LAN - Ethernet e Wi-Fi

Che cos'è una LAN

Definizione (LAN). Una Local Area Network è una rete progettata per un'area geografica limitata. La maggior parte delle LAN è collegata a una WAN, cioè a Internet (Tipi di rete e topologieLe reti si classificano per estensione (BAN, WLAN, LAN, MAN, WAN, WSN), per mezzo trasmissivo (aria, fibra, rame, luce visibile) e per topologia: bus (mezzo condiviso, collisioni), stella (nodo centrale, collo di bottiglia), anello (ogni nodo inoltra al successivo), maglia (collegamento diretto tra ogni coppia: $n(n-1)/2$ collegamenti). La scelta dipende da affidabilità, scalabilità, protocollo e mezzo fisico.Tipi di rete e topologie →).

Negli anni '80 e '90 esistevano molti tipi di LAN, ciascuno con il proprio metodo di accesso al mezzo: Ethernet usa CSMA/CD, Token Ring e Token Bus usano il passaggio del testimone, e così via (Protocolli di accesso multiplo - ALOHA e CSMAQuando più stazioni condividono lo stesso mezzo serve un protocollo di accesso (MAC) che decida chi trasmette. Accesso casuale: ALOHA puro (si trasmette subito, tempo vulnerabile $2t_F$), slotted ALOHA (si parte solo a inizio slot, vulnerabile $t_F$), CSMA (si ascolta prima di parlare, vulnerabile $\tau_p$) con le varianti 1-persistent, non persistent e p-persistent, CSMA/CD (rileva la collisione mentre trasmette: serve $t_F\ge2\tau_p$, quindi un frame minimo) e CSMA/CA del Wi-Fi (IFS, finestra di contesa con backoff esponenziale, ACK, RTS/CTS e NAV). Accesso controllato: prenotazione, polling, token. Canalizzazione: FDMA, TDMA, OFDMA, CDMA, SDMA.Protocolli di accesso multiplo - ALOHA e CSMA →). Quasi tutte sono sparite dal mercato tranne Ethernet, perché Ethernet è riuscita ad aggiornarsi per rispondere alle esigenze di ogni epoca.

Il progetto IEEE 802

Il progetto IEEE 802 è stato promosso da un consorzio di aziende con il supporto dell'IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), ma gli standard sono pubblicati da altri enti con nomi leggermente diversi: ISO (International Organization for Standardization) e IEC (International Electrotechnical Commission) indicano ogni standard IEEE 802.$n$ come ISO/IEC 8802.$n$. Perché 802? Era semplicemente il numero libero successivo che l'IEEE poteva assegnare; a volte lo si associa alla data della prima riunione, febbraio 1980 ($80/2$).

La famiglia 802.x.

Quindi un'interfaccia Ethernet o Wi-Fi realizza i due livelli più bassi della pila (Modello ISO-OSI e pila TCP-IPUna comunicazione tra due calcolatori è un problema troppo vario (segnali, errori, accesso al mezzo, instradamento, controllo di flusso, rappresentazione dei dati) per un solo protocollo, quindi si divide in strati (layer). Il modello ISO/OSI ha 7 livelli (fisico, collegamento, rete, trasporto, sessione, presentazione, applicazione); la pila TCP/IP riunisce gli ultimi tre in un solo livello applicazione, quindi ne ha 5. Ogni livello offre un servizio a quello sopra e parla solo con il livello pari dell'altro nodo tramite PDU; scendendo si aggiunge un'intestazione (PCI): incapsulamento. Indirizzi: MAC (collegamento, locale), IP (rete, globale).Modello ISO-OSI e pila TCP-IP →): LLC sopra, MAC e PHY sotto.

Ethernet e IEEE 802.3

Sviluppata negli anni '70 da Robert Metcalfe e David Boggs; approvata e standardizzata nel 1980-81 dal consorzio DIX (Digital, Intel, Xerox); standardizzata nel 1983 come IEEE 802.3 (approvata dall'ISO come ISO 8802.3). Ethernet e 802.3 hanno differenze molto piccole.

La filosofia di Ethernet

Il servizio di collegamento di Ethernet è:

• senza connessione: un frame è inviato quando è pronto;
• senza controllo di flusso: il trasmettitore può sommergere il ricevitore; i frame in eccesso sono scartati in silenzio e il recupero delle perdite è lasciato ai livelli superiori;
• senza ACK: i frame hanno un campo CRC a 32 bit (FCS) per rilevare gli errori, ma non c'è un ARQ nativo per gli errori sui bit (Protocolli ARQ - Stop-and-Wait, Go-Back-N e Selective RepeatARQ (Automatic Repeat reQuest) rende affidabile un collegamento che sbaglia: il ricevitore conferma (ACK) i frame ricevuti bene, il trasmettitore ritrasmette allo scadere del timeout. Servono timeout (contro il deadlock) e numeri di sequenza (contro i duplicati). Con $t_G=t_F+2\tau_p+t_A$ e probabilità di errore $p$: Stop-and-Wait $\rho=\frac{t_F(1-p)}{t_G}$; Go-Back-N con finestra $N\ge t_G/t_F$ $\rho=\frac{1-p}{1+(N-1)p}$; Selective Repeat $\rho=1-p$. Efficienza $\eta=\rho,I/F$. La finestra ottima è la capacità del tubo in pacchetti. In Selective Repeat esiste anche una lunghezza ottima del frame: con overhead $o$ e probabilità di errore sul bit $P_b$, $x_{ott}\simeq\frac o2+\sqrt{o/P_b}$ (frame più corti se il canale sbaglia di più).Protocolli ARQ - Stop-and-Wait, Go-Back-N e Selective Repeat →): se il CRC non torna, il ricevitore scarta il frame in silenzio;
• una ritrasmissione avviene solo in caso di collisione (CSMA/CD).

Perché è una scelta sensata: sul cavo corto di una LAN gli errori sono rari e il costo di un ARQ a ogni frame sarebbe superiore al beneficio; i livelli superiori (TCP) ritrasmettono comunque quello che manca.

Il formato del frame

| Preambolo | SFD | Dest. | Sorg. | Tipo / Lunghezza |      Dati (+ PAD)      | CRC |
|    7 B    | 1 B |  6 B  |  6 B  |       2 B        |      46 - 1500 B       | 4 B |

• Preambolo (preamble): sequenza di 56 bit 10101010... per la sincronizzazione di bit al ricevitore. È in realtà aggiunto dal livello fisico.
• SFD (Start Frame Delimiter, delimitatore di inizio frame): gli 8 bit 10101011 che chiudono il preambolo e danno la sincronizzazione di frame (il «flag»); anch'esso aggiunto dal fisico.
• Indirizzo di destinazione e di sorgente: 48 bit ciascuno, indirizzi MAC unici al mondo. Destinazione: unicast (0xxx...), multicast (1xxx...), broadcast (tutti 1) come in Livello di collegamento e framingIl livello di collegamento (DLL) consegna un frame da un nodo a un nodo adiacente su un collegamento. Servizi: framing, accesso al mezzo (MAC) con indirizzi MAC a 48 bit, controllo di flusso, rilevazione e correzione degli errori. Si divide in DLC (framing, controllo di errore e di flusso) e MAC (accesso al mezzo condiviso). Il framing delimita i frame con un flag: nei protocolli a byte (flag di 8 bit, ESC) si usa il byte stuffing, in quelli a bit (flag 01111110) il bit stuffing, che inserisce uno 0 dopo ogni cinque 1 consecutivi.Livello di collegamento e framing →.
• Tipo / Lunghezza (2 byte). Nel frame Ethernet (DIX) il campo si chiama Type e indica il protocollo di livello superiore (per esempio $0\mathrm{x}0800$ per IPv4; il prefisso $0\mathrm{x}$ indica la notazione esadecimale, in cui ogni cifra vale $4$ bit: $0800_{16}=0000\,1000\,0000\,0000_2$, Basi di numerazione e conversioni - binario, ottale ed esadecimaleUn numero in base $r$ vale $\sum a_i r^i$ (cifre $a_i\in{0,\dots,r-1}$). Conversioni: base $r\to$ decimale con la somma pesata; decimale $\to$ base $r$ per divisioni successive (parte intera, resti letti dal basso) e moltiplicazioni successive (parte frazionaria, parti intere lette dall'alto); binario $\leftrightarrow$ ottale/esadecimale a gruppi di 3/4 bit. Somma, differenza e prodotto binari seguono le regole decimali con cifre 0 e 1; la differenza ha prestiti, il prodotto somma prodotti parziali traslati.Basi di numerazione e conversioni - binario, ottale ed esadecimale →). Nel frame 802.3 si chiama Length e indica la lunghezza dei dati in byte, senza preambolo e senza padding; in questo caso nel campo dati c'è il frame 802.2 (LLC). Il bit più significativo del campo è sempre $0$ per distinguere un frame 802.3 da uno Ethernet; la lunghezza massima teorica sarebbe quindi $2^{16}-1$ byte, circa 32 KB, ma nel progetto è limitata a $1500$ B.
• Dati: la PDU del livello LLC, più un riempimento (PAD) fino a raggiungere la lunghezza minima di $46$ byte, che porta il frame a $64$ byte $=512$ bit (preambolo e SFD esclusi).
• CRC (Cyclic Redundancy Check, anche FCS): 4 byte per il rilevamento degli errori.

Dimensioni: perché un massimo e un minimo

La dimensione del frame è compresa tra $64$ e $1518$ byte; $18$ byte sono intestazione e coda ($6+6+2+4$), quindi il campo dati va da $46$ a $1500$ byte.

Esempio. Il rapporto tra dati utili e frame è $1500/1518=0{,}988=98{,}8\,\%$ per il frame massimo, ma solo $46/64=71{,}9\,\%$ per quello minimo (stessi $18$ byte di intestazione e coda su un carico molto più piccolo). A $10$ Mbit/s il frame massimo dura $1518\cdot8/10^{7}=12\,144/10^{7}=1{,}214$ ms e quello minimo $512/10^{7}=51{,}2\ \mu$s (si moltiplica per $8$ per passare da byte a bit prima di dividere per il bitrate).

Perché un frame massimo:

• evitare che una stazione occupi il bus troppo a lungo;
• limitare la probabilità di errore sul pacchetto (se si perde, basta ritrasmetterlo, ed è piccolo);
• ridurre le esigenze di memoria nei buffer (negli anni '80 la memoria era costosa).

Perché un frame minimo: non per ridurre l'overhead (che senso avrebbe, se si trasmette un solo byte?), ma per il meccanismo di accesso: CSMA/CD.

Il MAC di 802.3: CSMA/CD 1-persistent

Il MAC dell'802.3 è CSMA/CD 1-persistent (Protocolli di accesso multiplo - ALOHA e CSMAQuando più stazioni condividono lo stesso mezzo serve un protocollo di accesso (MAC) che decida chi trasmette. Accesso casuale: ALOHA puro (si trasmette subito, tempo vulnerabile $2t_F$), slotted ALOHA (si parte solo a inizio slot, vulnerabile $t_F$), CSMA (si ascolta prima di parlare, vulnerabile $\tau_p$) con le varianti 1-persistent, non persistent e p-persistent, CSMA/CD (rileva la collisione mentre trasmette: serve $t_F\ge2\tau_p$, quindi un frame minimo) e CSMA/CA del Wi-Fi (IFS, finestra di contesa con backoff esponenziale, ACK, RTS/CTS e NAV). Accesso controllato: prenotazione, polling, token. Canalizzazione: FDMA, TDMA, OFDMA, CDMA, SDMA.Protocolli di accesso multiplo - ALOHA e CSMA →): se il segnale ricevuto è diverso da quello trasmesso, si è rilevata una collisione (collision detection). Il tempo per essere certi che la trasmissione non sia entrata in collisione è due volte il ritardo di propagazione massimo ($2T_p$).

Formula (dimensione minima del frame). Un frame di dimensione $S$ con bitrate $C$ dura $T_{fr}=S/C$. Per rilevare la collisione deve essere $T_{fr}\ge2T_p$, cioè $$S\ \ge\ C\cdot2T_p.$$

Il passaggio da $T_{fr}\ge2T_p$ a $S\ge C\cdot2T_p$ è: $T_{fr}=S/C$, quindi $S/C\ge2T_p$ e, moltiplicando per $C>0$, $S\ge2T_pC$, cioè il frame deve contenere almeno i bit che il mezzo trasporta in un'andata e ritorno (Analisi delle prestazioni di reteLe prestazioni di una rete si misurano con tre famiglie di metriche: traffico (bitrate $R_0$ massimo del collegamento, throughput $S\le R_0$ dati consegnati con successo, goodput al livello applicazione), ritardo (end-to-end $d_{tot}=d_{proc}+d_{queue}+d_{trans}+d_{prop}$ con $d_{trans}=L/R$ e $d_{prop}=d/v$; jitter; RTT) e capacità del tubo (BDP $=R\cdot$ ritardo, bit che riempiono il collegamento), più l'affidabilità (PER, PDR, PLR). Il throughput di un percorso è quello del collegamento collo di bottiglia, $\min$ dei bitrate, ricordando che i collegamenti condivisi dividono la capacità.Analisi delle prestazioni di rete →, prodotto banda-ritardo).

Esempio (valori storici). Velocità del segnale sul cavo $2\cdot10^{8}$ m/s (Mezzi di trasmissione - cavi, fibre e collegamenti radioIl mezzo di trasmissione fissa l'attenuazione $a_{ch}$ nel link budget. Nei cavi $H_{ch}=e^{-\gamma d}$ e l'attenuazione in dB cresce con la distanza ($a=\tilde a,d$, dB/km) e con $\sqrt f$. Le fibre ottiche hanno banda larghissima (10¹⁴-10¹⁵ Hz), attenuazione bassa in tre finestre di lunghezza d'onda e limitazione dalla dispersione. Nei collegamenti radio vale la formula di Friis, $g_{ch}=g_{tx}g_{rx}\left(\frac\lambda{4\pi d}\right)^2$, cioè $a_{ch}=32{,}4+20\log_{10}d_{km}+20\log_{10}f_{MHz}-G_{tx}-G_{rx}$ dB.Mezzi di trasmissione - cavi, fibre e collegamenti radio →); lunghezza massima del cavo $d=2500$ m (imposta dai progettisti); $C=10$ Mbit/s (la velocità standard di allora). Allora $T_p=d/v=2500/(2\cdot10^8)=12{,}5\ \mu$s; il vincolo è $T_{fr}\ge2T_p=25\ \mu$s e $$S_{min}=C\cdot T_{fr}=10^{7}\ \text{bit/s}\cdot25\cdot10^{-6}\ \text{s}=250\ \text{bit}\approx31{,}25\ \text{B}\quad(250/8).$$ Considerando i ritardi aggiuntivi dei ripetitori e un certo margine di sicurezza, il minimo è fissato a 64 byte ($512$ bit, cioè $51{,}2\ \mu$s a $10$ Mbit/s). Quando il campo dati è più corto si aggiunge il PAD.

Collisione, jam e backoff.

• In caso di collisione, la stazione interrompe la trasmissione e invia un segnale di jam perché anche le altre sappiano della collisione: $32$ bit nell'802.3 (da $32$ a $48$ bit in Ethernet).
• Poi aspetta un tempo casuale (backoff), con granularità (slot time) di $51{,}2\ \mu$s (il tempo di trasmissione del frame minimo da $64$ B a $10$ Mbit/s) e ritrasmette il frame.
• Dopo $n$ collisioni consecutive il tempo di backoff è scelto a caso tra $0$ e $2^k-1$ slot, con $k=\min(n,10)$ (backoff esponenziale binario: la finestra raddoppia a ogni collisione).
• Dopo $16$ tentativi falliti il processo è abbandonato.

Lo slot di $51{,}2\ \mu$s è il tempo di andata e ritorno nel caso peggiore, cioè proprio il tempo di trasmissione del frame minimo ($512$ bit a $10$ Mbit/s). L'estrazione è uniforme sugli $2^k$ valori interi $0,1,\dots,2^k-1$ (ognuno con probabilità $1/2^k$: Bernoulli, binomiale e uniforme discretaBernoulli Be(p): un solo tentativo, vale 1 con probabilità p; binomiale Bin(n, p): numero di successi in n prove indipendenti, P(X = k) = C(n,k) p^k (1−p)^(n−k), media np e varianza np(1−p); uniforme discreta: n valori equiprobabili.Bernoulli, binomiale e uniforme discreta →), quindi il valore medio è $(2^k-1)/2$ slot. Il raddoppio serve a rendere meno probabile una nuova collisione: due stazioni che si sono già scontrate $n$ volte probabilmente sono molte, e allargare l'intervallo riduce la probabilità che estraggano lo stesso numero, $1/2^k$.

Esempio. Alla terza collisione consecutiva ($n=3$, $k=3$) si estrae un numero intero di slot tra $0$ e $2^3-1=7$: l'attesa va da $0$ a $7\cdot51{,}2=358{,}4\ \mu$s, in media $3{,}5\cdot51{,}2=179{,}2\ \mu$s; due stazioni scelgono lo stesso numero con probabilità $1/8=12{,}5\,\%$. Dalla decima collisione in poi la finestra non cresce più: $0\ldots1023$ slot, cioè fino a $1023\cdot51{,}2\ \mu\text{s}=52{,}4$ ms.

Le prestazioni teoriche e l'esercizio «a quale bitrate non si rilevano più le collisioni» sono in Esercizio - Bitrate oltre il quale CSMA-CD non rileva le collisioni.

Le quattro generazioni di Ethernet

Ethernet standard (10 Mbit/s), quattro implementazioni popolari negli anni '80. Il nome 10Base-X significa: $10$ Mbit/s, trasmissione in banda base (baseband), e $X$ = lunghezza del cavo in centinaia di metri ($5\to500$ m, $2\to\approx200$ m) oppure il tipo di mezzo ($T$ = doppino, twisted pair; $F$ = fibra).

Fast Ethernet (100 Mbit/s): doppino o fibra; topologia a stella con switch di LAN al centro; supporta il full duplex (non serve il CSMA/CD).

Gigabit Ethernet (1 Gbit/s):

• full duplex: topologia a stella, switch con buffer, domini di collisione separati, niente CSMA/CD;
• half duplex: CSMA/CD con hub e rete ridotta (~$25$ m) oppure tecniche come l'estensione della portante (carrier extension) o il frame bursting; molto raro, quasi mai usato.

10-Gigabit Ethernet (10 Gbit/s), l'implementazione corrente delle slide: possibile solo con la fibra ottica.

Perché al crescere del bitrate sparisce il CSMA/CD. Con il frame minimo di $512$ bit fisso, il vincolo $F_{min}\ge C\cdot2\tau_p$ fissa la distanza massima del dominio di collisione. Si sostituisce $\tau_p=d/v$ e si risolve rispetto a $d$: $$F_{min}\ge C\cdot\frac{2d}{v}\ \Longrightarrow\ d\le d_{max}=\frac{F_{min}\,v}{2C},\qquad v=2\cdot10^8\ \text{m/s}.$$ Per esempio a $10$ Mbit/s: $d_{max}=512\cdot2\cdot10^{8}/(2\cdot10^{7})=5120$ m. Ogni volta che $C$ aumenta di un fattore $10$, $d_{max}$ si divide per $10$ (è inversamente proporzionale a $C$).

(sono i limiti teorici: i valori reali sono più bassi per via di ripetitori e margini, per esempio la rete a $10$ Mbit/s fu limitata a $2500$ m). Da $1$ Gbit/s in su i collegamenti Ethernet condivisi non hanno senso e si usano solo collegamenti punto-punto full-duplex tra stazione e switch, senza collisioni.

L'hub funziona da mezzo condiviso (un solo dominio di collisione), lo switch separa i domini di collisione (Elementi di rete - hub, switch e routerI dispositivi che interconnettono le reti si distinguono per il livello della pila che arrivano a leggere. Hub (livello 1): ripetitore, rigenera il segnale e lo manda su tutte le porte, tutte le stazioni condividono la capacità. Bridge e switch (livello 2): leggono l'indirizzo MAC e inoltrano solo verso la porta giusta, imparando la tabella (FDB) dagli indirizzi sorgente. Router (livello 3): leggono l'indirizzo IP e collegano reti indipendenti (internetwork). Switch e bridge isolano il traffico e sono plug and play; il router fa instradamento ottimo ma va configurato.Elementi di rete - hub, switch e router →): è lo switch full-duplex che ha permesso a Ethernet di salire di velocità. Per il traffico massimo di una LAN con bridge: Esercizio - Traffico massimo con bridge in una LAN 10Base-T.

Wi-Fi: IEEE 802.11

Definizione (IEEE 802.11). Specifiche IEEE per le reti locali senza fili (in alcuni paesi il pubblico le chiama Wi-Fi, abbreviazione di Wireless Fidelity).

Modi di funzionamento

Insieme di servizi di base (BSS, Basic Service Set). Stazioni fisse o mobili più una stazione base centrale, l'Access Point (AP). Richiede autenticazione e diritti di accesso alla rete. Esempi: uffici, hot spot, sale per conferenze. Senza AP si ha l'architettura ad hoc (non può inviare dati ad altri BSS). Esempi: condivisione diretta di file, stampanti.

BSS esteso (EBSS, Extended BSS). Due o più BSS (con AP) collegati tramite un sistema di distribuzione (cablato, per esempio con Ethernet, o senza fili). Quando i BSS sono collegati, le stazioni che sono a portata una dell'altra possono comunicare senza passare dall'AP. La comunicazione tra una stazione di un BSS e l'esterno avviene tramite l'AP e non può avvenire senza.

Livello fisico

L'802.11 supporta più velocità di trasmissione. Velocità più alte richiedono un SNR più alto per essere decodificate correttamente, e il bitrate è adattato automaticamente dalle schede (NIC) con schemi proprietari.

Esempio. Nella figura delle slide, a $SNR=20$ dB (rapporto lineare $10^{20/10}=100$: Decibel, dBW e dBmIl decibel misura un rapporto tra due potenze su scala logaritmica: $[x]{dB}=10\log{10}x$ (per le ampiezze $20\log_{10}$). Prodotti diventano somme e rapporti differenze, quindi guadagni e attenuazioni in cascata si sommano. Per una potenza assoluta si usa un riferimento: $P_{dBW}=10\log_{10}P_W$, $P_{dBm}=10\log_{10}P_{mW}=P_{dBW}+30$. Valori da ricordare: $3\ \text{dB}\approx\times2$, $10\ \text{dB}=\times10$, $20\ \text{dB}=\times100$.Decibel, dBW e dBm →): trasmettendo a $54$ Mbit/s si perde il $30\,\%$ dei pacchetti, a $48$ Mbit/s il $3\,\%$, a $36$ Mbit/s lo $0{,}4\,\%$. Conviene scendere di velocità: anche se il bitrate nominale è più basso, il throughput effettivo è maggiore. Il throughput utile è il bitrate per la frazione di pacchetti consegnati, $R(1-PER)$ (Analisi delle prestazioni di reteLe prestazioni di una rete si misurano con tre famiglie di metriche: traffico (bitrate $R_0$ massimo del collegamento, throughput $S\le R_0$ dati consegnati con successo, goodput al livello applicazione), ritardo (end-to-end $d_{tot}=d_{proc}+d_{queue}+d_{trans}+d_{prop}$ con $d_{trans}=L/R$ e $d_{prop}=d/v$; jitter; RTT) e capacità del tubo (BDP $=R\cdot$ ritardo, bit che riempiono il collegamento), più l'affidabilità (PER, PDR, PLR). Il throughput di un percorso è quello del collegamento collo di bottiglia, $\min$ dei bitrate, ricordando che i collegamenti condivisi dividono la capacità.Analisi delle prestazioni di rete →): a $54$ Mbit/s con il $30\,\%$ di perdite $54\cdot0{,}7=37{,}8$ Mbit/s al più, e con le ritrasmissioni molto meno; a $48$ Mbit/s con il $3\,\%$ di perdite $48\cdot0{,}97=46{,}6$ Mbit/s. Più alto è il bitrate, più serve SNR perché la modulazione ha punti più vicini e il rumore li scambia più facilmente (Confronto tra modulazioni - banda, SNR di riferimento ed efficienza spettralePer confrontare le modulazioni si usa l'SNR di riferimento $\Gamma=\frac{E_{s,rc}}{N_0,T,B_{min}}=\frac{P_{tx}}{kT_{eff}B_{min}a_{ch}}$, con $B_{min}$ la banda minima ($\frac1{2T}$ per la PAM in banda base, $\frac1T$ per QAM e PSK, $\frac M{2T}$ per le ortogonali). Ogni modulazione ha una $P_{bit}(\Gamma)$ approssimata (tabella) e un'efficienza spettrale $\nu=\frac{R_b}{B_{min}}$, limitata da Shannon: $\nu\le\log_2(1+\Gamma)$. A SNR alto conviene la QAM, a SNR molto basso le ortogonali e biortogonali (ma con più banda).Confronto tra modulazioni - banda, SNR di riferimento ed efficienza spettrale →).

Livello MAC: CSMA/CA

L'802.11 usa CSMA/CA (descritto in Protocolli di accesso multiplo - ALOHA e CSMAQuando più stazioni condividono lo stesso mezzo serve un protocollo di accesso (MAC) che decida chi trasmette. Accesso casuale: ALOHA puro (si trasmette subito, tempo vulnerabile $2t_F$), slotted ALOHA (si parte solo a inizio slot, vulnerabile $t_F$), CSMA (si ascolta prima di parlare, vulnerabile $\tau_p$) con le varianti 1-persistent, non persistent e p-persistent, CSMA/CD (rileva la collisione mentre trasmette: serve $t_F\ge2\tau_p$, quindi un frame minimo) e CSMA/CA del Wi-Fi (IFS, finestra di contesa con backoff esponenziale, ACK, RTS/CTS e NAV). Accesso controllato: prenotazione, polling, token. Canalizzazione: FDMA, TDMA, OFDMA, CDMA, SDMA.Protocolli di accesso multiplo - ALOHA e CSMA →: IFS, finestra di contesa con backoff, ACK dopo SIFS, RTS/CTS e NAV). Restano tre problemi tipici delle reti senza fili.

1. Collisione durante l'handshake. Che cosa succede se c'è una collisione mentre gli RTS o i CTS sono in transito (periodo di handshake)? Due o più stazioni possono inviare l'RTS insieme. Soluzione: poiché non c'è rilevazione di collisione, il mittente suppone di aver avuto una collisione se non riceve il CTS dal ricevitore, e riprova (con backoff).

2. Terminale nascosto (hidden terminal). Due o più stazioni (A e B) sentono il canale libero solo perché non sono nel campo di comunicazione l'una dell'altra; entrambe trasmettono verso la stazione C e i due pacchetti si sovrappongono al ricevitore (A e B non possono accorgersi della presenza dell'altro).

Esempio. A, C, B sono in fila: A e B sono entrambi a portata di C ma non l'uno dell'altro. A sente il canale libero e inizia a trasmettere verso C; B, che non sente A, sente il canale libero e inizia anche lui. I due frame collidono in C.

Soluzione: handshake RTS/CTS. Anche se l'RTS di A non raggiunge B (fuori portata), il CTS di C (la destinazione) raggiunge sia A sia B: B sa che è in corso una trasmissione e imposta il NAV.

3. Terminale esposto (exposed station). Una stazione si astiene dall'usare un canale quando in realtà è libero: la stazione C sente l'RTS di A e non trasmette, anche se la comunicazione tra C e D non potrebbe causare collisioni nella zona tra A e C. È un comportamento troppo conservativo: si spreca capacità.

La famiglia 802.11

(i dati riportano la portata in piedi o metri come sulle slide; i valori sono indicativi e le slide indicano alcuni standard come «attesi» nel 2019-2021). Le larghezze di banda sono: a $20$ MHz a $5$ GHz; b $20$ MHz a $2{,}4$ GHz; g $20$ e $40$ MHz a $2{,}4$ GHz; n $20$ e $40$ MHz a $2{,}4$ e $5$ GHz; ac da $20$ a $160$ MHz a $5$ GHz; ad $2$ GHz a $60$ GHz; af spettro TV libero; ah sotto $1$ GHz.

Ethernet e Wi-Fi a confronto

Il segno più evidente della differenza: in Ethernet gli errori sul cavo sono rari e l'affidabilità è lasciata ai livelli superiori; sul canale radio le perdite sono normali, quindi il Wi-Fi ha ACK e ritrasmissioni a livello di collegamento.