IEEE 802.11

1. IEEE 802.11 Lo standard per Wireless LAN S. Olivieri

2. Parte 3 • Tecnologie e protocolli dello strato MAC • Struttura dei frame S. Olivieri

3. Parte 3.1 • Tecnologie e protocolli dello strato MAC • Struttura dei frame S. Olivieri

4. Scopo dello strato MAC • A differenza dei sistemi di comunicazione punto-punto, nelle reti in cui il canale è condiviso tra più utenti bisogna stabilire chi ha il diritto di comunicare in un certo istante temporale • Lo strato di controllo di accesso al mezzo (Medium Access Control, MAC) implementa un metodo per la gestione dell’accesso al mezzo (il canale) condiviso tra più stazioni S. Olivieri

5. Esempi di tecniche di accesso su radio • Time Division Multiple Access (TDMA) • Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance (CSMA/CA) S. Olivieri

6. TDMA • Il tempo di accesso al canale è suddiviso in slot temporali organizzati in trame (dette anche frame), i quali sono ripetuti su base periodica • Il coordinamento tra i nodi della rete è gestito dalla base station, che assegna a ciascun nodo un certo numero di slot della trama per la trasmissione • L’allocazione degli slot è specificata in un opportuno slot di gestione (beacon) • Le stazioni seguono le istruzioni specificate nel beacon per sapere quando possono comunicare • Generalmente tutte le comunicazioni passano per la base station, e le trame sono organizzati in slot di tipo • Downlink (dalla base station al nodo) • Uplink (dal nodo alla base station) • Possono esistere inoltre degli slot di servizio che un nodo può utilizzare per richiedere l’allocazione di una connessione S. Olivieri

7. Esempio di frame TDMA • Nota: in alcuni sistemi gli slot uplink, downlink e di servizio possono essere su canali a frequenze diverse S. Olivieri

8. Proprietà del TDMA • È di tipo connection oriented • con il beacon viene stabilita una connessione logica tra il nodo e la base station prima che avvenga il trasferimento dati • È adatto per applicazioni di telefonia (GSM, DECT) perché, assegnando staticamente a ciascun utente degli slot di uplink e downlink • Soddisfa i requisiti sulla latenza • Garantisce la banda • È meno adatto per applicazioni di networking perché • Usando slot di dimensione fissa, non si adatta al protocollo IP che genera traffico a burst e usa pacchetti di dimensione variabile • Essendo connection oriented soffre dell’overhead che IP, connectionless, richiede per creare connessioni S. Olivieri

9. Funzionalità del MAC IEEE 802.11 • Il MAC fornisce le funzionalità offerte dai servizi 802.11 • Consegna dei dati provenienti dagli strati superiori per la comunicazione tra stazioni remote sul mezzo radio • Servizi di Data Delivery, Distribution, Integration, Association, Disassociation, Re-association • Controllo degli accessi alla rete e protezione dei dati • Servizi di Authentication, De-authentication, Privacy S. Olivieri

10. Modalità di accesso al mezzo per 802.11 • L’accesso al mezzo radio è controllato da opportune funzioni chiamate Coordination Function • La Distributed Coordination Function (DCF) fornisce il servizio di accesso al mezzo tramite contesa • Si basa sul Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance (CSMA/CA), che deriva dal CSMA/CD di Ethernet (IEEE 802.3) • La Point Coordination Function (PCF) è una funzione opzionale che garantisce un servizio di accesso al mezzo senza contesa solo per le reti di tipo Infrastructure • Le stazioni che usano la PCF hanno priorità di traffico rispetto a quelle operanti in regime DCF S. Olivieri

11. Sistemi a contesa • CSMA/CD e CSMA/CA sono sistemi per l’accesso al mezzo a contesa • Sono quei sistemi in cui l’accesso al mezzo da parte di più utenti che condividono un canale comune è tale da poter generare conflitti, con conseguenti collisioni dei pacchetti trasmessi e perdita dei dati • In generale tali sistemi sono progettati per risolvere i conflitti, e stabilire chi può trasmettere, entro un determinato intervallo temporale, detto tempo di contesa S. Olivieri

12. Il meccanismo di accesso CSMA/CD • La stazione che ha dati da inviare ascolta prima il canale (tecnica listen before talk) per determinare se qualcun altro sta trasmettendo • Se il canale è libero, la stazione trasmette • Se il canale è occupato, la stazione aspetta finché non si libera, e poi trasmette il frame • Se avviene una collisione, la stazione aspetta per un intervallo casuale e poi ritenta la trasmissione • Le stazioni terminano prematuramente le trasmissioni non appena rilevano una collisione (Collision Detection) • Si ottiene un risparmio di tempo e di banda S. Olivieri

13. Il meccanismo di accesso CSMA/CD • Va bene per Ethernet • Il ricetrasmettitore per un cavo può ascoltare mentre trasmette (modalità Full Duplex) • Tutte le trasmissioni hanno circa la stessa intensità di potenza e sono rilevabili da qualsiasi stazione • Non va bene per una WLAN • Una radio Full Duplex è molto costosa • La potenza del segnale in trasmissione sarebbe comunque tale da mascherare tutti gli altri segnali in aria • In un ambiente wireless non si può assumere che tutte stazioni possano ascoltarsi per via del raggio d’azione limitato, quindi non sarebbe possibile rilevare collisioni avvenute fuori l’area di copertura della stazione trasmittente S. Olivieri

14. Il meccanismo di accesso CSMA/CA • Il passaggio dallo stato occupato allo stato libero del mezzo è il momento in cui la probabilità di avere collisioni è più elevata • Infatti più stazioni potrebbero aver atteso la disponibilità del mezzo e decidere quindi di trasmettere contemporaneamente, con inevitabili collisioni che, come visto, non sarebbero rilevabili • Poiché trasmettere non appena il canale risulta libero per poi eventualmente rilevare le collisioni (Collision Detection) non è una buona soluzione nel caso wireless, il CSMA/CA cerca di evitarle (Collision Avoidance), o almeno di ridurne la probabilità • Per far ciò, Il CSMA/CA utilizza una procedura di backoff casuale per risolvere la contesa del mezzo tra più stazioni in attesa di trasmettere S. Olivieri

15. Funzionamento del CSMA/CA (I) • Il tempo di trasmissione è suddiviso in slot temporali • Il time slot vale • 50 µs per 802.11 Frequency Hopping • 20 µs per 802.11 Direct Sequence • Una stazione può cominciare a trasmettere solo all’inizio di uno slot • Ciascuna stazione che abbia un nuovo frame da inviare, ascolta il canale (carrier sense) prima di trasmettere • Il carrier sense è eseguito con un meccanismo fisico ed uno virtuale • Se il canale è libero per un certo intervallo di tempo fisso (intervallo DIFS), il frame viene trasmesso S. Olivieri

16. Funzionamento del CSMA/CA (II) • Se il canale è occupato da un pacchetto in aria destinato ad un’altra stazione, il frame potrà essere trasmesso dopo un intervallo di tempo totale (a partire dall’istante in cui il mezzo viene rilevato come occupato) pari alla somma • Del tempo necessario per terminare la trasmissione del frame che occupa correntemente il mezzo • Di un intervallo di tempo fisso in cui il mezzo deve essere libero, pari a DIFS • Del tempo necessario per risolvere la contesa del mezzo tramite la procedura di backoff S. Olivieri

17. Gli intervalli temporali interframe (IFS) • Short Interframe Space (SIFS) • È il periodo che intercorre tra trasmissioni successive di un singolo dialogo (ad es. pacchetto dati ed ACK) • È l’IFS più breve, dando così priorità al completamento dello scambio di frame in corso • Le altre stazioni, che devono aspettare che il mezzo sia libero per un intervallo di tempo più lungo, sono impossibilitate ad accedere al mezzo • Il suo valore (28 µs) è calcolato in modo da consentire alla stazione trasmittente di commutare in modalità di ricezione S. Olivieri

18. Gli intervalli temporali interframe (IFS) • PCF Interframe Space (PIFS) • È il tempo di attesa (maggiore del SIFS) usato solo dalle stazioni che operano in regime PCF per guadagnare l’accesso al mezzo prima di ogni altra stazione • Il suo valore è dato dal SIFS più uno slot temporale • DCF Interframe Space (DIFS) • È il tempo minimo di attesa per una stazione che vuole iniziare una nuova trasmissione • Il suo valore è dato dal PIFS più uno slot temporale S. Olivieri

19. Esempio di funzionamento del CSMA/CA S. Olivieri

20. La procedura di backoff • È il meccanismo usato per risolvere la contesa tra stazioni che vogliono accedere al mezzo • Minimizza le collisioni durante la contesa tra più stazioni che hanno ritardato la trasmissione in corrispondenza dello stesso evento • È invocata • Quando la stazione rileva il canale come occupato prima della trasmissione del primo frame • Dopo ogni trasmissione/ritrasmissione • Pacchetti trasmessi successivamente dalla stessa stazione sono sempre separati di almeno un tempo di backoff • Non è invece invocata quando una stazione decide di trasmettere il primo frame ed il mezzo è risultato libero per un intervallo di tempo pari a DIFS S. Olivieri

21. Come funziona la procedura di backoff • Come tempo di backoff, ciascuna stazione sceglie un numero casuale di slot, per un tempo totale compreso nella finestra di contesa [0, CW] (Contention Window) • CW è un valore compreso tra CWmin e CWmax • CW è resettato a CWmin in caso di trasmissione avvenuta con successo • CW viene raddoppiato ad ogni trasmissione avvenuta senza successo (backoff esponenziale) per adattare il backoff alle condizioni di carico della rete S. Olivieri

22. Come funziona la procedura di backoff • In ciascuno slot temporale del tempo di backoff, la stazione controlla lo stato del canale facendo uso del meccanismo di carrier sense fisico • Se il mezzo è rilevato occupato la procedura di backoff viene sospesa • Il mezzo deve essere successivamente rilevato libero per un tempo pari a DIFS prima di poter riavviare la procedura di backoff • Se non è rilevata alcuna attività nel mezzo per l’intera durata del tempo di backoff, può avvenire la trasmissione del frame • La stazione con il tempo di contesa più breve vince e trasmette il proprio frame • Gli altri nodi aspettano la successiva contesa S. Olivieri

23. Come funziona la procedura di backoff S. Olivieri

24. Proprietà del CSMA/CA a slot • Aumenta il tempo di contesa • Le collisioni diminuiscono in modo significativo perché si riduce l’intervallo di vulnerabilità • Si può mostrare che il throughput risulta superiore rispetto al caso non a slot S. Olivieri

25. Esempio: Aloha puro ed Aloha a slot • Nell’Aloha puro la finestra di vulnerabilità è pari a 2T (T tempo di frame) • Si ha che S = Ge-2G • G numero medio di frame trasmessi per tempo di frame (carico offerto) • S numero medio di nuovi pacchetti trasmessi per tempo di frame (produttività o throughput) • Il picco di throughput si ha per G = 1/2 e vale S = 1/2e • Nell’Aloha a slot la finestra di vulnerabilità si riduce a T • Il throughput ora vale S = Ge-G • Il picco di throughput vale S = 1/e (per G = 1) • È doppio rispetto all’Aloha puro S. Olivieri

26. Il meccanismo di Carrier Sense • Lo stato del mezzo è determinato usando una funzione fisica ed una virtuale • Il mezzo è considerato occupato quando una delle due funzioni di carrierr sense rileva la presenza di altri segnali su di esso • Il servizio di carrier sense fisico deve essere fornito dallo strato fisico • Ogni costruttore implementa la sua tecnica specifica • Il carrier sense virtuale è fornito dallo strato MAC S. Olivieri

27. Limiti del carrier sense fisico • Con il carrier sense fisico il trasmettitore cerca di stimare lo stato del canale utilizzando solo l’informazione locale • In un canale wireless non è possibile rilevare trasmissioni in corso da parte di stazioni oltre il raggio d’azione S. Olivieri

28. Problema del nodo nascosto • In base al meccanismo di carrier sensing fisico, stazioni non in visibilità si ignorano e possono trasmettere ad una stessa stazione collocata in posizione intermedia • Rispetto a tale stazione le stazioni remote hanno livelli di potenza comparabili e quindi collidono, impedendo alla stazione di ricevere correttamente il segnale S. Olivieri

29. Il carrier sense virtuale • Si basa sulla distribuzione a tutte le stazioni dell’informazione di mezzo occupato • Prima di inviare un frame dati, la stazione trasmittente manda un frame Request To Send (RTS) ed aspetta un Clear To Send (CTS) dalla stazione ricevente • La ricezione da parte del trasmettitore del CTS indica che il ricevitore è in grado di ricevere l’RTS, e quindi anche un frame dati • Le stazioni nel raggio di copertura del trasmettitore ascoltano l’RTS e quindi capiscono che c’è una trasmissione in corso • Le stazioni nel raggio di copertura del ricevitore (ma non in quello del trasmettitore), che potenzialmente potrebbero creare collisioni al ricevitore, ascoltano il CTS (anche se non l’RTS) e quindi capiscono che c’è una trasmissione in corso • I pacchetti RTS/CTS contengono un campo durata che definisce il periodo di tempo in cui il mezzo è riservato per la trasmissione del frame dati e del relativo ACK S. Olivieri

30. Il carrier sense virtuale • Ciascuna stazione che abbia ricevuto un RTS e/o un CTS usa il Network Allocation Vector (NAV) come indicatore del carrier sense virtuale • Tiene traccia del traffico futuro nel mezzo sulla base dell’informazione di durata fornita dal frame RTS (o dal frame CTS, per le stazioni che ricevono solo questo frame) S. Olivieri

31. Il carrier sense virtuale S. Olivieri

32. Proprietà del carrier sense virtuale • Diminuisce l’overhead di una collisione nel mezzo • Se due nodi tentano di trasmettere nello stesso slot della finestra di contesa • In uno scenario normale le stazioni perdono l’intero frame • Con il carrier sense virtuale, i loro RTS collidono e non ricevono alcun CTS, quindi si ha solo la perdita di un RTS • L’incremento di overhead dovuto allo scambio dei pacchetti RTS/CTS non è giustificato per pacchetti di dati piccoli o in condizioni di rete scarica • È posibile settare una soglia (RTS Threshold) che stabilisce la dimensione minima del frame al di sotto della quale il meccanismo RTS/CTS non è utilizzato S. Olivieri

33. Supporto alla robustezza • La trasmissione di dati su un canale wireless è affetta da errori a causa di rumore, attenuazione da multipath ed interferenze con altre stazioni • Il MAC 802.11 ha due funzioni di robustezza in genere non presenti in altri protocolli di link • Positive Acknowledge • Packet Fragmentation S. Olivieri

34. Lo schema di Positive Acknowledge • Consiste in un meccanismo di controllo di conformità dei dati con eventuale ritrasmissione • Viene eseguito direttamente al livello MAC per evitare ritardi significativi che invece si avrebbero delegando agli strati superiori • Si basa sul controllo dell’integrità dei dati eseguito con un codice di tipo Cyclic Redundancy Check (CRC del campo FCS) • Alla ricezione di un frame, la stazione ricevente risponde con un ACK se il controllo del CRC ha esito positivo • La mancata ricezione dell’ACK indica alla stazione trasmittente che (due casi non distinguibili) • Si è verificato un errore sul frame trasmesso • L’ACK non è stato ricevuto correttamente • la stazione trasmittente invia lo stesso frame fino alla corretta ricezione dell’ACK • Il frame viene buttato via dopo un numero prefissato di tentativi S. Olivieri

35. Frammentazione dei pacchetti • La ritrasmissione al livello MAC è uno strumento per far fronte al problema dell’elevato tasso d’errore del mezzo radio • Se il frame da trasmettere è lungo (la dimensione massima di un frame Ethernet è di 1518 bytes) e contiene un solo errore, la stazione deve comunque ritrasmettere per intero il frame • Se il tasso di errore è molto elevato, la probabilità di avere un errore in un frame lungo può avvicinarsi ad 1 • Con la frammentazione, i pacchetti lunghi sono suddivisi in frammenti prima di essere inviati nel mezzo • Il meccanismo di trasmissione dei frammenti è un algoritmo di tipo “send-and-wait” • La stazione trasmittente invia un nuovo frammento quando • Riceve un ACK per tale frammento • Decide che il frammento è stato inviato troppe volte e butta via l’intero frame S. Olivieri

36. Proprietà della frammentazione • In caso di mezzo molto rumoroso, diminuiscono le ritrasmissioni, perché la probabilità di avere un frame corrotto aumenta con la dimensione • In caso di corruzione, è più veloce perché la stazione deve ritrasmettere solo un frammento • Aumenta l’overhead perché bisogna duplicare l’header dei pacchetti per ciascun frammento S. Olivieri

37. La Point Coordination Function • L’obiettivo dell’accesso senza contesa della PCF è di supportare applicazioni che richiedono servizi real-time • La PCF è implementata in speciali stazioni chiamate Point Coordinators che risiedono nell’AP del BSS • Fungono da master del polling per determinare quale stazione attualmente ha il diritto di trasmettere S. Olivieri

38. Funzionamento della PCF • Garantisce l’accesso al mezzo prioritario senza contesa per un periodo di tempo limitato • la PCF guadagna il controllo del mezzo con il carrier sense virtuale • Il PIFS usato da tutti i frame trasmessi sotto il PCF è di durata inferiore rispetto al DIFS per il traffico DCF • Il traffico PCF ha accesso al mezzo prioritario rispetto alle stazioni di eventuali BSS sovrapposte che operano in modalità DCF S. Olivieri

39. Parte 3.2 • Tecnologie e protocolli dello strato MAC • Struttura dei frame S. Olivieri

40. PLCP Preamble PLCP Header MAC Header Frame body FCS Strato PLCP (9, 18 o 24 byte) Strato MAC Formato del frame 802.11 • Strato Physical Layer Convergence Protocol (PLCP) • Preambolo • Header • Strato MAC • Header • Corpo del frame • Frame Control Sequence (CRC a 32 bit) S. Olivieri

41. Formato del frame PLCP (802.11 DSSS) S. Olivieri

42. Il preambolo PLCP • È trasmesso ad 1 Mbit/s • Dipende dallo strato fisico • È costituito dai seguenti campi • Il campo Sync • È una sequenza di 80 bit (FHSS) o 128 bit (DSSS) la cui funzione è quella di assicurare che il ricevitore possa compiere le necessarie funzioni di sincronizzazione • Il campo Start Frame Delimiter (SFD) • È un delimitatore di inizio frame costituito da una sequenza di 16 bit, usata per definire la temporizzazione del frame S. Olivieri

43. L’header PLCP • È trasmesso ad 1 Mbit/s • Contiene informazioni logiche usate dal PHY per ricevere correttamente il frame • Campo Signal • Indica il rate di trasmissione • Campo Service • Riservato per usi futuri • Non è presente nei sistemi FHSS • Campo Length • Rappresenta il numero di byte contenuti nel pacchetto • È usato dal PHY per rilevare correttamente la fine del pacchetto • Campo CRC • È un CRC a 16 bit per il controllo di errori dell’header S. Olivieri

44. Il sottostrato PLCP di 802.11b • Esistono due formati per il frame PLCP, uno col preambolo lungo ed uno con il preambolo corto • Tutti i sistemi 802.11b devono supportare il preambolo lungo per compatibilità con 802.11 DSSS • L’opzione con preambolo corto ha come obiettivo quello di migliorare l’efficienza del throughput di una rete durante la trasmissione di dati speciali come la voce, VoIP e streaming S. Olivieri

45. Tipi di frame al livello MAC • Frame dati • Usati per la trasmissione di dati • Frame di controllo • Per controllare l’accesso al mezzo (RTS, CTS, ACK) • Frame di gestione • Scambiano informazioni di gestione S. Olivieri

46. Formato del frame MAC • L’header MAC (30 byte) • Il corpo del frame • È di lunghezza variabile • È presente solo in certi tipi di frame • Contiene informazioni relative al tipo di frame specifico • Il Frame Control Sequence (FCS) • È il CRC a 32 bit per il Positive ACK S. Olivieri

47. Protocol Version Type Subtype To DS From DS More Fragments Retry Power management More data Wired Equivalent Privacy (WEP) Order Header MAC – Il campo Frame Control S. Olivieri

48. Il campo Frame Control (I) • Protocol Version (2 bit) • Vale 0 in modo invariante • Il suo valore sarà incrementato solo in eventuali nuove revisioni con incompatibilità fondamentali con la versione corrente • Una unità che riceve un frame relativo ad una versione successiva a quella supportata scarterà tale frame senza alcuna segnalazione alla stazione trasmittente • Type (2 bit) e Subtype (4 bit) • Insieme identificano la funzione del frame (controllo, dati, gestione) • To DS (1 bit) • Vale 1 quando il frame è indirizzato all’AP per essere girato al Distribution System • È incluso il caso in cui la stazione di destinazione è nello stesso BSS e l’AP deve semplicemente ritrasmettere il frame • From DS (1 bit) • Vale 1 per i frame dati che vanno fuori il DS S. Olivieri

49. Esempi di tipi e sottotipi S. Olivieri

50. Il campo Frame Control (II) • More fragments (1 bit) • Vale 1 quando ci sono altri frammenti appartenenti allo stesso frame che seguono il frammento corrente • Retry (1 bit) • Indica che il frame corrente (dati o gestione) è la ritrasmissione di un frame trasmesso precedentemente • È usato dalla stazione ricevente per riconoscere duplicazioni di frame trasmessi che possono capitare quando si perde un ACK • Power Management (1 bit) • Indica la modalità di Power Management in cui si trova la stazione • Vale 1 per le stazioni in Power Save • Vale 0 per le stazioni in Active Mode • Vale sempre 0 per i frame trasmessi da un AP S. Olivieri