Wireless LAN. Jochen Schiller, 'Mobile Communications, Cap.7, Addison-Wesley; 2nd edition, 2003.

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1 Wireless LAN Jochen Schiller, 'Mobile Communications, Cap.7, Addison-Wesley; 2nd edition, 2003.

2 Semplice modello di riferimento Application Application Transport Transport Network Network Network Network Data Link Data Link Data Link Data Link Physical Physical Physical Physical Radio Medium

3 IEEE standard terminale mobile terminale fisso rete basata su infrastruttura application TCP IP LLC MAC PHY access point LLC MAC MAC PHY PHY application TCP IP LLC MAC PHY - Terminale con meccanismi di accesso al mezzo wireless e contatto radio con l'access point - AP agisce da bridge verso altre reti wireless o wired

4 WPAN metri o decine di metri - eliminazione dei cavi Bluetooth 1 Mb/s - scambio di contenuti fra telecamere, DVD, ecc Mb/s - videoconferenza, home theater, monitor o proiettore wireless a Mb/s - sicurezza wireless, termostati remoti, controllo dell illuminazione, automazione di edifici Zigbee Kb/s WLAN WiFi (Wireless Fidelity) metri - progettata per fornire comunicazioni wireless a larga banda - ottimizzata per mobilità - singolo utente per client - radio economico (half duplex) - ottimizzata per traffico dati e: QoS per supporto audio e video i: sicurezza ed autenticazione

5 WMAN e WiMax - 10 km - progettata per fornire comunicazione wireless a larga banda - mobilità regionale e locale introdotta come estensione dello standard fisso - accesso nomadico ad alta velocità - utenti multipli per client (es. autobus) - numero di utenti molto maggiore che in radio più costoso di quello di (full duplex) - protezione e confidenzialità - ottimizzata per telefonia e traffico multimediale - protezione e confidenzialità - compatibilità con stazioni fisse - supporto a velocità veicolari sino a km/h a 4-70 Mbps WWAN ottimizzata per mobilità - mobilità ad alta velocità sino a 250 km/h a 1 Mbps - supporto a QoS - canale e controllo per servizi multimediali - basata su Mobile IP

6 Le reti wireless WWAN GSM / GPRS / 3G CDMA / IEEE WMAN IEEE WLAN IEEE WPAN Bluetooth Zigbee WAN WAN-MAN MAN PAN MAN-LAN LAN-PAN Pico-Cell Spazio di operazione personale ~50km ~2km 0km ~10m Courtesy of IEEE , Jan. 2001

7 MIH Media Independent Handover Overlay Network: Integrazione di reti eterogenee mobili e fisse con caratteristiche variabili di trasmissione 3. WWAN Reti satellitari - lezione.ppt hand-over verticale area metropolitana regionale rete di campus hand-over orizzontale casa o edificio Handover: meccanismo che permette ad un nodo mobile di passare trasparentemente da una rete di accesso ad un altra Handover orizzontale: le reti coinvolte hanno la stessa tecnologia Handover verticale: le reti coinvolte utilizzano diverse tecnologie di accesso; Overlay-Network

8 Reti basate su infrastruttura e reti ad-hoc rete basata su infrastruttura AP AP rete wired AP: Access Point AP rete ad-hoc

9 WLAN basate su infrastruttura Comunicazione solo tra nodi wireless ed access point (AP) AP agisce da bridge verso altre reti wireless o wired (diverse reti wireless formano una rete wireless logica) La maggior parte delle funzionalità (accesso ad altre reti, forwarding, controllo di accesso al mezzo) risiede nell AP, mentre i client wireless rimangono molto semplici Differenti schemi di accesso: con collisioni (accesso al mezzo dei nodi wireless e dell AP non coordinato), senza collisioni (solo l AP controlla l accesso) garanzie di QoS, come larghezza di banda minima per certi nodi Perdono alcune delle flessibilità che le reti wireless possono offrire (operare anche in presenza di disastri) Infrastruttura non implica necessariamente la presenza di una rete fissa wired AP AP AP

10 Reti ad-hoc Non necessitano di alcuna infrastruttura Ciascun nodo può comunicare direttamente con gli altri nodi, non esiste AP I nodi possono comunicare soltanto con altri nodi entro il loro range radio, o con nodi che siano raggiungibili tramite altri nodi selezionati, capaci di inoltrare il messaggio (assenza della funzione di bridge degli AP) Complessità dei nodi più elevata: Meccanismi di accesso al mezzo Meccanismi per trattare problemi di terminali nascosti Meccanismi di priorità, per fornire una certa QoS Esibiscono la massima flessibilità

11 IEEE I Parte

12 IEEE Standard per Wireless Local Area Networks (WLAN) Specifica originale 1997, rivista nel 1999 Operating Range:10-100m inside, 300m outside Frequenze 2.4 Ghz ( and b) 5 Ghz (802.11a)

13 802.11a Varianti di Velocità: 6-54Mbps Usa 5GHz ISM band ( GHz) OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) b Velocità: 5.5/11 Mbps Usa la banda ISM DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) L'implementazione più comune di wireless LAN e QoS (Quality of Service) Enhancement f Migliora l'interoperabilità degli Access Point g Sviluppa estensione di velocità di b Velocità: > 20Mbps h Aggiunge ad e a l'accettazione regolamentata di prodotti a 5GHz i Migliora i meccanismi di sicurezza ed autenticazione n High speed WLAN p Vehicular WLAN

14 Infrastructure network ESS STA LAN BSS 1 Access Point BSS 2 Portal Distribution System Access Point 802.x LAN STA LAN STA 3 Stazione (STA) terminale con meccanismi di accesso al mezzo wireless e contatto radio con l'access point Basic Service Set (BSS) gruppo di stazioni che usano la stessa radiofrequenza Access Point stazione integrata nella LAN wireless e nel sistema di distribuzione Portale bridge ad altre reti (wired) Distribution System rete di interconnessione per formare una rete logica basata su diversi BSS (ESS: Extended Service Set)

15 Ad-hoc network LAN Comunicazione diretta entro un range limitato Stazione (STA): STA 1 IBSS 1 STA 3 terminale con meccanismi di accesso al mezzo wireless Independent Basic Service Set (IBSS): gruppo di stazioni utilizzanti la stessa frequenza radio STA 2 IBSS 2 STA 5 STA LAN

16 Standard IEEE terminale mobile terminale fisso server infrastructure network access point application TCP IP LLC LLC application TCP IP LLC MAC MAC MAC MAC PHY PHY PHY PHY

17 Layers e funzioni MAC meccanismi di accesso, frammentazione, encryption MAC Management sincronizzazione, roaming, MAC MIB, power management PLCP Physical Layer Convergence Protocol Clear Channel Assessment (carrier sense) PMD Physical Medium Dependent modulazione, codifica PHY Management selezione di canale, PHY MIB Station Management coordinamento di tutte le funzioni di management PHY DLC LLC MAC PLCP PMD MAC Management PHY Management Station Management Quattro differenti livelli fisici: - DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum): b - FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) - OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing): a - IR (Infrarosso)

18 DCF CSMA/CA, RTS/CTS, PCF Servizi di traffico Servizio di dati asincroni (obbligatorio) Scambio di pacchetti di dati basato su best-effort Supporto di broadcast e multicast Servizio Time-Bounded (opzionale, solo su reti infrastrutturate) Implementato usando PCF (Point Coordination Function) Metodi di accesso DCF CSMA/CA (obbligatorio) Distributed Coordination Function collision avoidance mediante meccanismo di back-off randomized pacchetti ACK per acknowledgement (non per broadcast) DCF RTS/CTS (opzionale) Distributed Coordination Function affronta il problema del terminale nascosto (hidden) PCF (opzionale) Point Coordination Function access point polls i terminali secondo una lista offre sia un servizio asincrono che time-bounded

19 Priorità definite attraverso inter frame spaces di differente lunghezza priorità non garantite SIFS (Short Inter Frame Spacing) massima priorità, per ACK, CTS, polling response PIFS (PCF IFS) = SIFS + 1 slot time media priorità, per servizio time-bounded usando PCF DIFS (DCF IFS) = SIFS + 2 slot time minima priorità, per servizio dati asincrono DIFS DIFS mezzo occupato PIFS SIFS contesa prossimo frame accesso diretto se il mezzo è libero DIFS (rilevato dal CCA) Slot times t

20 Priorità Short Inter-Frame Space (SIFS): fa sì che Dati-ACK e RTS-CTS siano transazioni atomiche Extended Inter-Frame Space: EIFS = SIFS + (8 ACK) + PreambleLength + PLCPHeaderLength + DIFS Usato se il MAC riceve un frame con errori Un nodo differisce la ritrasmissione peruna durata fissa indicata da EIFS fornisce un opportunità di fast retransmit di frame errati

21 CSMA/CA DIFS DIFS contention window CW (meccanismo di back-off randomized) mezzo occupato accesso diretto se il mezzo è libero DIFS slot time prossimo frame t una stazione pronta a trasmettere comincia a sentire il mezzo (Carrier Sense basato su CCA, Clear Channel Assessment) se il mezzo è libero per la durata di un DIFS, la stazione può cominciare a trasmettere se il mezzo è occupato, la stazione deve attendere un DIFS libero, quindi la stazione deve in aggiunta attendere un tempo di back-off random, multiplo di slot-time (collision avoidance) se un altra stazione occupa il mezzo durante il tempo di back-off della stazione, il timer di back-off stops (fairness)

22 Stazioni in competizione DIFS DIFS bo e bo r DIFS bo e bo r DIFS bo e busy stazione 1 bo e busy stazione 2 stazione 3 busy bo e busy bo e bo r stazione 4 bo e bo r bo e busy bo e bo r stazione 5 t busy mezzo occupato bo e tempo di backoff trascorso arrivo di un pacchetto al MAC bo r tempo di backoff residuo

23 Exponential Back-off Tempo di back-off casuale all'interno di una contention window [0, CW] La dimensione della contention window raddoppia ad ogni ritrasmissione per aumentare il potere di risoluzione dello schema randomizzato Back-off time = random() * slot time Random() = un intero pseudocasuale in [0,CW] CWmin <= CW <= CWmax CW parte da CWmin, raddoppia ad ogni ritrasmissione sino a CWmax, ed è riportato a CWmin dopo una trasmissione con successo Tutti gli slot di backoff avvengono dopo un DIFS

24 CSMA/CA con invio di ACK Solo per trasmissione di pacchetti unicast il receiver invia un ACK (dopo aver atteso un SIFS) se il pacchetto è stato ricevuto correttamente (CRC) ritrasmissione automatica dei pacchetti nel caso di errori di trasmissione sender receiver altre stazioni DIFS dati SIFS ACK tempo di attesa DIFS contesa dati t Protocollo con numero minimo di frame scambiati Due frame: Dati e ACK Lo scambio di questa coppia di frame è atomico non può essere interrotto Riduce la latenza rispetto a lasciare che sia un protocollo di più alto livello (come TCP) a rilevare l errore e a ritrasmettere

25 Effetto di terminale nascosto terminali nascosti (hidden terminal): A e C non possono sentirsi l'un l'altro ostacoli, attenuazione di segnale collisioni a B obiettivo: evitare le collisioni a B

26 RTS/CTS DCF RTS/CTS (opzionale) Distributed Coordination Function affronta il problema del terminale nascosto (hidden) supporto obbligatorio, uso opzionale

27 il sender può inviare brevi RTS (request to send), con parametro di duration, dopo aver atteso un DIFS (nessuna priorità per RTS) duration determina la quantità di tempo in cui il pacchetto necessita del mezzo ack via un breve CTS (clear to send) dopo un SIFS dal receiver (se pronto a ricevere) il sender può ora inviare i dati dopo un SIFS il receiver invia ACK dopo un altro SIFS le altre stazioni conservano le duration distribuite via RTS e CTS nel campo NAV le collisioni possono avvenire solo all inizio quando viene inviato il breve RTS RTS threshold per decidere quando usare il meccanismo (dimensioni di frame grandi) e quando disabilitarlo (frame brevi) sender DIFS RTS data receiver SIFS CTS SIFS SIFS ACK altre stazioni NAV (RTS) NAV (CTS) DIFS data differimento di accesso contesa t NAV = Net Allocation Vector

28 Frammentazione sender receiver DIFS RTS SIFS CTS SIFS frag 1 SIFS ACK SIFS 1 frag 2 SIFS ACK2 other stations NAV (RTS) NAV (CTS) NAV (frag 1 ) NAV (ACK 1 ) DIFS contention data t Le duration ora sono fornite non soltanto all RTS ed al CTS, ma anche ad ogni trasmissione di frammenti (frag 1, frag 2, ) e dei corrispondenti ACK Gli insiemi di nodi raggiunti possono variare durante la trasmissione dei frammenti in conseguenza della mobilità

29 Carrier Sensing Carrier sensing fisico Senti il mezzo (canale fisico) tramite il CCA Carrier sensing virtuale Imposta il Network Allocation Vector (NAV) al valore del campo duration nel frame di dati, RTS o CTS NAV indica la quantità di tempo per il completamento della trasmissione corrente

30 Formato del frame Type: Sequence Control: Address 1, 2, 3, 4: Retry: Power Management: More Data: Order: funzione di un frame: management, control, data numeri di sequenza per risolvere frame duplicati a causa di ACK persi il significato di ciascun indirizzo dipende dai bit DS nel campo Frame Control il frame corrente è una ritrasmissione (aiuta ad eliminare i duplicati) la stazione va in modo power-save dopo la trasmissione del frame usato da PC con una stazione in modo power-save o da una stazione polled i frame ricevuti debbono essere elaborati in ordine bytes Duration/ ID Address 1 Address 2 Address 3 Sequence Control Frame Control Protocol version To Type Subtype DS More Frag Power Retry Mgmt Address Data 4 bits From DS More Data WEP Order Type 00 management 01 control 10 data Subtype 0000 association request 1011 RTS 0000 user data 1000 beacon 1100 CTS CRC

31 Formato di indirizzi MAC Address 1, 2: Address 3: Address 4: receiver fisico, transmitter fisico BSS identifier o source o destination logici non usato o source logico scenario to DS from address 1 address 2 address 3 address 4 DS ad-hoc network 0 0 DA SA BSSID - infrastructure 0 1 DA BSSID SA - network, from AP infrastructure 1 0 BSSID SA DA - network, to AP infrastructure network, within DS 1 1 RA TA DA SA DS: Distribution System AP: Access Point DA: Destination Address SA: Source Address BSSID: Basic Service Set Identifier RA: Receiver Address TA: Transmitter Address