Capitolo 6 Reti wireless e IP Mobile .

Capitolo 6: Indice 6.1 LAN wireless 6.2 Accesso al mezzo mediante suddivisione del canale 6.3 Rete cellulare 6.4 Rete mobile 1.#

Capitolo 6: Obiettivi Nella prima sezione presenteremo le LAN wireless confrontandole con quelle cablate, di cui abbiamo parlato nel Capitolo 5. Quindi analizzeremo le reti basate su IEEE 802.11, che è lo standard dominante nelle LAN wireless. Poi parleremo delle LAN Bluetooth che vengono usate in molte applicazioni in maniera circoscritta all’utente senza connessione ad Internet. Nella seconda sezione verranno analizzate le reti cellulari. Prima di presentare tali reti verranno discussi i metodi d’accesso a suddivisione del canale che si usano nelle reti cellulari. Nella terza sezione si discuterà dell’IP Mobile, che fornisce accesso mobile a Internet. Prima di tutto parleremo del problema dell’indirizzamento e quindi analizzeremo le tre fasi dell’accesso mobile. 1.#

La comunicazione wireless è una tecnologia in forte espansione. 6.1 WIRELESS LANS La comunicazione wireless è una tecnologia in forte espansione. La domanda di dispositivi di comunicazione senza l’uso di cavi sta aumentando ovunque. Le reti LAN wireless si possono trovare nei campus universitari, negli uffici e in molte aree pubbliche. 1.#

Confronto architetturale 6.1.1 Introduzione Prima di parlare di protocolli specifici collegati alle LAN wireless, analizziamo le caratteristiche di queste reti, rispetto alle reti cablate. Confronto architetturale Mezzo trasmissivo Host wireless LAN isolate Connessione ad altre reti Migrazione dall’ambiente cablato a quello wireless 1.#

6.1.1 Introduzione (continuazione) Caratteristiche Attenuazione del segnale Interferenza Propagazione multi-path Errori Controllo dell’accesso al mezzo 1.#

Figura 6.1: LAN isolate: cablata e wireless 1.#

Figura 6.2: Connessione di una LAN cablata e di una LAN wireless ad altre reti 1.#

Figura 6.3: Problema del terminale nascosto 1.#

6.1.2 IEEE 802.11 L’IEEE ha definito le specifiche per le LAN wireless, chiamate IEEE 802.11, che coprono i livelli fisico e di collegamento. In alcune nazioni, compresi gli Stati Uniti, si usa il termine Wi-Fi (abbreviazione di wireless fidelity) come sinonimo di LAN wireless. Wi-Fi è una LAN wireless certificata dalla Wi-Fi Alliance, un’associazione industriale globale no-profit, di cui fanno parte oltre 300 aziende, che si occupa di promuovere la crescita delle LAN wireless. 1.#

6.1.2 IEEE 802.11 (continuazione) Architettura Protocollo MAC 802.11 Basic Service Set Extended Service Set Tipi di stazioni Protocollo MAC 802.11 Distributed Coordination Function (DCF) Point Coordination Function (PCF) Fragmentation Formato del frame Tipi di frame 1.#

Problema della stazione esposta 6.1.2 IEEE 802.11 (continuazione) Indirizzamento Problema della stazione esposta Physical Layer IEEE 802.11 FHSS IEEE 802.11 DSSS IEEE 802.11 Infrared IEEE 802.11a OFDM IEEE 802.11b DSSS IEEE 802.11g IEEE 802.11n 1.#

Figura 6.4: Basic service set (BSS) 1.#

Figura 6.5: Extended service set (ESS) 1.#

Figura 6.6: MAC layers in IEEE 802.11 standard 1.#

Figura 6.6: Diagramma di flusso del CSMA/CA 1.#

Figura 6.7: Finestra di contesa 1.#

Figura 6.8: CSMA/CA e NAV 1.#

Figura 6.10: Example of repetition interval 1.#

Figura 6.9: Formato del frame 1.#

Tabella 6.1: Sotto-campi nel campo FC

Figura 6.10: Frame di controllo 1.#

Tabella 6.2: Valori dei sotto-campi nei frame di controllo

Tabella 6.3: Indirizzi

Figura 6.11: Meccanismo d’indirizzamento 1.#

Figura 6.12: Problema della stazione esposta 1.#

Table 6.4: Specifications

Figura 6.15: Physical layer of IEEE 802.11 FHSS 1.#

Figura 6.16: Physical layer of IEEE 802.11 DSSS 1.#

Figura 6.17: Physical layer of IEEE 802.11 infrared 1.#

Figura 6.18: Physical layer of IEEE 802.11b 1.#

6.1.3 Bluetooth Il Bluetooth è una tecnologia LAN wireless progettata per connettere dispositivi con diverse funzioni, come telefoni, notebook, computer (desktop e laptop), macchine fotografiche, stampanti e anche macchinette del caffè quando si trovano a una breve distanza l’una dall’altra. Una LAN Bluetooth è una rete ad hoc, il che significa che si forma spontaneamente, senza l’aiuto di alcuna stazione base (access point); i dispositivi si accordano l’un l’altro e creano una rete chiamata piconet, che può essere composta al massimo da 8 dispositivi. 1.#

6.1.3 Bluetooth (continuazione) Architettura Piconet Scatternet Dispositivi Bluetooth Accesso al mezzo trasmissivo Livello fisico 1.#

Figura 6.13: Piconet 1.#

Figura 6.14: Scatternet 1.#

Figura 6.21: Bluetooth layers 1.#

Figura 6.22: L2CAP data packet format 1.#

Figura 6.15: Comunicazione singola-secondaria 1.#

Figura 6.16: Comunicazione multipla-secondaria 1.#

Figura 6.25: Frame format types 1.#

6.1.4 WiMax Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) is an IEEE standard 802.16 (for fixed wireless) and 802.16e (for mobile wireless) that aims to provide the “last mile” broadband wireless access alternative to cable modem, telephone DSL service.. 1.#

6.1.4 (continued) Architecture Data-Link Layer Physical Layer Base Station Subscriber Stations Portable Unit Data-Link Layer Physical Layer Application 1.#

6.2 Accesso al mezzo mediante suddivisione del canale Nelle reti wireless, come le reti cellulari e quelle satellitari, vengono utilizzati dei meccanismi di accesso al mezzo trasmissivo basati sulla suddivisione del canale. In questa sezione ci occupiamo di questi metodi per poter poi passare alle reti cellulari. 1.#

6.2 Accesso al mezzo mediante suddivisione del canale (continuazione) La channelization (o suddivisione del canale) è un metodo ad accesso multiplo nel quale l’ampiezza di banda disponibile di un link viene suddivisa in tempo, frequenza o codice, tra diverse stazioni. In questa sezione parleremo di tre protocolli di suddivisione del canale: FDMA, TDMA e CDMA. 1.#

6.2 Accesso al mezzo mediante suddivisione del canale (continuazione) Frequency-Division Multiple Access (FDMA) Time-Division Multiple Access (TDMA) Code-Division Multiple Access (CDMA)) Un’analogia L’idea Sequenza di chip Rappresentazione dei dati Codifica e decodifica Signal Level Sequence Generation 1.#

Figura 6.17: Accesso multiplo a divisione di frequenza (FDMA) 1.#

Figura 6.18: Accesso multiplo a divisione del tempo (TDMA) 1.#

Figura 6.19: Semplice idea della comunicazione con codice 1.#

Figura 6.20: Sequenze di chip 1.#

Figura 6.21: Rappresentazione dei dati nel CDMA 1.#

Figura 6.22: Condivisione del canale nel CDMA 1.#

Figura 6.23: Segnale digitale creato da quattro stazioni nel CDMA 1.#

Figura 6.24: Decodifica del segnale composto per uno nel CDMA 1.#

Figura 6.25: Regola generale ed esempi nella creazione delle tabelle di Walsh 1.#

Esempio 6.1 Trovare i chip per una rete con: Due stazioni Quattro stazioni Soluzione Possiamo usare le righe di W2 e W4 della Figura 6.25: Per una rete da due stazioni abbiamo: [+1 +1] e [+1 –1]. Per una rete da quattro stazioni abbiamo: [+1 +1 +1 +1], [+1 –1 +1 –1], [+1 +1 –1 –1] e [+1 –1 –1 +1].

Esempio 6.2 Qual è il numero di sequenze se abbiamo 90 stazioni nella nostra rete? Soluzione Il numero di sequenze deve essere 2m. Si deve scegliere m = 7 e N = 27 o 128. Si possono quindi usare 90 sequenze come chip.

Esempio 6.3 Dimostrare che una stazione ricevente può ottenere i dati inviati da un mittente specifico se moltiplica tutti i dati sul canale per il codice chip del mittente e poi lo divide per il numero di stazioni. Soluzione Dimostriamo ciò per la prima stazione, usando l’esempio precedente delle quattro stazioni. Possiamo dire che i dati sul canale siano: D = (d1 · c1 + d2 · c2 + d3 · c3 + d4 · c4). Il destinatario, che vuole ottenere i dati inviati dalla stazione 1, moltiplica tali dati per c1.

6.3 Rete cellulare La telefonia mobile è stata progettata per fornire la comunicazione tra due unità in movimento, chiamate stazioni mobili (MS) o tra un’unità mobile e una fissa, spesso chiamata unità terrestre. Un provider di servizi deve poter localizzare e tracciare il chiamante (colui che effettua la chiamata), assegnare un canale alla telefonata e trasferire il canale da una stazione base all’altra mentre il chiamante si sposta fuori portata. 1.#

Principio di riutilizzo delle frequenze 6.3 Rete cellulare (continuazione) Principio di riutilizzo delle frequenze Trasmissione Ricezione Handoff Roaming Prima generazione (1G) AMPS 1.#

6.3 Rete cellulare (continuazione) Seconda generazione (2G) D-AMPS GSM IS-95 Terza generazione (3G) Internet Mobile Communication 2000 (IMT-2000) Quarta generazione (4G) Access Scheme Modulation Radio System Antenna Applications 1.#

Figura 6.26: Sistema cellulare 1.#

Figura 6.27: Sequenze di riutilizzo della frequenza 1.#

Figura 6.28: Bande cellulari per l’AMPS 1.#

Figura 6.38: AMPS reverse communication band 1.#

Figura 6.39: D-AMPS 1.#

Figura 6.40: GSM bands 1.#

Figura 6.41: GSM 1.#

Figura 6.42: Multiframe components 1.#

Figura 6.43: IS-95 forward transmission 1.#

Figura 6.44: S-95 reverse transmission 1.#

Figura 6.45: IMT-2000 radio interfaces 1.#

6.2.3 Satellite Networks A satellite network is a combination of nodes, some of which are satellites, that provides communication from one point on the Earth to another. A node in the network can be a satellite, an Earth station, or an end-user terminal or telephone. 1.#

6.2.3 (continued) Orbits Footprint Three Categories of Satellites Frequency Bands for Satellite Communication GEO Satellites MEO Satellites Global Positioning System (GPS) LEO Satellites 1.#

Figura 6.46: Satellite orbits 1.#

Example 6.4 What is the period of the moon, according to Kepler’s law? Here C is a constant approximately equal to 1/100. The period is in seconds and the distance in kilometers.

Example 6.5 According to Kepler’s law, what is the period of a satellite that is located at an orbit approximately 35,786 km above the Earth?

Figura 6.47: Satellite orbit altitudes 1.#

Table 6.5: Satellite frequency bands

Figura 6.48: Satellites in geostationary orbit 1.#

Figura 6.49: Orbits for global positioning system (GPS) satellites 1.#

Figura 6.50: Trilateration on a plane 1.#

Figura 6.51: LEO satellite system 1.#

6.4 IP mobile Poiché i cellulari e i computer portatili sono diventati sempre più popolari, è divenuto necessario pensare a un’estensione del protocollo IP che consente ai dispositivi portatili di connettersi a Internet in qualsiasi luogo in cui sia possibile la connessione. Trattiamo ora questo argomento, noto come IP Mobile. 1.#

Host fissi Host mobili 6.4.1 Indirizzamento Il problema principale che va risolto nel fornire una comunicazione mobile usando il protocollo IP è l’indirizzamento. Host fissi Host mobili Cambio dell’indirizzo Uso di due indirizzi 1.#

Figura 6.29: Home address e care-of address 1.#

6.4.2 Agenti Rendere il cambiamento di indirizzo evidente al resto di Internet richiede un home agent (agente domestico) e un foreign agent (agente ospitante). La Figura 6.30 mostra la posizione di un home agent in relazione all’home network e un foreign agent relativo alla foreign network. Home Agent Foreign Agent 1.#

Figura 6.30: Home agent e foreign agent 1.#

6.4.3 Tre fasi Per comunicare con un host remoto, un host mobile passa attraverso tre fasi: individuazione dell’agente (agent discovery), registrazione dell’agente e trasferimento dati, come mostrato nella Figura 6.31. Agent Discovery Agent Advertisement Agent Solicitation 1.#

Trasferimento dei dati 6.4.3 Tre fasi (continuazione) Registrazione Richiesta di registrazione e risposta Incapsulamento Trasferimento dei dati Dall’host remoto all’home agent Dall’home agent al foreign agent Dal foreign agent all’host mobile Dall’host mobile all’host remoto Trasparenza 1.#

Figura 6.31: Comunicazione tra l’host remoto e l’host mobile 1.#

Figura 6.32: Agent advertisement 1.#

Tabella 6.4: Bit del campo code

Figura 6.33: Formato della richiesta di registrazione 1.#

Tabella 6.5: Bit del campo flag nella richiesta di registrazione

Figura 6.34: Formato della risposta di registrazione 1.#

Figura 6.35: Trasferimento dei dati 1.#

6.4.4 Inefficienza nell’IP Mobile La comunicazione che coinvolge l’IP Mobile può essere inefficiente. L’inefficienza può essere grave o moderata. Il caso grave viene chiamato double crossing o 2X. Il caso moderato viene definito triangle routing o dog-leg routing. Double Crossing Triangle Routing Soluzione 1.#

Figura 6.36: Double crossing 1.#

Figura 6.37: Triangle routing 1.#