RETI TELEMATICHE Lucidi delle Lezioni Capitolo XI

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1 Prof. Giuseppe F. Rossi Homepage: UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI PAVIA Facoltà di Ingegneria A.A. 2007/08 - I Semestre RETI TELEMATICHE Lucidi delle Lezioni Capitolo XI Capitolo XI 1/39 Copyright Ing. G. F. Rossi,

2 Struttura del capitolo Introduzione alle comunicazioni wireless Wireless LAN Wireless MAN Wireless PAN Capitolo XI 2/39 Copyright Ing. G. F. Rossi,

3 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 Capitolo XI 3/39 Copyright Ing. G. F. Rossi,

4 Reti wireless Gli standard WPAN (Wireless Personal Area Network) Standard IEEE (Bluetooth) 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 Standard IEEE Capitolo XI 4/39 Copyright Ing. G. F. Rossi,

5 Comunicazioni wireless Alcuni problemi comuni Attenuazione del segnale Distanze tra i nodi di rete Fenomeno del multipath fading Tasso d'errore Prestazioni Sicurezza Capitolo XI 5/39 Copyright Ing. G. F. Rossi,

6 Reti 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 Imprevedibilità della propagazione in aria del segnale elettromagnetico 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. (Immagine tratta da ANSI/IEEE Std , 1999 Edition (R2003)) Capitolo XI 6/39 Copyright Ing. G. 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 Capitolo XI 7/39 Copyright Ing. G. F. Rossi,

8 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 XI 8/39 Copyright Ing. G. F. Rossi,

9 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 Capitolo XI 9/39 Copyright Ing. G. F. Rossi,

10 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 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 XI 10/39 Copyright Ing. G. F. Rossi,

11 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 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) Capitolo XI 11/39 Copyright Ing. G. F. Rossi,

12 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 h Le evoluzioni a, b, g,..., hanno riguardato solo interventi a livello fisico Capitolo XI 12/39 Copyright Ing. G. F. Rossi,

13 Standard IEEE 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 (stazione base, access point (AP),... ), 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 deve quindi svolgere una funzione di commutazione (a livello 2) Rete ad hoc Rete con infrastuttura AP Capitolo XI 13/39 Copyright Ing. G. F. Rossi,

14 Standard IEEE 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 XI 14/39 Copyright Ing. G. F. Rossi,

15 Standard IEEE 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 Capitolo XI 15/39 Copyright Ing. G. F. Rossi,

16 Standard IEEE 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 XI 16/39 Copyright Ing. G. F. Rossi,

17 Standard IEEE Modalità ESS Sistema articolato 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 Capitolo XI 17/39 Copyright Ing. G. F. Rossi,

18 Standard IEEE 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 XI 18/39 Copyright Ing. G. F. Rossi,

19 Standard IEEE Le specifiche fisiche Caratteristiche fisiche della trasmissione ad infrarosso diffuso Codifica ridondante (utilizzo di codice Gray) 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 Capitolo XI 19/39 Copyright Ing. G. F. Rossi,

20 Standard IEEE 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 XI 20/39 Copyright Ing. G. F. Rossi,

21 Standard IEEE 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 (è presente nello standard ma di fatto non è stata implementata nei prodotti commerciali) Capitolo XI 21/39 Copyright Ing. G. F. Rossi,

22 Standard IEEE 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 Una stazione trasmette solo se il canale è libero, altrimenti rimanda l'operazione 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 XI 22/39 Copyright Ing. G. F. Rossi,

23 Standard IEEE 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 (breve) frame RTS (Request To Send) di servizio verso il destinatario contenente la durata prevista della futura trasmissione Il destinatario autorizza la trasmissione restituendo una (breve) 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 Capitolo XI 23/39 Copyright Ing. G. F. Rossi,

24 Standard IEEE 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 XI 24/39 Copyright Ing. G. F. Rossi,

25 Standard IEEE 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 Le due modalità DCF e PCF possono coesistere (si possono alternare intervalli in cui la cella funziona in modalità contention ad intervalli in cui la cella funziona in modalità contention-free) Non implementato nei prodotti reali Capitolo XI 25/39 Copyright Ing. G. F. Rossi,

26 Standard IEEE 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 XI 26/39 Copyright Ing. G. F. Rossi,

27 Standard IEEE 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) Capitolo XI 27/39 Copyright Ing. G. F. Rossi,

28 Standard IEEE 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 XI 28/39 Copyright Ing. G. F. Rossi,

29 Standard IEEE 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 XI 29/39 Copyright Ing. G. F. Rossi,

30 Wireless MAN Accesso wireless per (anche vaste) aree residenziali Accesso a banda larga (broadband) Supporto di traffico dati, voce, video (quindi anche traffico real-time) Un possibile scenario Capitolo XI 30/39 Copyright Ing. G. F. Rossi,

31 Wireless MAN Gli standard Come sempre, sono comparse sul mercato una serie di soluzioni proprietarie Standard IEEE IEEE definisce le specifiche dei primi 2 livelli architetturali (Physical e DLC), i quali, come si vedrà più avanti, sono composti da diversi sottolivelli Il gruppo di lavoro viene costituito nel Luglio 1999 Standard completato nell'ottobre 2001 e pubblicato nell'aprile 2002 IEEE Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems Come tutti gli standard IEEE ha poi subìto una serie di evoluzioni Il logo del gruppo di lavoro IEEE Capitolo XI 31/39 Copyright Ing. G. F. Rossi,

32 IEEE La stratificazione Come in tutti gli standard aderenti alla struttura IEEE 802, anche in questo caso vengono specificati i primi 2 livelli, i quali, presentano sottostrutture al loro interno Livelli superiori (> 2) non facenti parte di IEEE Physical layer Sono ammessi diversi livelli fisici Privacy sublayer Autenticazione, scambio di chiavi, encription MAC common part sublayer Liv. 2 Liv. 1 Convergence sublayer MAC common part sublayer Privacy sublayer Physical layer Protocolli d'accesso al canale wireless e dei protocolli di comunicazione Convergence sublayer Mapping verso protocolli connectionless e connection-oriented Capitolo XI 32/39 Copyright Ing. G. F. Rossi,

33 IEEE Alcune caratteristiche dei livelli Physical layer GHz (comms line-of-sight) & 2-11 GHz (comms non-line-of-sight) Diversi tipi di modulazioni (che determinano diversi tipi di velocità di trasferimento) MAC common part sublayer E' un protocollo connection-oriented Ciascuna SS è identificata da un indirizzo MAC universale a 48 bit Utilizzo di codifiche per la diagnosi e la correzione degli errori (è una cosa insolita in quanto di norma questa operazione avviene solo a livello 2) Capitolo XI 33/39 Copyright Ing. G. F. Rossi,

34 IEEE Caratteristiche dello standard di base Struttura point-to-multipoint a multi-celle create attraverso una stazione base con antenne direzionali Gamme di frequenza GHz 2-11 GHz (introdotte da IEEE a) Diversi schemi di modulazione in funzione della qualità del canale, che permettono velocità elevate con canali poco rumorosi, mentre velocità inferiori con canali più rumorosi Subscriber Station (SS) Base Station (BS) Subscriber Station (SS) Capitolo XI 34/39 Copyright Ing. G. F. Rossi,

35 IEEE Cenni alle fasi della comunicazione All'inizializzazione ogni SS deve attivare una serie di connection di servizio con la BS Una SS, quando deve trasmettere "dati", chiede banda alla SS per attivare una o più connection per il trasferimento di tali "dati" (in questa fase ci può essere contesa tra più SS e quindi collisione) Quando la richiesta di banda in contesa ha successo (= non si verifica la collisione) allora la stazione otterrà la propria banda dedicata Capitolo XI 35/39 Copyright Ing. G. F. Rossi,

36 IEEE & WiMAX Forum Associazione no-profit nata nel Giugno del 2001, formata da costruttori/fornitori di apparati wireless Per saperne di più... Obiettivo primario dell'associazione Promuovere e facilitare lo sviluppo e la diffusione di apparati wireless a banda larga basati sugli standard IEEE Aspetto fondamentale Garantire l'interoperabilità tra apparati di costruttori diversi (WiMAX Forum Certified ), attraverso una serie di test svolti in laboratorio Il logo di WiMAX Forum Capitolo XI 36/39 Copyright Ing. G. F. Rossi,

37 Wireless Personal Area Network (WPAN) Il caso 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 PAN IEEE Nota sugli standard Bluetooth specifica l'intero sistema (dal livello fisico al livello applicativo) IEEE specifica solo i livelli 1 e 2 Il logo del SIG Bluetooth Capitolo XI 37/39 Copyright Ing. G. F. Rossi,

38 Bluetooth La struttura della rete L'unità di base è composta da una piconet (1 master + max 7 slave attivi situati in un raggio di 10 m.) 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 a divisione di tempo 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 XI 38/39 Copyright Ing. G. F. Rossi,

39 Bluetooth Lo strato fisico (radio) Utilizzo della banda ISM (2,4 GHz) Trasmissione spread spectrum frequency hopping con cambi di canale al secondo La sequenza delle frequenze da utilizzare viene decisa dal nodo master Trasmissione con bassissima potenza (all'incirca 1 mw) 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 Capitolo XI 39/39 Copyright Ing. G. F. Rossi,