WirelessLAN (WLAN): Standards a Bassa ed Alta velocità (IEEE 802.11b e 802.11a) Davide Patrucco Tania Cerquitelli Be Wireless Non tutte le reti utilizzano cavi: alcune sono wireless Le reti wireless sono differenti come filosofia, hanno diversi vantaggi e differenze sostanziali rispetto a quelle wired 1 2 Perché Wireless (1) Eliminazione del cablaggio Riduzione dei costi associati alle infrastrutture di rete Il mezzo non si guasta: si riducono i costi associati alla manutenzione Possibilità di collegare ambienti con una logistica complessa non adatti al cablaggio (edifici storici etc...) Viene facilitata l implementazione di reti temporanee Mobilità Le wireless garantiscono la connettività all utenza in movimento Grazie alla funzionalità di Roaming, gli utenti possono comunicare con continuità anche spostandosi all interno di diverse WLAN 3 Perché Wireless (2) Scalabilità La tecnologia wireless consente di variare il numero di utenti che si collegano alla rete L aggiunta di un nuovo utente non comporta costi aggiuntivi e non presenta difficoltà Un numero eccessivo di utenti degrada le prestazioni della rete 4 Perché Wireless (3) Estensione di LAN cablate E possibile realizzare reti miste wireless-wired per venire incontro a specifiche esigenze Problematiche (1) Inaffidabilità del mezzo Le comunicazioni sono soggette ad interferenze L intrinseca inaffidabilità dell etere complica la trasmissione Servono algoritmi di controllo dell errore Le velocità sono ridotte L area di copertura risulta limitata Riflessioni Multiple L esistenza di più cammini di propagazione aumenta la complessità del ricevitore e della codifica 5 6 1
Problematiche (2) Consumo batterie I dispositivi mobili, quando non alimentati, sono soggetti ad un rapido consumo della loro carica Aumentando la velocità e il range aumenta la potenza trasmessa e diminuisce la durata della carica Le schede realizzano pertanto funzionalità di power saving Range di utilizzo L estensione è inversamente proporzionale al data rate A causa delle limitate potenze e dell inaffidabilità del mezzo la zona di copertura di una WLAN è limitata Per coprire zone più estese sono necessarie più aree wireless 7 Problematiche (3) Impatto sulla salute Sebbene non esistano studi certi l uso di WLAN di fatto costringe gli utenti a lavorare immersi in un campo elettromagnetico Interoperabilità Alcuni costruttori implementano funzionalità aggiuntive spesso non standard Le interfacce di rete non sono talvolta pienamente compatibili tra costruttori diversi Al fine di garantire l interoperabilità è nato un consorzio, WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance) che rilascia le certificazioni Wi-Fi (Wireless Fidelity) 8 Problematiche (4) Sicurezza Problematiche (5) Connettività ed interazione con livelli superiori Le trasmissioni sono virtualmente ascoltabili da chiunque si trovi nell area Sono dunque necessari algoritmi per criptare le comunicazioni L algoritmo si chiama WEP (Wireless Equivalent Privacy) ed usa una chiave per ogni coppia di comunicanti Non è però completamente sicuro I protocolli di livello superiori dovrebbero essere indipendenti dalle tecnologie di quelli sottostanti In realtà l uso di protocolli a livello 4 connessi risulta problematico poiché le WLAN hanno la tendenza a perdere pacchetti, con conseguente caduta delle connessioni 9 10 Problematiche (6) Legislazione italiana Ieri.. Era necessario effettuare la richiesta di autorizzazione al Ministero, contestualmente versare 500.000 e 50.000 per ogni dispositivo installato Oggi: Direttiva 99-05, pubblicata sulla Gazzetta Ufficiale numero 156 del 7 luglio 2001 Sono state liberalizzate le comunicazioni wireless: l'italia si è allineata alle direttive europee e alla normativa già in vigore negli altri Paesi dell'ue Gli apparati wireless operanti nella banda dei 2,4 GHz possono essere installati e utilizzati liberamente, purché omologati dal Ministero delle Comunicazioni o con il marchio CE Standards (1) 802.11 overview 11 12 2
Standards (2) 802.11: definito nel 1997, specifica i livelli MAC e PHY (physical) A livello MAC utilizza una variante di CSMA/CD definita come CSMA/CA (CSMA/Collision Avoidance) Utilizza per la trasmissione i sistemi FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum), DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), DFIR (Diffused Infra-Red) Standards (3) 802.11b Estensione di 802.11, specifica per il livello fisico l uso di HR-DSSH (High Rate DSSS) che lavora intorno ai 2,4 Ghz e con data rate di 5.5 Mbit/s fino a 11 Mbit/s Attualmente è lo standard più diffuso 802.11a Estensione di 802.11, specifica per il livello fisico l uso della tecnica OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), operante nella banda intorno ai 5 Ghz e che permette di ottenere data rate fino a 54 Mbit/s Si sta diffondendo solo di recente 13 14 Compatibilità 802.11b e 802.11a I due standard utilizzano il medesimo livello MAC, ma differiscono in quello fisico Quindi due terminali interoperano solo se interconnessi mediante Access Point Dual Slot (che agisce come un bridge) L Access point deve dunque parlare entrambi gli standard Interfaccia con reti cablate Wireless Local bridge Access Point E un dispositivo che interfaccia la rete wireless con una wired Copre una ben determinata area Consente ai dispositivi di passare da una cella all altra garantendo la connettività Può essere utilizzato semplicemente come ripetitore di segnale 15 16 Topologie (1) Ad-Hoc Network E la realizzazione più semplice e comune In essa si realizzano comunicazioni peer-to-peer tra ogni stazione L area minima di copertura prende il nome di BSA (Basic Service Area) 17 Topologie (2) Reti Estese Sono caratterizzate dalla presenza di un distribution system, (un wired backbone) che interconnette diverse BSA Ad ogni BSA fa capo un Access Point Lo standard 802.11 non stabilisce come debba essere realizzato il backbone 18 3
Il livello MAC (1) Il livello MAC fornisce i servizi Autenticazione Utilizzata per verificare l identità delle stazioni che vogliono stabilire fra loro un link diretto di comunicazione Lo standard fornisce il supporto e lascia la possibilità di implementare protocolli di autenticazione diversi Associazione Ogni stazione deve associarsi con un access point prima di poter inviare dati attraverso un distribution system E il primo passo che consente alla stazione di muoversi tra celle diverse Il livello MAC (2) Disassociazione E la notifica effettuata da una stazione quando lascia la rete o da un access point quando viene disconnesso da tutte le stazioni per problemi di manutenzione Termina una precedente associazione Distribuzione Viene utilizzato da tutte le stazioni che devono inviare frame MAC attraverso un distribution system Per effettuare il trasporto dei frame si sfruttano tutte le informazioni di associazione 19 20 Il livello MAC (3) Il livello MAC (4) Riassociazione Offre la possibilità a una stazione di modificare lo stato di associazione La stazione può cambiare la sua associazione da un access point a un altro effettuando il trasferimento da una cella ad un altra Permette la mobilità delle stazioni al di fuori del BSA (roaming) Privacy Implementa le politiche di sicurezza, utilizzando algoritmi per criptare e decrittare i messaggi Integrazione Permette lo scambio di frame Mac tra un distribution system e una LAN e viene svolto da una particolare Accesso al Mezzo Accesso centralizzato: vi è un entità centrale (solitamente l Access Point) che coordina la trasmissione delle trame determinandone le tempistiche Accesso distribuito: tramite un algoritmo di contesa chiamato DCF (Distribution Control Function) si ottiene l autorizzazione a trasmettere stazione detta portal 21 22 Roaming E la funzionalità grazie alla quale un utente si sposta da una cella ad un altra senza perdere la connettività Lo standard 802.11 non definisce esplicitamente come il roaming deve essere eseguito ma definisce le tecniche alla base del processo Lo standard non specifica inoltre come gli access point conformi a 802.11 e di diversa provenienza debbano comunicare tra di loro sulla dorsale di rete cablata. Al momento la questione è stata risolta direttamente dai produttori A tal fine è stato definito il protocollo IAPP (Interaccess Point Protocol) Protocollo IAPP (1) Protocollo di Roaming Definisce la modalità con la quale i punti di accesso comunicano attraverso il backbone al fine di passarsi il controllo dei vari utenti mobili Utilizza il protocollo di livello trasporto UDP e il protocollo IP per il livello rete Prevede due protocolli base Announce Protocol e Handover Protocol Realizzato da un gruppo di produttori guidati da Aironet Wireless Communications, Lucent technologies e Digital Ocean 23 24 4
Protocollo IAPP (2) Esempio di roaming (1) Announce Protocol Coordina gli access point Informa gli altri access point della nuova attività di un access point Informa l access point interessato della nuova configurazione di rete Handover Protocol Informa l access point che una sua stazione si è riassociata con un altro access point Il vecchio access point invia i frame destinati alla stazione al nuovo access point Il nuovo access point modificherà il suo database per far pervenire i frame alla sua nuova stazione Un terminale generico, nel nostro caso un notebook in movimento verso destra, viene agganciato normalmente dall'access Point n 1 e vi rimane allacciato senza problemi finchè si trova nell'area azzurra che ne delimita la copertura 25 26 Esempio di roaming (2) Spostandosi verso destra entra nel raggio di copertura comune agli Access Point n 1 e n 2. In questo momento i due AccessPoint comunicano tra loro via backbone, ed il teminale rimane allacciato all'accesspoint che lo riceve più chiaramente Esempio di roaming (3) Proseguendo verso destra, il client viene allacciato dall'accesspoint n 2 che ne prende il possesso. In questo modo ogni singolo terminale può spostarsi attraverso tutto l'area senza perdere connettività 27 28 Il Livello PHY (1) Funzionalità Ascolto del canale (carrier sense) La rilevazione di una trasmissione avviene confrontando l energia ricevuta dal canale con un valore di soglia Trasmissione e ricezione La trasmissione utilizza tecniche di modulazione al fine di ottenere uno spettro diffuso (spread spectrum) Il Livello PHY (2) Modulazione spread spectrum Le trasmissioni classiche avvengono in banda stretta (narrowband) La modulazione spread spectrum diffonde lo spettro del segnale su un più ampio range di frequenze Aumenta il rapporto segnale/rumore Si ha una minore sensibilità ai disturbi Richiede più banda Consente di ottenere data rate più elevati 29 30 5
Il livello PHY (3) Tecniche di trasmissione Lo standard prevede Frequency Hopping Spread Spectrum, dove la comunicazione avviene cambiando continuamente la frequenza, seguendo un pattern prestabilito Implementato in 802.11 Utilizza almeno 75 frequenze, nella banda attorno ai 2.4GHZ Se una frequenza risulta disturbata si passa alla successiva nel pattern Consente di raggiungere i 2Mb/s L area di copertura va dai 30 ai 150 metri 31 Il Livello PHY (4) Direct Sequence Spread Spectrum, in cui il segnale da trasmettere viene combinato con un codice ad alta frequenza, chiamato chipping code, con una tecnica simile al CDMA Implementato in 802.11 Lavora nella banda attorno ai 2.4GHz Il numero tipico di chip nel chipping code è 11, ma aumentandone il numero aumenta il rapporto segnale/rumore Consente di raggiungere i 2Mb/s L area di copertura va dai 30 ai 150 metri 32 Il Livello PHY (5) High Rate - Direct Sequence Spread Spectrum, variante di DSSS (e con esso compatibile) ma che permette di raggiungere data rate più elevati. Definito nell estensione 802.11b Lavora nella banda attorno ai 2.4GHz E attualmente la tecnica più usata Prevede velocità di 5.5Mb/s e di 11Mbs L area di copertura è di circa 80m (a 11Mb/s) Il Livello PHY (6) Orthogonal Frequency Division Multiplexing, divide il segnale da trasmettere in più sottosegnali che vangono trasmessi in parallelo a diverse frequenze. Implementato in 802.11a Interopera con 802.11b solo tramite l uso di bridge Lavora nella banda attorno ai 5GHz Consente di raggiungere i 54 MB/s Ll area di copertura è di circa 30m (a 54Mb/s) 33 34 Il Livello PHY (7) Trasmissione basata su raggi infrarossi, utilizza impulsi che vengono proiettati su una superficie, solitamente il soffitto Definito in 802.11 Cconsente di trasmettere a 1 o 2 Mb/s Ha una maggiore immunità al rumore e migliore sicurezza L area di copertura è di circa 30m Adatto solo ad un uso indoor Non molto utilizzato TCP ed IP su Wireless (1) Problematiche Protocollo TCP Occupa in maniera inefficiente la limitata banda a disposizione delle reti wireless mediante l invio di pacchetti per la negoziazione della connessione e altri contenenti solo ACK Nel passaggio da una copertura di una cella alla successiva (connessione al confine), TCP terminerebbe la connessione con il precedente access point e richiederebbe di stabilirne una nuova con il nuovo access point Una soluzione è l uso di middleware 35 36 6
TCP ed IP su Wireless (2) Protocollo UDP UDP si aspetta che il mezzo sia affidabile, pertanto hanno dei problemi quelle applicazioni che ne fanno uso Protocollo IP Non è in grado di gestire il trasporto dei pacchetti destinati a stazioni mobili che attraversano celle appartenenti a diversi domini (separati da router). Infatti la rete non è in grado di instradare i pacchetti destinati al terminale mobile senza che il suo indirizzo IP sia stato cambiato con uno nuovo appartenente al nuovo dominio in cui la stazione si trova Soluzione: Mobile IP Mobile IP (1) Protocollo di livello 3, specificato nell IETF RFC 2002 Permette alle stazioni mobili di muoversi attraverso reti di differente dominio mantenendo l indirizzo IP della configurazione iniziale, senza la necessità di riassegnazione di un nuovo indirizzo Utilizza un meccanismo basato su due indirizzi per continuare il trasporto dei pacchetti destinati ad una stazione che si sposta da una cella ad un altra home address, indirizzo statico della stazione care-of address, indirizzo assegnato dinamicamente 37 38 Mobile IP (2) Il Mobile IP prevede l uso di due agenti Home agent Risiede nella cella d origine della stazione mobile Intercetta i pacchetti destinati alla stazione mobile e li reinstrada verso l host mobile consegnandoli al foreign agent Foreign agent Risiede nella rete remota Riceve i pacchetti e li trasporta al mobile node Mobile IP (3) Agent Discovery Necessario per collegare il mobile node al foreign agent Periodicamente il foreign e l home agent inviano messaggi broadcast per informare i mobile nodes della loro presenza (advertsiment) Il mobile node trasmette in broadcast un messaggio indicando la sua presenza nella rete per scoprire se è disponibile un foreing agent (solicitation) Dopo aver ricevuto la comunicazione da un home o foreing agent, il mobile node determina se è localizzato in una home o foreing network 39 40 Mobile IP (4) Viene assegnato un indirizzo al mobile node che si trova in una foreign network. Esistono 2 metodi: Il foreing agent assegna un unico indirizzo (il suo) a tutti i mobile node che entrano nel suo dominio ottimizzando l utilizzo degli indirizzi disponibili con IPv4. Quando il foreign agent invia il messaggio broadcast per indicare la sua presenza, questo contiene il suo indirizzo Il mobile node può ottenere l indirizzo IP temporaneo dinamicamente attraverso un protocollo come DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol). In questo caso non è necessario la presenza di un foreing agent ma è richiesto un range di indirizzi sufficienti per i mobile nodes in visita Mobile IP (5) Dopo l assegnazione del nuovo indirizzo avviene la registrazione presso l home agent L home agent intercetta i pacchetti destinati alla stazione mobile e li reinstrada verso il foreign agent specificato durante la registrazione L invio di pacchetti tra home e foreign agent avviene via tunnelling 41 42 7
Wireless non 802.11 (cenni) Le soluzioni 802.11 non sono le uniche realizzate per wireless Bluetooth specifiche per la trasmissione in una WPAN (wireless personal area network) data rate fino a 1Mb usa FHSS nella banda 2.4GHz Wireless non 802.11 (cenni) HiperLAN Specificato dall ETSI Vi sono due versioni: HiperLAN/1: meno utilizzata, lavora nella banda a 5GHz con velocità fino a 24 Mb/s HiperLAN/2: lavora con velocità fino a 54Mb/s 43 44 Wireless non 802.11 (cenni) Reti Metropolitane WMAN Utilizzano la tecnologia wireless per la comunicazione su aree di vaste dimensioni Esistono due tipologie dominanti: MMSD, in cui una stazione trasmittente di grande potenza è utilizzata per raggiungere utenti nel raggio di 50 Km LMDS, in cui si utilizzano diverse celle più piccole; necessita che i dispositivi si vedano 45 8