo interno oppure con un

ACK, per poi inviare le trame in un secondo momento; se invece si trova nel periodo

libero da contese della la stazione non invia richieste ma aspetta che sia l’AP a

inviare le trame, oppure aspetta la fine del CFP.

Il campo TIM consiste principalmente in una sequenza di bit che indica se la

stazione, a cui viene assegnato un Association ID (AID) univoco, ha delle trame

memorizzate nell’AP. Esistono poi dei TIM particolari chiamati DTIM (delivery

traffic indication message) che vengono inviati all’interno dei beacon ogni intervallo

DTIM_Period; questi servono per permettere l’invio di trame broadcast e multicast,

infatti ogni stazione in modalità power save si attiva allo scoccare di questo

intervallo per ricevere tali trame ed eventualmente inviare delle richieste PS-Poll.

esempio di invio di trame multicast e di richiesta di trame memorizzate in

modalità power save

35

CONSIDERAZIONI

L’ampio utilizzo che sta avendo lo standard IEEE 802.11 ha portato alla luce

alcuni problemi, principalmente riguardanti la qualità del servizio (Quality of Service

QoS) offerta. Infatti con la modalità DCF non ci sono differenziazioni tra le varie

stazioni e i dati da esse trasmessi: un flusso dati a bassa priorità potrebbe bloccare un

video streaming, deteriorandone irreparabilmente la visione da parte dell’utente.

Inoltre l’algoritmo di backoff introduce ritardi e jitter che rendono questo tipo di

trasmissione inutilizzabile per traffico real-time. Il metodo di accesso PCF è più

portato ad offrire un servizio time-bounded, comunque non sufficiente a soddisfare le

necessità sopra esposte. Infatti all’inizio del periodo del periodo libero da contese,

allo scattare del TBTT (Target Bacon Transmission Time) il PC deve ascoltare il

canale prima di poter trasmettere il beacon; l’invio di quest’ultimo potrebbe essere

ritardato se è presente nel canale del traffico DCF rimasto dal periodo a contesa

precedente. La sincronizzazione introdotta attraverso l’uso del PCF in questo caso

potrebbe essere persa totalmente. Un altro problema è che le stazioni che ricevono la

richiesta di invio, possono trasmettere trame la cui lunghezza è variabile, rendendo

impossibile qualsiasi previsione sul tempo di occupazione del canale. Questo

impedisce qualsiasi tentativo di programmare un certo livello di qualità del servizio

per le stazioni che devono ricevere poll nel resto del CFP.

Un’ulteriore limitazione allo sviluppo di questo metodo di accesso è nella sua

definizione: infatti nello standard questa modalità, e in particolare la gestione della

polling list, non sono state fissate con esattezza e quasi nessun produttore ha

implementato questa possibilità nei propri dispositivi. La Wi-Fi Alliance,

un’associazione tra i maggiori produttori di dispositivi per reti wireless, non ha

incluso la modalità PCF tra i propri standard di interoperabilità.

Sono stati fatti molti studi e sperimentazioni sulla possibilità di modificare i

due metodi di accesso classici, dimostrando che la necessità di un servizio più

affidabile è molto sentita dagli utilizzatori.

36

IEEE 802.11E E QOS

L’IEEE ha recepito la richiesta da parte del mercato di disporre di una qualità

del servizio più elevata, e differenziata a seconda del tipo di traffico. Il gruppo

802.11 ha allo studio delle modifiche ai metodi di accesso originali per introdurre

anche nelle reti wireless il concetto di QoS. La nuova estensione, denominata

802.11e, non è stata presentata come standard ma solo come Draft, che rappresenta

una versione provvisoria che deve essere rivista prima di poter essere pubblicata.

La modifica alla modalità DCF consiste nell’introdurre un nuovo schema di

accesso chiamato ECDF (Enhanced distributed coordination Function); il supporto

per la qualità del servizio è realizzato mediante l’introduzione delle categorie di

traffico (traffic classes TC). Ogni stazione supporta al suo interno fino a otto TC,

ognuna delle quali ha a disposizione una propria coda di trasmissione, che si

comportano come stazioni virtuali all’interno della stazione stessa. Ognuna di queste

utilizza l’algoritmo di backoff indipendentemente dalle altre quando rileva che il

mezzo è libero per un periodo superiore a Arbitration Interframe Space (AIFS);

questo è un nuovo intervallo tra le trame e il suo valore minimo è uguale al DIFS, ma

può essere aumentato per ogni TC a seconda della sua priorità. Trascorso questo

intervallo si genera un intervallo di backoff utilizzando il metodo già visto nello

standard; la differenza sta nel fatto che il parametro CWmin[TC], che definisce

l’apertura minima della finestra di contesa, dipende dalla categoria di traffico a cui fa

riferimento la procedura di backoff. Per avere priorità sul traffico di stazioni che

utilizzano la procedura DCF basta impostare AIFS uguale al suo valore minimo, cioè

DIFS, e l’apertura minima CWmin[TC] a un valore minore dell’analogo nel caso

DCF. Se il mezzo viene rilevato occupato prima che il contatore di backoff

raggiunga lo zero, l’operazione di decremento si interrompe e può riprendere solo se

il mezzo viene rilevato libero per un periodo uguale a AIFS; l’unica differenza in

questa procedura sta nel fatto che il contatore riprende a diminuire allo scoccare

dell’ultimo timeslot dell’intervallo AIFS, anticipatamente rispetto allo standard

classico. Viene definito anche un nuovo parametro chiamato Persistance Factor (PF),

anch’esso dipendente dalla categoria di traffico. Questo viene usato per allargare la

contention window dopo ogni invio non riuscito: mentre prima l’intervallo in cui

37

scegliere il numero casuale raddoppiava (corrispondente a PF=2), l’802.11e usa

questo parametro per modificare l’ampiezza della contention window secondo la

seguente formula

newCW [TC] >= (( oldCW[TC] + 1 ) * PF ) – 1

Il parametro CW[TC] comunque non deve mai superare il limite dato da

CWmax[TC].

spaziatura tra le trame presenti nell’802.11e

Come detto all’interno di ogni stazione possono essere attive fino a otto code,

ognuna delle quali fa riferimento a una categoria di traffico. Se nello stesso istante

due differenti contatori di backoff raggiungono lo zero, si ha una collisione virtuale,

che viene gestita all’interno della stazione da degli algoritmi che garantiscono

l’utilizzo del mezzo radio alla coda la cui priorità è più alta.

confronto tra l’802.11 classico, a sinistra, e il nuovo standard 802.11e

38

Una definizione importante all’interno dell’802.11e è quella di Transmission

Opportunity (TXOP). Una TXOP è definita come un intervallo di tempo in cui una

stazione ha il diritto di trasmettere ed è identificato da un istante di inizio e da una

durata massima. Le TXOP possono essere assegnate a una stazione attraverso il

meccanismo a contesa (ECDF-TXOP) oppure da una richiesta inviata alla stazione

dall’HCF (polled-TXOP). La durata limite è stabilita per le ECDF-TXOP attraverso

un parametro inviato alle stazioni attraverso i beacon, mentre nel caso poll-TXOP la

durata massima viene indicata nel poll stesso.

Nell’802.11 viene modificata anche la modalità PCF, introducendo la Hybrid

coordination function HCF. Come nel caso classico viene definita una supertrama,

che viene poi suddivisa in Contention free period (CFP) e Contention Period (CP).

Durante il CP l’accesso al mezzo viene governato dall’EDCF, anche se l’Hybrid

Coordinator (HC) può inviare trame QoS CF-Poll alle stazioni, iniziando così la

modalità HCF. Durante il CFP, l’HC invia a una particolare stazione un QoS CF-Poll

in cui è specificato l’inizio e la durata della TXOP. Durante questo intervallo di

tempo le stazioni, anche quelle che non supportano il nuovo standard, impostano il

NAV alla durata specificata nel beacon ricevuto all’inizio del CFP; in questo modo

una stazione che riceve un QoS CF-Poll assume di avere una TXOP e perciò invia le

trame memorizzate. Per migliorare l’efficienza nell’utilizzo del mezzo, se una

stazione non risponde a un QoS CF-Poll entro un tempo uguale al SIFS, l’HC attende

un PIFS e poi riprende il controllo del mezzo inviando un altro QoS CF-Poll a

un’altra stazione. Nell’allocare le TXOPs l’HC dovrebbe considerare molti fattori tra

i quali: 1) la priorità delle TC 2) la qualità del servizio richiesta dalle varie

categorie di traffico (in base a jitter, banda, ritardo, ecc...) 3) la lunghezza delle

code per ogni TC 4) la lunghezza delle code per ogni stazione 5) la durata delle

TXOP 6) la qualità richiesta recentemente dalle varie TC. Per ottimizzare l’invio di

QoS CF-Poll l’HC ha bisogno di conoscere il più possibile di questi parametri; per

far questo sono state modificate i campi di controllo all’interno delle trame MAC,

introducendo queste informazioni.

39

Acronimi ed abbreviazioni

ACK Acknowledgement

AIFS Arbitration Inter Frame Space (802.11e)

AP Access Point (punto di accesso)

BPSK Binary Phase Shift Keying

BSA Basic Service Area

BSS Basic Service Set

CA Collision Avoidance

CD Collision Detection

CFP Contention Free Period (periodo senza contese)

CF-Poll Contention Free – Poll

CF-End Contention Free – End

CP Contention Period (periodo a contesa)

CRC Cyclic Redundancy Check

CSMA Carrier Sense Multiple Access

CW Contention Window

CWmax Contention Window Maximum

CWmin Contention Window Minimum

DCF Distributed Coordination Function

DIFS DCF Inter Frame Space

DS Distribution System

DSSS Direct Sequence Spread Spectrum

EDCF Enhanced DCF (802.11e)

ESS Extended service set

FEC Forward Error Correction

FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum

GFSK Gaussian Frequency Shift Keying

HC Hybrid Coordinator (802.11e)

HCF Hybrid Coordination Function (802.11e)

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

IR Infrared

40

ISM Industrial, Science, Medical

LLC Logical Link Control

MAC Medium Access Control

MPDU MAC Protocol Data Unit

MSDU MAC Service Data Unit

NAV Network Allocation Vector

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

PC Point Coordinator

PCF Point Coordination Function

PF Persistence Factor (802.11e)

PHY Physical Layer (livello fisico)

PIFS PCF Inter Frame Space

QAM Quadrature Amplitude Modulation

QBSS QoS-supporting Basic Service Set (802.11e)

QoS Quality of Service

QPSK Quadrature Phase Shift Keying

RTS/CTS Request to Send/Clear to Send

SIFS Short Inter Frame Space

TBTT Target Beacon Transmission Time

TC Traffic Category (802.11e)

TXOP Transmission Opportunity (802.11e)

WEP Wireless Equivalent Privacy

WLAN Wireless Local Area Network

BIBLIOGRAFIA

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Technology-Telecommunications and information exchange between

systems- Local and metropolitan area networks- Specific

Requirements- Part 11: Wireless LAN Medium Access Control

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Information Technology-Telecommunications and information

exchange between systems- Local and metropolitan area networks-

Specific Requirements- Part 11: Wireless LAN Medium Access

Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications,” 1999.

3. (IEEE 802.11 WG, “Draft Supplement to STANDARD FOR

Telecommunications and Information Exchange Between Systems -

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test bed”, University of New Mexico, 2002