Introduzione
a) Le reti Wireless.
Le reti wireless presentano una serie di vantaggi rispetto alle reti classiche: si elimina il vincolo del punto fisso nel collegamento alla rete; inoltre risulta rapida e semplice l’installazione della rete stessa data la possibilità di collegare tra loro i terminali senza stendere cavi. A questi vantaggi, però, si contrappongono non poche limitazioni, a causa di una serie di problematiche dovute principalmente alla natura stessa di reti nelle quali la connettività è basata sull’uso di un mezzo inaffidabile come l’etere. Dapprima il loro utilizzo è stato fortemente condizionato dalle limitazioni intrinseche della tecnologia, come quelle sulle velocità trasmissive, non comparabili a quelle ottenibili con reti cablate. Con il maturare della tecnologia, l’interesse per queste reti è aumentato, rendendole competitive rispetto alle LAN tradizionali.
Una WLAN (Wireless Local Area Network) è un sistema flessibile di comunicazione, basato sulla trasmissione dei segnali tramite onde elettromagnetiche a radiofrequenza (RF) o infrarosso (IR) che va visto come estensione o alternativa ad una rete LAN con struttura cablata. Le caratteristiche proprie delle reti wireless sono la mobilità e la flessibilità, qualità molto importanti che permettono alla tecnologia senza fili di affiancare se non sostituire, nel mondo delle LAN (Local Area Network), la tecnologia wired, che con lo standard 802.3 Ethernet ha raggiunto ottimi risultati in termini di prestazioni, costo e sicurezza.
Grazie a questa tecnologia gli utenti non hanno più il vincolo legato al punto di connessione, possono altresì muoversi all’interno di una rete wireless rimanendo connessi. Il fatto che questa tecnologia sia perfettamente compatibile con la già presente via cavo permette di ampliare una rete LAN senza il bisogno di ulteriori cablaggi.
b) Pro e contro delle WLAN
I principali vantaggi della tecnologia WLAN sono:
• Mobilità: uno dei principali vantaggi è sicuramente quello di permettere agli
utenti di muoversi liberamente attraverso le stanze di un edificio, mantenendo la possibilità di connettersi alla rete, senza l’assillo del collegamento via cavo. Ovviamente questa possibilità è da vedersi nell’ambito di un’area coperta dal servizio, nella quale grazie al roaming, è possibile utilizzare tutti i servizi offerti dalla rete.
• Installazione rapida e semplice: l’installazione di una rete WLAN risulta
semplice e veloce data l’esigua necessità di collegamenti fisici all’interno degli edifici. Alle volte oltre che comoda, questa tecnologia risulta essere necessaria; si pensi a quei casi come gli edifici sotto la tutela artistica nei quali non sia possibile fare interventi invasivi.
• Riduzione dei costi: i benefici economici si vedono a lungo termine, poiché
l’investimento iniziale legato all’acquisto degli apparati risulta essere più gravoso nel caso delle WLAN rispetto alle reti LAN. D’altro canto le spese complessive di gestione di una rete wireless risultano di gran lunga inferiori, poiché soprattutto in ambienti dinamici, dove sono frequenti gli spostamenti, la rete via cavo andrebbe riadattata facendo lievitare i costi.
• Scalabilità: le WLAN hanno dalla loro la possibilità di essere configurate in un
gran numero di soluzione dalla grande azienda al singolo appartamento. Ogni configurazione può essere semplicemente modificata, nel tempo, venendo incontro alle esigenze lavorative che via via si rendono necessarie.
• Compatibilità: gli apparati wireless nati sull’onda dei vari Standard 802.11 sono
perfettamente compatibili, in modo da non stravolgere, nel passaggio da uno standard al successivo, le topologie di rete preesistenti.
Alcuni aspetti meno vantaggiosi delle WLAN:
• Velocità: le reti wireless hanno uno scambio dati inferiore alla rete fissa Ethernet.
Infatti si va dagli 11Mbps della tecnologia Wi-Fi (802.11b) ai 54 Mbps dei prodotti 802.11a e 802.11g. Tuttavia per quanto riguarda le applicazioni pratiche il reale valore della velocità (Troughput) viene a dipendere fortemente da fattori legati alla distanza di propagazione e all’interferenza dei cammini multipli che riducono l’efficienza del collegamento wireless a diretto vantaggio della rete Ethernet.
• Sicurezza: la sicurezza dei segnali via etere è inferiore rispetto alle soluzioni via
cavo. Basti pensare che i segnali potrebbero essere intercettati servendosi di un apparato funzionante con lo stesso Standard. Proprio per questo vengono adottati sistemi di cifratura attraverso l’introduzione di chiavi di protezione.
• Interferenza: può capitare di avere interferenza da un’altra rete wireless posta
nelle vicinanze o da altri apparati che lavorano sulla stessa banda di frequenze, come ad esempio il bluetooth o gli apparecchi a microonde.
• Autonomia batterie: il vantaggio introdotto dalla mobilità ha come rovescio della
medaglia la necessità di economizzare il consumo delle batterie degli apparecchi mobili. Tale risparmio viene in parte garantito dal sistema Power Management, secondo cui viene fornita più potenza nei momenti di trasmissione e ricezione o minore potenza nei momenti di standby.
c) Storia
Le prime connessioni wireless furono stabilite una ventina di anni fa. L’adozione della tecnologia wireless, tuttavia, è avvenuta molto lentamente. Il processo di implementazione è stato lento per tre motivi.
Innanzitutto, le velocità originarie di trasmissione wireless dei dati erano troppo lente per poter essere utilizzate dagli utenti predominanti di una LAN condivisa. Sebbene il throughput aumentasse gradualmente, le velocità di rete restavano a livelli decisamente inferiori rispetto alle LAN cablate. Secondariamente, il mercato era dominato da soluzioni proprietarie non standard che limitavano l’interoperabilità dei dispositivi e garantivano la tranquillità degli utenti, che potevano scegliere tra vari fornitori. Infine, le soluzioni proprietarie a bassa velocità erano molto costose rispetto a quelle cablate. Nel 1990 l’IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) ha istituito il gruppo di lavoro WLAN 802.11 allo scopo di sviluppare la tecnologia wireless; i primi risultati si sono avuti nel 1997 con la nascita dello standard 802.11, il quale definisce il Medium Access Control (MAC) e un Physical Layer (PHY) riferendosi al modello OSI (Open System Interconnect). Lo standard 802.11 permette di raggiungere data rate di 1 e 2 Mbps nella banda ISM (Industrial Scientific Medical). Per cercare di avvicinare le velocità della tecnologia wireless a quelle della tecnologia wired, nel 1999 sono state presentate due estensioni all’802.11, cioè gli standard 802.11b e 802.11a. L’IEEE 802.11b utilizza la stessa banda ISM alla frequenza di 2.4Ghz, introduce la modulazione CCK (Code Complementary Keying) e raggiunge data rate sino a 11Mbps.
Dopo essere stato riconosciuto dal WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance) con il marchio Wi-Fi (Wireless-Fidelity) (fig 1.1), che assicura la compatibilità e l’interoperabilità tra i prodotti di diverse aziende costruttrici, lo standard 802.11b si è affermato nel mondo industrializzato.
Fig.1.1 Il marchio Wi-Fi
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Figura 1
Nella definizione dello standard IEEE 802.11a non è stata intrapresa la via della compatibilità verso gli altri standard, anzi è stato sviluppato un nuovo livello fisico basato sulla tecnica di modulazione OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) nella banda dei 5 GHz, raggiungendo dei data rate sino a 54 Mbps.
Lo standard 802.11a è stato penalizzato dalla scelta della frequenza di lavoro a 5 GHz nella banda U-NII (Unlicensed National Information Infrastructure), la cui concessione è regolamentata da norme particolarmente restrittive; inoltre, soprattutto in ambito indoor con la frequenza a 5GHz si ottengono prestazioni inferiori che con quella a 2.4GHz.
La maggior diffusione di apparati funzionanti nella banda ISM ha spinto l’IEEE a fondare, nel luglio 2000, il TGg (Task Group g) con lo scopo di definire una nuova estensione dello standard 802.11 per le alte velocità a 2.4 GHz. Il nuovo standard IEEE 802.11g, approvato il 12 giugno 2003, riesce a raggiungere data rate massimi pari a 54 Mbps nella modalità OFDM standard ed in quella opzionale DSSS-OFDM; garantisce la compatibilità con l’802.11b attraverso la modalità standard CCK.
d) Lo standard 802.11: Architettura generale.
La necessità di uno standard nasce dal fatto che tali dispostivi devono spesso coesistere all’interno della stessa rete locale.
Figura 2
Come di consueto per reti LAN, il sistema condivide con le altre LAN di IEEE lo strato LLC (funzioni di controllo errore, flusso, creazione del circuito virtuale, ecc…) per poi differenziarsi nello strato MAC e nello strato fisico. A differenza delle altre reti le WLAN possono usare diversi mezzi wireless:
1. Canale radio in banda 2.4 GHz.
Stati Uniti 2.400-2.4835 GHz Europa 2.400-2.4835 GHz Giappone 2.471-2.497 GHz Francia 2.465-2.4835 GHz Spagna 2.445-2.475 GHz
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2. Infrarossi. 300-428 THz
Le bit Rate supportate dall’interfaccia radio dallo standard IEEE 802.11b sono: Data Rate Modulazione Symbol Rate
1 MBps BPSK 1 MSps
2 MBps QPSK 1 MSps
5.5 MBps BPSK 1.375 MSps
11 MBps QPSK 1.375 MSps
Tabella 1
L’uso di canali radiomobili o comunque di ambiente wireless apre una serie di problematiche non
incontrate finora nelle tradizionali LAN, Ethernet e Token Ring.
e) Topologie di rete
Il fondamentale blocco base dell’architettura IEEE 802.11 è il Basic Service Set (BSS) (fig. 2.6) che comprende un insieme di stazioni che si trovano nella stessa area geografica e che sono sotto il controllo di una singola Coordination Function che può essere DCF (Distributed Coordination Function), nel controllo distribuito, o PCF (Point Coordination Function), nel controllo centralizzato che ha sede nell’access point .
Fig 2.6 Basic Service Set
Figura 2
L’area geografica coperta dal BSS è detta Basic Service Area (BSA), analoga alla cella nella rete cellulare, all’interno della quale è possibile posizionare o muovere i terminali rimanendo connessi.
Grazie alla loro flessibilità le WLAN possono assumere diverse configurazioni raggruppabili in due architetture di base:
Ad hoc network: si tratta di configurazioni di rete semplici che non prevedono l’utilizzo degli AP, quindi non possono accedere alla rete fissa e comunicano solo via etere. Un singolo BSS può essere usato per formare una rete “ad hoc”, che è anche nota nello standard come IndipendentBasic Service Set (IBSS) . Ciascuna stazione può stabilire una comunicazione diretta con qualsiasi altra stazione nel BSS, senza il bisogno di far passare il traffico attraverso un access point. I nodi wireless si possono riorganizzare autonomamente in configurazioni temporanee e arbitrarie e possono instradare pacchetti anche per conto di altri nodi. Le reti “ad hoc”, dette anche Peer to Peer, non hanno bisogno di amministrazione e configurazione, sono utili quando si deve realizzare una rete di piccole dimensioni, magari temporanea, come ad un congresso o in una riunione di lavoro. Gli svantaggi sono una ridotta area di servizio e la minore sicurezza.
Figura 3
Infrastructure network: sono caratterizzate dalla presenza degli AP e quindi anche
dalla possibilità di accedere alla rete fissa. Ogni BSS è controllato da un AP, che è analogo, nella BSA, alla base station della rete cellulare. Tutte le stazioni nel BSS comunicano attraverso l’access point e non direttamente. L’ AP può fornire anche connessione ad un distribution system (DS). Il DS è il mezzo attraverso il quale un access point comunica con un altro access point per scambiare trame indirizzate a stazioni nei rispettivi BSSs, per inoltrare le trame necessarie a seguire le stazioni quando si muovono da un BSS ad un altro, e per lo scambio di frame con una rete wired. L’uso del DS, che può essere wireless o wired, consente di realizzare reti IEEE 802.11 di dimensione arbitraria e diversa complessità: una rete di questo tipo viene detta Extended Service Set (ESS) Queste tipologie di rete vanno incontro a scenari sempre più ampi. Si va dall’ambiente lavorativo dislocato su più piani di un edificio, in cui la presenza di molte stanze rende necessaria l’introduzione di un numero maggiore di AP (fig. 2.9a ), alla necessità di collegare più edifici vicini attraverso l’introduzione dei dispositivi Bridge (fig. 2.9b), infine abbiamo ambiti ben più vasti come quelli della Metropolitan Area Network (MAN) in cui si devono introdurre un numero maggiore di antenne ed amplificatori a radio frequenza per garantire la qualità del servizio in tutta l’area.
(a) (b)
Fig. 2.9
Figura 4
f) Roaming
Nel modo ESS può succedere che le celle della BSS si sovrappongono in alcune zone. Quando una stazione accede alla rete è il suo strato MAC che deve decidere a
quale AP accedere, tale scelta è fatta in base al Bit Error Ratio. In caso di mobilità della stazione o in condizioni di carico eccessivo della BSS locale sarà necessario cambiare AP. Questo è un vero e proprio handover , con la differenza che non può avvenire mentre è attivo il trasferimento dei dati ed è chiamato riassociazione.
Figura 5
Per garantire copertura di ampie zone, ad esempio un campus universitario, è necessario il concetto di riuso delle frequenze , che è supportato da questo standard. Questo lavoro di tesi si è basato sullo studio del comportamanto di un collegamento 802.11b e 802.11g tra una unità navale e una postazione a terra, e tra due unità navali.
Nel primo capitolo ho presentato lo standard 802.11b e 802.11g dal punto di vista del livello fisico, presentando le diverse modulazioni di 802.11b che si affida alla DSSS e di 802.11g che opera mediante FHSS, per poi passare al livello MAC. Nel secondo capitolo ho fatto una panoramica degli attuali problemi dello standard 802.11. Problemi riguardanti la sicurezza della rete, e fattori che ne influenzano le prestazioni tipo il multipath, l' Handover Time, l'Overhead, l'Unfairness e
l'Anomalia dello standard 802.11b.
Nel terzo capitolo vi è la presentazione dello scenario in cui sono state effettuate le prove di traffico simulato UDP con i successivi risultati dei rate trasmissivi ottenuti
in relazione con rapporto Segnale Rumore.
Nel quarto capitolo ho fatto una descrizione introduttiva del protocollo TCP, descrivendo le peculiarità dei parametri che vado a considerare nelle prove, per poi presentare i risultai delle stesse.
