Capitolo 1. Standard IEEE

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1 Captolo 1 Standard IEEE Il progetto IEEE 802 Lo standard è la chave d volta per garantre un ampa dffusone d una tecnologa. Infatt, graze allo standard, dvers costruttor possono realzzare lo stesso prodotto e venderlo n concorrenza; gl utlzzator possono sceglere tra dvers costruttor perché sanno che le nterfacce d apparecch analogh realzzat da costruttor dvers sono le stesse. Gl standard delle LAN sono stat defnt da comtat della IEEE (Insttute for Electrcal and Electroncs Engneers), sotto l nome d progetto IEEE Il modello d rfermento a strat d questo progetto, rportato nella fgura 1.1, defnsce 3 strat: fsco, l cu compto è l nterfaccamento della stazone con l mezzo trasmssvo con anness compt d codfca/decodfca de bt trasmess/rcevut; Medum Access Control, MAC, che governa le procedure d accesso al mezzo trasmssvo che nelle ret LAN è condvso da tutte le stazon connesse alla rete; Logcal Lnk Control, LLC, l cu compto è la gestone d collegament logc d lvello 2. Il progetto IEEE 802 defnsce dverse archtetture d ret LAN e queste s dfferenzano per le modaltà d mplementazone del lvello fsco e del lvello MAC essendo l lvello LLC comune a tutte le ret. Tal standard sono ndcat come 802.X e coprono tutt gl aspett general d sstema e d mplementazone delle dverse archtetture d rete locale; ess sono: 1 Gl standard della sere IEEE 802 sono anche pubblcat come standard ISO (Inrenatonal Organzaton for Standardzaton) e IEC (Internatonal Electrotechncal Commsson) sotto la sere ISO/IEC 8802 con analoga numerazone. 9

2 802.1, hgher layer LAN; 802.2, Logcal Lnk Control, LLC; 802.3, Ethernet; 802.4, Token Bus; 802.5, Token Rng; 802.6, metropoltan area network; , wreless LAN. Fgura 1.1: Modello d rfermento a strat del progetto IEEE

3 1.2 Introduzone alle WLAN Uno degl svlupp pù promettent del computer networkng è la grande dffusone d termnal wreless. Quest ret non cablate comprendono gà PC portatl all nterno d una WLAN (Wreless Local Area Network), e le PDA (Personal Dgtal Assstant), che s connettono a Internet usando le nfrastrutture esstent ed emergent d telefona wreless. Nel gro d poch ann è probable che vedremo una pù ampa varetà d dspostv wreless che accedono ad Internet. Quest dspostv possono comprendere vdeocamere, automobl, gocattol, sstem d scurezza, elettrodomestc e mpant d dstrbuzone d energa elettrca, acqua, gas ecc. Infatt, n futuro dspostv wreless potranno davvero essere present ovunque: su mur, nelle nostre automobl e su nostr corp. Pù n partcolare per WLAN, s ntende una rete locale d telecomuncazon fra apparecchature elettronche d dversa natura, lbere d muovers senza cav d collegamento entro un area dell ordne delle centnaa d metr quadr, e che comuncano fra loro graze alle tecnologe rado. Soltamente, oltre che comuncare fra loro, nod della rete wreless sono n grado d comuncare anche con l esterno, e qund con altre WLAN o con Internet. S capsce qund come le WLAN s possano consderare la naturale estensone senza fl delle comunssme ret LAN. Rspetto a quest ultme, le WLAN presentano ndscutbl vantagg legat alla mobltà, flessbltà e facltà d nstallazone. S pens a pù utent domestc che stanno adottando l economa tecnologca delle WLAN nelle loro case, per permettere a pù membr della comuntà domestca d accedere smultaneamente a Internet mentre s spostano nella casa. Per contro la partcolare natura del mezzo d comuncazone rado pone de problem d attenuazone, legat alla presenza d ostacol o al verfcars d rflesson ndesderate non prevedbl n fase d progetto che modfcano l cammno delle onde elettromagnetche, noto come fenomeno de cammn multpl; d nterferenza con segnal provenent da altre sorgent elettromagnetche; d scurezza delle comuncazon (n partcolare d autentctà della sorgente e d segretezza de 11

4 dat trasmess), anche se quest problem d scurezza sono ovvat con l uso delle dverse tecnche d crttografa ed autentcazone; d durata fnta delle battere de dspostv, anche se per la soluzone d questo problema la rcerca sta facendo pass da ggante, graze all mplementazone d algortm per l rsparmo energetco, argomento d nteresse d questa tes. Inoltre l raggo d copertura d una rete locale senza fl è nferore rspetto ad una LAN cablata: nel prmo caso può raggungere dstanze dell ordne del centnao d metr, nel secondo nvece può arrvare fno a 2.5 km d dstanza [1]. Esstono n commerco e n progetto svarat standard che mrano al mercato delle WLAN, soltamente non compatbl fra loro. I prncpal sono[1]: HperLAN (Hgh Performance Rado Local Area Network), defnto nel 1996 dall organzzazone ETSI-BRAN (European Telecommuncatons Standards Insttute Broadband Rado Access Network), e dsponble nelle due verson HperLAN/1 [1] e HperLAN/2 [7][8]. Entrambe operano nella banda rado de 5GHz, garantendo un supporto per la QoS per dat, voce, vdeo e mmagn, e raggungendo veloctà rspettvamente d 24Mpbs e 54Mbps. SWAP (Shared Wreless Access Protocol) [14], defnto nel 1998 dall HRFWG (HomeRF Workng Group), operante nella banda rado de 2.4GHz. Utlzzando la modulazone FHSS, prevede la trasmssone d dat e voce a 1Mbps e a 2Mbps. Sta nascendo una nuova versone che ruscrà a trasmettere a 10Mbps ancora con modulazone FHSS, ma con un ampezza d banda maggore. Bluetooth [13], defnto nel 1998 dal Bluetooth SIG (Specal Interest Group), opera nella banda d frequenza de 2.4GHz, con veloctà massma d 1Mbps, usando la modulazone FHSS. A rgore le ret Bluetooth non sono classfcate wreless LAN, ma come Personal Area Network (PAN) e possono essere vste come un sottonseme d una WLAN. Usando potenze pù basse rspetto agl altr standard, l Bluetooth copre dstanze mnor (dell ordne de metr) ed è adatto a comuncazon va etere fra dspostv molto vcn (tpcamente fra computer e perferche)[3]. 12

5 ZgBee [13], un protocollo d recentssma defnzone molto smle al Bluetooth, ma che lavora a veloctà ancora pù basse (20~250 kbps) ed è partcolarmente ndcato per la sensorstca. IEEE [2], defnto nel 1997 dall IEEE (Insttute of Electrcal and Electroncs Engneers), operante sa nella banda de 2.4GHz che de 5GHz, e raggungendo rspettvamente veloctà d 11Mbps (802.11b [5]) e 54Mbps (802.11a [6] e g [9]). 1.3 Standard IEEE Lo standard IEEE [2][5][6][9] s nsersce nel contesto d una ben pù ampa famgla d standard defnt dall organzzazone IEEE. Lo scopo d questo standard è lo svluppo d un medum access control (MAC) un physcal layer (PHY) specfc per la connettvtà wreless d fss, portatl e stazon mobl all nterno d un area locale. In partcolare, questo standard Descrve le funzon e servz rchest da un apparecchatura conforme IEEE che opera all nterno d queste ret. Defnsce le procedure d MAC per supportare la consegna asncrona d MSDU (MAC Servce Data Unt). Defnsce vare tecnche d sgnallng a lvello PHY e funzon d nterfacca controllate dall MAC. Descrve requst e procedure per offrre rserbo d nformazon d utente che sono trasferte sul mezzo senza fl (WM) e l'autentcazone d apparecchature conform all IEEE Gestone della potenza e dello spettro d frequenze, ecc. 13

6 In partcolare lo standard s rfersce alle WLAN ed è n contnua evoluzone. La versone orgnale prevede l uso della banda d frequenze de 2.4GHz, la cosddetta ISM (Industral, Scentfc and Medcal band), che è dsponble a lbero uso de prvat, qund non rchede la concessone d lcenza da parte degl ent governatv. Essa consdera l lvello MAC relatvamente a tre dstnt lvell fsc, che utlzzano tre dstnte tecnche d modulazone del segnale: IR (InfraRed), FHSS (Frequency Hoppng Spread Spectrum), DSSS (Drect Sequence Spread Spectrum). Con queste modulazon s resce a trasmettere a 1Mbps e a 2Mbps. Per far fronte ad una crescente domanda d veloctà nelle comuncazon, sono state ntrodotte, a partre dal 1999, nuove estenson dello standard d base , che ottmzzano l lvello PHY lascando nvarato l lvello MAC: a[6], che opera nella banda d frequenza de 5GHz e, usando la modulazone OFDM (Orthogonal Frequency Dvson Multplexng), raggunge veloctà fno a 54 Mbps b[5], che lavora nella banda de 2.4GHz e s avvale della modulazone HR-DSSS (Hgh Rate DSSS), fornendo un bt rate fno a 11Mbps g[9], l estensone pù recente (gugno 2003), che usa anch essa la banda a 2.4GHz e la modulazone OFDM, ma resce a raggungere veloctà d trasmssone fno a 54Mbps. Standard Data Rate [Mbps] Banda [GHz] Modulazone , IR, FHSS, DSSS a 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 5 OFDM b 1, 2, 5.5, HR-DSSS g 6, 12, 24, 36, 48, OF 14

7 Tabella 1.I: Estenson a lvello PHY dello standard IEEE Esstono noltre grupp d lavoro che hanno ntrodotto o stanno studando l ntroduzone d altre estenson allo standard, per perfezonarne var aspett (ved tabella 1.II). Tra pù mportant v è l e, che s propone d mglorare l lvello MAC al fne d garantre un supporto alla QoS. Tale gruppo d lavoro non è ancora approdato ad una versone defntva,e qund, la rcerca svolta e descrtta n questa tes s rfersce al pù recente stato d avanzamento approvato dall IEEE e, documento Draft 8.0 [12]. Workng Group Descrzone e Supporto alla QoS f h Standardzzazone del protocollo d roamng Mgloramento de lvell MAC e PHY delle ret a Incremento della scurezza k Defnzone d un Rado Resource Measurement che comunch con lvell superor. Tabella 1.II: Grupp d lavoro per le estenson dello standard IEEE Funzonamento d una rete Una rete è organzzata come un nseme d una o pu celle elementar chamate BSS (Basc Servce Set) eventualmente comuncant fra loro [1][2]. Un gruppo d stazon (STA) stuate nella stessa area geografca (BSA, Basc Servce Area) e che sono n grado d 15

8 comuncare faclmente fra loro n manera dretta formano una BSS. Una BSS può essere t tpo strutturato o Ad Hoc: nel prmo caso, all nterno della BSS, v è un nodo partcolare (l Access Pont, AP) l cu compto è quello d coordnare, sncronzzare ed dentfcare la BSS stessa; nel secondo caso non v è nessun AP e le stazon comuncano tra loro drettamente, se sono n vsbltà rado, o passando attraverso nod ntermed che hanno l compto d trasmettere l segnale fno a raggungere l destnataro. Consderamo ret d tpo strutturato. Ogn stazone della rete, n fase d start-up, s assoca ad un ben precso AP, soltamente l pu vcno dsponble. In funzone della confgurazone, può essere necessaro l uso d un protocollo d autentcazone delle stazon che chedono d assocars e d algortm d crttografa per cfrare tutte le successve comuncazon. All nterno della BSS soltamente le comuncazon fra due dstnte stazon avvengono sempre e solo tramte l AP, che qund deve essere n vsbltà rado con tutte quante le stazon della BSS. In questa modaltà qund ogn stazone comunca drettamente n upload o n download solo con l AP. In realtà, nel Draft 8 [12], è stato ntrodotto un meccansmo d comuncazone dretta fra STA all nterno d una Infrastrucured BSS che prende l nome d Drect Lnk Pootocol (DLP) e che utlzza l AP solo per l setup del collegamento fra le due STA. Pù celle BSS ndpendent fra loro possono essere usate per formare una rete d telecomuncazon wreless a pù vasta copertura geografca (ESS, Extended Servce Set) poszonando n luogh opportun gl AP delle dverse celle n modo da ottenere, n ogn punto dell area d nteresse, una vsbltà rado con almeno uno degl AP appartenent all ESS. Ovvamente, ogn stazone sarà sempre assocata con un solo AP (tpcamente quello a mglore vsblà rado) e comuncherà drettamente solo con esso; saranno po gl AP della ESS che dovranno comuncare fra loro e qund permettere fluss d dat che vanno al d fuor della sngola BSS, tra nod wreless appartenent a BSS dstnte o addrttura, se predsposto, con nod d ret esterne alla ESS stessa, ad esempo Internet. A tal fne, dunque, una delle funzonaltà prmare degl AP, oltre quelle d ndvduare, 16

9 coordnare e gestre la propra BSS, è quella d brdge verso l esterno della BSS, per mezzo del DS (Dstrbuton Servce), che è una rete, wred o wreless, che collega dvers AP fra Fgura 1.2: Esempo d una ESS formata da due BSS loro ed eventualmente con l esterno. Cascuna stazone wreless è lbera d muovers n tutta l area d copertura dell ESS e, durante gl spostament da una BSS all altra, è necessaro che us de protocoll d roamng che ne permettano la dssocazone dalla veccha BSS e l assocazone con la nuova BSS: n questo modo essa s troverà sempre nella mglore condzone possble d vsbltà rado messa a dsposzone dalla rete. Lo standard non specfca come l roamng debba essere realzzato, ma defnsce una tecnca d base: la stazone n movmento rleva gl AP dsponbl per la connessone e, n relazone al lvello del segnale rcevuto, decde a quale assocars. Attraverso un meccansmo d reassocazone, defnto dallo standard, la stazone può nterrompere l assocazone al veccho AP per attvare un assocazone al nuovo AP. Il processo d re-assocazone s nstaura medante uno scambo d nformazon tra due AP n questone, che avvene per mezzo del DS senza appesantre la comuncazone rado. 17

10 Mentre per ret d tpo non strutturato o Ad Hoc le comuncazon fra due dstnte stazon possono avvenre drettamente se esse sono n vsbltà rado, oppure passando tramte Fgura 1.3: Struttura logca d una IBSS stazon ntermede che hanno l compto d noltrare le trasmsson fno a raggungere l destnataro senza l auslo dell AP. È evdente che questo tpo d rete necesst d complcat protocoll d routng che gestscano l nstradamento de dat. Le BSS che funzonno n tale modaltà non sono d solto collegate con altre BSS o con altre ret esterne n generale, e qund vengono anche chamate IBSS (Independent Basc Servce Set), ne consegue che una IBSS è una rete autoconfgurante chusa, senza possbltà d amplamento e funzonale ad esgenze specfche: d qu l nome ad hoc network attrbuto a questo tpo d rete. 1.5 Il lvello MAC Qualunque sa la topologa consderata, le regole con cu ogn nodo accede al canale wreless e scamba dat col nodo destnataro sono regolamentate dallo standard [2][12] e defnscono l lvello MAC (Medum Access Control). Dato che n ogn BSS, fssata la banda d frequenza d lavoro e l canale d utlzzo, tutt nod (compreso l AP) 18

11 comuncheranno fra loro condvdendo la stessa rsorsa rado, affnchè le trasmsson vadano a buon e fne, è necessaro che cascuna d esse avvenga n temp dvers senza alcuna sovrapposzone temporale: qund, se è gà n corso una trasmssone, nessun altro deve trasmettere. In caso d contemporanetà d due o pù trasmsson, nessuna d esse rsulterà dstnguble, per cu occorrerà effettuare la rtrasmssone degl stess dat: s dce che è avvenuta una collsone. Tale evento è faclmente rlevable da tutt nod n ascolto sul canale, qual percepranno la presenza de segnal ma non l ruscranno a decfrare: questa tecnca è nota come CS (Carrer Sensng, Rlevazone della Portante). In realtà, la partcolare natura del mezzo wreless (elevata attenuazone del segnale), rende mpossble l rlevamento delle collson a nod che le hanno orgnate, a causa del fatto che la potenza trasmessa da quest nod rende trascurable (e qund non percepble) la potenza rcevuta dalle altre trasmsson contemporanee: è questa una delle dfferenze fondamental che dstngue la comuncazone wreless da quella wred. Una stazone che trasmette de dat è qund n grado d rlevare una collsone solo n modo ndretto e solo a trasmssone fnta: non rcevendo l pacchetto d rscontro (ACK, acknowledgment) che conferm la buona ruscta della trasmssone, essa comprende che l pacchetto trasmesso non è stato rcevuto. Il rscontro è generalmente presente solo nel caso d trasmssone andata a buon fne ed è nvato dal nodo rcevente. Con l ntento d superare questo problema, nelle comuncazon wreless s usano poltche d trasmssone che tentno soprattutto d evtare le collson e che vengono ndcate con la sgla CA (Collson Avodance), mentre nelle comuncazon wred s tende ad usare meccansm d rvelazone delle collson, ndcat con la sgla CD (Collson Detecton). Abbamo così l protocollo CSMA/CA (Carrer Sense Multple Access/Collson Avodance) nelle WLAN e l protocollo CSMA/CD (Carrer Sense Multple Access/Collson Detecton) nelle LAN cablate. Quando una stazone desdera trasmettere, l protocollo CSMA s ncarca d testare l canale: se è occupato, rmanda la trasmssone ad un momento successvo, se nvece è lbero, nza a trasmettere. Questo tpo 19

12 d protocoll sono molto effcent quando l traffco sulla rete non è molto ntenso, n quanto temp d attesa sono brev e le stazon possono trasmettere con l mnmo rtardo. Altr motv d assenza del rscontro possono essere nterferenze da parte d altr segnal rado ed error dovut al mezzo trasmssvo, che rendano mpossble la rcezone corretta de dat. Tal dsturb vengono msurat e caratterzzat da parametr PER (Packet Error Rate) e BER (Bt Error Rate) strettamente conness fra loro. Un altra sostanzale dfferenza con le trasmsson wred è data propro dal BER, che nelle trasmsson rado è d dvers ordn d grandezza pù elevato che nelle trasmsson su cavo. Il lvello MAC defnto dalla versone base dello standard IEEE prevede due dstnt mod d funzonamento e d accesso al canale, ndcat come DCF e PCF. Il DCF (Dstrbuted Coordnaton Functon) è un protocollo a contesa che s avvale d una funzone d coordnamento d tpo dstrbuto. E la poltca d accesso fondamentale ed obblgatoramente presente, che consente a qualsas nodo che abba dat da trasmettere, d partecpare ad una contesa per vncere l drtto d accesso al canale; non esste nessuna untà centralzzata che stablsca quale stazone ha drtto a noltrare l suo traffco. Ovvamente s desdera che solo una stazone resca ad mpossessars del mezzo trasmssvo; nel caso poco probable (ma pur sempre possble) n cu pù stazon vncano contemporaneamente la contesa, avrà orgne una collsone. Il PCF (Pont Coordnaton Functon) è un protocollo d accesso con funzone d coordnamento d tpo centralzzato. S tratta d una modaltà opzonale pensata per cercare d garantre la QoS, ma che presenta ancora fort lmtazon che verranno superate dall e. Il PCF prevede l esstenza d un nodo partcolare chamato PC (Pont Coordnator), soltamente concdente con l AP, cu è affdato l compto d assegnare d volta n volta l drtto d trasmssone. Il PC effettua l nterrogazone cclca d tutte le stazon (Pollng) e solo la stazone che rceve l poll può nvare dat. Poché la stazone che rceve l poll n un dato stante è una sola, non possono verfcars collson. 20

13 I due metod d accesso al canale possono essere present entramb, non contemporaneamente, ma alternandos temporalmente. Può essere presente solo l DCF, ma non è assolutamente possble avere solo l PCF (fgura 1.4). Il perodo temporale n cu vene utlzzato l DCF vene chamato CP (Contenton Perod), mentre quello n cu vene utlzzato l PCF vene chamato CFP (Contenton Free Perod). Fgura 1.4: PCF e DCF Organzzazone de frame L untà d trasmssone al lvello MAC per un nodo, sa esso una semplce stazone o l AP, è l frame o anche MPDU (Mac Protocol Data Unt); un frame è un nseme d ottett con una struttura ben defnta e nota a pror sa al nodo trasmttente che a quello rcevente. All nterno del frame v sono var camp che contengono nformazon dverse. Il tpco frame (d dat) è costruto unendo contrbut provenent da tutt lvell dello stack d protocoll ISO-OSI, n partcolare per ogn lvello l frame elaborato, provenente dal lvello superore, cu s è aggunto l header, costtusce un PDU (Protocol Data Unt), 21

14 che a sua volta può essere vsto come l unone d un PCI (Protocol Control Informaton), ovvero l header e un SDU (Servce Data Unt), ovvero l payload: l lvello applcatvo genera propr dat da trasmettere, quest vengono organzzat n segment da protocoll d trasporto, soltamente l TCP (Transfer Control Protocol) o l UDP (User Datagram Protocol), e n pacchett da protocoll d nstradamento, l IP (Internet Protocol), che c aggunge n testa l propro header; questo blocco d dat costtusce l frame body del pacchetto a lvello LLC che a sua volta dverrà l frame body del pacchetto a lvello MAC e verrà ndcato anche come MSDU (MAC Servce Data Unt); propro l lvello MAC v aggunge ulteror dat n testa (MAC Header) ed n coda (l campo FCS) fno a formare l MPDU, che è l payload d un pacchetto a lvello e fsco e qund vene anche ndcato come PSDU (Physcal Servce Data Unt); S possono dstnguere tre tp fondamental d frame supportat dallo standard [2]: Data Frame, usat per l trasporto de dat sa durante l CP, sa durante l CFP; n realtà appartengono a questa categora anche que frame che non contengono dat, ma rendono possble lo scambo d dat tra due nod, come l CFPoll nel CFP. Control Frame, usat per l controllo dell accesso al canale, come frame RTS e CTS (d cu s parlerà pù avant) durante l CFP e frame ACK, per la chusura antcpata del CFP (frame CFEnd), per funzon avanzate come l rsparmo energetco (frame PS Poll), sono generat nteramente al lvello MAC e qund l relatvo eventuale MSDU non provene da lvell superor. Management Frame, usat per lo scambo d nformazon d gestone, sono generat nteramente a lvello MAC, per cu nod che l rcevono, non passeranno tal frame a lvell superor; tpc esemp sono frame Beacon, nvat dall AP per la sncronzzazone e la temporzzazone, frame per l assocazone e la dssocazone da una BSS, quell per l autentcazone e la deautentcazone. La struttura generale d un frame a lvello MAC [2], rportata n fgura 1.5, è la seguente: 22

15 Fgura 1.5: Struttura d un MAC frame un ntestazone (MAC Header), contenente nformazon d controllo, durata, ndrzzamento e sequenza; un corpo (Frame Body), detto anche MSDU (MAC Servce Data Unt), contenente nformazon specfche del tpo d frame e corrspondente al PDU provenente dal lvello superore; un campo d controllo dell errore (FCS, Frame Check Sequence), che contene un valore a 32 bt calcolato dal lvello MAC del nodo mttente n funzone d tutt precedent ottett present nel frame utlzzando un polnomo noto come CRC-32 (Cyclc Redundancy Code); l lvello MAC del destnataro resegue l calcolo, servendos dello stesso polnomo generatore e controlla se s sono verfcat error n trasmssone. Il prmo campo del MAC Header, l Frame Control (llustrato n fgura 1.6), è ulterormente suddvso ne seguent sottocamp: 1.6: Struttura del Frame Control 23

16 - Protocol Verson, che ndca la versone del protocollo n uso (per e verson compatbl due bt assumono sempre valore 00). - Type, che serve a dstnguere l tpo d frame nvato (00 Management, 01 Control, 10 Data, 11 Rservato). - Subtype, che permette d dstnguere l partcolare sottotpo d frame; - To DS e From DS, post a 1 rspettvamente se l frame è ndrzzato al DS o provene dal DS. - More Frag, posto a 1 se c sono altr framment dello stesso MSDU da trasmettere; - Retry, posto a 1 se l frame è una rtrasmssone; - Power Management, posto a 1 se la stazone usa la modaltà power save; è sempre 0 ne frame trasmess dall AP. - More data, posto a 1 se c sono degl MSDU nel buffer dell AP n attesa d essere trasmess alla STA operante n power save mode. - WEP che, posto a 1, ndca che dat sono stat cfrat attraverso l algortmo WEP (Wred Equvalent Prvacy). - Order, settato ad 1 per ndcare al nodo rcevente d processare dat secondo l ordne d arrvo. Gl altr camp del MAC Header sono: Duraton/ID, n cu è specfcata la durata resdua della trasmssone (varable a seconda del tpo d frame), nformazone utlzzata dalle stazon rcevent per aggornare l NAV; solo nella stuazone power save poll tale campo rporta l dentfcatvo del mttente. Address 1,2,3 4, camp d ndrzzamento la cu nterpretazone è strettamente legata al valore de camp To DS e From DS; c sono quattro possbl eventualtà: 1) Se To DS = 0 e From DS = 0, sgnfca che l DS non è convolto nella comuncazone, che qund avvene tra due nod appartenent alla stessa BSS; allora nell Address 1 compare l ndrzzo della 24

17 stazone destnatara, nell Address 2 quello della effettva sorgente de dat, l Address 3 può essere mancante o ndcare l ndrzzo dell AP, l Address 4 non è utlzzato. 2) Se To DS = 0 e From DS = 1 sgnfca che l frame non provene drettamente dal nodo sorgente, ma dall AP; n tal caso l Address 1 contene l ndrrzzo del destnataro fnale, l Address 2 l ndrzzo dell AP d provenenza del frame (BSSID, Basc Servce Set Identfcaton) e l Address 3 quello della vera sorgente de dat, mentre l Address 4 non è utlzzato. 3) Se To DS = 1 e From DS = 0, s ha la stuazone complementare alla b), qund l Address 1 memorzza l ndrzzo dell AP della BSS d destnazone (BSSID), l Address 2 quello dell effettva sorgente del frame e l Address 3 l dentfcatvo della stazone destnatara fnale, mentre l Address 4 non è utlzzato. 4) Se To DS = 1 e From DS = 1, sgnfca che l frame vene trasmesso da un AP ad un altro attraverso un WDS (Wreless Dstrbuton System); n questo caso l Address 1 contene l ndrzzo dell AP rcevente, l Address 2 dell AP trasmttente, l Address 3 della stazone destnatara, l Address 4 della sorgente. Sequence Control, che ndca l ordne de pacchett e le duplcazon che s rendono necessare per la presenza d error; può nteressare l ntero MSDU o suo framment, per cu tale campo è suddvso n due sottocamp: l prmo, d 4 bt, specfca l numero dentfcatvo del frammento, che s ncrementa d un untà ad ogn trasmssone; l secondo, d 12 bt, specfca l numero dentfcatvo dell ntero MSDU (anch esso s ncrementa d un untà ad ogn trasmssone). A questa struttura v sono da aggungere, n testa, le nformazon provenent dal lvello PHY [2][5][6][9] (fg.1.7) (chamato anche PLCP, Physcal Layer Convergence Protocol); 25

18 esse sono tpcamente costtute da un preambolo d sncronzzazone e da un ntestazone che, ovvamente, dpendono dal partcolare lvello fsco e dalla specfca modulazone usata; l lvello PHY noltre, traduce n segnale elettrco l pacchetto così ottenuto e lo trasmette sul canale fsco tramte una opportuna modulazone. In caso d pacchetto rcevuto l percorso da segure è nvertto. Fgura 1.7: Struttura completa d un frame Prma d nvare un qualsas frame, un nodo deve n generale verfcare che l canale sa lbero (assenza d portante) per un certo ntervallo d tempo, detto IFS (Interframe Space), che vara n funzone della stuazone specfca. Infatt, nello standard d base , esstono quattro dstnt IFS: 1) SIFS (Short IFS), che è l pù breve ntervallo temporale che può sussstere tra due frame successv e ndca l tempo necessaro al nodo per convertre l suo modo d funzonamento passando dalla fase d trasmssone a quella d rcezone, qund è sostanzalmente l tempo necessaro a decodfcare l pacchetto entrante; l SIFS è usato come ntervallo d separazone tra un frame e l relatvo ACK, oppure tra due MPDU all nterno d un burst d dat; la sua durata dpende dal lvello fsco utlzzato. 2) PIFS (PCF IFS), usato esclusvamente nella modaltà PCF, è l tempo che l AP (o l PC) deve attendere prma d guadagnare l accesso al canale per consentre alle stazon d trasmettere n modaltà PCF; l PIFS è par ad un SIFS pù uno slot tme 26

19 (aslottme), l untà temporale anch essa dpendente dal partcolare lvello fsco (ved Tabella 1.III), ed è mnore del DIFS (defnto subto dopo), affnché l AP abba la precedenza rspetto ad ogn altra stazone nell accedere al mezzo trasmssvo all nzo d un CFP: PIFS = SIFS + aslottme > SIFS 3) DIFS (DCF IFS), usato esclusvamente nella modaltà DCF, rappresenta l tempo (con l canale lbero) che una stazone deve attendere prma d nzare la contesa; l suo valore è dato da un PIFS pù aslottme: DIFS = PIFS + aslottme > PIFS > SIFS 4) EIFS (Extended IFS), che è l nterframe pù lungo usato solo n modaltà DCF quando una stazone, rcevendo un pacchetto, rleva degl error d trasmssone tramte l controllo del CRC; la sua durata dpende dal lvello fsco secondo la seguente espressone: EIFS = DIFS + 8 (Durata ACK) + (Durata Preambolo e Intestazone PLCP) > DIFS È molto mportante notare le relazon d dsuguaglanza che v sono fra quest ntervall: cò, nfatt, permette l rspetto d determnate prortà d accesso al canale determnate dalle sngole stuazon n cu c s trova DCF (Dstrbuted Coordnaton Functon) L nseme d regole o protocollo d accesso al canale defnto dallo standard e ndcato col nome d DCF [2] costtusce l metodo fondamentale d funzonamento d una rete IEEE 27

20 e, qund, l unco obblgatoramente presente n tutte le mplementazon. Questo è un protocollo dstrbuto, nel senso che l ordne d accesso al canale vene determnato da un algortmo che lavora smultaneamente su tutte le stazon che partecpano alla contesa. Il tpo d approcco usato dal DCF è ndcato come CSMA/CA (Carrer Sensng Multple Access / Collson Avodance). Il DCF è un protocollo fnalzzato a mnmzzare per quanto DIFS Mezzo occupato DIFS PIFS SIFS Contenton Wndow Frame successvo Accesso dfferto Slot tme Fgura 1.8: Accesso al canale medante DCF possble le probabltà d collson: cò s ottnene cercando d rendere casuale e dfferenzato l stante d accesso al canale da parte d cascuna stazone che ha dat da trasmettere. La generca procedura d trasmssone d un frame d dat è schematzzata n fgura 1.8. Cascuna stazone che vuole trasmettere un frame d dat ascolta l canale ed aspetta che fnscano le eventual trasmsson corrent; una volta che l canale dvene lbero, vene atteso un DIFS, e po ha nzo la contesa; al termne d questa, solo la stazone vnctrce trasmette l propro frame d dat; termnata la sequenza d trasmssone per un frame dat l canale s lbera e la procedura s rpete. Se nvece l canale, nel momento n cu la stazone s accnge per la prma volta alla trasmssone d un frame, dovesse rsultare subto lbero, non c è bsogno del rcorso al meccansmo d contesa: la trasmssone nza semplcemente dopo aver constatato la condzone d canale lbero per un tempo almeno par ad un DIFS. Pù n dettaglo, come mostrato n fgura 1.9, la stazone che vnce la contesa trasmette l propro frame d dat; l nodo rcevente attende un SIFS dopo la fne della rcezone del frame d dat e genera un frame d ACK ad ndcare che la trasmssone è 28

21 andata a buon fne ; n partcolare l frame d ACK è generato solo se non sono avvenute collson e se l controllo degl error a lvello fsco, graze all uso de CRC, non ndch la presenza d error ne bt rcevut: l verfcars d queste due condzon mplca che l frame è stato rcevuto correttamente. Fgura 1.9: Sequenza d scambo per la trasmssone d un frame dat n DCF Potrebbe comunque accadere che due o pù stazon, a seguto della contesa, nzno le trasmsson nello stesso stante; come gà detto questa stuazone non è rlevable dalle stazon trasmttent che, qund, contnueranno a trasmettere l frame d dat fno alla fne; sarà l assenza dell ACK dopo un SIFS ad ndcare alla stazone trasmttente l errata trasmssone del frame d dat e, n tal caso, dopo un DIFS a partre dall stante n cu l canale è rtornato lbero avrà nzo una nuova contesa per la rtrasmssone degl stess frame. La contesa fra le dverse stazon avvene secondo un meccansmo probablstco denomnato algortmo d backoff casuale esponenzale (Exponental Random Backoff 29

22 Algorthm): cascuna stazone estrae un valore ntero casuale secondo una dstrbuzone unforme nell ntervallo [0, CW], dove CW (Contenton Wndow) è un parametro defnto dallo standard che vara dnamcamente all nterno d cascuna stazone nell ntervallo [CWmn, CWmax]. Il valore estratto ndca l numero d aslottme che la stazone dovrà ulterormente attendere, dopo l DIFS, prma d nzare a trasmettere l propro frame d dat. Ogn nodo possede un propro tmer nterno, chamato Backoff Tmer che conserva l numero corrente d slot ancora da attendere; passato un tempo par ad un aslottme, se l canale dovesse essere ancora lbero e non sono nzate altre trasmsson, l tmer vene decrementato; solo quando l tmer raggunge l valore 0 la stazone avrà vnto la contesa e qund nzerà la trasmssone. Se nvece durante l conteggo alla rovesca n corrspondenza della fne d uno slot temporale l canale dovesse rsultare occupato, l valore del tmer non verrà ulterormente decrementato, ma sarà congelato e conservato, per po essere utlzzato come valore nzale nella successva contesa. In questo modo s crea una sorta d precedenza per le stazon che da pù tempo sono n attesa d trasmettere. Una volta vnta la contesa e trasmesso l frame, vene estratto un nuovo valore d Backoff da utlzzare nella successva contesa; questo sarà sempre dstrbuto unformemente nell ntervallo a [0, CW], ma l CW sarà varato a seconda che la trasmssone appena conclusa sa andata a buon fne o meno; n partcolare, n caso d presenza dell ACK, l nuovo CW verrà settato al valore CWmn; n caso d assenza (soltamente causata da una collsone) l CW verrà modfcato secondo la formula: CW = dove rappresenta l numero d tentatv d trasmssone d uno stesso frame. L applcazone d tale formula s traduce n un progressvo raddoppo d CW, non superando però ma l valore CWmax. In fgura 1.10 v è un esempo d come l CW possa 30

23 varare a seguto d successve assenze del frame d rscontro (ACK). I due parametr CWmn e CWmax (come anche aslottme) sono defnt n funzone del lvello fsco utlzzato (ved tabella 1.III). Per quanto rguarda metod con cu una stazone dstngue lo stato d canale occupato da quello d canale lbero da trasmsson, v è prncpalmente un Carrer Sensng d tpo fsco (n cu fscamente vene msurata la potenza del segnale rcevuto) a cu vene affancato un Vrtual Carrer Sensng: nell ntestazone MAC d ogn tpo d frame trasmesso v è un campo Duraton Feld n cu vene specfcata n untà d mcrosecond, a partre dalla fne Fgura 1.10: Valor possbl del parametro CW della trasmssone del frame stesso, la durata necessara a completare la corrente sequenza d scambo frame. In tal modo, ad esempo, nel Duraton Feld d un frame d dat sarà specfcato l tempo occorrente per la trasmssone d un ACK sommato ad un SIFS (che ntercorre fra l frame dat e l ACK stesso). Tutte le stazon n ascolto che rcevono l 31

24 frame, aggornano un propro regstro nterno ndcato come NAV (Network Allocaton Vector), n funzone del Duraton Feld rcevuto. Il vrtual carrer sensng è utle soprattutto nelle stuazon n cu v sono stazon non n grado d ascoltare le trasmsson d tutte le altre; questo è l problema delle hdden statons: potrebbero esserc nella stessa BSS due stazon non n vsbltà rado fra loro (ma che comunque vedono l AP); se a una delle due nza la trasmssone d un frame d dat dretto all AP, l altra non ruscrà n alcun modo ad accorgers dello stato occupato del canale e potrebbe qund nzare una propra trasmssone dando dunque orgne ad una collsone e, qund, alla perdta d entramb frame. La soluzone s è ottenuta con l uso d due nuov frame e con l auslo del vrtual carrer sensng; la stazone che vnce la contesa, prma d trasmettere l frame d dat, nva un frame RTS (Request To Send); dopo un SIFS la stazone destnatara trasmetterà un frame CTS (Clear To Send); solo dopo un SIFS dalla rcezone del CTS nzerà effettvamente la trasmssone del frame d dat seguto dall eventuale frame d rscontro (fg.1.11). Tutte le stazon che sono n vsbltà rado con almeno uno fra nodo sorgente e destnataro (e sono queste le stazon che potrebbero orgnare una collsone) saranno scuramente n grado d aggornare propr NAV leggendo duraton feld present ne frame d RTS o CTS e qund la successva trasmssone del frame d dat sarà protetta dal meccansmo del vrtual carrer sensng (nel frame RTS l Duraton Feld copre la durata dell ntera trasmssone fno all ACK del destnataro). Una eventuale collsone potrebbe ancora avvenre, ma tale evenenza è rstretta al solo ntervallo n cu vene nvato l frame RTS e al SIFS mmedatamente successvo. La modaltà appena descrtta che fa uso de frame RTS/CTS ha lo svantaggo, soprattutto se data frame sono d dmenson molto pccole, d dmnure l effcenza d utlzzo del canale. È per questo che vene soltamente utlzzata solo quando l frame d dat da trasmettere è suffcentemente grande, n partcolare quando la sua dmensone n byte supera l valore dot11rtsthreshold, che è un parametro varable e gestto ndpendentemente da cascuna stazone. Tale parametro regola anche l numero massmo 32

25 d rtrasmsson per uno stesso data frame nel caso d mancato rscontro: nfatt, a seconda se l data frame sa mnore o maggore d dot11rtsthreshold, l numero massmo d rtrasmsson permesse prma d scartare l data frame è par rspettvamente a ShortRetryLmt o a LongRetryLmt che d default valgono 4 e 7. Per pacchett d dat eccessvamente grand o anche semplcemente quando gl error nel canale non tollerano data frame molto grand, lo standard prevede l uso (l mplementazone è facoltatva) d un meccansmo d frammentazone. In pratca al posto della trasmssone d un unco data frame grande vengono trasmess molt framment pu pccol e cascuno d ess deve essere corrsposto da un frame d ACK; la rcomposzone de framment e rcostruzone del frame orgnaro vene fatta al lvello MAC della stazone rcevente. All nterno del fragment burst tutt frame sono separat da un SIFS. Fgura 1.11: Trasmssone dat con l uso de frame RTS e CTS PCF (Pont Coordnaton Functon) 33

26 Il PCF è un protocollo d accesso al mezzo senza contesa[2], mplementato ed utlzzato facoltatvamente e, comunque, sempre n appoggo al DCF, con lo scopo d fornre un supporto alla QoS. Nel caso s vogla usare l PCF, esso deve alternars nel tempo con l DCF, avremo per cu una fase chamata CFP (Contenton Free Perod), n cu vene usato l protocollo PCF e una fase chamata CP (Contenton Perod), n cu s usa nvece l DCF, come possamo vedere n fgura Nel PCF è l untà d coordnamento PC (Pont Coordnator), soltamente concdente con l Access Pont, a desgnare quale stazone deve trasmettere; all nterno d un CFP, una STA può sceglere d rspondere ad un contentonfree poll (l CF-Poll) nvato dal PC, una STA capace d rspondere ad un CF-Poll è segnata come CF-Pollable e può rchedere d essere nterrogata da un PC attvo all nterno d una BSS, noltre le CF-Pollable STAs e l PC non usano RTS/CTS prma della trasmssone de frame; quando nterrogata dal PC, una STA, può emettere solamente un MPDU che può essere a qualsas destnazone (non solo al PC), e può confermare l avvenuta rcezone d un frame dal PC tramte la tecnca del Pggybackng. Fgura 1.12: Alternanza tra CFP e CP Struttura e temporzzazone d un CFP 34

27 L AP nva perodcamente de partcolar frame chamat Beacon, l cu scopo è quello d dentfcare e sncronzzare la BSS; l ntervallo d rpetzone de beacon è ndcato con l acronmo TBTT (Target Beacon Transton Tme). Subto dopo l beacon, nza una fase chamata CFP (Contenton Free Perod), e successvamente, una fase chamata CP (Contenton Perod); la somma del CFP e del CP costtusce un Superframe che n generale è un multplo ntero del TBTT; l perodo d rpetzone del CFP è defnto dal parametro CFPRepettonInterval e concde con l Superframe. Ogn CFP è collocato subto dopo la trasmssone del beacon che dà nzo al Superframe; l duraton feld presente n questo frame consente alle stazon d aggornare l propro NAV, n modo da proteggere tutta la fase CFP tramte l vrtual carrer sensng: nfatt tutte le stazon che non utlzzano l PCF vedranno l canale occupato e non potranno trasmettere se non medante DCF; la sola stazone che avrà l drtto d trasmettere e che controllerà tutta la fase CFP è l PC, tutte le altre potranno solo rspondere al PC. La durata del CFP vene nzalmente settata al valore massmo, ndcato dal parametro CFPMaxDuraton, ma l CFP può essere termnato prematuramente dal PC tramte l nvo d un frame CF-End. I beacon sono nvat ad ntervall regolar, n modo che ogn stazone sappa precsamente quando arrverà l prossmo ma, se nell stante prevsto per la trasmssone d un beacon l canale rsulta occupato, esso subrà un leggero rtardo e verrà nvato non appena l mezzo torna ad essere lbero. Il PC, nfatt, per mpegnare l canale, dovrà aspettare che esso s mantenga lbero solo per un PIFS: cò gl dà maggore prortà d accesso delle altre stazon, che nvece hanno un tempo d attesa almeno par ad un DIFS. Bsogna aggungere che un beacon contene, oltre al campo CFPMaxDuraton, anche l campo CFPDurRemanng, che esprme la durata resdua prma che l CFP termn. Inoltre va precsato che beacon vengono trasmess non solo durante l CFP, ma anche durante l CP (sebbene n quest ultmo caso l traffco è smaltto solo per contesa), perché ess hanno l compto d mantenere la sncronzzazone de tmer local delle stazon: tal beacon saranno contraddstnt da CFPDurRemanng = 0. 35

28 Ogn CFP (e qund ogn Superframe) ha nzo con un partcolare beacon contenente l campo DTIM (Delvery Traffc Indcaton Message), n cu vene specfcata la durata del Superframe come un multplo ntero dell ntervallo d rpetzone de DTIM (che a sua volta è un multplo d TBTT). CFPerod Repetton Interval / SuperFrame CFP (Contenton Free Perod) CP (Contenton Perod) CFEnd B1 B2 B3 Bn TBTT TBTT Altre stazon CFPmax Azzeramento NAV NAV dal beacon 1 (CFPmax) NAV (CFPDurRem) CFPDurRemanng Fgura 1.13: Schema temporale d un Superframe NAV dal beacon n (CFPmax) In fgura 1.13 è llustrato l dagramma temporale d un Superframe della durata d un perodo d DTIM, a sua volta par a tre TBTT. Come gà detto, all nterno del CFP sarà sempre e solo l PC ad nzare le trasmsson e ad nterrogare le stazon, è qund evdente, come l PCF sa un protocollo pù effcente n termn d uso del canale del DCF dato che, nella maggor parte de cas, tutt frame sono dstanzat semplcemente da un SIFS. Dopo un tempo d un SIFS dall nvo del prmo beacon (quello che dà nzo al Superframe e attva l CFP), l PC nterrogherà la prma stazone nvandole un frame CFPoll per chederle se ha dat da trasmettere; a dstanza d un SIFS la stazone rsponderà con un frame dat (unto all ACK d conferma della corretta rcezone del poll), che sarà seguto dall eventuale ACK da parte del PC ancora dopo un 36

29 SIFS. Termnata la trasmssone dell ACK, l PC attenderà un SIFS e passerà ad nterrogare la prossma stazone. Nel caso la stazone nterrogata non abba dat da trasmettere, essa rsponderà con un frame CFNull; nel caso lo stesso PC abba dat pendent per la stazone, le nverà un frame composto da Data+CFPoll, al quale la stazone rsponderà con un ACK dopo aver atteso un SIFS. Nel PCF sono spesso accorpat frame d tpo dverso al fne d mglorare l effcenza del protocollo: Data+CF-Poll, Data+CF-Ack+CF-Poll, CF-Poll, and CF-Ack+CF-Poll, che possono essere nvat solo dal PC. Data, Data+CF-Ack, Null Functon, and CF-Ack, che possono essere nvat da un PC o da qualunque CF-Pollable STA. Tutt quest frame, sano ess nvat dal PC o dalle stazon nterrogate, come gà detto, saranno sempre ntervallat da un SIFS, che è l pù pccolo tempo d nterframe prevsto dallo standard. Nel caso n cu non rceva alcuna rsposta dalla stazone nterrogata (a causa d error del canale o per avara della stazone) l PC attenderà un PIFS prma d rprendere l controllo del canale rvolgendos alla prossma stazone oppure, se ha termnato l cclo, nvando l CFEnd che determnerà la chusura antcpata del CFP e consentrà a tutte le stazon d azzerare l NAV e dare nzo al CP. S deduce che durante un CFP non può verfcars un tempo d attesa maggore d un PIFS. Le stazon da nterrogare e la corrspondente prortà vengono desunte da uno specfco elenco, noto come Pollng Lst, nel quale compaono tutte le stazon che s sono assocate alla BSS e che hanno rchesto esplctamente l nsermento nella lsta. Qualsas cambamento d stato, nteso come ngresso o uscta dalla lsta, comporta una rassocazone alla rete. L ordne d precedenza nel pollng è stablto dal parametro AID (Assocaton ID), un numero dentfcatvo assegnato dall AP ad ogn stazone n fase d assocazone 37

30 alla BSS, con valore crescente n base all ordne d arrvo: le stazon nserte nella Pollng Lst verranno nterrogate n ordne crescente d AID durante l CFP Lvello PHY Il lvello PHY [2][6][5][9] quello pù basso prevsto dal modello ISO-OSI; esso s nterfacca drettamente con l hardware ed è collocato logcamente al d sotto del lvello MAC; n partcolare al lvello PHY sono affdat tre compt: 1) Rlevamento della portante fsca (Physcal Carrer Sense), che consente d determnare se l canale è lbero o occupato. 2) Trasmssone sul mezzo fsco, medante opportuna modulazone del segnale, de sngol bt che costtuscono l frame provenente dal lvello MAC. 3) Rcezone, medante approprata demodulazone del segnale, de sngol bt che compongono l frame n arrvo. Come llustrato n fgura 1.14, l archtettura logca del lvello PHY è strutturata n questo modo: 38

31 Fgura 1.14: Archtettura logca del lvello PHY Physcal Layer Management Entty (PLME), che costtusce l nterfacca col lvello MAC sovrastante e gestsce due seguent sottolvell. PLCP (Physcal Layer Convergence Procedure) Sublayer che, n trasmssone, provvede alla conversone d un frame a lvello MAC n un frame a lvello PHY (l vceversa n rcezone), aggungendo (elmnando) camp specfc d questo lvello; pù precsamente vengono nsert n testa al PSDU un preambolo (PLPC Preamble) e un ntestazone (PLCP Header) che conducono alla formazone d un PPDU (PLCP Protocol Data Unt). PMD (Physcal Medum Dependent) Sublayer, che gestsce l hardware specfco a dsposzone, provvedendo alla partcolare modulazone e demodulazone per la trasmssone e rcezone de segnal. Dvers PHYs sono defnt come parte dello standard IEEE ogn PHY può consstere d due funzon d protocollo come: a) Una funzone d convergenza d lvello fsco, che adatta le capactà del physcal medum dependent (PMD) system al servzo d PHY. Questa funzone è supportata 39

32 dal Physcal layer convergence procedure (PLCP) che defnsce un metodo d mappatura del MAC sublayer protocol data unts (MPDUs) dell IEEE n un formato d framng approprato per rcevere dat e nformazon d management tra due o pù STAs che usano l assocato PMD system. b) Un PMD system, la cu funzone defnsce le caratterstche d un metodo d trasmssone e rcezone dat tramte un wreless medum (WM) tra due STAs. Ogn sottolvello d PMD può rchedere la defnzone d un PLCP unco. Il lvello PMD ha l compto fnale d trasformare sngol bt n segnale fsco da trasmettere sotto forma d onde rado (nel caso delle modulazon FHSS, DSSS, OFDM, HR-DSSS) o d luce nfrarossa (nel caso d modulazone IR). S facca rfermento alla tabella 1.I per le prestazon fornte da var schem d modulazone utlzzat. Il tpo d modulazone adottata nfluenza notevolmente le prestazon della rete sa n termn d bt rate, sa n termn d mmuntà al rumore e alle nterferenze. E per questo motvo che nelle successve verson dello standard IEEE sono state ntrodotte tecnche d modulazone/demodulazone sempre pù evolute che, n pratca, hanno sosttuto la DSSS (Drect Sequence Spread Spectrum), la FHSS (Frequency Hoppng Spread Spectrum) e la IR (InfraRed), usate nella prma stesura dello standard, che consentono veloctà d 1Mbps e 2Mbps. C rferamo alla OFDM (Orthogonal Frequency Dvson Multplexng) e la HR-DSSS (Hgh Rate Drect Sequence Spread Spectrum), versone potenzata della classca DSSS, ntrodotte la prma dagl standard a e g e la seconda dall b, con le qual s raggungono veloctà rspettvamente d 54 e 11 Mbps (ved tabella 1.I). Le modulazon a spettro esteso (DSSS, FHSS e HR-DSSS) [2] sfruttano la caratterstca d dstrbure la potenza del segnale su un esteso ntervallo d frequenze. Tale procedura, se da un lato rchede una maggore ampezza d banda utle, dall altro consente lvell d potenza d trasmssone pù bass, un mglore rapporto segnale-rumore (SNR) e un elevata 40

33 mmuntà alle nterferenze e ntercettazon. Il rsultato è una mnore probabltà d errore (BER, Bt Error Rate) e qund una pù fedele rcostruzone del segnale n rcezone. Parametro a b g aslottme 9µs 20µs short=9µs long=20µs asifstme 16µs 10µs 10µs aarpropagatontme < 1µs < 1µs < 1µs acwmn acwmax amacprocessngdelay < 2µs Non Applcable < 2µs ampdumaxlenght Tabella 1.III: Parametr caratterstc de lvell fsc Supporto alla QoS n Lo standard IEEE , per come è stato presentato, rsulta partcolarmente adatto per fornre servz best effort, ovvero, senza garanze d throughput e delay. Generano questo tpo d servz, ad esempo, applcazon qual HTTP (Hyper Text Transfer Protocol), FTP (Fle Transfer Protocol), SMTP (Smple Mal Transfer Protocol). C s rende subto conto come lo schema d funzonamento d IEEE sa del tutto nadeguato nel caso d traffc real-tme, per qual, è necessaro che sano rspettat strngent vncol, su temp d consegna de pacchett. Esemp d tal traffc sono la trasmssone d voce fra due utent tramte VoIP (Voce Over IP), le vdeoconferenze (ad esempo con lo standard H.263), lo streamng d flmat (ad esempo con la codfca MPEG). Alcun d ess mplcano uno scambo d dat nterattvo nelle due drezon (two-way) come le telefonate e le vdeoconferenze, altr nvece sono drett n un solo verso (one-way) come flmat. In questo tpo d traffc, affnchè vengano rspettat vncol d QoS (Qualtà del Servzo) è 41

34 necessaro avere bass rtard d trasmssone (delay), pccole percentual d perdta d pacchett (packet loss), bassa varanza ne rtard (jtter), suffcente banda a dsposzone. Tabella 1.IV: Caratterstche d alcun fluss real-tme I protocoll che hanno come scopo quello d garantre la QoS, devono tenere n conto dvers vncol de traffc real-tme n funzone dell applcazone specfca; d fondamentale mportanza è l vncolo temporale: ogn flusso nfatt, sopporterà al pù un certo rtardo nella trasmssone de pacchett, affnché esso sa correttamente utlzzable, ndcato come target delay. Sebbene l PCF sa stato nzalmente concepto per cercare d garantre alle stazon che ne fanno uso d avere un accesso esclusvo e controllato al canale, esso ha alcune lmtazon che gl mpedscono d essere un buon canddato come protocollo che garantsca la QoS n una wreless lan ; l suo pù grosso lmte è costtuto dal fatto che esso dà la possbltà alla stazone che rceve l poll d trasmettere al pù un frame d dat e, qund, non tene assolutamente conto della reale necesstà d banda della stazone stessa, un altro lmte è costtuto dal fatto che l stante n cu verranno trasmess beacon può varare propro a causa dell occupazone del canale: ad ogn TBTT l PC consdera l beacon come l prossmo frame da trasmettere, ma cò può avvenre solo se l mezzo è rsultato lbero per almeno un PIFS; n funzone dello stato del canale (se è lbero oppure occupato), s può regstrare un rtardo nel beacon frame, la durata d tale rtardo s rpercuote sul numero d MSDU da trasmettere, ncdendo notevolmente sulla qualtà della comuncazone[12]. In tale contesto s nsersce l lavoro svolto dal Wokng Group IEEE e l cu compto è quello d cercare un modo che permetta l rspetto de vncol della QoS nelle WLAN. 42

35 Dobbamo tenere presente una cosa molto mportante: una WLAN rappresenta solo l ultmo (o l prmo) hop nel percorso che un pacchetto compe per andare dal mttente al destnataro, s capsce qund come sa necessaro avere al suo nterno de rtard ben nferor rspetto a quell ndcat nella tabella 1.IV. Consderando solo l ultmo (o l prmo) hop all nterno d una rete wreless, l rtardo totale accusato da un pacchetto sarà dato dalla somma d quattro contrbut: 1. l rtardo d elaborazone (pccolssmo ma comunque non nullo); 2. l rtardo d accodamento, n quanto pacchett vengono conservat n una coda n attesa d esser trasmess, usualmente servt secondo una poltca FIFO (Frst In Frst Out); 3. l rtardo d trasmssone, dpendente drettamente dalla veloctà d trasmssone; 4. l rtardo d propagazone fsca del segnale trasmesso (anch esso pccolssmo). Compto d un protocollo che mr a garantre la QoS, è quello d asscurare che la somma d quest rtard sa sempre nferore al target delay Gruppo d lavoro IEEE e Come gà vsto, per la gestone d traffc multmedal e real-tme la versone uffcale dello standard non fornsce una soluzone soddsfacente. È per questo che l workng group IEEE e sta studando la possbltà d estendere la versone base dello standard ed ntegrarla sostanzalmente con una sere d concett nnovatv come ad esempo l ntroduzone d una nuova funzone d coordnazone: HCF (Hybrd Coordnaton Functon) che ntroduce due nuov protocoll d accesso al canale: contenton-base access, EDCA (Enhanced Dstrbuted Channel Access); contenton-free access, HCCA (Hybrd Coordnaton Functon Controlled Channel Access); 43

36 che per queston d compatbltà con l hardware gà esstente non sostturanno ma affancheranno l DCF e l PCF, come ndcato dallo schema logco n fgura Fgura 1.15: Archtettura logca del lvello MAC e Lo studo è ancora n corso, per cu non s parla ancora d standard IEEE e: sono dsponbl dvers draft che evolvono nel tempo e la cu versone defntva porterà alla defnzone d uno standard uffcale. In questo lavoro d tes s fa rfermento al Draft 8.0, pubblcato nel febbrao 2004 [12]. L EDCA estende sostanzalmente l modo d funzonamento del DCF, esso rmane ancora un metodo d accesso al canale a contesa, qund d tpo probablstco, ma ntroduce l concetto d dfferenzazone de var tp d traffco, offrendo maggor opportuntà d trasmssone a fluss a pù alta prortà. Per far sì che fluss non vengano trattat tutt nello stesso modo, è stato ntrodotto l concetto d categora d accesso al canale AC (Access Category) e l mplementazone d 4 code separate (una per ogn AC) (Tab.1.V): Background (AC_BK) Best Effort (AC_BE) Vdeo (AC_VI) Voce (AC_VO) 44

37 Tabella 1.V: AC all nterno d una QSTA n cascun nodo d trasmssone, come vsualzzato n fgura 1.16: sono present 4 code, ognuna delle qual conterrà solo pacchett appartenent ad una determnata classe d traffco. Vene noltre rpreso l concetto delle 8 TC (Traffc Category), gà ntrodotto dallo standard IEEE 802.1D, portando così a 8 l Fgura 1.16: Implementazone d code dstnte per ogn AC 45

38 numero d code mplementabl n cascuna QSTA. Fra AC e TC v è una precsa mappatura come mostrato nella tabella 1.VI [12]. Tabella 1.VI: Mappatura tra AC e TC Le stazon che supportano la QoS verranno chamate QSTA (QoS Statons) o anche ESTA (Enhanced Statons), per dstnguerle da nod che non supportano la QoS (chamat semplcemente STA), che possono comunque contnuare ad essere present e a funzonare nella stessa QBSS (QoS BSS). Al posto dell AP, n una QBSS v è l QAP (QoS Access Pont) che, oltre alle funzon tpche dell AP, è dotato d nuove funzon ntrodotte per garantre la QoS. L HCCA è un metodo d accesso che dspone d una funzone d coordnamento d tpo centralzzato, così come l PCF, ma con sgnfcatve mglore. Scompare l meccansmo della semplce pollng lst, che lasca spazo ad algortm capac d rendere pù ntellgente l processo delle nterrogazon delle stazon. Un altro mportante concetto ntrodotto dal draft è quello del TXOP (Transmsson Opportunty), nteso come un ntervallo d tempo all nterno del quale una stazone ha la possbltà d trasmettere pù d un frame. A seconda del metodo d accesso utlzzato s parla d EDCA TXOP o d HCCA TXOP, detto anche polled TXOP perché assegnato dall HC medante l nvo d un frame QoS CF Poll. 46

39 Fgura 1.17: Alternanza tra CAP e CP n un Superframe Vengono anche ntrodotte due nuove poltche per la gestone degl ACK: No Acknowledgement, n cu la rcezone d un frame semplcemente non vene confermata; Group Acknowledgement, n cu pù frame vengono confermat con un unco ACK. Per tener tracca della classe d appartenenza d un frame, l e ha dovuto modfcare la struttura generca del MAC frame, schematzzata n fgura 1.18 [12]: Fgura 1.18: Struttura d un MAC frame e è stato aggunto l campo QoS Control, n cu vengono specfcat alcun mportant parametr per la gestone della QoS. S tratta d un campo a 16 bt che dentfca la TC alla quale l frame appartene, e fornsce ulteror nformazon che varano a seconda del 47

40 partcolare tpo d frame. Esso è suddvso n cnque sottocamp, d cu tre che pù nteressano n questo lavoro d tes sono ndcat, nseme alla loro funzone, n tabella 1.VII [12]: Bt 0-3 Bt 5-6 Bt 8-15 Tpo d frame TID Poltca degl ACK TXOP n untà d 32 mcrosecond Ne frame QoS Data, ncluso QoS Poll, nvat dall HC TID Poltca degl ACK Queue Sze n untà d 256 ottett Ne frame QoS Data nvat dalle QSTA e drett all HC Tabella 1.VII: Prncpal sottocamp del QoS Control Feld Il sottocampo TID (Traffc Identfer) specfca l lvello d prortà (TC) del flusso cu appartene un MSDU; ogn TC mette n relazone funzonale la partcolare coda con una delle quattro AC prevste. Il sottocampo a due bt specfca la poltca degl Ack da usare per l trasporto del corrente MPDU. Il sottocampo Queue Sze fornsce un metodo per permettere all HC d conoscere l lvello d coda della partcolare TC a cu l campo TID fa rfermento, per cascun nodo d trasmssone; questo feedback permette all HC nel funzonamento n modaltà HCF d effettuare nterrogazon ntellgent, basate su una certa conoscenza della stuazone globale del traffco ancora da trasmettere nella QBSS; da notare che l Queue Sze fornsce una versone granulare (n untà da 256 byte) e lmtata (essendo un campo d 8 bt può fornre valor fra 0 e 255) del lvello d coda. In partcolare l valore 0 ndca coda vuota, l valore 255 ndca uno stato mprecsato, l valore 254 ndca un lvello d coda superore a ottett, tutt 48

41 restant valor ntermed sono usat per ndcare lvell d coda compres fra 1 e ottett. Nello stesso sottocampo vene nvece ndcata la durata d un polled TXOP, se l frame è un QoS Poll nvato dall HC ad una QSTA; la durata vene espressa n untà d 32 mcrosecond, per cu può assumere valor compres nell ntervallo [0, 8160] mcrosecond EDCA (Enhanced Dstrbuted Channel Access) L EDCA [12] (anche ndcata come HCF Contenton-base Access) è basato su un accesso al mezzo d tpo contenton-based. Come gà detto, la novtà fondamentale ntrodotta dall EDCA è propro la possbltà d separare l traffco n uscta da cascun nodo n dverse categore d traffco, n modo da poter trattare dfferentemente e con maggor rguardo fluss con pù esgenze, n partcolare, sono state defnte quattro AC, che suddvdono tutto l traffco n quattro class con dverse prortà. L EDCA può dealmente essere vsto come una sorta d DCF, n cu la probabltà d vncere la contesa per l possesso del mezzo non è uguale per tutt fluss, ma è pù alta per fluss con AC d prortà maggore. A tal fne l DIFS vene adesso sosttuto dagl AIFS[] (Arbtraton IFS della classe -esma) che dpende dall AC secondo la seguente relazone: AIFS[AC] = SIFS + AIFSN[AC] aslottme dove AIFSN[AC] è un numero ntero dpendente dal lvello d prortà dell AC cu s rfersce e può essere maggore o uguale a 2 per le QSTA, mentre per l QAP vale 1, per garantrgl la precedenza nell accesso al canale. Vene così garantto a frame appartenent ad AC a prortà pù alta un mnore tempo d attesa prma d nzare la procedura d backoff. 49

42 Anche l ntervallo [CWmn,CWmax] n cu vara l parametro CW dpende dalla classe n consderazone e qund s parla d CW[AC]. I valor d CWmn[AC] e CWmax[AC] s rcavano dal sottocampo ECWmn/ECWmax (relatvo ad ogn AC), contenuto nell elemento EDCA Parameter Set fgura 1.19 presente ne frame Beacon, secondo le seguent defnzon [12]: CWmn = 2 ECWmn 1 CWmax = 2 ECWmax 1 Il set d parametr d cascuna AC vene rportato nel rspettvo campo Parameters Record, l cu formato è mostrato n fgura 1.20 [12]. Fgura 1.19: Formato dell elemento EDCA Parameter Set Fgura 1.20: Formato del campo Parameter Record Nella tabella 1.VIII sono ndcat valor d default propost dal draft per prncpal parametr [12], dove acwmn e acwmax come anche TXOP Lmt (che esprme la durata massma del TXOP d cu può usufrure un determnato flusso), sono defnt n funzone del lvello PHY utlzzato. Un valore nullo del parametro TXOP Lmt ndca che può essere trasmesso un solo MSDU con l relatvo overhead (compres anche gl eventual frame RTS e CTS). 50

43 Tabella 1.VIII: Prncpal parametr per ogn AC che regolano l accesso al canale n EDCA L accesso al canale per cascun frame avvene nel modo seguente: prma vene determnata l AC d appartenenza del frame, po s attende che l canale sa lbero, s attende un ulterore tempo AIFSD[AC] pu un aslottme (n sosttuzone del DIFS nel DCF), e po nza la contesa dopo aver estratto un valore d backoff casuale unforme nell ntervallo [0, CW[AC]], allo stesso modo che nel DCF. Nel caso d assenza d rscontro dopo la trasmssone, prma d estrarre l nuovo valore del backoff tmer per effettuare la rtrasmssone, vene calcolato la nuova CW[AC] secondo la seguente formula: CW[AC] = (CW[AC] + 1) 2 1 In generale valor sono modellat n modo che la probabltà d vncta della contesa e qund d trasmssone sa d volta n volta pù elevata per frame appartenent ad AC d prortà pù alte, questo è ottenuto facendo n modo che frame a pù elevata prortà attendano n meda un tempo nferore prma d vncere una contesa e qund d trasmettere. All nterno d ogn QSTA vengono mplementate, come gà detto, code d attesa dfferent per cascun flusso d dat che s contenderanno l accesso al canale come se fossero stazon separate (stazon vrtual). Ovvamente fluss a prortà pù alta avranno una sorta d 51

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