Appunti Di Nomadic Communications

Appunti del corso di Nomadic Communications di Andrea Prato trascrizione a cura di Michele Dalla Torre 28 aprile 2009

2

Indice 1 Introduction, general notions and rehearsal of known 1.1 Perch´e “nomadiche”? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Access Protocol Rehearsal (APR) . . . . . . . . . . . . 1.2.1 Random Access Protocol . . . . . . . . . . . . . 1.3 Architetture e protocolli . . . . . . . . . . . . . . . . .

concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

5 5 6 6 9

2 802.11 19 2.1 WLAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2 DCF con handshake . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3 802.11e: QoS and Differentiation in WLANs 41 3.1 HCCF SCHEDULING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4 CAPWAP e 802.11f 4.1 801.11f . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Architettura AUTONOMA . . . . . . . . . . . 4.3 Architettura CENTRALIZZATA . . . . . . . 4.4 Architettura DISTRIBUITA . . . . . . . . . . 4.5 Protocollo CAPWAP . . . . . . . . . . . . . . 4.6 AD-HOC, PAN, MESHES, ... . . . . . . . . . 4.7 Bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8 ZigBee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8.1 WIRELESS MESH NETWORKS . . . 4.8.2 VEHICULAR AD-HOC NETWORKS

3

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

61 62 64 64 66 66 67 68 69 70 70

4

INDICE

Capitolo 1 Introduction, general notions and rehearsal of known concepts 1.1

Perch´ e “nomadiche”?

Perch´e non abbiamo bisogno di usarle mentre ci spostiamo, le vogliamo “intorno” ma non necessariamente ovunque.

Wireless Network with a Fixed Point of Access

Terminal Towards other networks

radio base station

Terminal

(Gateway or Router) Terminal

[email protected]

Nomadic Communications – Introduction and Rehearsals

5

14

6CAPITOLO 1. INTRODUCTION, GENERAL NOTIONS AND REHEARSAL OF KNOWN CONCEPT

Ad-Hoc Self Configuring Wireless Network

Terminal

ohter networks

Terminal

Terminal Terminal

(Gateway) Terminal

other networks (Gateway)

Terminal

[email protected]

Nomadic Communications – Introduction and Rehearsals

15

Le comunicazioni nomadiche sono caratterizzate da un primo (secondo, terzo, . . . ) wireless hop e da una connessione ad una rete globale. Raggio di ricezione corto, solitamente `e necessaria un’autenticazione, sebbene non sia tassativa.

1.2

Access Protocol Rehearsal (APR)

Pu`o essere di tre tipi: 1. a contesa o random access (Aloha, CSMA/CD, Ethernet) 2. ad accesso ordinato (Token ring) 3. a slot riservati (DQDB) Parametri per valutare le performance: • throughput (capacit`a a traffico sostenuto) • fairness (equit`a se la risorsa viene condivisa) • ritardo (accesso, propagazione, consegna) • numero di stazioni, dimensioni della rete, topologia, ...

1.2.1

Random Access Protocol

Un nodo trasmette senza preoccuparsi se ci sono collisioni. Bisogna quindi fare in modo che le collisioni vengano notate per poter ritrasmettere il messaggio. Esempi: Aloha e Slotted Aloha, rispettivamente con efficienza massima del 18% e 37%.

1.2. ACCESS PROTOCOL REHEARSAL (APR)

7

Slotted Aloha • Time is divided in equl length slots • Nodes transmit at the beginning of the slot only • In case of collision retransmit either with probability p or after a random delay till success

Success (S), Collision (C), Empty (E) slots

[email protected]

Nomadic Communications – Introduction and Rehearsals

21

ALOHA • Simpler, no slots no synchronization • Transmission at any time, retransmission too, only random delay possible after collisions • Collision probability is increased – yellow packet collides with other packets in [t0-1, t0+1]

[email protected]

Nomadic Communications – Introduction and Rehearsals

23

Efficienza dovuta alle tante collisioni, quindi instabili: se cariche il throughput va a zero, se scariche il ritardo `e quasi nullo. Il ritardo non `e n`e garantito n`e limitato. Esempi: Carrier Sense Multiple Access (CSMA)

8CAPITOLO 1. INTRODUCTION, GENERAL NOTIONS AND REHEARSAL OF KNOWN CONCEPT

CSMA: Carrier Sense Multiple Access • Conceived to increase throughput • Stations listen to the channel before transmitting – If channel is free: Transmit Packet – If channel is occupied delay transmission • 1- persistent CSMA: Immediate transmission on free channel • 0-persistent CSMA: Retry after a long random delay • p-persistent CSMA: – With probability p behaves as 1-persistent – With probability (1-p) behaves as 0-persistent

[email protected]

Nomadic Communications – Introduction and Rehearsals

25

CSMA/CD (Collision Detection) • CSMA/CD Builds on top of CSMA – Try to understand when a collision occurs and stop transmission – Wasted time is reduced

• Collision detection: – Easy on wired LANs: Simple power measurement with threshold comparison between transmitted and received power – Practically impossible in WLANs • Half Duplex • Power fluctuation/Power attenuation [email protected]

Nomadic Communications – Introduction and Rehearsals

27

Le collisioni possono essere dovuto ad un ritardo di propagazione. La distanza tra le stazioni gioca un ruolo fondamentale nella probabilit`a di collisione. Se la distanza `e pi` u grande di quella impiegata nella trasmissione di un pacchetto il carrier sense risulta inutile. Esempi: CSMA/CD (Collision Detection) Anche se una stazione rileva una collisione per breve tempo trasmette lo stesso (jamming), per fare in modo che anche le altre stazioni rilevino la collisione avvenuta. Performance ottimali in reti piccole e lente con pacchetti di grandi dimensioni (rete inutile per`o!).

1.3. ARCHITETTURE E PROTOCOLLI

9

Parametro fondamentale `e il rapporto medio tra tempo di trasmissione ed il ritardo di propagazione da un capo all’altro. Esempio: 1-persistente Spesso preferito su reti scariche con basso ritardo. Il protocollo `e instabile come in ogni protocollo senza correzione delle contese, per introdurre stabilit`a si pu`o lavorare limitando la dimensione della rete ed il numero delle stazioni, oppure introducendo un backoff esponenziale (ad ogni collisione il tempo di attesa raddoppia). Non `e facile introdurre differenziazione del traffico a priorit`a.

1.3

Architetture e protocolli

Una descrizione astratta di una comunicazione tra due o pi` u utenti richiede un reference model. Il pi` u alto livello di astrazione di un reference model definisce una network architecture. Standard di comunicazione definiti da ITU-T e ISO (per oggetti a stesso livello gerarchico). Definizione. Una network architecture definisce oggetti ed entit`a usati per descrivere: • il processo di comunicazione • le relazioni tra questi oggetti • le funzioni richieste per la comunicazione • i modi di organizzazione di queste funzioni Le moderne architetture sono a livelli: pi` u semplice il design, il management e la standardizzazione; vengono separati i vari ambienti.

Function separation: Internet subnet 1 subnet 2 host 4

router 2

router 3

applications error control

host 1

host 3 subnet 4

router 1 subnet 3 host 2

[email protected]

Definizione. Un protocollo `e fatto da:

routing packets transfer

Nomadic Communications – Introduction and Rehearsals

34

10CAPITOLO 1. INTRODUCTION, GENERAL NOTIONS AND REHEARSAL OF KNOWN CONCEP • semantica (algoritmi) • sintassi (formati) • timing (macchina a stati e diagrammi sequenziali)

ISO/OSI reference model • (Open System Interconnection) is today the basis (sometimes disregarded for ignorance and sometimes questioned for philosophy) for any protocol design, from the physical layer to the application layer ... to overlay structures such as web-services and peer-to-peer systems • We are talking about principles, not the detailed functionalities and not even the detailed layers, objects, entities

[email protected]

Nomadic Communications – Introduction and Rehearsals

37

Layers

System A

System B

highest layer (N+1) - layer (N) - layer (N-1) - layer

subsystem

lowest layer transmission means

[email protected]

Nomadic Communications – Introduction and Rehearsals

Definizione. Sono entit`a gli elementi attivi in un sotto-sistema.

40

1.3. ARCHITETTURE E PROTOCOLLI

11

Entities – Active elements in a sub-systems – Fulfill layer operations – Interact with peer entities Sistem A

System B

(N) - layer (N) - entity

transmission means [email protected]

Nomadic Communications – Introduction and Rehearsals

41

Ogni livello produce servizi al livello n + 1 usando gli stessi servizi di livello n − 1 e funzioni proprie. Ogni livello `e una black box per il livello superiore: produce il risultato voluto, non importa come lo si ottenga. Cambiamenti ai livelli superiori non condizionano quindi i livelli inferiori perch´e le iterfacce non vengono mai toccate. Entit`a di livelli diversi interagiscono tramite interfacce chiamate SAP (Service Access Point), mentre interagiscono con entit`a allo stesso livello su altre macchine tramite protocolli (sempre dipendenti dalla tecnologia!).

SAPs (N) - layer (N-1) - SAP

(N-1)-entity

(N)-entity

(N-1)-entity (N-1) - strato

In Internet we have many different names for SAPs, from sockets to buffer to simply c-functions non formally named (e.g., the “ethernet” interface of Linux kernels [email protected]

Nomadic Communications – Introduction and Rehearsals

45

12CAPITOLO 1. INTRODUCTION, GENERAL NOTIONS AND REHEARSAL OF KNOWN CONCEP

Protocols System A

System B

(N+1) - protocol (N+1)-entity

(N+1)-entity (N) - service

(N) - SAP

(N) - layer

(N) - protocol (N)-entity

[email protected]

(N)-entity

Nomadic Communications – Introduction and Rehearsals

46

Ogni livello ha un proprio indirizzo (non solo indirizzi IP dunque) solo che non lo sappiamo perch´e gli diamo altri nomi. Tutti questi indirizzi ci servono per fare in modo che i pacchetti prendano la “corretta strada” fino al livello applicazione.

Indirizzi (N) - title (N) - layer (N) - entity (N-1) - SAP (N-1) - layer

(N-1) - address (N-1) - entity

In TCP/IP addresses are named “port”, “protocol”, depending on the layers. Notice the differences/similarities with IP-addresses [email protected]

Nomadic Communications – Introduction and Rehearsals

47

N.B.: ci sono vari tipi di mapping dei SAP, non solo il punto-a-punto.

1.3. ARCHITETTURE E PROTOCOLLI

13

Mapping Types

F

G

H

J

K

K C

(N) - layer

A

B

K D

C

one-to-one hierarchical [email protected]

L

M

L D

D

M E

E

tabular

Nomadic Communications – Introduction and Rehearsals

48

Le connessioni tra entit`a allo stesso livello solitamente sono gestite d un negoziato a tre parti: le due parti in causa pi` u il service provider del livello inferiore (connection oriented communication). Questo sistema pu`o essere modificato in negoziato a due parti, dove ognuna delle entit`a `e messa in comunicazione con il service provider a livello inferiore (connectionless communication).

Agreements Three parts agreement: connection oriented communications The Three Parts (N+1) - entity

(N+1) - entity

(N) – service provider

[email protected]

Nomadic Communications – Introduction and Rehearsals

50

14CAPITOLO 1. INTRODUCTION, GENERAL NOTIONS AND REHEARSAL OF KNOWN CONCEP

Agreements Two parts agreement: connectionless communications

Two parts (N+1) – entity

(N+1) – entity

(N + 1) - entità

Two parts

Two parts - fornitoreprovider di servizio (N)(N) – service

[email protected]

Nomadic Communications – Introduction and Rehearsals

51

N.B.: nel primo caso prima di scambiare i dati voglio stabilire una connessione tra le due entit`a, nel secondo no. C’`e un accordo implicito che prevede che due entit`a possano comunicazre senza setup della connessione.

Connections • Multiplexing (N) – connections onto a (N-1) – connection

(N+1) - layer

(N) – CEP (Cennection End Point) (N) - SAP

(N) - layer

[email protected]

Nomadic Communications – Introduction and Rehearsals

52

1.3. ARCHITETTURE E PROTOCOLLI

15

Connections • (N) – connection splitting onto multiple (N-1) – connections (N) - CEP

(N) - SAP (N) - layer

[email protected]

Nomadic Communications – Introduction and Rehearsals

53

Definizione. Chiamiamo Protocol Data Unit (PDU) il “patto” dal livello n al livello n-1.

PDU Formation (N) - PDU (N) - layer

(N-1) - SDU SAP

interface

(N-1) - layer

(N-1) - PCI

(N-1) - SDU

(N-1) - PDU [email protected]

Nomadic Communications – Introduction and Rehearsals

54

Costruiamo il massimo PDU prendendo l’SDU (Service Data Unit) di quel livello ed aggiungendo alcune informazioni (PCI) come ad esempio l’header. I data unit possono essere segmentati o concatenati. La segmentazione pu`o seguire due “strade”: • building more (N) - PDU from one (N) - SDU

16CAPITOLO 1. INTRODUCTION, GENERAL NOTIONS AND REHEARSAL OF KNOWN CONCEP • generating more (N-1) - SDU from one (N) - PDU Del tutto simile per la concatenazione. I protocolli hanno sempre definite due primitive che consentono la comunicazione tra livelli diversi. Ce ne sono di quattro tipi diversi come si pu`o vedere nelle slides 57-58. A seconda di ci`o che il protocollo deve fare alcune primitive possono non esserci, non `e detto che tutte debbano essere presenti.

Primitives

INDICATION

CONFIRM

REQUEST

(N) - SAP

(N) - entity

(N) - protocol

(N) - SAP

RESPONSE

user (N) – service

user (N) – service

(N+1) – layer (N) – layer

(N) – entity

(N) – service provider

[email protected]

Nomadic Communications – Introduction and Rehearsals

57

Primitives’ Use Confirmed Service

Service’s User Request Primitive

Confirmation Primitive

[email protected]

Service provider

Service’s User Indication Primitive

Response Primitive

Nomadic Communications – Introduction and Rehearsals

58

Se per esempio abbiamo un protocollo senza conferma semplicemente non ci sar`a il percorso di ritorno.

1.3. ARCHITETTURE E PROTOCOLLI

17

LAN Protocols • Standardization process started in the ’80s by IEEE 802 project:  802.1: LAN Internetworking  802.2: LLC Sublayer  802.3: CSMA/CD: Ethernet is a small (1-bit in the header) variation of 802.3

 802.4: Token Bus  802.5: Token Ring  802.6: DQDB (for MANs)

[email protected]

Nomadic Communications – Introduction and Rehearsals

62

LAN Protocols • Work is still going on in many technical committees and new committees are founded every year (or close to):          

802.7: Broadband Technical Advisory Group 802.8: Fiber-Optic Technical Advisory Group 802.9: Integrated Data and Voice Networks 802.10: Network Security 802.11: Wireless Networks (/a/b/g/h/f/s/n/p/...) 802.12: 100base VG 802.13: 100base X 802.15: Personal Area Networks (.1 [Bluetooth] ... .4 (ZigBee)) 802.16: Wireless MAN (WiMax & Co.) ... [email protected]

Nomadic Communications – Introduction and Rehearsals

63

18CAPITOLO 1. INTRODUCTION, GENERAL NOTIONS AND REHEARSAL OF KNOWN CONCEP

Capitolo 2 802.11 2.1

WLAN

E’ il passo 11 del processo di standardizzazione dei protocolli LAN. Un piccolo cenno storico sugli standard precedenti (vedi slides 62-63). Lo standard WLAN permette l’uso di un’interfaccia tra un client ed una stazione base o anche pi` u semplicimente tra due clients.

IEEE 802.11 PHY Layer Activities PHY Layer IR

802.11 1-2Mbps

2.4GHz FHSS

802.11 1-2Mbps

2.4GHz DSSS

802.11 1-2Mbps

5GHz OFDM

802.11b 5-11Mbps

802.11d / TG d Regulatory Domain Update

802.11a 6-54Mbps

[email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

19

802.11g 2.4GHz OFDM 54Mbps (approved in June’03) 802.11h 5GHz Spectrum Managment

Nomadic Communications – 802.11

4

20

CAPITOLO 2. 802.11

IEEE 802.11 MAC Layer Activities MAC Layer

802.11 MAC

802.11n/TG n High Throughput

802.11e / TG e MAC Enhanced QoS 802.11f / TG f Inter-AP Protocol

802.11p/TG p Mobility/Vehicular

802.11i / TG i Security Mechanisms

Radio Resource Managment

802.11s / TG s Mesh Networking

[email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications – 802.11

5

Definisce i livelli PHY e MAC (il livello LLC `e definito in 802.2). Architetture:

• Basic Service Set (BSS): set di nodi usati dalla stessa funzione per accedere al canale

• Basic Service Area (BSA): area coperta da una BSS (cellula WLAN)

Una BSS pu`o essere configurata in due modi:

• ad-hoc

• con infrastruttura: la BSS `e connessa ad una infrastruttura fissa da un controller specializzato detto Access Point (AP)

2.1. WLAN

21

WLAN with Infrastructure • BSS contains: – wireless hosts – access point (AP): base station • BSS’s interconnected by distribution system (DS)

[email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications – 802.11

7

Ad Hoc WLANs • Ad hoc network: IEEE 802.11 stations can dynamically form a network without AP and communicate directly with each other • Applications: – “laptop” meeting in conference room, car – interconnection of “personal” devices – battlefield • IETF MANET (Mobile Ad hoc Networks) working group

[email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications – 802.11

8

Definizione. Extended Service Set (ESS): pi` u BSS interconessi tra loro a livello MAC.

Un ESS pu`o dare accesso alla rete internet attraverso un nodo gateway fissato. N.B.: non ci sono solo reti ad-hoc o infrastrutturate, anche un mix.

22

CAPITOLO 2. 802.11

Joining a BSS

Scanning

Authentication

Association

• BSS with AP: Both authentication and association are necessary for joining a BSS • Independent BSS: Neither authentication neither association procedures are required for joining an IBSS [email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications – 802.11

12

Scanning: operazione con cui la scheda di rete entra in contatto con gli AP. Pu`o essere di due tipi: • active: la scheda manda un Probe Request frame, tutti gli AP rispondono con un Probe Response frame • passive: la scheda controlla i canali per un Beacon frame (con info di sync) mandato periodicamente dall’AP Authentication: pu`o essere di due tipi: • open system: la scheda manda un frame di autenticazione con la sua identit`a, l’AP risponde con ack/nack • shared key: la scheda riceve la shared key segreta attraverso un canale sicuro (non 802.11) e la usa per autenticarsi criptandola via WEP Association: succede ogni volta che vogliamo trasferire informazioni. • Station (STA) → Access Point (AP): Associate Request frame • AP → STA: Associate Response frame Se ci spostiamo da una BSS ad un’altra il vecchio AP informa quello nuovo. A livello fisico ci sono tre tecniche di accesso: • infrarossi (IR) • frequency hopping spread spectrum (FHSS) • direct sequence spread spectrum (DSSS)

2.1. WLAN

23

Definizione. Spread spectrum Spettro diverso: meno energia, frequenza pi` u larga. L’idea `e di diffondere il segnale su una frequenza pi` u ampia del necessario in modo da vincere il rumore. FHSS: trasmissione su una sequenza random di frequenze.

FHSS • Not really used anymore • Frequency band: ISM @ 2.4 GHz • In the U.S., the FCC has specified 79 ISM frequency channels with width equal to 1 MHz. Central frequency is @ 2.402 GHz • 3 channels each corresponding to 1Mbps with GFSK modulation • 20 ms dwell time ⇒ 50 hop/s [email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications – 802.11

20

DSSS:

DSSS (1) • Radiated power is limited • Typical values: 85 mW • Maximum EIRP: 100mW EU, 1W USA • Frequency band: ISM bands @ 2.4 GHz • Band divided into 11 (USA) / 13(EU) overlapping channels

• 3 non overlapping channels, each 11MHz wide and with spacing 25MHz [email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications – 802.11

21

24

CAPITOLO 2. 802.11

IEEE 802.11 (Radio) Evolution 802.11

802.11b (Wi-Fi)

Standard approval

July 1997

Sep. 1999

Bandwidth

83.5 MHz

83.5 MHz

Frequency of operation

2.4-2.4835 GHz

2.4-2.4835 GHz

3 Indoor/Outdoor

3 Indoor/Outdoor

Data rate per channel

1,2 Mbps

1,2,5.5,11 Mbps

Physical layer

FHSS, DSSS

DSSS

Number of nonoverlapping channels

[email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications – 802.11

22

Ogni canale `e separato da 5MHz, in questo modo otteniamo tre non-overlapping channels, grandi 11MHz e distanti tra loro 25MHz. Chiaramente pi` u `e l’overlapping, pi` u sar`a l’interferenza. Funzioni del protocollo MAC: • allocazione delle risorse • segmentazione e riassemblaggio dei dati • indirizzi MAC Protocol Data Unit (MPDU) • formato frame MPDU • controllo errori Ci sono tre tipi di MAC frames: • control: ACK positivo, handshake per accedere al canale • data transfer: informazioni che devono essere trasmesse • management: sync, auth, setup e release della connessione Trasferimento dati: • Distributed Coordination Function (DCF): trasferimento dati asincrono per traffico con tolleranza del ritardo • Point Coordination Function (PCF): trasferimento dati sincrono per traffico real-time. Basato sul polling delle stazioni e controllato dagli AP (in realt`a non `e molto usato).

2.1. WLAN

25

Definizione. Uno slot `e un’unit`a base in cui `e diviso il tempo; la durata di uno slot dipende dall’implementazione del livello fisico (802.11b: 20µs). Le stazioni sono sincronizzate con gli AP e la sincronizzazione `e mantenuta tramite i Beacon frames. Chiaramente se la rete `e ad-hoc la sincronizzazione avviene tra le stazioni stesse, quindi il sistema `e sincrono. Definizione. InterFrame Space (IFS): intervallo di tempo tra le trasmissioni dei frames. Usato per stabilire la priorit`a nell’accesso al canale . Ci sono quattro tipi diversi di IFS: • Short IFS (SIF S) • Point Coordination IFS (P IF S) > SIF S • Distributed IFS (DIF S) > P IF S • Extended IFS (EIF S) > DIF S La durata dipende dall’implementazione del livello fisico. SIFS: per separare trasmissioni appartenenti allo stesso dialogo. Massima priorit`a. La sua durata (10µs in 802.11b/g, 16µs in 802.11a) dipende da: • tempo di propagazione • tempo di passaggio delle informazioni da livello PHY a MAC • tempo di switch tra TX e RX mode PIFS: usato per dare accesso prioritario al Point Coordination (PC). Solo un PC pu`o accedere al canale tra SIFS e DIFS. P IF S = SIF S + 1 time slot dove 1 time slot = 20µs in b/g (long), 9µs in a/g (short). DIFS: usato dalle stazioni in attesa di un canale libero per la contesa. DIF S = P IF S + 1 time slot EIFS: usato da ogni stazione quando livello PHY fa sapere a MAC che una trasmissione non `e stata ricevuta correttamente. Evita che le stazioni con canali sporchi contamino le performance delle stazioni buone. Forza la fairness nell’accesso se una stazione non riceve l’ACK (Es. hidden terminal). Riduce la priorit`a della prima ritrasmissione. EIF S = DIF S + 1 time slot Il problema dell’hidden terminal: tre stazioni, A, B e C. Il raggio di B copre entrambe, mentre A vede solo B e C vede solo B.

26

CAPITOLO 2. 802.11

A e C ascoltano il canale, non si sentono, trasmettono e quindi collidono. Si risolve con CSMA/CA con handshaking. Il DCF `e basato sul CSMA/CA: ogni volta che una stazione deve trasmettere qualcosa fa una prcedura di contesa per avere accesso al canale.

IEEE 802.11 MAC Protocol Overview: CSMA/CA 802.11 CSMA: sender - if sense channel idle for DISF sec. then transmit entire frame (no collision detection) -if sense channel busy then random access over a contention window CWmin (CA) 802.11 CSMA receiver: if received OK return ACK after SIFS [email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications – 802.11

34

IEEE 802.11 MAC Protocol Overview 802.11 CSMA Protocol: others • NAV: Network Allocation Vector – 802.11 frame has transmission time field – others (hearing data) defer access for NAV time units – NAV is contained in the header of frames – Allows reducing energy consumption – Helps reducing hidden terminals problems

[email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications – 802.11

35

2.1. WLAN

27

Hidden Terminal Effect • hidden terminals: A, C cannot hear each other – obstacles, signal attenuation – collisions at B • goal: avoid collisions at B • CSMA/CA with handshaking

[email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications – 802.11

36

IEEE 802.11 MAC Protocol Overview: Handshaking • CSMA/CA: explicit channel reservation – sender: send short RTS: request to send – receiver: reply with short CTS: clear to send • CTS reserves channel for sender, notifying (possibly hidden) stations • avoid hidden station collisions

[email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications – 802.11

37

Con i RTS-CTS il problema delle collisioni non `e risolto, ma accade con probabilit`a molto pi` u bassa in quanto le collisioni possono avvenire solo in quei microsecondi di handshaking. N.B.: handshaking non `e la collision avoidance, serve solamente a risolvere il problema dell’hidden terminal. Il problema opposto `e quello dell’exposed terminal: se ho due pc che trasmettono, anche al di fuori del mio TX range, potrei essere esposto alla loro conversazione e trovare il canele sempre occupato senza che io possa effettivamente interferire.

28

CAPITOLO 2. 802.11

The exposed terminal problem • Sensing range is normally larger than receiving range • Terminals may be “exposed” in that they sense the channel occupied, but cannot compete for it CS range

bla bla bla

[email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

TX range

Nomadic Communications – 802.11

40

Non c’`e alcuna soluzione! Solo un’attenta pianificazione della rete pu`o evitare il problema! Distributed Coordination Function (DCF) basic access mode. Il carrier sense pu`o essere fatto a livello fisico oppure a livello MAC: • physical carrier sensing: controllo sulle sorgenti di energia • virtual carrier sensing: l’header del frame indica il tempo rimanente della Channel Access Phase corrente Definizione. Network Allocation Vector (NAV): usato dalle stazioni per memorizzare la durata del frame che sta occupando il canale. Dopo la scadenza il canale diventa idle e chi deve trasmettere ascolta di nuovo. Mittente: • ascolta il canale • se `e idle, aspetta DIFS • se `e ancora idle, trasmette i dati (MPDU) Destinatario: • computa il checksum per vedere se la trasmissione `e corretta • se `e cos`ı manda ACK dopo SIFS • dovrebbe trasmettere ACK sempre con un rate minimo o uguale di quello usato dal mittente e non superiore a 2Mbit/s, perch´e non si pu`o sapere se il mittente pu`o ricevere i dati ad una velocit`a maggiore di quella che usa e perch´e potrebbe significare che il canale non `e buono da A a B, quindi perch´e dovrebbe esserlo da B ad A?

2.1. WLAN

29

Vicini: • impostano il NAV come descritto nell’header del MPDU: N AV = M P DU txtime + SIF S + ACKtime

MPDU Transmission

DATA

SIFS

source

DIFS ACK

destination others

NAV

[email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications – 802.11

47

Perch´e un pacchetto pu`o non arrivare? • errori nel MPDU • errori nell’ACK • collisioni N.B.: la ritrasmissione viene ritentata finch´e non viene raggiunto un numero fissato di tentativi (probabilmente 10). Procedura di backoff per la CA: • se una stazione sente il canale occupato aspetta finch´e `e idle • quando `e libero aspetta DIFS e poi: computa l’intervallo di tempo di backoff imposta il backoff counter a quel valore • la stazione potr`a trasmettere quando il suo backoff counter `e uguale a zero

30

CAPITOLO 2. 802.11

MPDU Transmission

DATA

SIFS

source

DIFS ACK others

destination DIFS

NAV

CW backoff

CW=Contention Window [email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications – 802.11

50

Backoff Value
Integer value corresponding to a number of time slots
The number of slots is a r.v. uniformly distributed in [0,CW-1]
CW is the Contention Window and at each transmission attempt is updated as:
For i=1, CW1=CWmin
For i>1, CWi=2CWi-1 with i>1 being the no. of consecutive attempts for transmitting the MPDU
For any i, CWi ≤CWmax [email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications – 802.11

51

N.B.: finch´e il canale `e occupato il backoff counter rimane congelato. Quando invece il canale `e idle il valore del backoff counter diminuisce fin quando: • il canale resta occupato • il backoff counter arriva a zero Se pi` u di una stazione decrementa il suo contatatore fino a zero avviene una collisione. Le stazioni devono quindi calcolare un nuovo valore di backoff.

2.2. DCF CON HANDSHAKE

31

Basic DCF: An Example

Stations A/C

Data

ACK SIFS

Backoff Data

Station B wait

[email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

DIFS

Nomadic Communications – 802.11

54

Se durante il backoff un’altra stazione inizia a trasmettere, il backoff counter non ripartir`a con il valore iniziale, ma il “contatore’ riprender`a da dove era arrivato prima della trasmissione. Frammentazione dati: un MSDU `e frammentato in pi` u di un frame (MPDU) se `e pi` u grande di una certa soglia limite denomiata Framentation Threshold. Tutti gli MPDU hanno la stessa dimensione eccetto l’ultimo che ovviamente pu`o essere pi` u piccolo. L’header PHY viene inserito in ogni frammento. Questo risulta utile se il threshold non `e troppo piccolo. Gli MPDU (Mac Protocol Data Unit) generati dallo stesso MSDU (Mac Service Data Unit) vengono trasmessi ad una distanza di SIF S + ACK + SIF S. Il mittente rilascia il canale quando: • tutti gli MPDU sono stati trasmessi • un ACK `e andato perso La Contention Window (il backoff counter), viene incrementata per ogni frammento appartente allo stesso frame che viene ritrasmesso. N.B.: broadcast e multicast non vengono MAI frammentati!

2.2

DCF con handshake

Viene usata per riservare il canale. La procedura richiede i frame di controllo Request To Send (RTS) e Clear To Send (CTS), i quali dovrebbero essere sempre trasmessi alla velocit`a di 1Mpbs.

32

CAPITOLO 2. 802.11

DCF with Handshaking • Transmitter: • send a RTS (20 bytes long) to the destination • Neighbors: • read the duration field in RTS and set their NAV • Receiver: • acknowledge the RTS reception after SIFS by sending a CTS (14 bytes long)

• Neighbors: • read the duration field in CTS and update their NAV

• Transmitter: • start transmitting upon CTS reception [email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications – 802.11

62

MPDU Transmission & NAV DIFS

SIFS

RTS

destination

ACK

CTS SIFS others

source

DATA

SIFS NAV (RTS) NAV (CTS) NAV (data)

[email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

DIFS

CW backoff

Nomadic Communications – 802.11

63

Point Coordination Function (PCF): usato per servizi che richiedono QoS, non `e mai stato implementato. Si pu`o implementare soltanto in reti con sole infrastrutture (AP = PC). Le stazioni che operano in PCF mode si dicono CF-aware (CF = Contention Free). Le stazioni dichiarano la loro partecipazione alla PF phase nell’Association Request. In base alla richiesta viene costruita la polling list (non specificata dal protocollo ma lasciata al sistema operativo) che `e statica.

2.2. DCF CON HANDSHAKE

33

Superframe and PCF Protocol TBTT

Superframe Max Contention Free Period

Busy Medium

P

S

S D2+AC K+Poll

D1+ Poll

B

S

S

U1+ ACK

S

S

D3+A +Poll

Ack

CFEnd

Contention Period

U3+ ACK

U2+ACK

S

S NAV

• • • • •

TBTT: Target Beacon Transmission Time D1, D2: frames sent by PC U1, U2, U3: frames sent by polled station B: beacon frame (sent by AP) CFP repetition interval [email protected]

Reset NAV

D=CF-Downlink U=CF-UPlink S=SIFS P=PIFS

Nomadic Communications – 802.11

Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

67

Esempi di frames.

Generic DSSS packet SFD – Start Frame Delimiter PLPC – Physical Layer Convergence Protocol

SYNC -56 bits SFD-16 bits SIGNAL 8 bits

SERVICE LENGTH 8 bits 16 bits

PLPC – 1Mbps PLPC – 2Mbps

CRC 16 bits

PSDU – 2, 5.5, 11 Mbps

96 µs

[email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications – 802.11

69

N.B.: nella fase di sync vengono sincronizzati la frequenza, la fase ed il clock.

34

CAPITOLO 2. 802.11

Example: RTS Frame

Frame Control

Duration

RA

TA

CRC

MAC Header

• Duration (in µs): Time required to transmit next (data) frame + CTS + ACK + 3 SIFs

• RA: Address of the intended immediate recipient • TA: Address of the station transmitting this frame [email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications – 802.11

70

Example: CTS Frame

Frame Control

Duration

RA

CRC

MAC Header

• Duration (in µs): Duration value of previous RTS frame − 1 CTS time − 1 SIFS

• RA: The TA field in the RTS frame

[email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications – 802.11

71

2.2. DCF CON HANDSHAKE

35

Example: ACK Frame

Frame Control

Duration

RA

CRC

MAC Header

• Duration: set to 0 if More Fragments bit was 0, otherwise equal to the duration of previous frame − 1 ACK − 1 SIFS

• RA: copied from the Address 2 field of previous frame

[email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications – 802.11

72

Some Numerical Values… • PHYHDR: 16 bytes, transmitted @ 1 Mbps • MACHDR: 34 bytes, transmitted @ 1 Mbps – If slot=20µs, PHYHDR+ MACHDR=20 slots • ACK=PHYHDR+14 bytes , transmitted @ 1 Mbps – If slot=20µs, ACK=12 slots

[email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications – 802.11

73

36

CAPITOLO 2. 802.11

Detailed MAC Format (bytes)

Frame Control

Duration ID

Address1 (source)

Address2 (destination)

Address3 (rx node)

2

2

6

6

6

Sequence Control

Address4 (tx node)

Data

FCS

2

6

0 - 2,312

4

[email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications – 802.11

74

MAC Format fields Field Frame Control

Bits

Notes/Description

15 - 14

Protocol version. Currently 0

13 - 12

Type

11 - 8

Subtype

7

To DS. 1 = to the distribution system.

6

From DS. 1 = exit from the Distribution System.

5

More Frag. 1 = more fragment frames to follow (last or unfragmented frame = 0)

4

Retry. 1 = this is a re-transmission.

3

Power Mgt. 1 = station in power save mode, 1 = active mode.

2

More Data. 1 = additional frames buffered for the destination address (address x).

1

WEP. 1 = data processed with WEP algorithm. 0 = no WEP.

0

Order. 1 = frames must be strictly ordered.

[email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications – 802.11

75

2.2. DCF CON HANDSHAKE

37

MAC Format fields Bits

Notes/Description

Duration ID

15 - 0

For data frames = duration of frame. For Control Frames the associated identity of the transmitting station.

Address 1

47 - 0

Source address (6 bytes).

Address 2

47 - 0

Destination address (6 bytes).

Address 3

47 - 0

Receiving station address (destination wireless station)

Sequence Control

15 - 0

Address 4

47 - 0

Field

Frame Body FCS

Transmitting wireless station. 0 - 2312 octets (bytes).

31 - 0

Frame Check Sequence (32 bit CRC). defined in P802.11.

[email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications – 802.11

76

802.11g PHY • Full backward compatibility with 802.11b • Supports the 802.11b specified data rates of 1, 2, 5.5 and 11 Mbps • Adds further data rates of 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 and 54 Mbps using OFDM • Only Tx and Rx of OFDM @ 6, 12 and 24 Mbps is mandatory • OFDM uses 52 sub-carriers are modulated using BPSK, QPSK, 16-QAM or 64-QAM • Forward Error Correction (convolutional coding) is used with a coding rate of ½, 2/3 or ¾ [email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications – 802.11

78

38

CAPITOLO 2. 802.11

802.11g PHY • Improved data rate is paid for with a smaller transmission range • Improved data rates apply only to the payload: useless with small packets (60-80% of Internet packets are < than 100 bytes!) • The overall performance is heavily influenced by the “worst channel syndrome” • 802.11 MAC shares the channel based on access rounds not time

[email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications – 802.11

79

Ogni rete ha un minimo spanning tree, ma avere una rete esattamente identica al proprio spanning tree ha due svantaggi: • collo di bottiglia sul root • scelta random del root all’interno della rete

IEEE 802.11 (Radio) Evolution 802.11b (Wi-Fi) 802.11a

802.11g

Standard approval

Sep. 1999

Sep. 1999

Sep. 1999

Bandwidth

83.5 MHz

300 MHz

83.5 MHz

Frequency of operation

2.4-2.4835 GHz

5.15-5.35 GHz 5.725-5.825 GHz

2.4-2.4835 GHz

Number of non-overlapping 3 Indoor/Outdoor channels

4 Indoor 4 Indoor/Outdoor

4 Indoor 4 Indoor/Outdoor

Data rate per channel

1,2,5.5,11 Mbps

1,2,5.5,11 // 6,9,12,18,24,36,48 6,9,12,18,24,36,48, 54 Mbps 54 Mbps

DSSS

OFDM

Physical layer

[email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

DSSS // OFDM Nomadic Communications – 802.11

77

802.11b: bandwidth divisa in 13 canali con overlap, vedi DSSS. Mettendo in piedi risorse su canali che overlappano semplicemente distruggiamo le performance perch´e il Carrier Sense non funziona pi` u.

2.2. DCF CON HANDSHAKE

39

802.11a: 8 non-overlapping channels indoori, 10 outdoor. Gli Header sono sempre trasmessi a 6Mps (la pi` u bassa velocit`a possibile). 802.11g: deve essere backward compatibile con 802.11b. Se abbiamo una rete composta da stazioni miste potremmo avere problemi di compatibilit`a perch´e domina quella pi` u lenta. Dobbiamo tenere presente che le reti wireless soffrono di un grado piuttosto alto di attenuazione, perch´e a differenza delle connessioni cablate che possono attenuarsi solo in una direzione, quelle wireless si attenuano su una superficie. 1 PT D2 1 ER ∼ 2 ET D PR ∼

equivalenti perch´e sono uno l’integrale dell’altro P = potenza, R = ricevuta, T = trasmessa, E = energia

Questi sono valori teorici; in pratica ci sono altre attenuazioni tali che a 2,4GHz abbiamo: ER ∼

1 ET D2,8

λ = 12cm

e a 5, 6MHz: 1 ET λ = 6cm. D2,5 La probabilit`a di errori `e proporzionale all’energia per bit: ER ∼

PERR ∼

Eb , I

dove Eb ∼ ET /bit length e I `e l’interferenza. Chiaramente pi` u alta `e la velocit`a, minore `e il bit time e quindi Eb . Quindi gli errori sono pi` u probabili. Esempio: se ci muoviamo da 802.11b in 2Mbps a 802.11g in 54Mbps abbiamo una riduzione di circa 25 volte di Eb . N.B.: aumentare di k volte la velocit`a non vuol dire avere 1/k del tempo di trasmissioni! Miglioramenti sui dati, ma non sull’header. West channel syndrome: la rete viene dominata dal canale peggiore perch´e, anche se `e presente uno migliore, hanno entrambi la stessa possibilit`a di vincere la contesa e nel caso sia vinta dal canale peggiore il canale rimane occupato per tantissimo tempo. Il problema `e ancora irrisolto, l’unico accorgimento `e disegnare bene la rete in modo che stazioni di potenza diversa non condividano lo stesso Access Point.

40

CAPITOLO 2. 802.11

Capitolo 3 802.11e: QoS and Differentiation in WLANs Qos `e difficile in 802.11 perch´e: • ritardo sul beacon non predicibile (proporzionale, fino a 4,9ms, a dimensione frame) • durata della trasmissione sconosciuta • polling list statica Definizione. Un flusso `e uno stream di pacchetti da una sorgente ad una destinazione, appartenente alla stessa applicazione. Definizione. QoS `e un insieme di requisiti di servizio che devono essere mantenuti dalla rete mentre trasporta un flusso (non ha senso parlare di QoS di un pacchetto, perch`e il suo invio `e un’operazione atomica). Misure di QoS: larghezza di banda disponibile, percentuale di pacchetti persi, ritardo stimato, packet jitter, conteggio degli hop e path reliability. N.B.: non ha senso parlare di QoS solo in rapporto ad una trasmissione perch´e per esempio QoS di una comunicazione vocale `e molto diverso da QoS di trasferimento dati. Se si vuole introdurre QoS su una comunicazione, bisogna introdurre qualche forma di controllo dell’input e di blocking per garantire che le performance minime che vogliamo che la rete abbia non vengano sforate. Il QoS in rete cablate `e molto diverso da quello in reti wireless. In reti cablate `e basato su algoritmi di routing che richiedono un accurato link state ed informazioni topologiche. In reti wireless ci troviamo di fronte a link a capacit`a variabile nel tempo, risorse limitate e nodi mobili. 41

42

CAPITOLO 3. 802.11E: QOS AND DIFFERENTIATION IN WLANS

Service Differentiation MAC Schemes that lead to 802.11e ServicedifferentiationdifferentiationService basedMAC MACschemes schemes based Station-based Station-based DCF-based DCF-based ACscheme scheme AC

PCF-based PCF-based

Queue-based Queue-based DCF-based DCF-based

Priority-based Priority-based

DFS DFS VMAC VMAC Blackburst Blackburst

Distributed Distributed TDM TDM

PCF-based PCF-based

Per-flow Per-flow scheme scheme 802.11e 802.11e EDCF EDCF

802.11e 802.11e HCF HCF

AEDCF AEDCF

DCscheme scheme DC [email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications: 802.111e

6

Obiettivi del 802.11 Task Group E: • migliorare l’802.11 MAC corrente per migliorare e gestire il QoS • considerare efficientemente i miglioramenti nelle aree dei DCF e PCF • provvedere diverse classi di servizio (8TC) PMM uguale (usa a/b/g), MAC migliorato: garantisce differenziazione del traffico, TSPEC (Traffic Specification) per quando si deve negoziare. Definizione. QSTA, QAP, QBSS, MCF • QSTA (QoS Enhanced Station): stazione che usa 802.11e • QAP (QoS Access Point): un access point che usa 802.11e • QSTA e QAP lavorano in un QBSS (QoS Basic Service Set) • DCF e PCF sono sostituiti da HCF (Hybrid Coordination Function) Definizione. TXOP (Transmission Opportunity) • il tempo in cui un QSTA ha il diritto di trasmettere • `e caratterizzato da un tempo di inizio ed una durata massima (TXOP Limit) • usato sia in CP sia in CFP

43

802.11e Coordination Function • Hybrid Coordination Function, alternates: • EDCA (Enhanced Distributed Channel Access), contention based, conceived to support legacy stations and provide some stochastic level of differentiation • HCCA (HCF Coordinated Channel Access), polling based, provides collision free periods with guaranteed assignment and deterministic differentiation

[email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications: 802.111e

11

802.11e QoS Mechanisms 802.11e proposes a new access scheme: Hybrid Coordination Function (HCF), composed of two coordination functions • Enhanced Distributed Channel Access (EDCA) – A basis layer of 802.11e; operates in CP

• HCF Controlled Channel Access (HCCA) – HCCA operates in CFP

CFP

CFP

CP

PCF

CP

HCCA DCF

[email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

EDCA

Nomadic Communications: 802.111e

12

(Slide 12: non da intendersi come protocollo a livelli, ma come condivisione del canale in termini ditempo) Caratteristiche del MAC-level FEC (Hybrid 1 e 2): • comunicazione diretta/side traffic • WARP: Wireless Address Resolution Protocol • AP mobility

44

CAPITOLO 3. 802.11E: QOS AND DIFFERENTIATION IN WLANS

Side traffic: non siamo pi` u costretti a passare da AP per comunicazioni interne; questo `e un grande vantaggio per throughput!

MAC 802.11e: HCCA Beacon

Beacon

CAP CFP

CAP CP

Beacon Interval (BI)

EDCA HCCA [email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications: 802.111e

15

CFP fatto apposta per essere backward compatibile e poi viene detto che mischiare i protocolli `e deprecato dagli sviluppatori... -.-’

Definizione. EDCF (Enhanced Distributed Coordination Function) Definisce uno schema di accesso differenziato basato su uno scehma di contesa migliorato. E’ un’evoluzione del CSMA/CA DCF con l’aggiunta delle classi di traffico per supportare il QoS. ECDF supporta frame con gli stessi 8 livelli di priorit`a di 802.1d, ma li mappa in 4 categorie di accesso. L’identificatore di priorit`a (che varia da 0 a 7) si chiama TCId (Traffic Category Identification).

TCId `e scritto in un header del frame MAC. Ogni 802.11e QSTA e QAP devono avere code separate! Ogni cada AC `e FIFO ed `e indipendente.

45

802.11e: EDCF

[email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications: 802.111e

18

Gli AC sono differenziati in base ai loro parametri CSMA: • IFS • CWmin • CWmax • Backoff exponent Priorit`a viene data in base a quanto poco occupano la Connection Window, in modo da avere vantaggi statistici sulla contesa. I parametri del procollo diventano vettori: • CWmin[AC] • CWmax[AC] • AIFS[AC] • bck[AC] AIFS (Arbitrarion Interframe Space) sostituisce il DIFS. Ogni AIFS `e lungo almeno come un DIFS. Prima di entrare nella procedura di backoff, ogni stazione virtuale aspetta AIFS[AC] invece di DIFS.

46

CAPITOLO 3. 802.11E: QOS AND DIFFERENTIATION IN WLANS

Arbitraration IFS (AIFS) AIFS[2] AIFS[1] AIFS[0] (=DIFS)

LP MP

PIFS SIFS

HP

ACK SIFS

D

CW (in slots)

defer access count down till idle, backoff when busy

802.11a: slot=9 µs, SIFS=6 µs, PIFS=15 µs, DIFS=24 µs, AIFS ≥34 µs [email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications: 802.111e

22

Backoff AIFS[2] AIFS[1] AIFS[0] (=DIFS)

LPbackoff MP

PIFS

backoff

backoff

SIFS HP

ACK SIFS

D

RTS SIFS

CW (in slots)

CTS

defer access count down till idle, backoff when busy

802.11a: slot=9 µs, SIFS=16 µs, PIFS=25 µs, DIFS=34 µs, AIFS ≥34 µs [email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications: 802.111e

24

Contention Window Update: CWnew [AC] = (CWold [AC] + 1) ·

bck − 1. 2

Ogni coda AC si comporta come una virtual station diversa ed indipendente. Se due o pi` u AC in parallelo nello stesso QSTA raggiungono lo zero insieme, uno scheduler dentro la QSTA evita la collisione garantendo la TXOP all’AC con UP maggiore. L’AC con priorit`a pi` u bassa si comporta come se ci fosse stata una collisione esterna.

47 I valori degli AIFS[AC], CWmin[AC], CWmax[AC] vengono trasmessi all’interno dei beacon frames (normalmente ogni 100ms). Le stazioni possono usare questi parametri per scegliere l’access point pi` u conveniente a cui connettersi. Stima delle performance.

802.11e: EDCF – Virtual Collisions

[email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications: 802.111e

28

Il TXOP `e un tempo iniziale pi` u una durata, e la negoziazione pu`o essere per pi` u PDU aggregate. CWnew [AC] = 2(CWold [AC] + 1) − 1.

802.11e: EDCF • Sample allocation of TCId to ACs: TCID

CA

0

0

Traffic description Best Effort

1

0

Best Effort

2

0

Best Effort

3

1

Video Probe

4 5 6 7

2 2 3 3

Video Video Voice Voice

[email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications: 802.111e

30

48

CAPITOLO 3. 802.11E: QOS AND DIFFERENTIATION IN WLANS

Definizione. EDCA BURST una volta che una stazione ha l’accesso al mondo pu`o mandare pi` u di un frame senza contendere di nuovo. La stazione per`o non pu`o trasmettere pi` u di TXOP Limit. Possiamo avere o ACK ad ogni frame o un BURST ACK. SIFS usato tra i pacchetti per evitare le collisioni. Vantaggi: • maggiore efficienza per tempi di attesa ridotti (SIFS) • maggiore efficienza per burst ack • minore overhead • pi` u fairness sulla stessa coda di priorit`a: indipendentemente dalla dimensione del frame ogni stazione prende ogni volta un TXOP. Svantaggi: • possibile aumento del delay jitter u lungo del tempo richiesto alla trasmissione del • il TXOP Limit non dovrebbe essere pi` pacchetto pi` u grande N.B.: EDCA non risolve il problema del downlink/uplink fairness. L’HC pu`o allocare i TXOP per se stesso (QAP) o per le altre stazioni (QSTA). L’allocazione pu`o essere fatta dopo un P IF S, con P IF S < DIF S. L’HC ha priorit`a su tutte le altre stazioni. Con l’HC il tempo `e diviso tra contention free periods (CFP) e contention period (CP) ciclicamente. CF P + CP definisce un superframe period in 802.11e.

802.11e: HCF

[email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications: 802.111e

36

49

MAC 802.11e: HCCA TXOP 1

Poll + Data

TXOP 2

Poll + Ack + Data

Ack + Data

AP

STA1

Ack + Data

NAV

Ack + Data

NAV

STA2

Ack

NAV

Ack + Data

CFNull

early channel release

[email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications: 802.111e

37

In un CP il TXOP `e determinato: • sia attraverso le EDCF rules (canalelibero + AF IS + BO + T xT ime) • sia attraverso un poll frame chiamato QoS CFPoll, mandato dal HC ad una stazione Il QoS CFPoll `e mandato dopo un PIFS, in modo che abbia priorit`a sul resto del traffico. Il NAV specifica l’intera durata del TXOP, contenuto nel QoS CFPoll per backward compatibility. La Controlled Contention `e un mix tra polling e protocollo a contesa. Obbligatorio per i QAP e opzionale per i QSTA. IL QAP definisce se ci sono risorse per soddisfare le richieste, in caso schedula il canale. La risposta alle stazioni pu`o essere accettazione, rifiuto, proposta di risorse a minore priorit`a. I requisiti del flusso di traffico sono contenuti nelle TRAFFIC SPECIFICATIONS (TSPEC): • datarate max, min, medio • dimuzione max e nominale (=medio) delle MSDU • maximum service interval e delay bound • intervallo di inattivit`a • ... L’HCCA fornisce effettivamente le politiche e l’accesso deterministico ad un canale controllandolo per mezzo dell’HC. Basato su polling dei QSTA `e backward compatibile con il DCF/PCF base.

50

CAPITOLO 3. 802.11E: QOS AND DIFFERENTIATION IN WLANS

HCCA Crucial features of HCCA • HCCA operates in CP and CFP • Uses TXOPs which are granted through HC (in HCCA!) – HC allocates TXOPs by using QoS CF-Poll frames – In CPs, the time interval during which TXOPs are polled by HC is called CAP (Controlled Access Period) – 8 Traffic Categories (TCs)

[email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications: 802.111e

44

HC Behavior in HCCA • According to HCCA: – HC may allocate TXOPs to itself to transmit MSDUs whenever it wants, however only after having sensed the channel idle for PIFS – In CP, the HC can send the CF-Poll frame after a PIFS idle period, thus starting a CAP – In CFP, only the HC can grant TXOPs to QSTAs by sending the CF-Poll frame – The CFP ends after the time announced by HC in the beacon frame or by the CF-End frame from HC

[email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications: 802.111e

45

51

QSTA Behavior in HCCA • A QSTA behaves as follows – In CP QSTAs can gain a TXOP thanks to a CF-Poll frame issued by HC during CAPs, otherwise they can use EDCA – In CFP, QSTAs do not attempt accessing the channel on their own but wait for a CF-Poll frame from the HC • The HC indicates the TXOP duration to be used in the CF-Poll frame (QoS-control field) – Legacy stations kept silent by NAV whenever they detect a CF-Poll frame

[email protected]

Nomadic Communications: 802.111e

Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

46

802.11e Superframe 802.11e periodic superframe Contention Free Period, CFP beacon

QoS CF-Poll

CF-End

Contention Period, CP

QoS CF-Poll

DATA/ACK TX by HC

TX by QSTAs TXOP

TXOP DATA/ACK (polled by HC)

TXOP

TXOP

RTS/CTS/DATA/ACK (after DIFS+backoff)

time

During the CP, a TXOP may begin because: •

The medium is determined to be available under EDCA rules (EDCA-TXOP)

•

The STA receives a special polling frame from HC (polled-TXOP) [email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications: 802.111e

47

La Polling List `e un punto cruciale in HCCA: • lo scheduling del traffico (come le stazioni sono ”polled“) non viene specificato • QSTAs possono mandare update al HC sulla loro coda o sul TXOP desiderato • QSTAs possono mandare ADDTS request per iniziare un traffic stream Sono supportati due tipi di signaling traffic:

52

CAPITOLO 3. 802.11E: QOS AND DIFFERENTIATION IN WLANS • connectionless queue state indicator (arrival rate measurement per esempio)

• TSPEC tra FC e le QSTA (per esempio service negotiation e resource reservation)

Traffic Signaling • TSPEC are the base for CAC • QoS without CAC is impossible • QoS is granted to flows not to packets • Flows are persistent (normally) • Flows can be predicted (sometimes)

[email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

3.1

Nomadic Communications: 802.111e

50

HCCF SCHEDULING

Come EDCA supporta la differenziazione? E’ abbastanza per le standard proposes? Sono parametri facili da impostare ed universali? Come lo scheduling polling-based HCCA pu`o essere implementato? Abbiamo bisogno di avere feedback dalle STA? Come possiamo descrivere il traffico?

3.1. HCCF SCHEDULING

53

QoS Support issues in legacy 802.11 • DCF is long term fair • Equal channel access probability among the stations • Averagely, the same channel holding time (for homogeneous packet sizes) • Solution: differentiate packet sizes? • Solution: differentiate channel holding times?

• NO WAY! QoS is not a matter of how long I hold the channel • It means more… • Need to manage access delay problems for real-time apps!!! • Need to modify 802.11 channel access fairness!!! [email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications: 802.111e

57

QoS @ IEEE 802.11 MAC • 802.11e defines different traffic classes onto map data flows • Each traffic class behaves as an independent MAC entity • Differentiated access priority is provided by: – Giving probabilistically lower backoff counters (CWmin, CWmax, PF) – Giving deterministically lower inter-frame spaces and backoff de-freezing times. (AIFSN)

EDCA AC3

AC2

AC1 AC0

Backoff Backoff Backoff Backoff (AIFS[AC]) (AIFS[AC]) (AIFS[AC]) (AIFS[AC])

Virtual Collision Handler (manage interal collisions) Grants TXOP to highest priority class

Transmission attempt [email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Different MAC Access Parameters @ each class to differentiate channel access probability Backoff based parameters: CWmin, CWmax, PF Channel monitoring based parameters: AIFS

Nomadic Communications: 802.111e

58

Dobbiamo quindi fare performance evaluation su: • sorgenti omogenee: effettiva differenziazione delle risorse in base ai parametri MAC. Con la differenziazione reagisce a condizioni di carico diverse? • sorgenti eterogenee: quali sono i settings pi` u efficaci per gestire gli high-priority delay requirements? Abbiamo quindi due contese (slide 58):

54

CAPITOLO 3. 802.11E: QOS AND DIFFERENTIATION IN WLANS • virtuale tra le AC • l’AC vincente deve contendere con le altre macchine per accedere al canale fisico

EDCA Performance Evaluation • Simulations – Same number of HP and LP stations – Same packet size (1024 bytes) • Homogeneous sources scenario – Saturation conditions for HP and LP stations • Queues never empty • Data rate = Phy rate = 1 Mbps • Heterogeneous sources scenario – 3 pkts/sec. for HP traffic – Saturation conditions for LP traffic • Data rate = Phy rate = 1 Mbps

[email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications: 802.111e

60

Ipotesi 1 (slides 61-62): vediamo chiaramente che variando le dimensioni delle contention window abbiamo un’effettiva differenziazione del traffico in caso sia a bassa od alta priorit`a, ma paghiamo questa cosa in termini di uso totale, ovvero con un uso del canale inefficiente.

CWmax Differentiation (1) • CWmax(A)
Retry #1

A

Coll

Coll

Coll

Max Retry Limit

Success

Backoff……

B

[email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

A extracts probablistically a lower backoff value due to its lower CWmax

Nomadic Communications: 802.111e

61

3.1. HCCF SCHEDULING

55

CWmax Differentiation (2)

[email protected]

Nomadic Communications: 802.111e

Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

62

Ipotesi 2 (slides 64-65): in questo caso abbiamo una differenziazione soprattutto a bassi carichi e non paghiamo in termini di efficienza. Basta una collisione per iniziare il processo di differenziazione.

PF Differentiation (1) • PF(A)
Retry #1

A B

Coll

Retry #2

Success

Coll

Backoff……

Busy

[email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

A extracts probablistically a lower backoff value due to its lower CW

Nomadic Communications: 802.111e

64

56

CAPITOLO 3. 802.11E: QOS AND DIFFERENTIATION IN WLANS

PF Differentiation (2)

[email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications: 802.111e

65

Ipotesi 3 (slides 67-68): differenziazione molto marcata e di nuovo sfortunatamente decrementa con la congestione. Il throughput totale `e migliorato ancora il che vuol dire che diminuiamo il numero di collisioni. Sfortunatamente a carichi alti le collisioni interessano principalmente pacchetti ad alta priorit`a.

CWmin Differentiation (1) • CWmin(A)
A

Busy

B

Busy

AIFS

BK=4

Success

AIFS

BK=8

Busy

BK Freezing

[email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Thanks to its lower CWmin, A extracts probablistically a lower backoff value

Nomadic Communications: 802.111e

67

3.1. HCCF SCHEDULING

57

CWmin Differentiation (2)

[email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications: 802.111e

68

Ipotesi 4 (slides 70-71): Questa volta finalmente la differenziazione aumenta con il carico. Purtroppo ancora le performance totali degradano, ma le collisioni interessano principalmente pacchetti a bassa priorit`a.

AIFS Differentiation (1) • AIFS(A)
A

Busy

B

Busy

AIFS(A)

AIFS(B)

BK=4 BK=4

Success Busy

BK Freezing

[email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Thanks to its lower AIFS, A starts decrementing its backoff value before than B either after busy channel or idle channel conditions

Nomadic Communications: 802.111e

70

58

CAPITOLO 3. 802.11E: QOS AND DIFFERENTIATION IN WLANS

AIFS Differentiation (2)

[email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications: 802.111e

71

Migliori risultati si ottengono da sorgenti omogenee, dato che sono ragionevolemtne fissi possiamo tenere gli stessi valori senza troppe variazioni. (Slides 73-74)

Heterogeneous Sources: Throughput • Focus on AIFS and CWmin differentiation, seen to be most effective CWmin

AIFS

The minimum differentiation effect allows to guarantee HP traffic!!! [email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications: 802.111e

73

3.1. HCCF SCHEDULING

59

Heterogeneous Sources: Delay CWmin AIFS

1) CWmin more effective to manage delay behaviour than AIFS (see slopes) 2) AIFS differentiation slightly sensitive to load in terms of delay 3) Joint use: delay requirements satisfied with AIFS, throughput managed via CWmin (because of the maxima) [email protected] Thanks: TLC Networks Group – Politecnico di Torino

Nomadic Communications: 802.111e

74

Conclusioni: • differenziazione su CWmin e AIFS vanno meglio di PF e CWmax • CWmin e AIFS mostrano un comportamento complementare: CWmin degrada a carico alto AIFS degrada a carico basso • complesso setting dei parametri • comportamento difficilmente prevedibile

60

CAPITOLO 3. 802.11E: QOS AND DIFFERENTIATION IN WLANS

Capitolo 4 CAPWAP e 802.11f

ESS and Micro-mobility • A collection of coordinated IBSS forms an ESS • The APs in the same ISS can broadcast the same SSID proxies, QoS DNS, WWW, DHCP Policy HA email... Server

DS Signalling AAA Gateway server

• As far as they are on the same LAN mobility between APs is allowed seamlessly (nearly) [email protected]

Nomadic Communications: AP Management

3

Dobbiamo quindi pensare come coordinare gli AP: • Network design: come posizionarli? come assegnare i canali? cosa succede se ne aggiungo/rimuovo uno? • quanto `e veloce la riassociazione ad un nuovo AP se mi sposto in un’altra area? 61

62

CAPITOLO 4. CAPWAP E 802.11F

IEEE vs. IETF • Two main proposal for standardization of an Inter Access Points Protocol – IAPP • One in IEEE: 802.11f (already standard ... not much implemented
) mainly supports coordinated handovers, 802.11r (resource management), 802.11k (fast handover for vehicular applications) • One in IETF: capwap (Control And Provisioning of Wireless Access Points), not yet definitive (RFCs 4118, 4565, 4564, 3990, plus drafts), omni-comprehensive, not much focused on handovers • Proprietary solutions (Cisco, Avaya, ... )

[email protected]

4.1

Nomadic Communications: AP Management

6

801.11f

Scope & Goals • Main (unique??) goal is enabling and simplifying the mobility between APs within the same ESS

[email protected]

Nomadic Communications: AP Management

8

Standard non molto usato, anche a causa delle sue funzionalit`a limitate. IAPP `e un protocollo a livello applicazione. Pu`o funzionare direttamente su ethernet o su un multicast IP, ovviamente nel dominio. Lo standard fornisce solo primitive per l’hardware e richiede esplicitamente la presenza di un Radius server per gestire tutti permessi ed i parametri degli AP: gli AP devono essere registrati sul server. Usa i MIB standard per accedere alla gestione dei dati degli AP.

4.1. 801.11F

63

N.B.: logicamente abbiamo 2 radius server distinti: uno che gestisce gli AP ed uno che gestisce i client. Da ricordare che IAPP non `e un protocollo di routing ed assume un Distribution System 802-based. Inoltre IAPP non concerne la consegna dei dati dell’utente (cio`e non li vede) e non `e considerata nemmeno la gestione degli indirizzi che si suppone siano validi. IAPP pu`o invece memorizzare una tabella degli AP fisici adiacenti: importante per supportare gli handover. N.B.: se IAPP `e usato tutti gli AP con lo stesso SSID sullo stesso DS appartengono allo stesso ES. Questo perch´e utilizzando un singolo multicast tutti gli AP possono parlare tra loro.

IEEE 802.11f: primitives (examples) • IAPP-INITIATE/ADD/TERMINATE: create an ESS, add a node (1 AP) to it, terminate one node • IAPP-MOVE.request/indication(STA,AP1): indicates on the multicast group that STA reassociated with AP1 • APP-MOVE.response/confirm(STA,AP1,AP2): transmit all information relevant to STA from the old association AP2 to the new association AP1

[email protected]

Nomadic Communications: AP Management

11

Capwap non `e un’alternativa a nessun standard 802.11. Richiede la prospettiva di ”widenetwork“ piuttosto che di ”local-network“ come nell’802. E’ piuttosto un’alternativa al 802.11f, fornisce un’interessante classificazione delle differenti soluzioni WLAN supportate dall’802.11.

Definizione. WTP (Wireless Termination Point) `e un punto di accesso wireless alla rete. Pu` o non implementare le funzionalit`a di un AP, spesso chiamato thin-AP.

Definizione. AC (Access Controller) `e un punto centralizzato di controllo se pi` u WTP sono controllati insieme da un’unit`a di backend.

64

CAPITOLO 4. CAPWAP E 802.11F

capwap functions • RF monitoring – radar detection – noise and interference detection – measurement.

• RF configuration – for retransmission – channel selection/assignment – transmission power adjustment

• WTP configuration • WTP firmware loading (e.g. granting network wide consistency) • Network-wide STA state information – information for value-added services – mobility and load balancing. – ...

• Mutual authentication between network entities

[email protected]

4.2

Nomadic Communications: AP Management

15

Architettura AUTONOMA

Ogni WTP `e un singolo dispositivo fisico, un AP come lo usiamo tutti i giorni. Implementa tutti i servizi 802.11, pu`a essere controllato e configurato individualmente. Pu`o essere monitorato e gestito con protocolli di rete come SNMP. Questi WTP sono anche chiamati Fat AP o Standalone AP.

4.3

Architettura CENTRALIZZATA

Uno o pi` u AC controllano molti WTP. Questi AC possono essere considerati punti di aggregazione, spesso locali con uno switch, un bridge L2 (Access Bridge) o un router L3 (Access Router). Molto meglio gestibili per reti scalabili. Le funzioni di CapWap e 802.11 sono fornite da WTP e AC insieme! I WTP non possono pi` u implementare completamente le funzioni 802.11. I WTP sono anche chiamati light weight o thin AP.

4.3. ARCHITETTURA CENTRALIZZATA

65

capwap WLAN arch: centralized

BSS BSS22 BSS BSS33

BSS BSS11

WTP 2 WTP 3 WTP 1

interconnection Internet Internet AC

[email protected]

Nomadic Communications: AP Management

18

capwap centralized: protocol view • Interconnection can be L3, L2 or even direct physical connection • AC can be distributed over several physical devices • Can support 3 different protocol architectures

802.11 PHY

capwap functions non RT 802.11 MAC real time 802.11 MAC 802.11 PHY

“local MAC”

“split MAC”

capwap functions 802.11 MAC

AC

WTP

[email protected]

AC

capwap functions

AC

802.11 MAC WTP

802.11 PHY

WTP

“remote MAC”

Nomadic Communications: AP Management

19

66

CAPITOLO 4. CAPWAP E 802.11F

capwap centralized: AC-WTP Interface • Discovery: The WTPs discover the AC with which they will be bound to and controlled by • Authentication: WTPs must authenticate with AC (and possibly vice-versa) • WTP Association: WTP registers with the AC • Firmware Download: WTP pull or AC push the WTPs firmware • Control Channel Establishment: The WTP establishes an IP- tunnel with the AC • Configuration Download: AC push configuration parameters to the WTP [email protected]

Nomadic Communications: AP Management

20

Problemi ”remote MAC“: possiamo avere problemi di delay perch´e la parte realtime dello stack `e implementata sull’AC (remoto). Per grandi reti il CSMA non funziona pi` u, in questo caso la soluzione migliore `e split MAC. Remote MAC `e una buona soluzione per le reti domestiche. (Slide 23)

4.4

Architettura DISTRIBUITA

I nodi wireless possono fare una rete distribuita, sia a mezzo cablato che non. Un esempio `e una rete mesh wireless. Alcuni di questi nodi chiaramente possono avere una connessione ethernet verso l’esterno. (Slide 25) In questa soluzione gli AP (o mesh nodes) sono peer e non c’`e una gestione centralizzata. E’ quindi necessario trovare un protocollo IAPP ed algoritmi distribuiti interessanti. N.B.: le meshes wireless possono risolvere problemi di copertura in aree remote e possono estendere, migliorare ed ”elasticizzare“ l’accesso ad internet.

4.5

Protocollo CAPWAP

Concepito per architetture centralizzate, local e split MAC solamente. Esegue sopra IP. Indipendente dalla tecnologia RADIO, richiede bindings per mappare le tecnologie. Ha comunicazioni Data e Control. I WTP non sono indipendenti, tutto il traffico `e centralizzato sull’AC. (Slide 28)

4.6. AD-HOC, PAN, MESHES, ...

67

Obiettivi: • centralizzare le autenticazioni: AC fa bridging, forwarding ed encryption. Costi ridotti per WTP e maggiore efficienza • alleggerire i WTP dal prcessing di protocolli di alto livello • definire un encapsulation generico ed un meccanismo di trasporto indipendente dalla tecnologia Traporto: come incapsulazione UDP, costruito su DTLS (Datagram Transport Layer Security). Non ancora sviluppato completamente, con strato crittografico per servizi connectionless. Sessione di connessione WTP-AC: • autenticazione • connessione • operazione (indefinita) (Slides 31-32)

4.6

AD-HOC, PAN, MESHES, ...

Reti ad-hoc: reti costruite per supportare specifiche necessit`a. Generalmente chiuse, ma entrano in gioco gateway per connetterle con l’esterno. N.B.: diverso da AP, perch´e solitamente `e l’AP che ”costruisce“ la rete con i pc che si autenticano, in questo caso abbiamo rete costruita on the fly con gateway. Punto chiave `e costruire e supportare dinamicamente la topologia on-the-fly. Non abbiamo pianificazione o gerarchia. Un particolare tipo di reti ad-hoc sono le reti di sensori WSN (Wireless Sensor Network): devono effettuare misure (sensing) ed in caso reagire a qualche evento/cambiamento (acting). Normalmente vengono alimentate con batterie, quindi `e posta molta attenzione sul consumo di energia. Fondamentali per il concetto di Ambient Intelligence. L’idea di reti ad-hoc nasce in USA per scopi militari: ogni soldato fa da nodo e si pu`o coordinare con i colleghi ed i veicoli armati in modo da non ammazzarsi a vicenda. Scopi civili per reti di questo tipo sono per esempio per comprendere il comportamento di grandi incendi (capire come si sta muovendo, il calore sviluppato, ecc.). Personal network: reti con range molto ridotto (1-5m) e con potenza estremamente bassa (minore di 10mw). Sottoprogetto di 802.15. Obiettivi: • auricolari con cellulare/hi-fi/TV • PDA, cellulari, orologi, sveglie, laptop • mouse, tastiera, laptop 802.15.1 Tecnologie di questo tipo sono per esempio Bluetooth (master/slave architecture, comunicazioni real-time) oppure 802.15.4 ZigBee (meshed architecture, bassi consumi). Propositi (non ancora standard):

68

CAPITOLO 4. CAPWAP E 802.11F • rounting: come trovare la rotta migliore in una rete ”temporanea“? Come coordinarsi? • gestione della topologia: cooperazione tra i nodi, come ricercare i nodi che usano le risorse dagli altri • usage context: uso civile di queste risorse `e possibile ma `e davvero necessario?

4.7

Bluetooth

RF: (Slides 8-11) La trasmissione salta con un pattern pseudorandom sui 7s carrier. Necessit`a di sincronia per effettuare comunicazione. Supponiamo di avere una rete a 3 canali come segue: (disegno) Se uso il canale 2 il protocollo bluetooth interferisce pi` u di 500 volte al secondo. C’`e un sistema per evitare di usare i carrier che non trasmettono a causa di interferenze. Le interferenze con il 802.11 si possono spiegare guardando i power levels: in una trasmissione wireless `e costante mentre in quella bluetooth c’`e un impulso breve ma molto forte che ”copre“ il segnale wireless. Baseband: (Slides 13-14) L’inquiry-scan protocol `e importante perch´e definisce i limiti del bluetooth in quanto `e molto lento e quindi l’ingresso/uscita dei nodi dalla rete `e un processo lungo (secondi). (Slides 15-17) Serve per attivare i nodi, passaggio da parked ad active. Non vengono usati inidirizzi lunghi perch´e avendo hop da 615µs (corti) se avessi indirizzi pi` u lunghi spenderei troppo tempo a mandare gli header (grigi e rosa). (Slides 18-20) N.B.: lo standard prevede comunicazione tra piconets (scatternet) ma non c’`e un’implementazione reale. Problema: i nodi che stanno in due reti devono comprendere allo stesso tempo i pattern delle due reti, che chiaramente sono diversi. Bande immediatamente dimezzate (la met`a del tempo ascolta da una parte, l’altra met`a dall’altra). Bottleneck! (Slide 22) Link management: (Slides 24-25) In low power mode invece di essere in ascolto continuo ascolta ogni tot pssando da parking ad active. Sicurezza: (Slide 26-27) N.B.: la procedura di autenticazione non `e criptata, quindi quando non serve `e meglio spegnerlo. L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol) fornisce: • multiplexing • segmentazione e riassemblamento • negoziazione del QoS (Slide 31) SDP (Service Discovery Protocol): serve per connettersi a dispositivi remoti e fare query per servizi (ricerca di classi di servizio o browse alla ricerca dei servizi). Fornisce gli attributi che descrivono dettagliatamente come connettersi al servizio. E’ necessario stabilire una connessione separata (non-SDP) per accedere al servizio. RFCOMM: emula le parti seriali su un protocollo packet oriented.

4.8. ZIGBEE

4.8

69

ZigBee

Alleanza commerciale tra industrie per l’automazione e controlli di componenti elettronici, periferiche PC, monitoraggio medico e giocattoli. Particolare attenzione a: • semplicit`a • durata della batteria • networking • reliability • costi L’alleanza fornisce interoperabilit`a e certificazione di testing. (Slides 39-43) Possiamo trovare 3 tipi di topologie principali ma in realt`a ce ne sono molte altre: • star • cluster tree • mesh (Slide 44) A livello MAC abbiamo 2 meccanismi di accesso al canale: • non-beacon network: abbiamo standard comunicazioni CSMA/CA, con ACK positivi per i pacchetti ricevuti • beacon-enabled network: abbiamo una struttura o superframe. Pensata per bande dedicate e basse latenze. Il coordinatore viene impostato per trasmettere i beacon a intervalli fissati (ogni 16 time slot). Da 15ms a 252s. Accesso a canale ogni volta che slot `e libero da contesa. (Slides 46-48) ZigBee vs Bluetooth E’ inutile confrontarli, sono destinati a diversi usi ed a diverse aree di mercato. (Slide 50) Bluetooth `e un ”rimpiazzo ai fili“ in telefoni, laptop, ... Per quanto riguarda i consumi, bluetooth `e costosissimo in termini di consumi, mentre ZigBee `e migliore per dispositivi dove la batteria viene cambiata raramente. (Slide 61) ZigBee: pensato cicli poco costosi ed ambienti dinamici con molti nodi attivi. Bluetooth: pensato per garantire alto QoS, cicli di costo variabile, data rate moderati in reti semplici con pochi nodi attivi.

70

CAPITOLO 4. CAPWAP E 802.11F

4.8.1

WIRELESS MESH NETWORKS

(Slides 64-65) Mesh gerarchiche: • possibilit`a di avere un backbone • possiblit`a di avere strategie di routing nella scelta del gateway sia a livello client sia a livello backbone Le backbone sono collegamenti tra nodi fissi lunghi anche molti km. Copertura facile ed economica. N.B.: se perdiamo una mesh siamo tagliati fuori dalla comunicazione oltre quella mesh. Dobbiamo essere sicuri di poter ripristinare il tutto in fretta. (Slides 70-74) Scenari (Slides 76-78) Quando ci spostiamo da una mesh all’altra la connessione cade! In questo caso possiamo avere pi` u di un gateway verso l’esterno, `e necessario un routing flowbased per evitare colli di bottiglia. E’ anche necessaria coordinazione per gestire gli indirizzi in modo che non ci siano duplicati. Le WDS possono essere multi-hop.

4.8.2

VEHICULAR AD-HOC NETWORKS

Reti non ancora realizzate salvo per dimostrazioni. Recenti progressi nelle tecnologie di localizzazione (GPS) e comunicazione le hanno rese tecnicamente realizzabili. Interessi: • da parte delle authorities per ridurre gli incidenti • da parte delle fabbriche di auto per aumentare la sicurezza Il focus `e sulle reti wireless per comunicazione tra veicoli e tra veicoli ed unit`a a lato della strada. N.B.: non possiamo parlare di cellular network in questo contesto perch´e i tempi di comunicazione sono troppo elevati. Prima che le macchine possano comunicare `e gi`a avvenuto l’incidente. (Slide 6) Da notare che non rendono la guida automatica, aiutano il guidatore dando avvertimenti/consigli. Problema: bisogna convincere tecnici e scienziati a lavorare insieme ma troppo spesso accade solo se gli eventuali risultati portano un sacco di soldi. Secondo problema: il sistema di guida aiutato richiede che almeno il 50% delle auto montino il sistema. Si potrebbe installarlo come add-on? (Slides 12-14) Fluidit`a: quando un liquido viene immesso in un tubo, se `e troppo la velocit`a diventa altalenante. Trasliamo la cosa sull’autostrada e diventa pericoloso: per questo `e il caso di rallentare le auto che arrivano in modo che la congestione si risolva e le macchine possano tornare a velocit`a normale. (Slide 16)

4.8. ZIGBEE

71

Safety vs Efficiency: il target potrebbe essere l’efficienza, purch`e sia altamente safe. (Slide 21) Questa curva ci dice in qualche modo quanto `e buona la nostra infrastruttura: scopo della guida cooperativa `e portare il picco massimo di uncongested pi` u in alto, cio`e aumentare la capacit`a del sistema. (Slide 22) Chiaramente le simulazioni non sono abbastanza, abbiamo bisogno di modelli (dati topologici, dati sul flusso di veicoli, ...) la cui validazione e calibrazione richiede tempo. (Slides 24-26) (Slide 25): inutile, tantno non lavoriamo in un ambiente cos`ı semplice Modelli probabilistici risultano pi` u realistici perch´e includono aspetti come il fading o il shadowing model (log-normal shadowing). Vengono introdotte le nozioni di CS range e di communication range. (Slides 28-30) Le frequenze usate sono 5,8-5,9GHz. Brevi distanze, non certo chilometri (al massimo 1km). La banda `e licenziata per evitare troppe interferenze. (Slides 34-36) Implementando reti veicolari dobbiamo per`o sempre tenere presente che bisogna rispettare sempre i vincoli di pseudo real-time. (Slides 37-38) OBU: On Board Unit RSU: Radio Service Set Abbiamo bisogno di Management Entities (ME) perch´e dobbiamo differenziare diverse richieste per diverse applicazioni (non accade in wlan). 802.11p: dobbiamo definire modi 802.11 per: • cambiare rapidamente PHY • avere scambi di informazioni brevissimi (molto meno tempo di ad-hoc) Va assicurato il numero di specificazioni minimo per garantire l’interoperabilit`a. 802.16.20: Slide 40 CALM (Slides 41-42) Sistema di messaggi molto semplice basato principalmente su infrarossi. Data rate da 1 a 128Mbps (centinaia di messaggi al secondo). Basta mettere dispositivi a bordo strada che illuminano carreggiata e dispositivi su auto come telepass: poco costoso. Funziona gi`a in estremo oriente, sarebbe facilmente convertibile in uno standard. Esempio: • 11 veicoli per Km e corisa • ogni veicolo vuole mandare 10 pacchetti al secondo • 500 pacchetti Qual `e la probabilit`a che i miei pacchetti vengano ricevuti correttamente? (Slides 45-46) Strategie di comunicazione per safety:

72

CAPITOLO 4. CAPWAP E 802.11F • Periodic messages (”Beacons“): ottenere informazioni locali con 1 hop broadcast • Event-driven messager (”Emergency message“): l’informazione ha bisogno di essere diramata (incidente). Information dissemination (multi-hop).

Bisogna aggiustare il rate o la potenza in modo da avere probabilisticamente la massima probabilit`a di ricezione. (Slides 48-51) Architettura: (Slides 54-56) N.B.: spesso per ottimizzare le prestazioni di rete usiamo un sacco di risorse sulla rete piuttosto che sulle applicazioni. In questo caso non possiamo farlo, siamo dipendenti dalle applicazioni per l’aiuto alla guida. (Slides 57-62) Simulano il protocollo per valutare le performance. Attenzione per`o, alcune cose simulate in simulink non sono fisicamente realizzabili! Per mostrare l’impatto sulla sicurezza `e sufficiente simulare situazioni con o senza aiuto alla guida e inferire sul numero di incidenti. Grossissimo problema: (Slide 65) Facile con figura completa, ma con informazioni parziali, pochissimo tempo e automaticamente `e tutta un’altra cosa. Sicurezza: dobbiamo garantire: • integrit`a (di messaggi) • identification (di utenti o dispositivi) • non-repudiation (di messaggi) Ed allo stesso tempo va garantita la privacy: • users’s protection (notifiche delle violazioni) • anti-tracking (evitare di tracciare macchina e i loro movimenti) Questo `e un problema tuttora aperto.