Capitolo 6: Reti Wireless e Mobili

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1 Capitolo 6: Reti Wireless e Mobili
Premessa: # telefoni cellulari è maggiore del numero di telefoni fissi! accesso a Internet in ogni luogo e in ogni momento (ubiquitous computing): laptops, palmtops, PDAs, telefoni cellulari due aspetti importanti (ma differenti) communicazione in un canale wireless gestione di utenti mobili (che cambiano il punto di collegamento con la rete) Reti wireless e mobili

2 Capitolo 6: sommario Comunicazioni Wireless
Caratteristiche canali Wireless, CDMA IEEE wireless LANs (“wi-fi”) Cellular Internet Access architettura standard (es. GSM) Mobilità Principi: indirizzamento e routing per utenti mobili Mobile IP Gestione mobilità in reti cellulari Mobilità e protocolli di alto livello Reti wireless e mobili

3 Elementi di una rete wireless
wireless hosts laptop, PDA, telef. IP eseguono applicazioni stazionari o mobili wireless NON implica sempre mobilità infrastruttura di rete Reti wireless e mobili

4 Elementi di una rete wireless
stazione base tipicamente connessa a rete con fili (wired) responsabile per lo scambio di pacchetti tra rete wired e host wireless nella sua “area” es, punti di accesso (access points ) infrastruttura di rete Reti wireless e mobili

5 Elementi di una rete wireless
link wireless usato per connettere stazioni wireless alla base station anche usato come collegamento di backbone accessi multipli differiscono per banda e per distanza di trasmissione infrastruttura di rete Reti wireless e mobili

6 Caratteristiche di alcuni standard wireless
54 Mbps 802.11{a,g} 5-11 Mbps .11 p-to-p link 802.11b 1 Mbps 802.15 3G 384 Kbps UMTS/WCDMA, CDMA2000 2G 56 Kbps IS-95 CDMA, GSM Indoor 10 – 30m Outdoor 50 – 200m Mid range outdoor 200m – 4Km Long range 5Km – 20Km Reti wireless e mobili

7 Elementi di una rete wireless
rete con infrastruttura la stazione base connette gli utenti mobili alla rete wired handoff: utente mobile canbia la stazione base infrastruttura di rete Reti wireless e mobili

8 Elementi di una rete wireless
Modo Ad hoc non esiste stazione base nodi possono solo comunicare con altri nodi nella loro copertura i nodi si roganizzano in una rete: routingoo all’interno di una area connessa Reti wireless e mobili

9 Caratteristiche del link wireless
Differenze con rete wired …. attenuazione del segnale: il segnale radio si attenua mentre attraversa il mezzo interferenze con altre sorgenti: reti wireless usano frequenze standard (es, 2.4 GHz) condivisa da altri dispositivi (es, telefono); i dispositivi interferiscono propagazione su piuù cammini: il segnale radio si riflette sugli oggetti e può arrivare a destinazione con tempi diversi …. rendono la comunicazione wireless (anche punto-a-punto fra due soli utenti) molto più complessa Reti wireless e mobili

10 Caratteristiche del link wireless
Più mittenti e destinatari wireless creano altri problemi: A B C forza del segnale di A space segnale di C A B C Il problema del terminale nascosto B, A sono collegati B, C sono collegati A, C non possono comunicare quindi A, C non sanno della comune interferenza con B Degrado del segnale: B, A sono collegati C, A sono collegati A, C non possono sentirsi e interferiscono a B Reti wireless e mobili

11 Code Division Multiple Access (CDMA)
usato in diversi standard per il broadcast (un mittente, tanti destinatari) (cellular, satellite, etc) un codice unico è assegnato ad ogni utente (partizionamento dell’insieme dei codici) tutti gli utenti condividono la stessa frequenza, ma ogni utente ha una propria “sequenza di chipping” per codificare i dati segnale codificato = (dati originali) X (sequenza di chipping) decodifica: prodotto scalre del segnale codifcato e della sequenza di chipping permette a diversi utenti di “coesistere” e trasmettere simultaneamente con interferenza minima (se i codici sono “ortogonali”) Reti wireless e mobili

12 CDMA Codifica/Decodifica
channel output Zi,m d1 = -1 1 - Zi,m= di.cm data bits d0 = 1 1 - 1 - 1 - mittente slot 1 channel output slot 0 channel output code slot 1 slot 0 Di = S Zi,m.cm m=1 M received input 1 - 1 - d0 = 1 d1 = -1 slot 1 channel output slot 0 channel output code ricevente slot 1 slot 0 Reti wireless e mobili

13 CDMA: interferenza di due mittenti
mittente 1 mittente 2 Reti wireless e mobili

14 IEEE Wireless LAN 802.11b 2.4-5 GHz spettro radio senza licenze d’uso fino a 11 Mbps collegamenti diretti spectrum (DSSS) in physical layer tutti gli utenti usano stessa seq. chipping molto usato 802.11a spettro 5-6 GHz fino a 54 Mbps 802.11g spettro GHz Tutti usano CSMA/CA per accessi multipli In ogni caso versioni per base-station e ad-hoc network Reti wireless e mobili

15 LAN: architettura Internet host host comunicano con stazione base (base station) base station = access point (AP) Basic Service Set (BSS) (simile a “cella”) contiene: hosts wireless (sempre) access point (AP): base station (solo infrastruttura) ad hoc mode: solo hosts AP hub, switch o router AP BSS 1 BSS 2 Reti wireless e mobili

16 802.11: canali e associazioni
802.11b: spettro 2.4GHz-2.485GHz diviso in 11 canali con frequenza diverse amministratore di AP sceglie la frequenza per AP possibili interferenze: il canale potrebbe essere scelto anche da AP vicini host: deve associarsi con un AP esamina i canali per verificare l’eventuale presenza di beacon frames contenenti il nome AP(SSID) e l’indirizzo MAC seleziona AP con cui associarsi può eseguire procedura di autenticazione tipicamente usa DHCP per otteenre indirizzo IP nella sottrete dell’AP Reti wireless e mobili

17 IEEE 802.11: accessi multipli
Problema collisioni: più nodi che trasmettono allo stesso istante 802.11: CSMA - ascolta prima di trasmettere non collide con trasmissioni incorso di altri nodi 802.11: non esiste meccanismo verifica collisioni difficoltà di ricevere inform. su eventuale collisione quando si trasmette per debolezza del segnale ricevuto: terminale nanscosto, fading obiettivo: evitare collisioni: CSMA/C(ollision)A(voidance) A B C A B C potenza segnale di A space potenza segnale di C Reti wireless e mobili

18 IEEE 802.11: Protocollo MAC-CSMA/CA
802.11: mittente 1 se il canale è libero(idle) per DIFS sec. allora trasmetti il frame intero (no CD) 2 se il canale è occupato allora inizia tempo backoff casuale riduci timer se canale libero trasmetti quando il timer è a zero se non ricevi ACK allora incrementa intervallo di backoff time, vai a 2 ricevente - se il frame è ricevuto OK ritorna ACK dopo SIFS sec. (ACK serve per problema terminale nascosto) mittente ricevente DIFS data SIFS ACK Reti wireless e mobili

19 IEEE 802.11: evitare collisioni
idea: permettere al mittente di prenotare il canale piuttosot che un accesso casuale: obiettivo ridurre collisoni di frame dati grandi mittente prima trasmette alla BS una richiesta di piccola di pacchetti request-to-send (RTS) (prenotazione) usando CSMA RTS possono ancora collidere l’un l’altro (ma sono piccoli) BS esegue in risposta il broadcast clear-to-send (CTS) RTS è rilevato da tutti i nodi mittente invia il frame dati altre stazioni aspettano Avoid data frame collisions completely using small reservation packets! Reti wireless e mobili

20 IEEE 802.11: evitare collisioni esempio
B AP RTS(A) RTS(B) collisione in prenotazione RTS(A) CTS(A) DATA (A) ACK(A) attesa tempo Reti wireless e mobili

21 : indirzzamento frame control duration address 1 2 4 3 payload CRC 6 seq Indirizzo 4: usato solo in modalità ad hoc Indirizzo 1: indirizzo MAC dell’host wireless o AP per ricevere questo frame Indirizzo 3: indirizzo MAC per interfaccia router a cui è collegato AP Inidirizzo 2: indrizzo MAC del host wireless or dell’AP in trasmissione Reti wireless e mobili

22 802.11 : indirizzamento router Livello 2 Internet H1 R1 AP
AP MAC ind H1 MAC ind R1 MAC ind indirizzo 1 indirizzo 2 indirizzo 3 frame H1 R1 R1 MAC addr AP MAC addr ind. destinatario source address frmae 802.3 Reti wireless e mobili

23 802.11 frame durata del tempo di trasmissione numero di seq. del frame
prenotato (RTS/CTS) numero di seq. del frame (motivi affidabilità) frame control duration address 1 2 4 3 payload CRC 6 seq Type From AP Subtype To More frag WEP data Power mgt Retry Rsvd Protocol version 2 4 1 tipo frame (RTS, CTS, ACK, data) Reti wireless e mobili

24 802.11: mobilità entro la stessa sottorete
H1 rimane nella stessa sottoreter IP: stesso indirizzo switch: quale AP è associato con H1? switch ha il compito di “ricordare” quale porta raggiunge H1 router hub o switch BBS 1 AP 1 AP 2 H1 BBS 2 Reti wireless e mobili

25 802.15: personal area network
diametro meno di 10 m sostituzione di mouse, tastiera, cuffie ad hoc: nessuna infrastruttura master/slaves (piconet): slave richiedono al master permesso di comunicare master accorda permessi 802.15: evoluzione da specifiche Bluetooth banda radio GHz TDM, Frequency Hopping fino a to 721 kbps P S P raggio di copertura M S S P P M S Dispositivo Master Dispositivo Slave Dispositivo (inattivo) P Reti wireless e mobili

26 Chapter 6 outline 6.1 Introduction Wireless
6.2 Wireless links, characteristics CDMA 6.3 IEEE wireless LANs (“wi-fi”) 6.4 Cellular Internet Access architecture standards (e.g., GSM) Mobility 6.5 Principles: addressing and routing to mobile users 6.6 Mobile IP 6.7 Handling mobility in cellular networks 6.8 Mobility and higher-layer protocols 6.9 Summary Reti wireless e mobili

27 Reti cellulari: architettura
MSC connette le celle a rete gestisce instaurazione chiamate gestisce mobilità cella copre regione geografica base station (BS) analoga a AP mobile users si collega alla rete tramite BS interfaccia: protocollo di trato fisico e di link tra utente mobile e BS Mobile Switching Center Rete telefonica pubblica, e Internet Mobile Switching Center rete wired Reti wireless e mobili

28 Reti Cellulari : il primo collegamento
Due tecniche per la condivisione dello spettro radio “utente mobile”-BS combinazione FDMA/TDMA: dividi lo spettro in canali di frequenza, dividi i canali frazioni di tempo (time slots) CDMA: code division multiple access frequency bands time slots Reti wireless e mobili

29 Standard per Reti Cellulari
sistema 2G : canali vocali IS-136 TDMA: combinazione FDMA/TDMA (USA) GSM (global system for mobile communications): combined FDMA/TDMA (Europa, più usato) IS-95 CDMA: code division multiple access Reti wireless e mobili

30 Cellular standards: brief survey
sistemi 2.5 G : canali voce e dati estensione di 2G in attesa di 3G general packet radio service (GPRS) evoluzione da GSM dati inviati su canali multipli (se disponibili) enhanced data rates for global evolution (EDGE) ulteriore evoluzione di GSM, usa tecniche di modulazione più avanzate Data rate fino a 384K CDMA-2000 (fase 1) Data rate fino a 144K evoluzione di IS-95 Reti wireless e mobili

31 Cellular standards: brief survey
3G systems: voce/dati Universal Mobile Telecommunications Service (UMTS) evoluzione GSM, che usa CDMA CDMA-2000 Reti wireless e mobili