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Lezione n. 11
Benvenuti, in questa lezione ci occupiamo di reti wireless, reti non cablate, specificate dallo standard IEEE 802.11. Vediamo quali sono gli argomenti che affronteremo: parleremo delle caratteristiche di queste reti dei vincoli cui devono sottostare, parleremo della standardizzazione, vedremo alcuni diversi scenari di utilizzo, i servizi del livello MAC (Medium Access Control) e infine parleremo dell’algoritmo di Medium Access Control. Quali sono le caratteristiche delle reti wireless, reti non cablate, e i vincoli cui devono sottostare? La prima caratteristica importante è che devono avere a che fare con un mezzo che è inaffidabile perché è soggetto a interferenze, perché deve avere a che fare con ostacoli nell'ambiente circostante, un ambiente circostante che cambia anche, quindi ci possono essere continui cambiamenti nell'ambiente circostante, pensiamo a ostacoli che si muovono, a persone in un ambiente di fabbrica, carrelli, autoveicoli. La rete deve essere in grado di modificare la velocità di trasmissione, quando il canale diventa meno affidabile, non è in grado di operare a velocità elevate, la rete riduce la velocità di trasmissione, dico male la rete, i terminali riducono la velocità di trasmissione e quindi i protocolli di livello superiore, per esempio il protocollo MAC, deve essere in grado anch'esso di adattarsi, di avere a che fare con questo e infine nelle reti wireless avremo una variazione di copertura; la copertura non è fissa, è difficile stabilire a priori, per copertura intendo dire quanto lontani possono essere un trasmettitore e un ricevitore perché l'ambiente cambia questa copertura può cambiare ed è difficile da stabilire a priori quindi i protocolli che si usano nelle reti wireless devono essere in grado di avere a che fare con tutti questi aspetti che derivano dal fatto che il mezzo che si usa, l'aria, è un mezzo non affidabile, di caratteristiche variabili. Per questa ragione i protocolli per le reti wireless avranno dei meccanismi per il controllo dell’errore fatto a livello data-link come per esempio meccanismi di ritrasmissione come ARQ (Authomatic Ritrasmission Request) e meccanismi di Forward Error Correction (FEC) quindi correzione degli errori senza ritrasmissioni. Il fatto che i livelli 1 e 2 debbano in qualche modo essere in grado di avere dei meccanismi per adattarsi ai cambiamenti del mezzo fa sì che anche i protocolli di livello superiore, per esempio il protocollo di livello trasporto che si occupano dell’affidabilità, devono essere in un qualche modo wireless aware, cioè devono avere delle funzionalità particolari che si usano quando a livello 1 e 2 si usino reti wireless. Una caratteristica importante delle reti wireless è la scalabilità, cioè il numero di terminali può cambiare facilmente; questo è da un certo punto di vista un vantaggio per le reti wireless perché io posso fare crescere la mia rete in modo graduale, posso aggiungere e rimuovere terminali facilmente, che è molto comodo per esempio per gestire terminali che sono temporaneamente collegati alla rete, pensiamo ad ospiti in una situazione di ufficio, però d'altro canto è anche potenzialmente un problema perché un elevata densità di terminali riduce le prestazioni; anche se non abbiamo ancora visto come funziona lo standard veramente, chiaramente siccome abbiamo un mezzo condiviso che è appunto l’etere, che si usa per trasmettere, chiaramente più terminali avrò più questi dovranno condividere la banda. Dunque avere tanti terminali, per quanto la rete possa crescere facilmente, possa facilmente aggiungere terminali, avere tanti terminali diventa un problema, si hanno problemi di prestazioni ecco allora che normalmente le reti wireless si usano come estensioni delle reti cablate, le reti wireless non sono viste con un modo per sostituire completamente le reti cablate, ma come estensione, cioè per esempio in una ambito aziendale, in un abito di ufficio si avrà una rete cablata a cui vengono collegate tutte quelle stazioni che sono permanentemente collegate alla rete e sono fisse, non si muovono da un ufficio all'altro, pensiamo ai desktop, ai PC che mettiamo nelle stazioni di lavoro e poi questa viene affiancata da una rete non cablata, una rete wireless per gli ospiti, per i terminali che si muovono tipo gli smartphone per i laptop, perché si portano da una stanza all'altra. Un altro aspetto importante nelle reti wireless è quello della sicurezza perché la connessione alla rete è particolarmente semplice, non serve un contatto fisico come nelle reti cablate, per collegarsi alla rete bisogna che la stazione veramente sia vicino al cavo, sia attaccata al cavo; nella rete wireless non è così e quindi diventa più facile sia spiare il traffico sia collegarsi alla rete e usare la rete. Diventa dunque fondamentale negli standard per le reti wireless disporre di meccanismi per la riservatezza delle
informazioni, quindi chiunque può facilmente vedere il traffico, ma se non altro non deve essere capace di capire cosa questo traffico è, quindi stiamo parlando di soluzioni di cifratura per nascondere i dati e anche soluzioni di autenticazione per verificare quando una stazione cerca di usare la rete se è abilitata ad usare la rete. Quale è il percorso di standardizzazione che si è avuto nelle reti wireless? Prima di vedere proprio gli standard, vediamo un po' di nomi e soprannomi che si usano nelle reti wireless; lo standard delle reti wireless è lo standard IEEE 802.11 è una standard del gruppo di lavoro IEEE 802 quindi fa parte della famiglia di standard IEEE 802 che è un gruppo di lavoro che si occupa della standardizzazione, un comitato di standardizzazione per le reti locali e metropolitane quindi la rete wireless sono tipicamente reti locali. Quando si parla di reti wireless spesso non si parla di IEEE 802.11 ma si usano altri nomi o se vogliamo soprannomi; si parla di wireless LAN (wireless local area network) che è semplicemente un termine alternativo, un nome alternativo più informale, e si parla spesso di Wi-Fi che sta per Wireless Fidelity. Wi-Fi è il nome di un consorzio di costruttori che quando non erano ancora pronti gli standard, quindi quando il gruppo di lavoro IEEE 802.11 non aveva ancora emesso gli standard, si erano accordati per assicurare, certificare l’interoperabilità dei loro apparati, quindi Wi-Fi è una sorta di marchio che in realtà oggi non è più così necessario perché esiste uno standard quindi i costruttori posso dire noi siamo conformi allo standard e quindi sappiamo che gli apparati interoperano, ma prima che lo standard fosse ratificato, siccome c’era una grossa necessità da parte del mercato, una grossa richiesta di usare apparati che permettessero trasmissione senza l'uso di cavi quindi trasmissione wireless, i costruttori hanno detto: ok, noi ci mettiamo d'accordo, se mettiamo il bollino Wi-Fi vuol dire che questi apparati, pur non essendo confermi a uno standard che ancora non esiste, sono in grado di interoperare tra di loro e gli apparati con bollino Wi-Fi sono in grado di interoperare tra di loro. Allora ancora oggi quando ci si riferisce alle reti wireless le si chiama Wi-Fi. Lo standard che standardizza i protocolli delle reti wireless è IEEE 802.11 e vediamo quella che è l'architettura o meglio vediamo che IEEE 802.11 si colloca nella architettura generale del gruppo di lavoro IEEE 802 ed è
sono in grado di operare tra 5.5 e 11 megabit al secondo, tra 8 e 54 megabit al secondo, tra 5.5 e 54 megabit al secondo. Ora notiamo appunto queste varie velocità trasmissive per ogni standard fisico perché come dicevamo prima questi standard fisici sono stati progettati per funzionare su dei canali che primo non sono molto affidabili, secondo hanno caratteristiche che cambiano; allora al variare delle caratteristiche del canale sostanzialmente il trasmettitore e il ricevitore rendendosi conto che c'è un elevato tasso di errore a una certa velocità trasmissiva, riducono la velocità trasmissiva; riducendo la velocità trasmissiva il segnale è più robusto, è più facile per il ricevitore capire qual è il valore dei bit e i tassi di errore si abbassano. Se viceversa un trasmettitore sta trasmettendo a un bit-rate, una velocità di trasmissione che non è la massima che sa raggiungere, se vede che la trasmissione è generalmente affidabile, quindi vengono rilevati pochi errori di trasmissione, aumenta la velocità di trasmissione, che questo vuol dire chiaramente che questi standard poi prevedono dei meccanismi di rilevamento dell’errore. Tornando ai nostri standard di livello fisico, come si fanno a ottenere questi bit-rate diversi in queste zone di frequenza? Si usano codifiche diverse per esempio abbiamo uno standard che usa Frequency Hopping Spread Spectrum; questa è una codifica che è molto robusta alle interferenze e perché è importante questa robustezza alle interferenze, primo perché ci sono interferenze ambientati, ci possono essere dispositivi di vario genere anche non di comunicazione che generano interferenze nella banda dei 2.4 GHz, ma anche perché io posso avere trasmettitori di diverse reti che stanno contemporaneamente operando nella stessa banda e devo minimizzare la loro interferenza e quindi Frequency Hopping Spread Spectrum è una tecnica che ha questo vantaggio, non sto a spiegare come funzionano queste tecniche anche abbastanza sofisticate ma l'idea di base del Frequency Hopping è che il trasmettitore salta da una frequenza all’altra, quindi usa per un certo tempo molto limitato una frequenza poi una frequenza diversa poi un'altra diversa e così via secondo una sequenza pseudo casuale e quindi questo permette di far sì che io posso avere più trasmettitori che trasmettono nello stesso tempo; siccome loro continuano a cambiare frequenze sempre nella banda intorno ai 2.4 GHz ma usando delle portanti frequenze leggermente diverse siccome loro continuano a cambiare frequenza non interferiscono anche se lavorano nella stessa banda; ripeto questa è una spiegazione molto molto intuitiva di cosa è il frequency Hopping Spread Spectrum. Direct Sequence Spread Spectrum è un'altra modalità trasmissiva che ha robustezza verso le interferenze e questa di nuovo permette di operare a 1-2 megabit al secondo e poi abbiamo High Rate Direct Sequence Spread Spectrum che invece permette di raggiungere velocità tra i 5,5 e gli 11 megabit al secondo. Questo è uno degli standard oggi più utilizzati per le reti wireless. Abbiamo anche degli standard basati su Orthogonal Frequency Division Multiplexing e questi standard permettono di raggiungere velocità molto più alte, l’802.11a operando nella banda 5 GHz arriva fino a 54 megabit al secondo; 802.11g sempre usando la stessa tecnica di modulazione permette di raggiungere velocità di 54 gigabit al secondo nella fascia di frequenza dei 2,4 GHz quindi la stessa fascia di frequenza usata dagli altri standard. Fatta questa panoramica sui vari standard di livello fisico diamo un'occhiata a quello che è stato il percorso di standardizzazione di questi standard. Allora 802.11 è stato inizialmente standardizzato nel 1997, il progetto generale; lo standard di livello fisico 802.11b nel 1999, e questo come dicevo è uno dei più comuni utilizzati. Oggi in realtà si usa molto anche 802.11g, ma l’802.11b è molto più comune dell’802.11a sempre standardizzato nel 1999. Notiamo che l’802.11a usa una banda di frequenza diversa, usa la banda a 5 GHz, quindi 802.11b è preferibile anche dai costruttori perché opera nella stessa banda di frequenza degli altri standard, quelli a 1-2 mega standardizzate inizialmente quando lo standard IEEE 802.11 è stato ratificato nel 1997, quindi dal punto di vista della costruzione delle schede è più facile costruire una scheda multistandard che può operare con gli standard di livello fisico base 1-2 megabit al secondo così come l’802.11b. Aggiungerci anche l’802.11a, è vero che permette di raggiungere velocità più elevate di trasmissione fino a 54 megabit al secondo ma richiede di fare una scheda con trasmettitore che opera in una fascia di frequenza diversa quindi un pochino più costose, ecco quindi che ha avuto una diffusione minore. Nel 2003 è stato standardizzato IEEE 802.11g che raggiungere velocità di 54 megabit al secondo, quindi così come l’802.11a, ma nella banda di frequenze 2.4 GHz e quindi oggi si hanno molte schede moderne che sono normalmente multistandard e sono in grado di operare in modalità “g” così come “b”, gli standard base, quindi possono operare con una velocità che varia tra un megabit al secondo e 54 megabit al secondo a seconda di cosa? A seconda di quanto
affidabile il canale è, quindi la stazione che deve trasmettere chiaramente interagendo con il ricevitore cerca di capire qual è la velocità massima cui riesce a trasmettere senza troppi errori di trasmissione quindi si assesta su quella velocità fintanto che la situazione non cambia, quindi deve eventualmente ridurre o aumentare la velocità; questo dipende dalle condizioni del canale quindi dipende perfino dalle condizioni atmosferiche, dipende dal fatto che ci siano ostacoli o meno tra trasmettitore e ricevitore, dipende dalle interferenze ambientali, dipende da quante altre reti wireless LAN sono utilizzate nello stesso spazio. Quindi insomma è parecchio difficile sapere a priori a che velocità una rete wireless funzionerà. Questo va mediamente bene per tutte le applicazioni, chiamiamole consumer, quindi per l'utente privato, per le applicazione d’ufficio e diventa invece critico per applicazioni per esempio di automazione di fabbrica dove se si vuole controllare un braccio robotizzato tramite una rete wireless, tramite un controllore collegato a una rete wireless al braccio, diventa problematico perché non si sa a priori quanto velocemente il controllore riuscirà a comunicare con il braccio robotizzato e quindi può diventare rischioso, possono esserci danneggiamenti al materiale che si sta lavorando così come al braccio e ovviamente pericoloso per le persone. Tornando alla standardizzazione, altri sotto standard importanti sono l’IEEE 802.11e che è stato standardizzato nel 2000 sulla “qualità di servizio”; vedete come man mano che le reti wireless LAN sono state utilizzate di più sono nate nuove esigenze, si sono aggiunti nuovi sotto standard. Quindi cosa cerca di fare lo standard sulla qualità del servizio? Cerca di differenziare il traffico in base al traffico che ha bisogno di un servizio migliore di un altro e fare in modo che il trasmettitore possa scegliere ad esempio di trasmettere prima una trama MAC che appartiene ad una telefonata perché è importante che arrivi il più presto possibile e trasmettere magari un po' dopo una trama MAC che contiene dati relativi un file transfer che non ha invece grossi vincoli di ritardo. Chiaramente l'idea è che il livello MAC non sa che cosa sono i dati contenuti ma ci deve essere un modo per cui i livelli superiori possono dire al livello MAC, che implementato in genere sulla scheda di interfaccia, in quale classe di servizio mettere il traffico che devono essere inviate. Altro standard importante è l’IEEE 802.11i del 2001 che riguarda la sicurezza e l’802.11F del 2003 che definisce un protocollo che si chiama Inter-access poin protocol (IAPP), vedremo tra un attimo che cosa sono gli access point, questo è un protocollo che permette a una stazione di muoversi da una rete LAN a un'altra, da una rete wireless a un'altra quindi questo è uno standard importante per supportare la mobilità, mobilita intesa come mobilità mentre la stazione è attiva da una rete wireless all’altra. Quali sono i possibili scenari di utilizzo delle wireless LAN; l'elemento base nelle wireless LAN si chiama Basic Service Set (BSS) ; si può tradurre come insieme di servizi di base ma ha poco senso, è un termine tecnico. Che cosa vuol dire allora, vediamo che cos'è un Basic Service Set. Sostanzialmente se abbiamo due o più terminali che comunicano nella stessa wireless LAN, diciamo che loro costituiscono un Basic Service Set e ci sono due tipi di Basic Service Set, il così detto Independent Basic Service Set , chiamato anche Ad hoc network perché questo è un Basic Service Set nel quale le stazioni comunicano direttamente tra di loro quindi non hanno bisogno di infrastruttura, ecco perché si chiama independent, le stazioni in modo indipendente da quello che gli sta intorno possono comunicare; si chiama anche ad hoc perché le reti ad hoc sono reti che si fanno per uno scopo particolare; l'esempio tipico è: c'è un'emergenza, occorre creare un sito per la gestione delle emergenze temporanee in cui devo avere tanti calcolatori che interagiscono magari sul campo in una tenda in mezzo a un prato ecco allora che devo velocemente e senza infrastruttura costruire una rete per quello scopo lì; si chiama una rete ad hoc che viene usata per quello scopo; di qui la terminologia; comunque si sente spesso parlare di reti ad hoc nel campo delle reti wireless vuol dire reti wireless dove le stazione interagiscono direttamente, che va distinto dal caso in cui nel Basic Service Set è presente un dispositivo particolare che si chiama Access Point e che le stazioni usano per comunicare, quindi in questo caso la stazione che vuol comunicare con un'altra non comunica direttamente ma passa attraverso l’Access Point; teniamo presente che magari il segnale radio inviato dalla stazione è ricevibile dall'altra, ma le stazioni non ricevono i segnali direttamente delle altre, ricevono i segnali solo dall'Access Point e quando inviano un segnale si aspettano che l’Access Point lo riceva; quindi nel Basic Service Set basato su Access Point c'è bisogno di una certa infrastruttura, infatti si chiama anche Infrastructure BSS che permette alle stazioni di comunicare. Quanto è grosso questo Basic Service Set, quanto lontane possono essere queste stazioni? Beh, da qualche metro a qualche centinaio di metri, e da
prima cosa mi presento all’Access Point, ma mi presento in un modo che permette all’Access Point di verificare la mia identità. In IEEE 802.11 l'autenticazione viene richiesta dal terminale: il terminale dice guarda che io mi voglio autenticare, queste sono le mie credenziali e il terminale conferma che effettivamente quella stazione è abilitata a usare la rete. Attenzione che l'autenticazione viene sempre fatta ma è possibile configurare gli Access Point ad accettare un tipo di autenticazione che si chiama Open System Authentication; è un termine tecnico che vuol dire sostanzialmente che l’Access Point è aperto, non fa nessun tipo di verifica; lui dice ok io voglio che mi dici chi sei, a me sta bene tutto; in un certo senso dimmi chi sei ma non mi interessa chi sei. Quindi attenzione l’autenticazione è fatta sempre quando una stazione decide di usare un Access Point, però non è detto che l’Access Point introduca qualche tipo di restrizione. Invece un altro tipo di autenticazione più restrittiva si chiama Share Key Authentication, autenticazione con chiave condivisa, quindi c'è una chiave che è condivisa precedentemente dall’Access Point e dalla stazione, questa chiave sarà una chiave segreta che nessun altro deve sapere, e quindi deve essere condivisa non attraverso la rete, ma tramite un canale sicuro; per esempio questa chiave viene fornita tramite configurazione alla stazione e all’Access Point, ci sarà capitato, siccome ormai oggi usiamo tutti dei terminali con interfacce wireless, di provare ad accedere ad una rete wireless e ci viene chiesta una chiave che l’Access Point ha e che si aspetta anche i terminali abbiano, e l’Access Point lascerà accedere alla rete solo a quei terminali che possiedono quella chiave. Questo è un modo per dire che i terminali che hanno diritto a usare la rete sono i terminali a cui è stata fornita questa chiave segreta da chi ha configurato il terminale. L’altro aspetto importante dello standard è quello della riservatezza, della privacy dei dati; allora IEEE 802.11 definisce un meccanismo di riservatezza che si chiama Wired Equivalent Privacy web (WEP), vuol dire fare in modo che il canale wireless dal punto di vista della privacy sia equivalente a un canale cablato, quindi chiaramente siccome su un canale wireless ogni stazione può ascoltare il segnale ma non capirà quali sono i dati trasmessi e questa soluzione è basata sulla cifratura asimmetrica, cioè i due terminali in comunicazione hanno una chiave segreta che usano per cifrare i dati; in realtà questa soluzione è molto debole ed ecco allora che in seguito è stato ratificato lo standard 802.11i che prende il nome di WiFi Protected Access (WPA); questo realizza dei meccanismi di cifratura e anche in realtà di autenticazione più sofisticati, più robusti. Un altro servizio importante del MAC è il servizio di associazione e disassociazione della stazione all’Access Point; la stazione che vuole usare un certo Access Point deve in certo senso mettersi d'accordo con l’Access Point e creare un'associazione tra il terminale e l’Access Point e di conseguenza se c'è un Distribution System, cioè se abbiamo una situazione di varie BSS collegati a formare un ESS, questo anche associa la stazione all'intero Distribution System, quindi gli altri Access Point verranno a saperlo tramite il protocollo che menzionavamo prima, di comunicazione tra gli Access Point, e quindi l'associazione diventa anche un meccanismo fondamentale per supportare il roaming, cioè il movimento di una stazione che era prima collegata a un Access Point e poi si collega ad un altro. Allora esiste una zona in cui due BSS sono sovrapposti, quindi dove una stazione è in grado di usare due Access Point diversi, quello che userà dipende da quello a cui si associa quindi ci sarà un protocollo con cui la stazione dice ad un Access Point guarda io adesso uso te e dice all'altro Access Point guarda che io adesso non ti sto più usando, non sto più comunicando con te, quindi questo secondo Access Point che ha saputo che la stazione non lo sta più comunicando non dovrà diciamo operare sulle trame inviate dalla stazione nonostante magari sia in grado di ricevere, di ascoltate ma non farà nulla su quelle trame. Quando una stazione deve diventare parte della rete, che cosa fa? Deve capire se intorno c'è qualche stazione o qualche Access Point che sia raggiungibile. Questa operazione si chiama Channel Scanning. Cosa vuol dire? Vuol dire che siccome lo standard prevede all'interno della banda, diciamo per esempio 2.4 GHz, diversi canali di comunicazione, la stazione li prova tutti per vedere se c'è qualche altra stazione, e può provarli in due modi diversi; in modo passivo cioè semplicemente ascoltando se qualcuno trasmette oppure in modo attivo cioè provando a generare un segnale per vedere se ci sono altre stazioni, quindi per riassumere quando una stazione deve diventare parte di una rete wireless, prima di tutto si deve autenticare poi si deve associare, chiaramente se c'è un Access Point si deve associare all’Access Point, e a questo punto adotta i vari parametri di livello MAC e di livello fisico che si usano in quella rete e può cominciare ad operare. A questo punto come funziona l'algoritmo di accesso al mezzo, il Medium Access Control. Abbiamo un mezzo condiviso, e bisogna
decidere quale delle stazioni può comunicare. Abbiamo due modalità di controllo dell'accesso al mezzo, distribuito, questa si chiama Distribution Control Function (DCF) e uno centralizzato, chiamato Point Coordination Function (PCF). Allora come funziona la Distribution Control Function? E’ basata su un meccanismo di Carrier Sense Multiple Access simile a ethernet dove per l'appunto le stazioni prima di trasmettere ascoltano il mezzo però diversamente da Ethernet dove si aveva Collision Detection in IEEE 802.11 si usa Collision Avoidance cioè si cerca di evitare le collisioni attendendo un tempo casuale prima di trasmettere e di ritrasmettere cioè la stazione prova a sentire, non c'è nessuno sul mezzo invece che trasmette immediatamente aspetta questo tempo che si chiama Backoff Time cercando di evitare che se un'altra stazione nello stesso tempo ascoltato ha trovato il mezzo libero si metterà anche lei a trasmettere contemporaneamente e ci sarà una collisione. Alternativamente si può usare un meccanismo di richiesta e attesa di permesso; scambiare due messaggi che si chiamano RTS (Request to Send) o CTS (Clear to Send). La ragione per cui si fa questo è che non si può verificare se ci sono collisioni, perché nel momento in cui il trasmettitore trasmette sostanzialmente satura il ricevitore che non può sentire collisioni; nelle reti cablate invece il trasmettitore e il ricevitore sono collegati a canali fisici diversi. Per questa ragione ci vuole un meccanismo di conferma di Acknowledgment dopo la trasmissione, quindi quando il ricevente riceve una trama MAC conferma sempre l’avvenuta ricezione. La point Coordination Function invece prevede un coordinamento centrale normalmente fatto dall’Access Point e quindi tempistiche controllate; l’Access Point, il coordinatore usa un meccanismo di “poll” per dire a chi può trasmettere e questo meccanismo può coesistere col DCF. Grazie molte per la vostra attenzione.
