Un meccanismo di comunicazione a priorità per reti wireless

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1 Facoltà di Ingegneria Corso di Studi in Ingegneria Informatica tesi di laurea Un meccanismo di comunicazione a priorità per reti wireless Anno Accademico relatore Ch.mo prof. Giorgio Ventre correlatore Ing. Massimo Ficco candidato Gianfranco Fattore matr. 41/3811 I

2 Questa montagna è tale, che sempre a cominciar di sotto è grave e quant uom più va sù e men fa male Dante Alighieri Purgatorio IV, Sono passate parecchie stagioni da quell autunno in cui, nella famigerata aula T1 del biennio di ingegneria, uno spazio vettoriale si alternava ad uno studio di funzioni. C era molta ingenuità, nessuno sapeva quello che ci sarebbe aspettato e ci piaceva carpire le mille legende universitarie che prontamente qualche studente raccontava durante le pause tra le lezioni. Immaginate un ragazzo appena maggiorenne, vissuto in un piccolo paesino sotto l appennino che si trova catapultato in una grande città e soprattutto nell ambiente universitario che, rispetto a quello del liceo di un paesino di montagna, sembrava un gigante. Per fortuna ho avuto dei compagni di viaggio eccezionali con cui ho condiviso momenti di vita cittadina e universitaria ricchi di episodi belli e di difficoltà. Per questo mi piace ricordare Gianluca, Vittore, Carlo e Mauro, la voce fuori del coro, come degli amici fidati che difficilmente potranno cadere nel dimenticatoio, come spesso si fa con superficialità verso molte persone. Come non ricordare poi gli amici dei primi anni di studio: Maria e Luigi con i quali ho iniziato ad effettuare la dura scalata e gli amici che mi hanno accompagnato verso la fine degli studi: Loreto e Gino che insieme a Vittore, come ad un Giro d Italia, ci alternavamo alla testa del gruppo per raggiungere la fatidica cima Coppi della laurea. Ovviamente tutto ciò è stato possibile grazie al supporto morale, alla perseverante pazienza e non solo (ci vorrebbe un altra tesi per chiarire bene il concetto) dei miei genitori e di mio nonno, che come un orologio svizzero, mi ha sempre scandito i tempi. Come posso non ricordare inoltre i miei amici del paese che mi hanno permesso di evadere dal mio mondo di numeri e bit (e come direbbe Gino di compilazioni del kernel) e i miei parenti più stretti che mi hanno espresso la loro solidarietà nei momenti difficili. Al termine di questa dissertazione, forse scontata ma dovuta, voglio ricordare con un pizzico di malinconia una persona che, come o forse più dei miei genitori, ha creduto in me e nelle mie scelte e che purtroppo ora non c è più. Sicuramente sarebbe stato emozionato più lui che io nel vedermi a discutere questo lavoro di tesi. Hai visto zio? C è l ho fatta!!!! Bene, ora è giunto il momento di proseguire perché come diceva sempre un mio professore: gli ingegneri non si fermano mai! II

3 Indice UN MECCANISMO DI COMUNICAZIONE A PRIORITÀ PER RETI WIRELESS... I INDICE...3 INTRODUZIONE...5 CAPITOLO 1 LA QUALITÀ DEL SERVIZIO NELLE RETI WIRELESS La tecnologia Wireless Le WLAN Lo standard IEEE La Quality of Service La QoS nelle Wireless LAN Sintesi delle caretteristiche principali del futuro standard e Wi-Fi Multimedia (WMM) Il lavoro svolto...23 CAPITOLO 2 ACCESS POINT CON SUPPORTO ALLA QUALITÀ DEL SERVIZIO: HOSTAP E HOSTQS Hostap HostQs: Differenziazione del traffico in WLAN Introduzione a HostQs QoS dell IEEE e: la funzione EDCA Differenziazione del traffico a livello LLC L implementazione di HostQs Risultati del test...36 CAPITOLO 3 L'ARCHITETTURA DI RIFERIMENTO Architettura del sistema Scenario Architettura

4 3.2 Principio di funzionamento Esempi di funzionamento...54 CAPITOLO 4 IL MODULO HOSTQS Il kernel ed i moduli Kernel space e User space Gestione dei moduli Struttura dei moduli e loro scrittura Il debugging del modulo Il modulo queue_mgr.o Le strutture dati Le funzioni del modulo Lo schema di funzionamento...76 CAPITOLO 5 LE MISURE SPERIMENTALI Il testbed Le misurazioni Individuazione della cella minima Verifica del funzionamento del modulo Hostqs originale Verifica del funzionamento del modulo Hostqs modificato Conclusioni e sviluppo futuro APPENDICE A A.1 L header file queue_mgr.h A.2 Il file queue_mgr.c A.3 Il Makefile Appendice B: Installazione del software e configurazione del testbed B.1 Installazione di HostAP e HostQs B.2 Configurazione del testbed BIBLIOGRAFIA

5 Introduzione Il lavoro di tesi proposto si è occupato dello sviluppo di un modulo del kernel detto queue_mgr del sistema operativo Linux atto a gestire un meccanismo di comunicazione a priorità per reti wireless. Tale lavoro parte da un progetto esistente, denominato hostqs, che si occupa di gestire la QoS in una rete wireless valutando il campo TOS di ogni pacchetto IP ricevuto. Partendo dall'analisi degli standard esistenti e di quelli in via di approvazione per introdurre una qualità del servizio su tali reti (802.11b, e), si passa ad introdurre un'architettura di riferimento in cui tale modulo software lavora. Si tratta di un nodo wireless in cui un server di autenticazione gestisce gli accessi degli utenti alla rete in base a degli identificativi personali ed indipendentemente dal device wireless utilizzato. L'utente fornirà al sistema il proprio identificativo l'indirizzo MAC del device utilizzato e il sistema di autenticazione gli fornirà l'accesso alla rete e il tipo di QoS. Il modulo queue_mgr in base al valore di QoS applicherà una politica di scheduling dei pacchetti associandoli a code con tempi di trasmissione diversi. Per lo sviluppo del software è stato utilizzato un driver per schede wireless con chipset PrismII, Hostap, che trasforma una semplice scheda wireless in un Access Point. Il modulo del driver contiene una funzione di trasmissione modificata che invia i pacchetti di rete non direttamente allo strato MAC ma prima al modulo supplementare che si occupa della schedulazione delle frame. Successivamente sono state effettuate delle misure su un testbed allestito ad hoc per verificare effettivamente il funzionamento di tale sistema software. Sono state effettuate misure sulla capacità di trasmissione della scheda wireless utilizzata in modalità Hostap: misure di trasmissione (potenza trasmissiva, rapporto segnale rumore, throughput effettivo), misure di trasmissione del modulo hostqs basato sull'analisi del campo TOS del pacchetto IP (throughput, jitter) ed infine misure di trasmissione del modulo queue_mgr sviluppato (throughput, jitter). 5

6 La tesi è strutturata come segue: Capitolo 1: Si inquadra il problema della Quality of Service, in particolare su reti wireless, mettendo in evidenza le differenze che si evincono dalle tecniche di trasmissione dello standard IEEE b e della bozza di standard e. Si illustra a scopo conoscitivo anche l'implementazione da parte della Wi-Fi Alliance di un programma per l'implementazione della QoS chiamato WMM (Wi-Fi-certified for Wi-Fi Multimedia). Capitolo 2: Viene presentata il software Hostap che trasforma una semplice scheda wireless in un Access Point e il modulo Hostqs originale che basa la politica di QoS sul particolare valore del campo ToS dell'header Ip di ogni pacchetto ricevuto, spiegando a livello concettuale l'architettura del modulo Capitolo 3: In questo capitolo vengono illustrati i fondamentali aspetti dell'architettura di riferimento in cui si cala il modulo Hostqs, descrivendo da un punto di vista concettuale l'interazione tra i vari moduli. Capitolo 4: In questo capitolo, dopo aver dato brevi cenni di programmazione di sistema, in particolare di Kernel Module Programming, si riportano le tappe principali dello sviluppo del modulo queue_mgr illustrando le principali strutture dati e funzioni realizzate. Capitolo 5: A conclusione del lavoro di tesi si riportano le principali misurazioni effettuate atte a mostrare l'effettivo funzionamento del modulo oltre che ad individuare la dimensione minima e massima di copertura di un nodo wireless. Appendici: si riportano i file sorgenti del modulo sviluppato e le configurazioni delle macchine che fanno parte del testbed realizzato. 6

7 Capitolo 1 La qualità del servizio nelle reti Wireless Le tecnologie per la comunicazione senza fili si stanno diffondendo rapidamente in tutto il mondo. Esse sono utilizzate sia per realizzare reti locali (LAN) di computer mobili, sia per la comunicazione tra dispositivi di uso comune come telefoni, macchine fotografiche, ecc. Le reti locali senza fili sono dette Wireless Local Area Network (WLAN) e vengono utilizzate per fornire connettivitá ad utenti mobili con prestazioni paragonabili alle soluzioni broadband via cavo che si trovano sul mercato. Le principali tecnologie wireless si basano sulle specifiche del protocollo IEEE In questo capitolo si presenteranno le tecnologie attuale e quelle in fase di sviluppo per la gestione della QoS nelle wireless LAN 7

8 1.1 La tecnologia Wireless Le WLAN Le reti locali wireless, o LAN wireless, stanno modificando il mondo delle reti di computer. Le aziende di tutto il mondo stanno implementando reti wireless indipendenti o in aggiunta a quelle cablate per aumentare la produttività dei dipendenti, ridurre i costi e superare gli ostacoli delle connessioni tradizionali. Giunte sul mercato nei primissimi anni novanta, esse hanno avuto la definitiva svolta con l'approvazione dello standard IEEE (1997) evolutosi in seguito negli standard 811.2a, 811.2b, g e altre evoluzioni atte a migliorare la capacità trasmissiva piuttosto che la qualità dei servizi offerti. Gli standard b e g definiscono oggi gli standard effettivamente utilizzati per il WLAN anche se si lavora ancora al fine di ottenere un miglioramento ed un adattamento degli stessi alle esigenze quotidiane. Tra i vantaggi che rendono così appetibile questa tecnologia c'è indubbiamente la flessibilità. Infatti si ha un'enorme aumento d'efficienza rispetto ad una rete cablata. Si scavalcano in questo modo tutti quei problemi riscontrati nella stesura della stessa. Si pensi ad esempio la realizzazione di una LAN che colleghi due edifici separati da grossi ostacoli o la stesura della stessa all'interno di una struttura storica. Non ci sarebbe più bisogno di stendere cavi antiestetici. Si ha inoltre la possibilità di rendere mobile l'utente collegato. Pertanto se si parla di computer portatili le potenzialità aumentano. Si immagini l'uso che se ne potrebbe fare all'interno di una struttura sanitaria quale un ospedale oppure all'interno di un aeroporto, un magazzino. A tutto questo si aggiungano che i costi di realizzazione sono relativamente bassi. Ovviamente c'è il rovescio della medaglia e quindi gli svantaggi. Essendo una trasmissione radio fatta ad alta frequenza, ne presenta tutte le pecche. C'è da considerare fenomeni di attenuazione, 8

9 interferenza, riflessioni, e sicurezza. A ciò va aggiunto problemi energetici legati al fatto che spesso vengono usati dispositivi a batteria e compatibilità. Per i primi tre, i problemi sono identici a quelli riscontrati in una qualsiasi altra trasmissione radio. Ipotizzando un trasmettitore isotopico (che trasmette nello stesso modo in tutte le direzioni) si ha che il segnale si propaga e la potenza si spalma istante per istante su sfere concentriche. Questo porta ad un'attenuazione che è inversamente proporzionale alla distanza percorsa dal segnale. Quindi se si trasmette ad una potenza bassa, non arriva nulla. Se si trasmette ad una potenza superiore al necessario, si inficia sulla durata della batteria. Ancora, il segnale in presenza di ostacoli rimbalza e genera un'onda riflessa. Questa giunge sul ricevitore contemporaneamente al segnale diretto ed a un'infinità di segnali riflessi (fenomeno delle riflessioni multiple), specie negli ambienti chiusi. Il risultato è una distorsione del segnale e nella peggiore delle situazioni, il fenomeno dell'affievolimento profondo. Poi c'è l'interferenza verso altri dispositivi e la suscettanza nei confronti di disturbi radio. Parlando invece di compatibilità, il problema nasce dalla presenza di diversi standard. E' ovviamente preferibile l'uso di access point e schede identiche per poter sfruttare al massimo la rete. Infine, ma non per ultimo per importanza, il problema della sicurezza. L'informazione trasmessa diviene alla portata di tutti, pertanto occorre effettuare un criptaggio del segnale.[1] Lo standard IEEE Il gruppo IEEE 802 [2] può essere visto come una famiglia di standard comprendenti un'insieme di standard quali: 802.2: Logical Link Control 802.3: Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance 802.4: Token bus 802.5: Token Ring 802.6: Distributed Queuing Dual Bus (DQDB) 802.9: Unified Integrated Services su Backbone : WLAN : Demand Priority Access Method : Cable TV 9

10 802.15: Wireless Personal Area Networks : Broadband Wireless Access Methods che riguardano il livello MAC e il livello fisico della pila ISO-OSI. Figura La pila ISO-OSI Lo standard si riferisce alle reti wireless. Nello standard originale si focalizza l'attenzione su tre distinti livelli fisici (infrarosso - trasmissione radio con modulazione FHSS - Trasmissione radio con modulazione DSSS) e il livello MAC. In seguito si sono avute due estensioni quali a e b. La versione base propone l'uso della banda di frequenze dei 2.4GHz, la cosiddetta ISM (Industrial, Scientific and Medical band) che è disponibile a libero uso dei privati, senza la necessità di ottenere concessioni da parte degli enti pubblici. Nella prima estensione, l IEEE a, si ottiene un throughput massimo di 54 Mbps ad una frequenza di lavoro di 5,2 GHz. A causa dell'elevata frequenza usata, vengono richiesti un maggior numero di AP rispetto allo standard b. Questo non è autorizzato in Europa ed è il diretto concorrente dello standard Europeo Hyperlan/2. I prodotti sono marcati con la sigla "Wi-Fi5". Un problema riscontrato è il seguente: la frequenza utilizzata è la stessa con cui operano i satelliti, perciò l'utilizzo è permesso soltanto per gli ambienti chiusi. In questo standard viene utilizzata la tecnologia di modulazione OFDM con tecniche di modulazione BPSK/QPSK/16 QAM/64 QAM, 8 canali disponibili non overlapping. Nella seconda estensione, la b, abbiamo invece un throughput massimo di 11 Mbps, 100 metri di distanza, con tecniche di modulazione quali: 10

11 DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying) per velocità da 1 Mbps DQPSK (Differential Quaternary Phase Shift Keying) per velocità da 2 Mbps QPSK/CCK (Quaternary Phase Shift Keying with Complementary Code Keying) per velocità comprese tra 5,5 e 11 Mbps. Attualmente lo standard è in continua evoluzione, grazie alle estensioni che i vari gruppi di lavoro stanno studiando e proponendo. Una evoluzione dello standard b è l'802.11g che presenta un throughput di 54 Mbps ad una frequenza di 2.4 GHz. La tecnica di modulazione usata è la OFDM (tre canali disponibili non overlapping). Si riporta di seguito un elenco dei vari gruppi di lavoro dell'ieee per capire in quali campi di ricerca essi lavorano. [3] Gruppo Scopo del progetto di lavoro a Sviluppare un livello fisico per trasmettere nella banda dei 5GHz b Definire uno standard per trasmettere ad un bit rate più alto nella banda dei 2.4GHz c Migliorare alcune mancanze nel Management Information Base nello standard b d Perfezionare l interoperabilità tra lo standard IEEE e lo standard IEEE 802.1d e Migliorare il livello MAC dello standard IEEE per supportare la Quality of Service (QoS ) f Migliorare l interoperabilità tra AP di diversi costruttori in un DistributedSystem, standardizzando un protocollo di roaming g Aumentare il bit rate in trasmissione delle reti di tipo b superando i 20Mbps h Migliorare il livello MAC e fisico dello standard IEEE i Migliorare i meccanismi di autenticazione e sicurezza j Aumentare il numero di canali nella banda dei 5GHz in Giappone k Definire un Radio Resource Measurement per scambiare informazioni con i livelli superiori riguardo alle misurazioni sul segnale radio. 11

12 1.2 La Quality of Service La QoS nelle Wireless LAN Gli standard presentati in precedenza, sono stati pensati per un traffico di tipo generico detto best-effort. Con tale termine individuiamo una certa tipologia di traffico caratterizzata dal non presentare particolari esigenze in termini di risorse assegnategli. Esempi di traffico identificabili in tale categoria sono i traffici di trasferimento file (FTP, File Transfer Protocol), quelli per lo scambio di posta elettronica (SMTP, Simple Mail Transfer Protocol, POP3, Post Office Protocol), o per la consultazione di pagine web (HTTP, Hyper Text Transfer Protocol). E' anche vero però che negli ultimi anni si presenta sempre più l'esigenza di far uso di particolari tipi di traffici che presentano esigenze nettamente diverse. Sto parlando di traffici di informazioni di tipo audio o video, interattive o non. Questo comporta il soddisfacimento da parte della rete, di particolari specifiche in termini di prestazioni, al fine di garantire la qualità dell'informazione trasmessa. Si introduce quindi il concetto di QoS (Quality of Service) definito come proprietà della rete di garantire una certa qualità nel servizio offerto. Il gruppo IEEE ha costituito pertanto un gruppo di lavoro il cui scopo sia la realizzazione di uno standard che garantisca il soddisfacimento di questa specifica. Tale gruppo e il e. Allo stato dell'arte non è ancora stato definisto uno standard, ma sono stati proposti diversi Draft. Con traffico multimediale si identifica solitamente un tipo di trasmissione che presenti informazioni di tipo audio o video al proprio interno. Allo stato attuale, si ha che le applicazioni più diffuse sono: audio streaming, video streaming, video conference e VoIP (Voice over IP). Queste quattro applicazioni prevedono la trasmissione di tipo interactive detto anche two-way (VoIP e video conference) nelle quali in traffico è bidirezionale, 12

13 Figura 1.2 Traffico two-way o di tipo non-interactive detto anche one way (streaming audio e video) nelle quali abbiamo invece un traffico di tipo unidirezionale. Figura 1.3 Traffico unidirezionale Appare evidente come queste applicazioni richiedano particolari specifiche alla rete al fine di garantire una ricezione accettabile verso l'utente destinatario. Le specifiche di cui occorre tener conto sono sostanzialmente quattro: Banda allocata - Occorre fare una differenziazione in termini di traffico trasmesso. Infatti passiamo da un banda di pochi Kbit/sec per il VoIP fino a Mbit/sec nel caso di streaming video. Non può pertanto essere pensato una gestione paritaria delle risorse disponibili pena uno spreco delle stesse. Delay - Esso sostanzialmente è il tempo che trascorra tra l'istante in cui il pacchetto 13

14 è generato all'istante in cui esso è ricevuto dal destinatario. Appare evidente come ad esso concorrano una serie di fattori quali il ritardo di elaborazione (piccolissimo ma comunque non nullo), il ritardo di accodamento (i pacchetti vengono conservati in una coda in attesa di esser trasmessi, usualmente serviti secondo una politica FIFO - First In First Out), il ritardo di trasmissione (dipendente direttamente dalla velocità di trasmissione), ed il ritardo di propagazione fisica del segnale trasmesso (anch'esso piccolissimo). Diventa un fattore a cui occorre fornire una particolare attenzione nel caso di traffico interattivo pena il rischio di rendere la conversazione incomprensibile. Jitter - Questa quantità esprime la varianza del ritardo di cui prima. Un jitter nullo è sinonimo di un ugual ritardo da parte dei pacchetti. Jitter elevati significa un traffico poco fluido. Packet loss - Da informazioni circa la quantità di pacchetti persi (oppure corrotti) durante la trasmissione. I traffici multimediali presentano specifiche abbastanza stringenti verso questo indice. Si riporta di seguito una tabella in cui si definiscono, degli indici appena elencati, i valori massimi tollerati in funzione dell'applicazione. [3] Applicazione Traffico Data-rate [Kbit/sec] Delay [ms] Jitter [ms] Packet-loss [%] VoIP Streaming Audio Streaming Video Video Conference Twoway Oneway Oneway Twoway sec sec

15 1.2.2 Sintesi delle caretteristiche principali del futuro standard e Il gruppo di lavoro e, istituito per apportare modifiche allo standard originale al fine di garantire il QoS verso tali applicazioni, ha proposto due nuove modalità di trasmissione che possono essere viste come un'evoluzione delle modalità di trasmissione dell'802.11b. Per poter comprendere la principale novità introdotta dallo standard e, l Enhanced Distributed Coordination Function (EDCF), occorre richiamare brevemente la Distributed Coordination Function (DCF) così come viene descritta nello standard di base. [4][5]. Il DCF adotta uno schema listen-before-talk basato sui meccanismi di Carrier Sense Multiple Access (CSMA) e di Collision Avoidance (CA). In particolare la CSMA consiste nella verifica da parte di ciascuna stazione della presenza di segnale sulla rete per assicurarsi che il canale sia libero, dopo di che viene inviato un MAC Service Data Units (MSDUs). Con il solo CSMA è però possibile che due stazioni trovino contemporaneamente libero il canale dando luogo ad una collisione. Per tale ragione la CA prevede una procedura di backoff preliminare: Figura 1.4 Procedura di backoff ogni stazione che deve effettuare una trasmissione attende per un tempo casuale di durata minima pari al DCF InterFrame Space (DIFS), che è di 34 us nel a. Il tempo di attesa ulteriore deve essere multiplo dello slot-time (9 us nel a). Ogni stazione memorizza la propria Contention Window (CW) che mantiene il numero di slot che deve attendere prima di riprendere a trasmettere. Per segnalare una trasmissione corretta il ricevitore invia un acknowledgement (ACK). Se la trasmissione fallisce il CW viene 15

16 raddoppiato riducendo così la probabilità di una collisione. Per ridurre l overhead dovuto per esempio alla frammentazione di pacchetti di strati superiori e che vengono trasmessi in sequenza, l definisce un meccanismo opzionale di Request-to-Send/Clear-to-Send (RTS/CTS). In sostanza prima il trasmettitore invia un frame RTS seguito da un CTS ricevitore. RTS e CTS contengono le informazioni su quanto tempo intercorrerà fra l attuale frame di dati (ossia MSDU) e quello successivo. Ciascuna stazione mantiene un timer, il Network Allocation Vector (NAV), che contiene le informazioni trasmesse dai frame RTS e CTS. Tra ciascun messaggio scambiato da trasmettitore e ricevitore è previsto un periodo idle detto Short InterFrame Space (SIFS) fissato a 16 us dal a. [4] Lo standard di base definisce già una funzionalità per supportare servizi con scadenze temporali: si tratta della Point Coordination Function (PCF), che consente di fissare priorità di accesso diverse per le stazioni della rete grazie al coordinamento garantito da una stazione detta Point Coordinator (PC), tipicamente coincidente con l Access Point (AP). Il PCF ha maggiore priorità della funzione DCF esaminato nel precedente paragrafo e tale priorità è garantita dal fatto che il tempo minimo di attesa del PCF, detto PCF InterFrame Space (PIFS), è minore del DIFS essendo di soli 25 us (802.11a); si badi che il PIFS è comunque maggiore del SIFS. Il PCF prevede una suddivisione del tempo in superframe, che a sua volta è costituito da un Contention Free Period (CFP) e da Contention Period (CP). Durante il CFP è attivo il PCF, mentre nel CP è consentito il normale svolgimento del DCF. Il superframe ha inizio con il cosiddetto beacon frame e contiene le informazioni necessarie per sincronizzare i timer locali delle stazioni. Il tempo intercorrente fra due beacon frame è in genere regolare e pertanto ogni stazione è in grado di prevedere l istante in cui arriverà il prossimo beacon frame detto target beacon transition time (TBTT). Durante il CFP non ci sono contese per l accesso poiché ogni operazione è regolata dal PC effettuando polling su ciascuna stazione. Poiché anche il PC può inviare dati alle stazioni, il messaggio di polling (CF-Poll) può essere combinato con il data frame da trasmettere. Similmente la stazione segnalata risponde con un aknowledgement CF-ACK che può essere combinato con un data frame. Ogni CFP termina con un CF-End. Durante il CFP ogni stazione, prima di inviare un frame, attende un tempo pari al SIFS. Il PCF ha come scopo principale supportare servizi che pongono dei limiti al ritardo nell inoltro del frame. Tale obiettivo è stato raggiunto solo parzialmente. Si riportano nel seguito alcuni dei problemi non risolti. Nella precedente discussione si è supposto di poter conoscere con certezza il 16

17 TBTT, ma il beacon potrebbe essere soggetto ad un ritardo essendo sconosciuta la durata delle operazioni di polling. Il beacon potrebbe essere quindi trasmesso dopo il TBTT consentendo alle stazioni che avrebbero dovuto trasmettere entro il TBTT di superare il bound. Alcune simulazioni di caso peggiore mettono in evidenza la possibilità di ritardi pari anche a 250 us. Se è vero che il polling fornisce garanzie sull ordine con cui i frame sono trasmessi, nulla si può dire in merito ai tempi della trasmissione in polling. C è infatti solo un limite di 2304 sulle dimensioni del frame, che può raggiungere i 2312 se criptato, ma il dato può essere frammentato in più frame. È possibile che una stazione perda il precedente beacon e quindi non sia in grado di impostare il TBTT ed anzi non sia neppure al corrente dell inizio di un CFP. Tale stazione non sospenderà quindi le operazioni di DFC. Lo scopo dello standard IEEE e è sopperire i limiti riscontrati in precedenza per supportare la QoS. Esso introduce due nuove funzionalità: la Enhanced Distributed Coordination Function (ECDF) e la Hybrid Coordination Function (HCF). Le stazioni che supportano e sono dette enhanced ed appartengono allo stesso QoS-supporting Basic Service Set (QBSS). Tra queste è possibile prevedere una stazione (tipicamente è l AP) che operi come controllore centralizzato e che viene definita Hybrid Coordinator (HC). Anche nell e i superframes sono suddivisi in CP e CFP. L ECDF è attivo soltanto durante il CP, mentre HCF opera in entrambe le fasi. Il supporto per la QoS è realizzato introducendo delle classi di servizio, che nello standard sono denominate Traffic Categories (TCs). La differenziazione del livello di servizio degli MSDU appartenenti alle diverse TC è implementata attraverso una diversa parametrizzazione. In particolare durante il CP ciascuna stazione, dopo aver appurato che il canale è libero, contende con le altre stazioni la Transmission Opportunity (TXOP) attendendo per un intervallo di tempo detto Arbitration InterFrame Space (AIFS). L AIFS ha durata minima pari al DIFS e può essere aumentato sulla base della TC di appartenenza. Dopo aver atteso l AIFS ha inizio il backoff di durata casuale compresa fra [1, CW+1]; un altro dei parametri dipedenti dalla TC è la durata minima del CW, la CWmin[TC]. Nel caso in cui il canale risulti occupato il CDF prevede che il CW venga raddoppiato. L ECDF invece ricalcola il CW utilizzando il Persistent Factor PF[TC], dipendente anch esso dalla TC, secondo la relazione seguente. newcw[tc] >= ((oldcw[tc] + 1) * PF[TC]) + 1 Ponendo PF = 2 si ottiene la stessa relazione prevista dal 17

18 CDF. Ad ogni modo viene fissato un valore massimo CWmax[TC] per il CW dipendente dalla TC. Sintetizzando quindi è possibile definire la priorità degli MSDU operando sui seguenti parametri: AIFS[TC], CWmin[TC], PF[TC] e CWmax[TC] (opzionale). Un aspetto innovativo dell ECDF consiste nella possibilità di gestire all interno di ogni stazione fino ad 8 code virtuali corrispondenti a diverse TC. Tale stazione deve quindi implementare una funzionalità di scheduling interna e deve essere in grado di evitare collisioni virtuali. [6] Figura 1.5 Categorie di accesso della EDCF Una caratteristica importante del MAC di IEEE e è la TXOP, definita come l intervallo di tempo in cui una stazione ha il diritto di iniziare la trasmissione. Essa può essere allocata in due modi: tramite competizione (EDCF-TXOP), come illustrato in precedenza, o tramite HCF (polled-txop). Figura 1.6 Funzionamento del Contention Free Burst (CFB) 18

19 La durata di un EDCF-TXOP èlimitata dalla massima TXOP che si può assicurare ponendo dei limiti sulla TXOP che vengono comunicati dalla stazione che ha assunto il controllo della stazione. Una novità molto importante dell EDCF rispetto al semplice DCF è la possibilità di introdurre un meccanismo di Contetion Free Burst (CFB) simile a quello assicurato dal PCF visto in precedenza ma ottenuto in modo distribuito. Una stazione può infatti entro il limite sulla TXOP può trasmettere anche più di un pacchetto senza subire contention da parte delle altre stazioni. Questo diventa possibile poiché il tempo di attesa fra una trasmissione ed un altra è pari al SIFS e non all AIFS. L assenza di contesa dovrebbe permettere di migliorare le prestazioni complessive della rete diminuendo le collisioni e tutto senza coordinazione centralizzata. Invece la durata di un polled-txop può essere assicurata invece da un HC una volta che è stata dichiarata nel poll frame. HCF estende le regole di accesso di EDCF consentendo al Hibrid Coordinator (HC) di allocaretxop. In modo simile al Point Coordinator (PC) del PCF, HC si assicura il canale attendendo per un tempo compreso tra PIFS e DIFS e dunque inferiore al tempo di attesa degli altri frame che è comunque maggiore di DIFS. Durante il CP, essendo attive sia EDCF sia HCF, il TXOP può essere assicurato ad una stazione o dopo una attesa pari ad AIFS + backoff o tramite un poll frame speciale, il QoS CF-Poll, inviato dal HC dopo una attesa di PIFS senza backoff. Durante il CFP l unico modo per assicurate il TXOP è tramite QoS CF-Poll. Infatti le stazioni non provano ad accedere al canale per tutto il CFP e pertanto l unica stazione che ne fa uso è HC. La fine di CFP è definita da un messaggio di CF-End inviato da HC o tramite le informazioni fissate nel beacon frame. [6] 19

20 1.2.3 Wi-Fi Multimedia (WMM) Le funzioni realizzate dalla Quality of Service (QoS) stanno affermandosi come un requisito chiave nelle reti Wi-Fi per supportare le applicazioni multimediali ed una gestione avanzata del traffico in ogni segmento di mercato: residenziale, enterprise e di pubblico accesso. Le tradizionali reti Wi-Fi forniscono uguale possibilità di accesso al mezzo di trasporto fisico per tutti i dispositivi connessi. Quando il traffico presente supera la banda disponibile, il troughput per tutti i flussi viene così ridotto, senza tenere in considerazione i tipi di dato che stanno viaggiando in rete. Tuttavia, mentre un ritardo di un secondo nell'inviare un job da un computer verso una stampante non viene percepito dall'utente, una latenza anche inferiore può disturbare seriamente una chiamata di tipo VoIP o la visione di uno streaming video. Quindi un accesso senza priorità, di tipo best effort, si coniuga bene con applicazioni di tipo posta elettronica, FTP, accesso ad Internet, ma non è sicuramente adatto per effettuare ad esempio streaming di musica o video, traffico vocale o giochi interattivi: tali applicazioni hanno degli stretti requisiti riguardo al troughput e ai tempi di latenza. Per questo il traffico proveniente da diverse applicazioni deve essere gestito attraverso meccanismi di tipo QoS. La Wi-Fi Alliance per questo ha sviluppato le specifiche WMM (Wi-Fi Multimedia ) ed un programma che certifica le funzionalità di tipo QoS offerte nelle reti Wi-Fi.Categorie d'accesso (AC) WMM definisce quattro categorie di accesso derivate dalla specifica d, che corrispondono a quattro livelli di priorità. 20

21 Mentre le quattro AC sono state designate per specifiche tipologie di traffico (voce, video, best effort e traffico a bassa priorità), le specifiche WMM lasciano il gestore della rete libero di decidere l'ordine di priorità fra le calssi. WMM specifica inoltre un protocollo di comunicazione tra l'access Point (AP) ed i client per specificare le politiche di accesso ai servizi di QoS e per inviare richieste da parte dei terminali. La figura 1.6 mostra il comportamento della WMM fra flussi di traffico che si contendono la banda disponibile. Nel primo grafico viene data priorità allo stream di tipo video rispetto agli altri. Durante i primi dieci secondi entrambi i traffici hanno abbastanza risorse disponibili; l'introduzione di un terzo stream fa sì che la domanda di banda superi quella diponibile. WMM dà allora al traffico video una priorità maggiore in modo che abbia le risorse necessarie. Nel secondo grafico la WMM non è abilitata e per questo i tre stream hanno uguale accesso al mezzo di trasporto e vengono penalizzati in ugual misura. Figura 1.7 comportamento della WMM fra flussi di traffico che si contendono la banda disponibile WMM è una estensione del meccanismo Distributed Coordination Function (DCF) basato sul protocollo CSMA/CA il quale fornisce priorità uguale per tutti i dispositivi e si basa sull'algoritmo di tipo best effort, listen before talk. Ogni client calcola un tempo casuale di backoff ed al termine può trasmettere solo se non vi sono altri utenti che stanno sfruttando il canale. In questo modo tutti hanno l'opportunità di utilizzare il mezzo di trasporto fisico, ma in condizioni di alto traffico la rete si sovraccarica e le prestazioni di tutti i dispositivi degradano in ugual misura. Con le quattro categorie di accesso mostrate in precedenza, la WMM va incontro all'inadeguatezza del DCF nel supportare traffico 21

22 multimediale. Gli access point WMM inoltre possono coesistere con dispositivi non abilitati a gestire la WMM in quanto ai pacchetti da questi generati viene assegnata la categoria di tipo best effort. Come mostrato in figura 1.7, i pacchetti generati dalle applicazioni sono suddivisi in quattro code fra loro indipendenti (una per ogni AC). Vi è poi un meccanismo che evita le collisioni interne il quale si va ad aggiungere all'altro per risolvere le collisioni esterne e determinare a quale client deve essere garantita l'opportunità di trasmettere (TXOP). Figura 1.8 Code indipendenti di WMM L'algoritmo per la gestione delle collisioni che è responsabile della prioritizzazione del traffico è di tipo probabilistico e di basa su due parametri temporali: il minimo intervallo fra i frame, Arbitrary Inter-Frame Space Number (AIFSN): la Contention Window (CW), detta anche attesa casuale di backoff, questi valori sono più piccoli all'aumentare della priorità del traffico. Per ogni AC, il periodo di backoff è calcolato come la somma dell'aifsn e di un numero casuale compreso fra zero e CW. Il valore di CW non è costante ma dipende dal tempo. All'inizio la lunghezza della ContentionWindow dipende da AC: ogni volta che si ha una collisione tale valore è raddoppiato fino a che non si raggiunge un limite fissato anch'esso dalla AC. La Access Category con il CW più basso è quella che guadagna il TXOP. Una volta che il client ha ottenuto la TXOP, questi è autorizzato a trasmettere per un tempo che dipende dalla AC e dal bit rate consentito dal livello fisico.[7] 22

23 1.3 Il lavoro svolto Nei capitoli che seguiranno si procederà alla progettazione di un architettura di rete atta ad implementare una politica di QoS basata sulla gestione degli accessi alla rete e sulla gestione dei vari flussi di traffio generati dagli utenti. In particolar modo, dopo aver illustrato uno schema di principio dell architettura completa, attraverso la modifica di un software esistente denominato Hostqs [15] e l utilizzo di un particolare driver per schede wireless, Hostap [14], si è proceduti ad implementare una differenziazione del traffico basata sui MAC address di ogni singolo utente. Si è dovuta quindi effettuare un analisi preliminare dei software a disposizione (Hostap, Hostqs) per poi passare alla loro modifica. 23

24 Capitolo 2 Access Point con supporto della qualità del servizio:hostap e HostQs Questo capitolo rappresenta la parte principale per l acquisizione dello stato dell arte delle tecnologie che si sono utilizzate: attraverso uno studio dei software di base HostAP 1 e HostQs 2 si può ottenere una prima realizzazione di un Access Point che fornisca un supporto della qualità del servizio. Sfortunatamente le regole sulle quali si basa la politica di schedulazione dell HostQs, o più precisamente di quella parte dell HostQs che viene chiamata Queue Manager, non sono utili alla realizzazione della idea iniziale. Tuttavia per un buon utilizzo delle strategie da realizzare, si rende necessaria un analisi approfondita di questi due elementi chiave

25 2.1 Hostap Il progetto di HostAP è formato da tre componenti principali: il driver di HostAP che lavora sotto Linux con schede basate su tecnologia Prism2/2.5/3 3 ; il demone hostapd per gli Access Point: include funzioni base per l autenticazione di sistemi Linux e BSD basate sullo standard IEEE802.11x, identificatori EAP e autenticazioni per server RADIUS; WPA Supplicant per driver di Linux, BSD e Windows. HostAP è un driver che controlla sotto Linux le schede wireless basate sul chipset Intersil Prism 2/2.5/3. Il driver supporta la cosiddetta modalità HostAP o Master che controlla i time critical tasks, cioè le funzioni di gestione dello standard IEEE802.11x per fa sì che un normale computer agisca come un Access Point, senza alcun aggiunta di ulteriori firmware. Inoltre esso fornisce supporti per le operazioni delle normali stazioni BBS e IBBS. Alcune funzioni (come WPA e RSN) sono supportate solo se il driver viene accompagnato da altri programmi di utilità quali, hostapd e WPA Supplicant. Le stazioni con tecnologia Intersil Prism2 supportano il cosiddetto modo HostAP nel quale si gestiscono quei compiti legati alle temporizzazioni critiche come l invio di segnali di controllo e di riconoscimento di frame (beacon e acknowledgement), ma lasciano gli altri compiti di gestione al driver del computer host. Oltre a implementare le funzioni di base necessarie a inizializzare e configurare le schede basate sulla tecnologia Prism2, a inviare e ricevere frame, il driver è anche fornito di un sistema per raccogliere informazioni di tipo statistico. Inoltre, esso include un implementazione delle seguenti funzioni dello standard IEEE802.11:

26 autenticazione (e deautenticazione) associazione (con riassociazione e deassociazione) trasmissione di dati tra due stazioni wireless controllo dell energia (PS - Power Saving) gestione di frame per il PS con segnalazioni e buffering. Nel pacchetto di HostAP sono presenti anche altre funzioni per il debugging e il controllo di strutture dello standard IEEE802.11, come l accesso alle configurazioni dei record hardware, ai registri di I/O e alle frames con gli header Quando viene usato anche il demone, la combinazione di HostAP e hostapd permette funzioni speciali: il settaggio della chiave come previsto dall IEEE802.1x e del WEP (Wired Encryption Privacy) dinamico; l accounting RADIUS per l autenticazione IEEE (nel caso si utilizzi questo server come supporto); l accesso al sistema; e altre funzionalità base dello standard IEEE802.11f. Hostapd è un demone per Access Point e server di autenticazione che implementa alcune funzionalità base degli Access Point previste dallo standard IEEE802.11, come l autenticazione così come preista dello standard IEEE802.1x/WPA e autenticazione RADIUS. Il WPA (Wi-Fi Protected Access) è una tecnologia che ha come scopo la gestione della sicurezza delle reti wireless attraverso la protezione dei dati (encrypting) e il controllo di accesso alla rete attraverso un forte controllo sull utente: l autenticazione e l associazione sono affidati ad un meccanismo di negoziazione di una chiave, mentre il roaming è 26

27 controllato dal driver wireless. Sia l hostapd che il WPA sono disegnati per essere programmi demone che vengono eseguiti in background e agiscono come componenti finali controllando le autenticazioni e le connessioni wireless. 2.2 HostQs: Differenziazione del traffico in WLAN La questione del supporto della qualità del servizio (QoS - Quality of Service) nelle attuali reti locali senza filo (WLAN - Wireless Local Area Network) è affrontata dal software Queue Manager con un approccio molto innovativo, chiamato HostQs, che mira alla differenziazione del traffico a seconda di requisiti di QoS lavorando a livello 2, ovvero al livello LLC. L approccio è basato sulla creazione di una coda LLC per ogni categoria di traffico e sulla schedulazione delle code in accordo con il concetto di connessione virtuale tra le differenti priorità all interno della stazione wireless. La frame alla testa della coda LLC che vince la contesa è consegnata al livello MAC e gestita in base alle regole di questo sottolivello. Il meccanismo proposto è stato implementato in ambiente Linux su un Access Point Open- Source usando una scheda basata su un chipset Prism Introduzione a HostQs Una delle applicazioni più promettenti delle WLAN basate sulla tecnologia IEEE è senza dubbio il supporto di traffico multimediale come ad esempio Voice over IP (VoIP). In realtà le WLAN potrebbero essere utilizzate con molto successo per trasportare traffico voce su un architettura IP se la rete fosse utilizzata solo per questo scopo! Ma nelle WLAN classiche che trasportano traffico di natura eterogenea nascono molti problemi a 27

28 causa del limitato grado di sviluppo del supporto QoS che l attuale tecnologia b riesce a fornire. L esigenza di servizi con disponibilità di banda garantita ha portato quindi allo sviluppo di nuovi standard IEEE o almeno a degli abbozzi di standard, come il cosiddetto IEEE e [35], nel quale si definiscono le procedure MAC per supportare applicazioni LAN con requisiti di QoS, compreso traffico voce, audio e video su WLAN. Lo standard IEEE e introduce una funzione di coordinamento ibrido (HFC - Hybryd Coordination Function) e specifica poi due schemi di accesso: l accesso a canale distribuito migliorato (EDCA - Enhanced Distributed Channel Access) e l accesso a canale controllato da HCF (HCCA - HCF Controlled Channel Access) [8]. Un analisi un po più approfondita dei meccanismi di accesso e possono essere trovati in [9]. Tuttavia non si trovano disponibili implementazioni commerciali né dell EDCA né del HCCA e lo studio delle prestazioni si basa soltanto su analisi teoriche e simulazioni. In particolare in [10] viene presentato uno studio analitico, mentre in [11], [12] e [13] si possono trovare risultati di simulazione. L approccio HostQs non fa parte dell IEEE e ma può essere visto come un miglioramento dell architettura dello standard IEEE b che fornisce una differenziazione del traffico in modo simile a EDCA, ma senza richiedere modifiche al livello MAC. L interpretazione principale di questo approccio è un architettura che può essere vista come una soluzione intermedia prima che lo standard e sia definitivamente e largamente diffuso: siccome l approccio HostQs si basa sugli stessi principi dell EDCA, è comprensibile come entrambe le soluzioni possano coesistere e allo stesso tempo, poiché HostQs non apporta modifiche al MAC b, si garantisce una compatibilità di base. 28

29 2.2.2 QoS dell IEEE e: la funzione EDCA In questo paragrafo saranno esposte brevemente le caratteristiche principali dell EDCA; per ulteriori informazioni si rimanda a [8] e [9]. Così come la funzione di coordinamento distribuito (DCF - Distributed Coordination Function) presente nell , anche la funzione EDCA è basata sullo schema CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) e impiega il concetto di Inter Frame Space (IFS) come meccanismo di backoff. Le innovazioni introdotte sono: ogni volta che una stazione e si aggancia a un canale, viene autorizzata a trasmettere una o più frame in un dato intervallo di tempo chiamato Transmission Opportunity (TXOP) che è caratterizzato da una durata massima, indicata con TXOP-limit; vengono definite categorie di accesso (AC - Access Categories), ognuna delle quali corrisponde ad un differente livello di priorità e ad un differente insieme di parametri che vengono usati per la contesa del canale. In particolare una stazione e che opera con la funzione EDCA può includere fino a 4 code MAC. Una coda utilizza i seguenti parametri per accedere al canale: spazio tra due frame (AIFS[AC] - Arbitration Inter Frame Space), parametro simile al DIFS usato dalla DCF; la Finestra di Contesa Minima e Massima, Contention Window (CWmin[AC],CWmax[AC]); il tempo limite TXOP-limit[AC] 4 Più è alta la priorità di una AC, più sono piccoli i parametri AIFS[AC], CWmin[AC],CWmax[AC]; più è grande TXOP-limit[AC], maggiore risulta la capacità della categoria di accesso. In ogni caso i valori di CWmin[AC] e CWmax[AC] devono 4 Il valore di AIFS deve essere grande almeno quanto l intervallo DIFS; l unica eccezione è rappresentata nel caso di un AP che può usare un AIFS grande anche µs. 29

30 essere scelti con molta cura per evitare situazioni di alta probabilità di collisioni nei flussi di traffico che appartengono alla stessa AC; all interno di ogni stazione e, uno schedulatore risolve le collisioni virtuali tra le code AC, ovvero tra le varie istanze CSMA/CA, abilitando alla trasmissione sempre la coda associata alla priorità più alta Differenziazione del traffico a livello LLC Come già precedentemente sottolineato, l obiettivo principale della implementazione di un nuovo meccanismo di differenziazione del traffico è realizzata attraverso uno schema di priorità simile a quello che lo standard IEEE e introdurrebbe se dovesse gestire un traffico molto eterogeneo, mantenendo comunque una compatibilità di base con le WLAN esistenti. I punti cardine del sistema sono: nessuna modifica introdotta al livello MAC: per questo motivo il protocollo CSMA/CA è applicato come nello standard IEEE b; le modifiche sono limitate al livello LLC; la differenziazione del traffico è basata sull inserimento delle frame di differenti categorie di traffico in differenti code; tale divisione delle frame viene effettuata in base ad un etichetta che nella soluzione proposta è rappresentata dal valore del campo ToS (Type of Service). Sebbene le priorità possano essere forzate usando un qualsiasi algoritmo già esistente (round robin, EDF, ecc.), la scelta di emulare EDCA ha portato ad un supporto delle priorità attraverso contese e collisioni virtuali tra le code LLC. 30

31 Figura 2.1: Il ToS nel pacchetto IP In figura 2.2 è rappresentato un disegno concettuale del nuovo livello LLC e delle sue due componenti principali, le code di traffico e lo schedulatore delle collisioni. Le diverse frame vengono accodate in accordo con le indicazioni dei livelli superiori: in questa implementazione è stato usato lo standard DiffServ nel campo ToS del pacchetto IP. Ogni coda di traffico i-ma ha una particolare priorità che è espressa dai valori di quantità chiamate Finestra Minima e Finestra Massima di Contesa Virtuale (VCWmin,i,VCWmax,i - Minimum, Maximum Virtual Contention Window). 31

32 Figura 2.2: Schema del sistema delle code del livello LLC introdotto da HostQs Le code di traffico sono poi servite in accordo all ordine stabilito da una contesa virtuale tra differenti Finestre di Connessione Virtuali VCWi : ad ogni coda di traffico i-ma viene associato un numero intero tra 0 e VCWi che rappresenta il tempo di backoff per la coda i- ma, tempo che sarà indicato con tb,i. La coda con il tempo di backoff più piccolo, che sarà indicato con tb,min, vince la contesa virtuale e viene quindi servita per prima: la frame in cima a tale coda sarà perciò la prima ad essere trasferita al livello MAC una volta scaduto il timer di backoff, cioè non appena trascorso il tempo tb,min. Allo stesso istante in tutte le altre code, il valore tb,i viene decrementato di una quantità che corrisponde esattamente a tb,min e ci si prepara ad un nuovo processo di contesa. La coda vincitrice quindi genera un 32

33 altro tempo di backoff il cui valore è tra zero 0 e VCWi e la nuova contesa può iniziare. Se in due code diverse il timer di backoff scade allo stesso istante, la coda a trasferire la prima frame al MAC è quella con la priorità nominale più alta, mentre la coda perdente (o le code perdenti) che partecipavano alla collisione virtuale generano un altro tempo di backoff dove però la nuova Finestra di Connessione Virtuale è più grande e il suo valore cresce in maniera esponenziale secondo la relazione: VCW new = old 2 * VCW + 1 Di conseguenza viene generato un flusso da inviare al MAC e l ordine delle frame risulta lo stesso di quello che sarebbe stato rispettato da una stazione wireless e. Successivamente le frame vengono trasmesse (o sarebbe meglio dire che cercano di essere trasmesse) con spaziatura temporale che ricorda quella del sistema di backoff orientato alle priorità adottato nello standard e. Ovviamente con questo metodo a fianco alla struttura dei tempi di backoff imposta al MAC si introduce un ulteriore backoff, ma questa sovrapposizione è necessaria per forzare la stessa priorità tra le varie stazioni wireless della WLAN: in questo modo il traffico con bassa priorità accede al canale in media con un tempo più lungo del normale periodo di backoff. In seguito si vedrà che il backoff addizionale viene richiesto solo se più di una stazione implementa la differenziazione di traffico allo strato LLC, nel qual caso il traffico con bassa priorità viene egualmente penalizzato. 33