RETI INTERNET MULTIMEDIALI Lucidi delle Lezioni - Capitolo VII Fondamenti di comunicazioni wireless

Transcript

1 Prof. Giuseppe F. Rossi UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI BERGAMO A.A. 2016/17 - II Semestre RETI INTERNET MULTIMEDIALI Lucidi delle Lezioni - Capitolo VII Struttura del capitolo Introduzione alle comunicazioni wireless Wireless LAN Wireless MAN Wireless PAN Capitolo VII 1-2/45 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

2 Reti wireless Le tipologie WPAN (Wireless Personal Area Network) Comunicazioni all'interno di un "sistema" (fino ad una decina di metri) WLAN (Wireless Local Area Network) Comunicazioni all'interno di un'area locale delimitata (fino a qualche centinaio di metri) WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) Comunicazioni estese su aree residenziali anche di dimensioni significative (fino ad una decina di Km) WWAN (Wireless Wide Area Network) Comunicazioni estese in un'area geografica Reti wireless Gli standard WPAN (Wireless Personal Area Network) Standard IEEE (Bluetooth) Standard ZigBee WLAN (Wireless Local Area Network) Famiglia di standard IEEE WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) Famiglia di standard IEEE WWAN (Wireless Wide Area Network) Reti cellulari GSM-GPRS, UMTS, LTE,... Capitolo VII 3-4/45 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

3 Canali wireless Lo spettro radio Spettro elettromagnetico all'interno del quale sono allocate le comunicazioni wireless Canali wireless Lo spettro radio Impiego di alte frequenze Più banda Spettro meno affollato Maggior attenuazione da parte dei muri / ostacoli in genere Impiego di frequenze più basse Meno banda Richiedono antenne più grandi In presenza di più antenne queste devono essere separate da spazi maggiori Sono più vulnerabili alle interferenze esterne Capitolo VII 5-6/45 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

4 Canali wireless Le antenne La trasmissione e ricezione di segnali da parte di un nodo connesso su un canale wireless avviene tramite un'antenna Trasmissione: irradia energia elettromagnetica nello spazio circostante Ricezione: riceve energia elettromagnetica dallo spazio circostante Antenna isotropa (ideale) Irraggia la stessa potenza in tutte le direzioni dello spazio Antenne reali Hanno effetti direttivi più o meno marcati Canali wireless Le antenne La densità di potenza F emessa da un'antenna isotropa, misurata in un punto dello spazio circostante posto a distanza d dalla sorgente sorgente d 2 [ ] Ptrasm F = W/m 2 4πd Capitolo VII 7-8/45 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

5 Canali wireless Alcuni problemi comuni Canale mediamente di scarsa qualità, se comparato con i canali wired Principali problemi Alta attenuazione del segnale al crescere della distanza Ulteriore attenuazione in presenza di ostacoli Interferenza con il mondo circostante Interferenze provenienti da altre comunicazioni wireless Interferenze verso altre comunicazioni wireless Fenomeno del multipath fading Tasso d'errore / Prestazioni Sicurezza Canali wireless Alcuni fenomeni tipici della propagazione per onde Riflessione Un'onda incidente viene riflessa da una superficie, generando così un'onda riflessa Diffrazione Fenomeno fisico i cui effetti sono rilevanti quando un onda incontra un ostacolo o una fenditura le cui dimensioni sono comparabili o minori rispetto alla propria lunghezza d onda Multipath fading Attenuazione di un'onda conseguente alla somma (in uno stesso punto dello spazio) di più copie della stessa onda provenienti da percorsi diversi (vedasi prossima slide) Capitolo VII 9-10/45 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

6 Canali wireless Multipath fading Un segnale emesso da una sorgente può essere riflesso (anche più volte) da vari oggetti facenti parte dello spazio circostante Uno stesso segnale quindi, seguendo percorsi diversi, può essere ricevuto più volte da una stazione destinataria Il fenomeno di interferenza distruttiva che ne può derivare sul destinatario (due copie dello stesso segnale arrivano in opposizione di fase) prende il nome di multipath fading segnale riflesso Multipath fading segnale diretto Canali wireless Multipath fading Esempio di imprevedibilità della propagazione in aria del segnale elettromagnetico (immagine tratta da ANSI/IEEE Std , 1999 Edition (R2003)) Mappa dell'intensità del segnale misurato in una stanza quadrata con una scrivania metallica (in basso a sinistra) e una porta aperta (in alto a destra) Naturalmente si tratta di un'istantanea: basta variare anche di poco un parametro ambientale (posizione oggetti,... ) e tutto può cambiare anche notevolmente Capitolo VII 11-12/45 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

7 Wireless LAN Una Wireless LAN (WLAN) è una rete locale che utilizza un canale trasmissivo senza fili e sfrutta come portante un'onda elettromagnetica sulle frequenze RF o IR Wireless LAN Quale protocollo d'accesso al canale utilizzare? Una rete WLAN utilizza un canale condiviso ad accesso multiplo simile ad un bus (lo spazio circostante) e quindi potrebbe essere interessante esplorare la possibilità di utilizzare il protocollo d'accesso a contesa CSMA/CD utilizzato per le Ethernet Purtroppo la cosa permette di ottenere solo modesti risultati in quanto, a causa della caratteristica del canale wireless, si possono avere alcune condizioni anomale Problema dei terminali nascosti (hidden terminal) Stazioni mittenti in collisione non sono in grado di rilevare tale condizione, ma credono che la trasmissione stia avvenendo con successo Problema dei terminali esposti (exposed terminal) Una stazione mittente non inizia una trasmissione, anche se quest'ultima potrebbe avvenire con successo Capitolo VII 13-14/45 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

8 Wireless LAN Quale protocollo d'accesso al canale utilizzare? Il problema dei terminali nascosti causato dall'utilizzo del protocollo d'accesso CSMA/CD su una WLAN limite della propagazione del segnale di A limite della propagazione del segnale di C A sta trasmettendo a B C deve trasmettere a B C ascolta il canale e lo sente libero (in quanto non riceve la trasmissione di A) A B C C inizia la trasmissione Su B si verifica una collisione ma A e C non se ne accorgono Wireless LAN Quale protocollo d'accesso al canale utilizzare? Il problema dei terminali esposti causato dall'utilizzo del protocollo d'accesso CSMA/CD su una WLAN limite della propagazione del segnale di B B sta trasmettendo ad A C deve trasmettere a D C ascolta il canale e lo sente occupato, quindi aspetta A B C D In realtà C potrebbe comunque iniziare a trasmettere in quanto si verificherebbe una collisione solo nella zona tra B e C e non tra A e B né tra C e D Capitolo VII 15-16/45 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

9 Wireless LAN Quale protocollo d'accesso al canale utilizzare? Perchè in presenza di un canale wireless CSMA/CD genera il problema dei terminali nascosti? Ciò che trasmette una stazione non è detto che venga sentito da tutte le altre (diversamente dal caso wired) CSMA/CD permette di sentire solo se vi sono trasmissioni "vicino" alla stazione che sta ascoltando il canale Soluzione al problema Una stazione, prima di iniziare la trasmissione, dovrebbe verificare se vi sono delle trasmissioni nell'intorno della stazione destinataria Protocollo d'accesso CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance) Wireless LAN Gli standard IEEE Il primo standard (anno 1997) IEEE Alla luce delle nuove esigenze (di velocità), a partire dal '99, il gruppo di lavoro IEEE ha iniziato a suddividersi in diversi sottogruppi, ciascuno dei quali ha prodotto un suo nuovo standard (più o meno integrabile e/o compatibile con gli altri) IEEE a IEEE b IEEE g IEEE n IEEE h... Capitolo VII 17-18/45 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

10 Le strutture topologiche di una rete wireless Una WLAN è organizzata "a celle": ciascuna cella può avere 2 strutture Rete ad hoc (anche nota come topologia peer-to-peer) Le stazioni hanno un ruolo paritetico e comunicano direttamente tra loro Rete con infrastruttura (talvolta nota anche come topologia base-to-remote) Esiste una stazione, chiamata in vari modi (access point (AP), stazione base,... ), che governa il funzionamento della cella (autenticazione,... + altre eventuali funzioni) Le comunicazioni tra 2 stazioni non-ap devono passare per l'ap (MAC-relaying), il quale quindi svolge una funzione di commutazione (a livello 2) Rete ad hoc Rete con infrastuttura AP Modalità operative Basic Service Set (BSS) Tutte le stazioni appartengono ad 1 sola cella Strutture ammesse Ad hoc (caso particolare chiamato anche Independent BSS o IBSS) Infrastructure Extended Service Set (ESS) Le stazioni wireless appartengono a più celle interconnesse tra le quali è permesso il roaming Unica struttura ammessa: Infrastructure Per ogni cella è richiesta la presenza di un access point (AP) / stazione base, il quale è collegato agli AP delle altre celle (con link wired o wireless) Capitolo VII 19-20/45 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

11 Modalità BSS Independent BSS (IBSS) Tutte le stazioni della cella sono "alla pari" e nessuna controlla l'ingresso nella cella 2 stazioni parlano tra loro direttamente Può essere considerato un caso particolare della modalità BSS Cella WLAN ad hoc network Modalità BSS BSS Infrastructure Esiste un nodo chiamato AP (Access Point) il quale controlla l'accesso della stazione alla cella ed esegue la commutazione delle frame scambiate tra le stazioni La stazione ricerca l'ap tramite passive scanning (attesa del beacon frame dall'ap) o active scanning (invio di probe request frame e attesa della ricezione del probe response frame) Processo di autenticazione della stazione sull'ap (scambio di userid, psw,... )... Cella WLAN infrastructure AP Capitolo VII 21-22/45 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

12 Modalità ESS Sistema composto da 2 o più celle (BSS infrastructure), aventi ciascuna un AP, collegate attraverso un sistema di interconnessione (es. LAN Ethernet) chiamato DS (Distribution System) Ogni stazione deve sempre seguire le varie procedure di ingresso nelle varie celle Gli AP, oltre alla commutazione delle frame, devono anche supportare il roaming tra le celle, mascherando la mobilità ai livelli superiori al MAC (ai quali il tutto appare come un'unica LAN) DS AP AP Cella WLAN Roaming tra celle Cella WLAN Le specifiche fisiche Lo standard IEEE del '97 prevede le seguenti caratteristiche Velocità di 1 e 2 Mbps Sono previste 2 diverse tecnologie trasmissive Trasmissione a radiofrequenza Tecnica spread spectrum FHSS o DSSS Banda ISM dei 2,4 GHz ( MHz) Trasmissione ad infrarosso diffuso Lunghezze d'onda di 0,85 e 0,95 µm Capitolo VII 23-24/45 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

13 Le specifiche fisiche Caratteristiche fisiche della trasmissione ad infrarosso diffuso Codifica ridondante Codifica a 1 Mbps: gruppi di 4 bit sono codificati attraverso una parola di 16 bit (con un solo bit a "1") Codifica a 2 Mbps: gruppi di 2 bit sono codificati attraverso una parola di 4 bit (con un solo bit a "1") Terza configurazione a partire da "0000" Seconda configurazione a partire da "00" 0 1 Bit della frame Bit trasmessi Terzo bit Secondo bit La struttura architetturale Livelli architetturali specificati dallo standard WLAN IEEE Fisico MAC Tutte le evoluzioni successive dello standard IEEE del '97 hanno fondamentalmente riguardato il livello fisico Principali funzioni del livello MAC IEEE Liv. 2 Liv. 1 DSSS LLC IEEE MAC IEEE FHSS IR Protocollo di comunicazione Confermato Stop&Wait per destinazioni unicast Non confermato per multicast e broadcast Supporto della frammentazione (al fine di ridurre la dimensione della frame e quindi la probabilità d'errore sulla singola trasmissione) Protocollo d'accesso al canale di trasmissione Gestione dell'eventuale mobilità delle stazioni (roaming) tra diverse celle Capitolo VII 25-26/45 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

14 Tipologie di WLAN MAC IEEE prevede 2 modalità operative (cioè 2 diversi tipi di protocollo d'accesso) DCF (Distributed Coordination Function) Possibile sia con la modalità ad hoc che con la modalità infrastructure Il controllo dell'accesso al canale è distribuito sulle stazioni Tutte le implementazioni WLAN devono supportare questa modalità PCF (Point Coordination Function) Possibile solo con la modalità infrastructure Il controllo dell'accesso al canale è centralizzato sull'ap Nelle implementazioni la modalità PCF è opzionale Modalità DCF (Distributed( Coordination Function) DCF prevede l'utilizzo del protocollo d'accesso CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance) e può funzionare in 2 modalità operative Physical carrier sense Prima di trasmettere una stazione attende un tempo pari a DIFS (DCF Inter Frame Spacing) + un intevallo scelto casualmente Modalità utilizzata per l'invio di frame broadcast, multicast e unicast (queste ultime solo se sono sotto una certa dimensione di valore impostabile) Virtual carrier sense Questa modalità viene illustrata nella slide che segue Ha l'obiettivo di risolvere il problema degli hidden terminal Modalità utilizzata per l'invio di frame unicast (di dimensione superiore ad un valore impostabile) Capitolo VII 27-28/45 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

15 Modalità DCF (Distributed( Coordination Function) Virtual carrier sense Una stazione, prima di trasmettere una frame, ascolta se vi sono trasmissioni sul canale Se occupato aspetta Se libero lo "prenota" per il tempo necessario alla trasmissione della frame (questo tuttavia non elimina completamente il rischio di una collisione) Il mittente invia una (piccola) frame RTS (Request To Send) di servizio verso il destinatario contenente la durata prevista della futura trasmissione Il destinatario autorizza la trasmissione restituendo una (piccola) frame CTS (Clear To Send) di servizio verso il mittente con la durata prevista della futura trasmissione Tutte le altre stazioni che sentono RTS e/o CTS aspettano per la durata indicata (impostazione dell'indicatore di NAV) Il mittente invia la frame dati e aspetta per un time-out la PDU-ACK del MAC Modalità DCF (Distributed( Coordination Function) Esempio di funzionamento di una WLAN IEEE di 4 stazioni in modalità virtual carrier sense: comunicazione da A a B (Nota: gli intervalli NAV non sono trasmissioni, bensì stati di inibizione per eventuali trasmissioni di C e D) Limite del segnale emesso da A Limite del segnale emesso da B A RTS A B C D DATI B CTS ACK C NAV (innescato da RTS) D NAV (innescato da CTS) Capitolo VII 29-30/45 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

16 Modalità PCF (Point( Coordination Function) La modalità PCF permette un trasferimento di frame contention-free PCF è costituito da una serie di funzioni aggiuntive (opzionali) residenti negli AP, costruite al di sopra delle funzioni DCF In sostanza la modalità PCF prevede che l'ap acquisisca il controllo del canale e quindi poi ne ripartisca l'utilizzo tra le varie stazioni attraverso uno schema a polling a Caratteristiche IEEE Standard for Information technology Telecommunications and information exchange between systems Local and metropolitan area networks Specific requirements Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications Amendment 1: High-speed Physical Layer in the 5 GHz band Evoluzione del livello fisico di IEEE Velocità fino a 54 Mbps Trasmissione sulla banda ISM dei 5 GHz Tecnica OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) utilizzante 52 sottoportanti WLAN commercializzata in USA Incompatibile con IEEE b, IEEE g, IEEE h (a meno di non costruire apparecchi dual mode) Capitolo VII 31-32/45 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

17 b Caratteristiche Supplement to ,Wireless LAN MAC and PHY specifications: Higher speed Physical Layer (PHY) extension in the 2.4 GHz band Evoluzione del livello fisico di IEEE Velocità supportate: fino a 11 Mbps Trasmissione sulla banda ISM dei 2,4 GHz Tecnica HR-DSSS (High Rate Direct Sequence Spread Spectrum) Non è un evoluzione di IEEE a, né con esso è compatibile (802.11b è stata approvato ed è arrivato prima sul mercato rispetto a a... ) Standard commercialmente conosciuto come Wi-Fi (Wi-Fi in realtà è il nome della certificazione di interoperabilità multivendor tra apparati conformi a b) g Caratteristiche IEEE Standard for Information technology Telecommunications and information exchange between systems Local and metropolitan area networks Specific requirements Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications Amendment 4: Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band Evoluzione del livello fisico di IEEE (IEEE g ammette più livelli fisici, come spiegato nella prossima slide) Velocità supportate: fino a 54 Mbps Trasmissione sulla banda ISM dei 2,4 GHz Tecnica OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Evoluzione di IEEE b (gli apparati IEEE g devono essere compatibili con gli apparati IEEE b) Capitolo VII 33-34/45 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

18 g Caratteristiche Lo standard IEEE g, oltre a definire vari livelli fisici, aggiunge una serie di nuove specifiche rispetto a IEEE b, pur mantenendone la compatibilità Per esempio, in alternativa al meccanismo RTS/CTS previsto con CSMA/CA, IEEE g ha anche previsto uno schema più semplice basato solo su CTS chiamato CTS-to-Self, il quale tuttavia paga lo scotto di non risolvere efficacemente il problema dei terminali nascosti Nella tabella qui sotto si riassumono le velocità supportate dallo standard IEEE g CTS CTS CTS A B C D Limite del segnale emesso da B Lo schema CTS-to-Self B deve inviare una frame a C. B, attraverso l'invio del solo CTS, riesce a "zittire" temporaneamente A e C, ma non un eventuale D h Caratteristiche IEEE Standard for Information technology Telecommunications and Information Exchange Between Systems LAN/MAN Specific Requirements Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications: Spectrum and Transmit Power Management Extensions in the 5GHz band in Europe Evoluzione europea di a a e h sono tuttavia incompatibili Capitolo VII 35-36/45 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

19 n Caratteristiche Standard approvato a fine 2009 Uso delle bande ISM (come i precedenti standard ) Impiego di antenne MIMO (Multiple Input Multiple Output) Aumento dell'ampiezza del canale trasmissivo: 40 MHz Riduzione dell'interframe gap Possibilità di frame aggregation Coesistenza con dispositivi IEEE a/b/g Wireless Personal Area Network (WPAN) Gli standard IEEE IEEE Wireless Personal Area Network (WPAN) Working Group Task Group 1 (IEEE ) Bluetooth Task Group 2 (IEEE ) - Coexistence Task Group 3 (IEEE ) - WPAN High Rate Task Group 4 (IEEE ) - WPAN Low Rate ZigBee... Capitolo VII 37-38/45 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

20 Wireless Personal Area Network (WPAN) Bluetooth Nel 1998 un gruppo di produttori (Ericsson, IBM, Intel, Nokia, Toshiba), interessati a sviluppare una tecnologia universale senza fili per collegare telefoni, cuffie telefoniche, computer tascabili, scanner, stampanti, PC, fax e altri apparecchi portatili, costituisce un SIG (Special Interest Group) chiamato Bluetooth Il nome Bluetooth viene scelto in onore del re danese Harald Blaatand II, detto Bluetooth, che unificò Danimarca e Svezia Bluetooth si afferma anche per realizzare piccole reti locali con velocità di trasmissione di 1 Mbps fino a 10 metri di raggio (=> concorrenza con IEEE ) Nel 1998 SIG Bluetooth pubblica la v. 1.0 delle specifiche tecniche Nel giro di poco tempo il gruppo di lavoro IEEE adotta Bluetooth v. 1.0 come punto di partenza per lo sviluppo di uno standard per le WPAN Nel 2002 viene approvato il primo standard WPAN IEEE Nota sugli standard Bluetooth specifica l'intero sistema (dal livello fisico al livello applicativo) IEEE specifica solo i livelli 1 e 2 recependoli da Bluetooth Il logo del SIG Bluetooth Bluetooth La struttura della rete L'unità di base è composta da una struttura chiamata piconet (1 master + max 7 slave attivi) Più piconet possono essere collegate tra loro attraverso un bridge per formare una struttura chiamata scatternet Sono possibili solo comunicazioni tra master e slave, ma non tra slave e slave L'accesso alla piconet viene gestito TDM dal master (il quale decide quale dispositivo può comunicare in un dato intervallo temporale) S S S S M S M S S S Bridge S S Capitolo VII 39-40/45 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

21 Bluetooth Lo strato fisico (radio) Utilizzo della banda ISM (2,4 GHz) 79 canali (23 in Francia e Giappone) da 1 MHz ( MHz) Trasmissione spread spectrum frequency hopping con cambi di canale al secondo (625 µs di permanenza su di un canale) La sequenza pseudocasuale delle frequenze da utilizzare viene decisa dal nodo master, il quale ha il controllo del canale Classi di dispositivi Bluetooth Classe 1 (100 mw) ~ 100 m Classe 2 (2,5 mw) ~ 10 m Classe 3 (1 mw) ~ 1 m Bluetooth Lo strato fisico (radio) L'utilizzo del canale wireless avviene a divisione di tempo Il master utilizza gli slot di tempo pari Gli slave, quando devono trasmettere, utilizzano gli slot di tempo dispari Le varie frame in base alla loro lunghezza possono occupare 1, 3, 5 slot Master Slave 625 µs Trasmissioni con impiego di 1 slot Capitolo VII 41-42/45 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

22 Bluetooth Lo strato fisico (radio) Uso di più slot (3 e 5) nella trasmissione di una frame da parte del master Master Slave 625 µs Trasmissione con impiego di 3 slot Master Slave 625 µs Trasmissione con impiego di 5 slot Bluetooth La frame Struttura della frame Bluetooth Access Code Viene utilizzato per la sincronizzazione e per l'identificazione della piconet (è basato sul MAC address del master) Header Contiene vari campi (ACK, controllo di flusso, numerazione delle frame) Payload Access Code Header Payload Capitolo VII 43-44/45 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

23 Bluetooth La frame Struttura della header della frame Bluetooth AMA TYPE Flow ARQ Sq_Nr CHECKSUM AMA (3 bit) TYPE (4 bit) Flow (1 bit) ARQ (1 bit) Sq_Nr (1 bit) CHECKSUM (8 bit) Active Member Address Indirizzo del nodo destinatario della frame Tipo di pacchetto (16 diversi tipi) Controllo di flusso. Bit attivato da un nodo slave quando non può ricevere altri dati a causa di una congestione del proprio buffer. Acknowledgement Se impostato, la frame assume significato di ACK. Campo di numerazione delle frame (il protocollo di comunicazione utilizza lo schema S&W) Checksum di controllo della frame Capitolo VII 45-46/45 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,