Reti di Telecomunicazione. Capitolo 6 Wireless e reti mobili (IEEE )

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1 Reti di Telecomunicazione Capitolo 6 Wireless e reti mobili (IEEE ) Nota: Le seguenti slides rappresentano un adattamento delle slide di accompagnamento, fornite da Pearson Paravia Bruno Mondadori Spa, per il libro J. Kurose, K. Ross, Reti di Calcolatori e Internet: Un Approccio Top-Down, 4 edizione, Copyright J.F Kurose and K.W. Ross, All Rights Reserved. 6-1

2 Agenda Introduzione Terminologia Formato di trama Accesso al mezzo Procedure Rate Control

3 Wireless Networks

4 Caratteristiche

5 IEEE 802 Standards 802.3: CSMA/CD (Ethernet) 802.4: Token Bus 802.5: Token Ring 802.6: DQDB (Metropolitan Area Networks) : Wireless LAN : Gigabit LAN : Wireless PAN : Fixed Broadband Wireless Access System

6 IEEE 802 Standards

7 Wi-Fi Wireless LAN (1997) IR, baseband, FHSS, DSSS 2.4 Ghz 1-2 Mbps b (1999) DSSS Da 2,4 a 5 GHz fino a 11 Mbps a (1999) Da 5 a 6 GHz Fino a 54 Mbps g (2003) Da 2.4 a 5 GHz Fino a 54 Mbps n (2010) Da 2,4 a 5 GHz Fino a 100 Mbps (At the MAC Layer)

8 Wi-Fi Wireless LAN (cont d)

9 Wi-Fi Wireless LAN (cont d) and b/g a

10 Wi-Fi Wireless LAN (cont d)

11 Agenda Introduzione Terminologia Formato di trama Accesso al mezzo Procedure Rate Control

12 IEEE Terminologia Station (STA): Dispositivo che implementa i livelli MAC e PHY conformi allo standard IEEE senza fornire accesso ad un distribution system Tipicamente disponibile all interno dei terminali utente (workstation, laptop, etc.) Radio Radio Hardware Hardware PC-Card PC-Card Hardware Hardware frame format WMAC controller with WMAC controller with Station Firmware Station Firmware (WNIC-STA) (WNIC-STA) frame format Driver Driver Software Software (STADr) (STADr) Platform Platform Computer Computer Ethernet V2.0 / frame format Protocol Stack Protocol Stack

13 IEEE Terminologia Station (STA) (cont d): Interfaccia di tipo Ethernet Supporta virtualmente qualsiasi stack protocollare L adattamento di trama e` fatto in base al protocollo IEEE 802.1H Trame IEEE tradotte direttamente nel corrispondente formato IEEE Ethernet Types 8137 (Novell IPX) e 80F3 (AARP) incapsulati utilizzando il Bridge Tunnel encapsulation scheme Tutti gli altri Ethernet Types vengono incapsulati utilizzando lo standard RFC 1042 per la trasmissione di datagrammi IP su reti IEEE Lunghezza massima limitata a 1500 ottetti Bridging transparente verso/da reti Ethernet Radio Radio Hardware Hardware PC-Card PC-Card Hardware Hardware frame format WMAC controller with WMAC controller with Station Firmware Station Firmware (WNIC-STA) (WNIC-STA) frame format Driver Driver Software Software (STADr) (STADr) Platform Platform Computer Computer Ethernet V2.0 / frame format Protocol Stack Protocol Stack

14 IEEE Terminologia Access-Point (AP): Dispositivo che implementa i livelli MAC e PHY conformi allo standard IEEE ed in piu` fornisce accesso ad un distribution system Tipicamente parte di un infrastruttura che connette la rete wireless and una dorsale cablata. Radio Radio Hardware Hardware PC-Card PC-Card Hardware Hardware frame format WMAC controller with WMAC controller with Access Point Firmware Access Point Firmware (WNIC-AP) (WNIC-AP) frame format Driver Driver Software Software (APDr) (APDr) Bridge Bridge Software Software Ethernet V2.0 / frame format Kernel Software (APK) Kernel Software (APK) Ethernet Ethernet Interface Interface Bridge Bridge Hardware Hardware

15 IEEE Terminologia Access-Point (AP) (cont d): Ciascuna STA seleziona un AP e si associa ad esso Access-Points : Forniscono il supporto al roaming Forniscono la sincronizzazione alle STA (beaconing) Fornisco il supporto alla gestione del consumo energetico (Power Management) Tipicamente tutto il traffico degli utenti fluisce attraverso l AP La comunizaione diretta Station-Station e` consentita solo in modalita` IBSS Radio Radio Hardware Hardware PC-Card PC-Card Hardware Hardware frame format WMAC controller with WMAC controller with Access Point Firmware Access Point Firmware (WNIC-AP) (WNIC-AP) frame format Driver Driver Software Software (APDr) (APDr) Bridge Bridge Software Software Ethernet V2.0 / frame format Kernel Software (APK) Kernel Software (APK) Ethernet Ethernet Interface Interface Bridge Bridge Hardware Hardware

16 IEEE Terminologia Basic Service Set (BSS): Insieme di stazioni controllate da una singola Coordination Function Coordination function, funzione logica che determina quando una stazione puo` trasmettere o ricevere Simile al concetto di cella Un BSS puo` avere un AP (in modalita` stand-alone ovvero in modalita` infrastrutturata) o puo` anche funzionare senza AP (solo in modalita` stand alone) Il diametro della cella e` circa il doppio della distanza di copertura tra due stazioni wireless

17 Basic Service Set (BSS) BSS

18 IEEE Terminologia Independent Basic Service Set (IBSS): Si tratta di un Basic Service Set (BSS) che forma una rete senza avere accesso ad un Distribution System Una BSS senza un Access-Point Una delle stazioni nella IBSS puo` essere configurata in maniera tale da avviare la rete ed assumere la Coordination Function Il diametro della cella e` determinato dalla distanza di copertura tra due stazioni wireless

19 Independent Basic Service Set (IBSS) IBSS

20 IEEE Terminologia Extended Service Set (ESS): Un insieme di uno o piu` Basic Service Sets interconnessi da un Distribution System (DS) Il traffico fluisce sempre attraverso gli AP Il diametro della cella e` circa il doppio della distanza di copertura tra due stazioni wireless Distribution System (DS): Un sistema che interconnette un insieme di Basic Service Sets Integrato; Una singolo AP in una rete stand-alone Cablato; Utilizza un cavo per interconnettere gli Access Points Wireless; Utilizza una generica tecnologia wireless per interconnettere gli Access Points

21 Extended Service Set (ESS) single BSS (with integrated DS) BSS

22 Extended Service Set (ESS) BSS s with wired Distribution System (DS) BSS Distribution System BSS

23 Extended Service Set (ESS) BSS s and wireless Distribution System (DS) BSS Distribution System BSS

24 IEEE Terminologia Service Set Identifier (SSID): E` il nome della rete Massimo 32 ottetti Ogni rete (BSS or IBSS) ha un solo SSID

25 IEEE Terminologia Basic Service Set Identifier (BSSID) Identifica la cella Esattamente 6 ottetti (MAC address format) Ogni BSS ha un solo SSID Il valore del BSSID coincide con l indirizzo MAC dell interfaccia radio contenuta nell AP

26 Agenda Introduzione Terminologia Formato di trama Accesso al mezzo Procedure Rate Control

27 Formato di Trama Frame Control Duration ID Addr 1 Addr 2 Addr 3 Sequence Addr 4 Control MAC Header Frame Body Bits: CRC Protocol Version Type SubType To DS From DS More Frag Retry Pwr Mgt More Data WEP Rsvd Frame Control Field MAC Header differenziato in base al campo Type in: Trame di controllo Trame di management Trame di dati

28 Formato di Trama (cont d) Bytes: Frame Control Duration ID Addr 1 Addr 2 Addr 3 Sequence Addr 4 Control MAC Header Frame Body Bits: CRC Protocol Version Type SubType To DS From DS More Frag Retry Pwr Mgt More Data WEP Rsvd Frame Control Field Function To DS From DS Address 1 Address 2 Address 3 Address 4 IBSS 0 0 RA=DA SA BSSID N/A From the AP 0 1 RA=DA BSSID SA N/A To the AP 1 0 RA=BSSID SA DA N/A Wireless DS 1 1 RA TA DA SA Addr 1. Tutte le stazioni leggono questo indirizzo Addr 2. Indirizzo del trasmettitore Addr 3. Dipende dai bit To DS e From DS Addr 4. Utilizzato per identificare la sorgente originale in modalita` WDS

29 Formato di trama (cont d) H1 R1 router Internet AP R1 MAC addr AP MAC addr Destination Source Frame AP MAC addr H1 MAC addr R1 MAC addr Addr 1 Addr 2 Addr Frame

30 Descrizione campo Type Bits: Protocol Version Type SubType To DS From DS More Frag Retry Pwr Mgt More Data WEP Rsvd Frame Control Field Type 00: Trame di Management Beacon (Re) Association (De) Authentication Probe Power Management Type 01: Trame di controllo RTS/CTS ACK Type 10: Trame Dati Type 11: Reserved

31 Trame di management Beacon Timestamp, Beacon Interval, Capabilities, SSID, Supported Rates Probe SSID, Capabilities, Supported Rates Probe Response Timestamp, Beacon Interval, Capabilities, SSID, Supported Rates

32 Trame di management (cont d) Association Request Capability, Listen Interval, SSID, Supported Rates Association Response Capability, Status Code, Station ID, Supported Rates Re-association Request Capability, Listen Interval, SSID, Supported Rates, Current AP Address Re-association Response Capability, Status Code, Station ID, Supported Rates

33 Trame di management (cont d) Dis-association Reason code Authentication Algorithm, Sequence, Status, Challenge Text De-authentication Reason

34 Agenda Introduzione Terminologia Formato di trama Accesso al mezzo Procedure Rate Control

35 Accesso al mezzo Lo standard definisce due modalita` di accesso o Coordination Functions: Point Coordination Function (PCF) Senza contesa Per servizi delay-sensitive Basata sul polling Opzionale Distributed Coordination Function (DCF) A contesa Per servizi di tipo best-effort Basata sul protocollo CSMA/CA Puo` essere rafforzata tramite un meccanismo noto come RTS/CTS

36 CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance (CSMA/CA) Protocollo Media Access Control (MAC) di tipo probabilistico Carrier Sense Ogni trasmettirore verifica la presenza di una portante (segnale proveniente da un altra stazione) prima di trasmettere Se una portante viene rilevata, il nodo attende che la trasmissione in corso si concluda prima di iniziare la propria trasmissione Multiple Access Diversi nodi si contendono l accesso ad un mezzo condiviso Collision Avoidance La possibilita di collisione viene ridotta avviando un processo di back-off casuale

37 Inter frame spacings Definisce diversi inter frame spacings (IFS) Un IFS piccolo corrisponde ad una priorita` di trasmissione alta: SIFS (Short Inter Frame Spacing): alta priorita`, ACK, CTS, polling PIFS (Point Coordination Function Spacing): media priorita, per servizi time-bounded DIFS (Distributed Coordination Function Spacing): bassa priorita, per servizi asincroni

38 Backoff timer Lo spazio tra due trasmissioni consecutive viene randomizzato allo scopo di evitare collisioni Scegliere un numero intero compreso tra 0 e CW Tempo di Backoff = slot time * random number In caso di collisione si imposta CW = 2*CW+1 Congestion Window (CW) Inizialmente impostata su 7 Il valore massimo e` 255

39 CSMA/CA (cont d) DIFS Contention Window DIFS Busy Medium SIFS Backoff-Window Next Frame Slot time Defer Access Select Slot and Decrement Backoff as long as medium is idle. Notes: Accesso libero quando il mezzo e` libero per un tempo piu` lungo di DIFS Il periodo di back-off e` espresso in termini di numero di slots

40 CSMA/CA (cont d) Le collisioni si possono ancora verificare a causa di interferenze, impossibilita di rilevare le portanti degli altri nodi, etc. Per questo motivo viene usato unmeccanismo di riscontro (ACK) a livello MAC Gli acknowledgment devono arrivare entro un periodo di tempo SIFS Un periodo DIFS viene osservato da tutte le stazioni prima di considerare il mezzo nuovamente libero

41 Problem: Hidden/Exposed terminal A B C A B C D Hidden Terminal C non puo` rilevare A C invia un messaggio a B e collide con A Nessuna portate rilevata non implica sempre trasmissione sicura Exposed Terminal D rileva B ma potrebbe trasmettere verso A La presenza di una portate non implica sempre il rischio di collidere

42 Solution: Virtual carrier sender DIFS RTS data receiver SIFS CTS SIFS other stations NAV (RTS) NAV (CTS) defer access DIFS new contention data t Il trasmettitore invia un RTS con un NAV dopo aver aspettato un tempo DIFS Network Allocation Vector, i.e. parametro che determina per quanto tempo il trasmettitore utilizzare il canale. Il ricevitore riscontra la richiesta con un CTS dopo aver aspettato un periodo di tempo SIFS CTS riserva il canale per il ricevitore e informa le stazioni nascoste della trasmissione in corso Tutte le stazione che ascoltano il CTS restano in sileziono per un periodo di tempo pari a NAV Il trasmettitore puo` inviare la propria trama immediantamente

43 Agenda Introduzione Terminologia Formato di trama Accesso al mezzo Procedure Rate Control

44 Association Serve ad instaurare una relazione tra stazioni ed access point Tutte le stazioni osservano tutta la banda allo scopo di selezionare l access point migliore Active Scan, la stazione invia un Probe request su uno specifico canale e resta in attesa un Probe reply Passive Scan, la stazione resta in attesa dei beacon periodici trasmessi dall access point L Access-Point mantiene una lista delle stazioni associate, allo scopo di: Conoscere le funzioni supportate da ciscuna stazione Permettere Inter-BSS relay Il MAC address delle stazioni e` mantenuto anche all interno della bridge learn table

45 Authentication Serve a controllare l accesso alla rete wireless Le stazioni devono identificarsi alle altre stazioni (o all access point) prima di porter trasmettere dati o associarsi Open System Authentication Uses null authentication algorithm Default Shared Key Authentication Uses WEP privacy algorithm Optional

46 Creazione di un IBSS Ogni stazione configurata per operate in modalita` IBSS deve: Restare in ascolto fino a quando non riceve un beacon contenente un nome di reti (SSID) uguale a quello con cui e` stata configurata Quando questo beacon e` ricevuto da un AP la stazione effettua la procedura di associazione con l AP Qunaod il beacon e` ricevuto da un altra stazione operante in modalita` IBSS la stazione si associa all IBSS Se nessun beacon viene ricevuto allora lastazione inizia a mandare I beacon Tutte le stazioni in una rete di tipo IBSS partecipano all attivita di beaconing I vari beacon vengono inviati ad intervalli di tempo casuali La stazione il cui timer casuale scade per primo invia il prossimo beacon

47 Traffic flow - Inter-BSS Bridge learn table STA-1 2 STA-2 2 AP-1000 AP-1000 or or AP-500 AP-500 Avaya Wireless PC-Card Avaya Wireless PC-Card Association table STA-1 STA-2 BSS-A Associate Inter-BSS Relay STA-1 STA-1 Packet for STA-2 ACK ACK Packet for STA-2 Associate STA-2 STA-2

48 Traffic flow - ESS operation Bridge learn table STA-2 1 STA-1 2 AP-1000 AP-1000 or or AP-500 AP-500 Avaya Wireless PC-Card Avaya Wireless PC-Card Backbone Bridge learn table STA-2 STA AP-1000 AP-1000 or or AP-500 AP-500 Avaya Wireless PC-Card Avaya Wireless PC-Card Association table STA-2 Association table STA-1 Packet for STA-2 Packet for STA-2 ACK ACK BSS-B STA-1 STA-1 BSS-A STA-2 STA-2

49 Traffic flow - WDS operation Bridge learn table AP-1000 AP-1000 or or AP-500 AP-500 Bridge learn table STA-2 2 STA-1 2 AP-1000 AP-1000 or or AP-500 AP-500 Avaya Wireless PC-Card Avaya Wireless PC-Card Association table STA-1 Wireless Backbone Packet for STA-2 STA-2 STA Avaya Wireless PC-Card Avaya Wireless PC-Card Association table STA-2 WDS Relay WDS Relay ACK Packet for STA-2 STA-1 STA-1 ACK BSS-A BSS-B Packet for STA-2 STA-2 STA-2 ACK

50 Agenda Introduzione Terminologia Formato di trama Accesso al mezzo Procedure Rate Control

51 Cos e` il data rate? NUmero di bit trasmessi per unita` di tempo sotto un particolare budget energetico Troppi bits/s: Il singolo bit ha poca energia Alta Bit Error Rate Pochi bits/s: Bassa BER Basso throughput Il rate di trasmissione ottimale dipende dal on SINR: i.e., interferenza e condizioni del canale

52 Selezione statica SINR time Valuatazione del SINR Scelta del miglior rate di trasmission i.e. il rate di trasmissione per il quale i pacchetti verrebbero trasmessi correttamente il piu` delle volte Alcuni pacchetti verranno persi

53 Selezione dinamica SINR time Osservare il valore corrente del SINR Assumere che il valore osservato e` un buon indicatore delle condizioni del canale nel prossimo futuro Scegliere il corrispondente rate di trasmissione Osservare il prossimo valure di SINR Controllare se le condizioni sono cambiate

54 Selezione dinamica (cont d) Attualmente i dispositivi IEEE supportano diversi data rate: b 1 to 11 Mbps a 6 to 54 Mbps g 1 to 54 Mbps Il data rate e` determinato dallo schema di modulazione Link Quality Low High Bitrate Low Underutilization High High Error Rate

55 Selezione dinamica (cont d)

56 Selezione dinamica (cont d) Cambiano lo schema di modulazione cambia anche la sensibilita` rispetto alla BER del canale 8 Mbps 1 Mbps BER SNR (db)

57 Selezione dinamica (cont d) Il SINR varia nello spazio e nel tempo SNR (db) SNR (db) 2.4 GHz 2 m/s LOS Distance (m) Time (ms)

58 Selezione dinamica (cont d) 8 Mbps 1 Mbps

59 Selezione dinamica (cont d) Desired Result

60 Algoritmi I dispositivi IEEE attuali supportano i seguenti algoritmi Auto Rate Fallback (ARF) Receiver based Auto Rate (RBAR) Sample Rate Adaptive ARF (AARF) Robust Rate Adaptation Algorithm (RRAA) Collision-Aware Rate Adaptation (CARA)

61 Auto Rate Fallback (ARF) Il trasmettitore riduce il rate di trasmissione dopo che N ACK consecutivi vengono persi Il trasmettitore aumenta il rate di trasmissione dopo che Y ACK consecutivi vengono ricevuti, oppure T secondi sono passati dall ultimo tentativo Se nessuno ACK viene ricevuto il contatore viene resettato ed il rate viene diminuito 6-61

62 Prestazioni di ARF Dropped Packets Failed to Increase Rate After Fade Attempted to Increase Rate During Fade Lento ad adattarsi al canale E` difficile scegliere N, Y, T in modo ottimale, i.e. adatto a tutte le situazioni 6-62

63 RBAR Il meccanismo di rate adaptation e` spostato lato ricevitore Informazioni piu` affidabili sulla qualita del canale Selezione del rate di trasmissione migliore Basato su RTS/CTS: La qualita del canale viene stimanta dalla trama RTS Il ricevitore invia il rate da utilizzare nella trama CTS I nodi che ascoltano lo scambio RTS/CTS possono calcolare il periodo di occupazione del canale

64 RBAR (cont d) 1 Mbps 2 Mbps A RTS (2) CTS (1) B C 1 Mbps D 2 Mbps 1 Mbps DATA (1) 6-64

65 Prestazioni di RBAR RBAR ARF 6-65

66 Other Rate Adaptation Algorithms Adaptive ARF [Lacage et al. 04] Utilizza delle soglie dinamiche per la decisione di incrementare/decrementare il rate di trasmissione SampleRate [Bicket et al. 06] Cerca di minimizzare il tempo medio di trasmissione di un pacchetto Invia periodicamente dei probe per stimare la qualita` del canale (utilizzado rate diversi)