[1] | 1 | \documentclass[a4paper,10pt]{article} |
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| 2 | |
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| 3 | \usepackage[italian]{babel} |
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| 4 | \usepackage[T1]{fontenc} |
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| 5 | \usepackage[utf8]{inputenc} |
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| 6 | \usepackage[pdftex,bookmarks,colorlinks,linkcolor=red,urlcolor=blue]{hyperref} |
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| 7 | |
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| 8 | % testo colorato |
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| 9 | %\usepackage{color} |
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| 10 | % riferimenti incrociati dinamici |
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| 11 | %\usepackage{varioref} |
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| 12 | |
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| 13 | % SoujaK |
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| 14 | %\usepackage[pdftex,pdftitle={},pdfauthor={},pdfpagemode=FullScreen, |
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| 15 | %plainpages=false,pdfpagelabels,urlcolor=blue,linkcolor=red,citecolor=green, |
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| 16 | %bookmarks=false]{hyperref} |
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| 17 | |
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| 18 | \title{Associazione multipla simultanea\\ di un \textit{client} 802.11} |
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| 19 | \author{Andrea Rappini, Alessio Romagnoli,\\Marco Solieri, Andrea Simeone} |
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| 20 | |
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| 21 | \begin{document} |
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| 22 | |
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| 23 | \maketitle |
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| 24 | |
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| 25 | \begin{abstract} |
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| 26 | La diffusione di reti wireless è in forte crescita a causa della sua comodità e |
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| 27 | della diffusa disponibilità di connessioni ad Internet con ampie larghezze di |
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| 28 | banda. Sfruttare contemporaneamente la connessione alla molteplicità di reti |
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| 29 | spesso presente permetterebbe un utilizzo migliore di tali risorse, migliorando |
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| 30 | il \textit{throughput} e incrementandone l'affidabilità. |
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| 31 | |
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| 32 | Lo studio intende quindi analizzare le effettive possibilità di realizzazione di |
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| 33 | un'estensione delle comuni implementazioni dello standard IEEE 802.11 che |
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| 34 | permetta al singolo \textit{client} in ambiente GNU/Linux l'associazione |
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| 35 | simultanea a |
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| 36 | differenti reti wireless. |
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| 37 | \end{abstract} |
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| 38 | |
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| 39 | % \newpage |
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| 40 | \section{Introduzione} |
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| 41 | \label{sec:intro} |
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| 42 | |
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| 43 | \subsection{Oggetto} |
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| 44 | \label{sec:oggetto} |
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| 45 | Lo studio di fattibilità si interroga sulle possibilità realizzative di |
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| 46 | connessione di un singolo \textit{client} 802.11 a diverse reti, partecipando a |
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| 47 | piè BSS |
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| 48 | (cioè l'insieme di nodi costituenti una rete wireless). |
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| 49 | |
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| 50 | Nel presente documento si intende dapprima introdurre il lettore allo scenario |
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| 51 | nel quale è stato condotto lo studio, evidenziandone gli aspetti salienti che |
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| 52 | riguardano lo standard IEEE 802.11 e le sue interpretazioni. In un secondo |
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| 53 | momento si presenteranno non solo proposte risolutive, ma anche spunti |
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| 54 | accessori. |
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| 55 | |
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| 56 | \subsection{Scopi} |
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| 57 | \label{sec:scopi} |
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| 58 | L'intento più evidente è quello di aumentare la connettività del |
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| 59 | \textit{client}, |
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| 60 | permettendogli connessioni simultanee a reti altrimenti isolate ed eventualmente |
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| 61 | consentendo al \textit{client} di agire in qualità di ponte. Qualora i punti di |
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| 62 | accesso |
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| 63 | resi contemporaneamente utilizzabili riferiscano (più o meno direttamente) |
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| 64 | alla medesima rete, allora la molteplicità si traduce in ridondanza e, |
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| 65 | conseguentemente, in affidabilità. I più coraggiosi potranno sfruttare |
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| 66 | multi-connettività in oggetto come punto di partenza per la realizzazione di |
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| 67 | politiche di gestione al fine di massimizzare il \textit{throughput} aggregato. |
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| 68 | |
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| 69 | \subsection{Obiettivi supplementari} |
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| 70 | \label{sec:obiettivi} |
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| 71 | I criteri con i quali si sono prese le svariate decisioni che hanno |
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| 72 | caratterizzato lo studio e che si concretizzano nelle soluzioni proposte hanno |
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| 73 | risentito dei seguenti obiettivi supplementari: |
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| 74 | \begin{description} |
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| 75 | \item[\textit{overhead} minimo] |
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| 76 | abbattere i costi introdotti dalla gestione simultanea delle connessioni |
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| 77 | multiple; |
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| 78 | \item[perdite minime] ridurre o eliminare ogni possibile perdita di dati in |
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| 79 | ricezione causata dalla temporanea assenza su un BSS (cfr. |
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| 80 | sezione~\ref{sec:mezzotrasmissivo}); |
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| 81 | \item[portabilità] essere quanto più indipendente dalle specifiche piattaforme |
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| 82 | \textit{hardware}/\textit{firmware}, pur rimanendo legata all'ambiente |
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| 83 | GNU/Linux; |
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| 84 | \item[facilità implementativa] ridurre gli sforzi per l'effettiva messa in |
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| 85 | opera; |
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| 86 | \item[trasparenza] virtualizzare le interfacce di rete associate ad ogni |
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| 87 | connessione per minimizzare l'impatto. |
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| 88 | \end{description} |
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| 89 | |
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| 90 | \section{Scenario} |
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| 91 | \label{sec:scenario} |
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| 92 | |
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| 93 | \subsection{Caratteristiche del mezzo trasmissivo} |
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| 94 | \label{sec:mezzotrasmissivo} |
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| 95 | Il mezzo trasmissivo utilizzato nelle comunicazioni di reti senza fili è, per |
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| 96 | sua natura, disponibile e condiviso da ogni utilizzatore, pertanto lo standard |
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| 97 | IEEE 802.11 ne sancisce il partizionamento in diversi spettri di frequenza |
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| 98 | denominati canali. In tal modo si permette la coesistenza di reti wireless |
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| 99 | distinte in aree limitrofe o addirittura sovrapposte grazie all'uso di canali |
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| 100 | differenti. |
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| 101 | |
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| 102 | \label{salti} |
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| 103 | Lo studio ha pertanto tenuto presente la necessità da parte del \textit{client} |
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| 104 | di effettuare salti periodici di canale per poter raggiungere ogni BSS a cui |
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| 105 | desideri partecipare. |
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| 106 | |
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| 107 | \subsection{Standard IEEE 802.11} |
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| 108 | \label{sec:80211} |
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| 109 | \subsubsection{Accesso alla rete} |
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| 110 | \label{sec:accessoallarete} |
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| 111 | Affinché una stazione mobile possa partecipare ad una rete wireless, le è fatto |
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| 112 | obbligo di annunciare la sua presenza attraverso una procedura detta di |
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| 113 | \textbf{associazione}. Questo legame unisce una stazione ad uno ed un solo BSS e |
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| 114 | garantisce che la stazione possa effettuare trasmissioni dirette ad ognuno dei |
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| 115 | nodi appartenente all'intera rete e viceversa.\\ |
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| 116 | Lo studio intende proprio scardinare l'univocità del rapporto fra stazione |
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| 117 | e BSS che lo standard impone esplicitamente. |
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| 118 | |
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| 119 | A causa della natura condivisa del mezzo trasmissivo, l'accesso alla rete |
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| 120 | sarebbe aperto a qualunque stazione richieda di associarsi. IEEE ha quindi |
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| 121 | elaborato una strategia di regolazione dell'accesso richiedendo la mutua |
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| 122 | identificazione di entrambi gli estremi di ogni comunicazione. Tale procedura, |
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| 123 | definita \textbf{autenticazione}, risulta pertanto essere un prerequisito della |
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| 124 | stessa associazione. |
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| 125 | Il processo può diventare oneroso in termini di tempo a causa dei \textit{frame} |
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| 126 | da scambiare e dell'elaborazione necessaria (si pensi ai calcoli crittografici |
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| 127 | coinvolti), quindi ne viene permessa l'invocazione anche in maniera indipendente |
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| 128 | dal servizio di associazione. Così facendo lo standard permette di mantenere |
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| 129 | questo carico lontano dai momenti in cui il tempo è un fattore |
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| 130 | critico\footnotemark, sfruttando la \textbf{preautenticazione}. |
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| 131 | \footnotetext{Infatti, se la STA è in movimento fra due BSS e se |
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| 132 | l'autenticazione cade prima che la stessa STA possa riassociarsi con il |
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| 133 | successivo AP, la procedura potrebbe richiedere tempi considerevoli che |
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| 134 | andrebbero a degradare pesantemente le prestazioni.} |
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| 135 | Da quanto detto risulta quindi evidente che, a differenza dell'associazione, |
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| 136 | una stazione può essere autenticata presso molteplici altre stazioni. |
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| 137 | |
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| 138 | \subsubsection{Risparmio energetico} |
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| 139 | \label{sec:risparmioenergetico} |
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| 140 | Lo standard prevede la possibilità di utilizzare l'\textit{hardware} in maniera |
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| 141 | efficiente rispetto ai consumi energetici, dal momento che i dispositivi |
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| 142 | portatili alimentati a batteria sono tutt'altro che rari. |
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| 143 | Le stazioni che supportano tale funzionalità hanno la facoltà di |
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| 144 | ``addormentarsi'' durante i periodi di inattività. In questi momenti, gli |
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| 145 | eventuali dati ad esse destinati vengono conservati dal BSS\footnotemark per un |
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| 146 | invio successivo, essendo esso stato precedentemente avvisato dello stato delle |
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| 147 | stazioni in questione. |
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| 148 | I BSS, quindi, annunciano periodicamente la presenza delle trasmissioni in |
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| 149 | attesa, indicandone i destinatari con un messaggio chiamato TIM che è presente |
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| 150 | all'interno di alcuni dei \textit{beacon}. Conseguentemente le stazioni in |
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| 151 | risparmio energetico sono tenute a risvegliarsi in corrispondenza di questi |
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| 152 | intervalli regolari, per poi richiedere l'invio tramite un apposito tipo di |
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| 153 | \textit{frame} (il \texttt{PS-Poll}). |
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| 154 | \footnotetext{In realtà sarebbe doveroso fare una distinzione fra le reti |
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| 155 | infrastrutturate e quelle indipendenti (o \textit{ad hoc}), nelle quali la |
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| 156 | conservazione dei dati è appannaggio, rispettivamente, dell'\textit{access |
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| 157 | point} e del nodo trasmittente.} |
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| 158 | |
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| 159 | \subsubsection{Vincoli temporali} |
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| 160 | \label{sec:vincolitemporali} |
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| 161 | Come già anticipato precedentemente (nella sezione \ref{salti}), il |
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| 162 | \textit{client} avrà l'illusione di essere contemporaneamente associato ai BSS |
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| 163 | di interesse tramite continui salti fra di essi; per questo motivo risulta |
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| 164 | importante chiarire quali siano i vincoli temporali che lo standard gli impone. |
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| 165 | La padronanza di queste informazioni è di grande rilevanza, sia perché dovranno |
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| 166 | essere rispettate dal \textit{client} anche in seguito alle modifiche che |
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| 167 | verranno proposte nel presente studio, sia perché potranno essere tenute |
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| 168 | presenti per raffinamenti volti a migliorare l'efficienza delle soluzioni. |
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| 169 | |
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| 170 | L'accesso al mezzo trasmissivo, a causa della sua stessa natura condivisa, è |
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| 171 | regolato da convenzioni stabilite dallo standard che consentono una |
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| 172 | ripartizione equa di questa risorsa. |
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| 173 | |
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| 174 | Tali regolamentazioni di natura temporale si fondano sulla reciproca |
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| 175 | sincronizzazione delle stazioni che condividono il mezzo fisico, raggiunta |
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| 176 | tramite il mantenimento di un \textbf{orologio} comune al BSS\footnotemark di |
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| 177 | appartenenza. |
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| 178 | Il valore su cui accordarsi viene distribuito all'interno di un \textit{frame} |
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| 179 | di gestione, il \textit{\textbf{beacon}}, inviato ad intervalli regolari e |
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| 180 | prefissati. Se già ora si intuisce che l'eventuale perdita di questi messaggi |
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| 181 | periodici durante i salti va minimizzata, ancor di più se ne comprende |
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| 182 | l'importanza a fronte della presenza di ulteriori informazioni di grande |
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| 183 | interesse per i fini preposti. |
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| 184 | |
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| 185 | Trattasi non solo dei \textbf{TIM} (cfr. \ref{sec:risparmioenergetico}), ma |
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| 186 | anche degli annunci di inizio dei periodi liberi da contesa presenti nelle reti |
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| 187 | infrastrutturate, lassi di tempo durante i quali l'accesso al mezzo è |
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| 188 | coordinato da un gestore centrale. Esso risiede tipicamente |
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| 189 | nell'\textit{access-point} e provvede a coordinare le comunicazioni in maniera |
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| 190 | spesso più efficiente rispetto a quando il coordinamento è distribuito. |
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| 191 | |
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| 192 | \footnotetext{Ancora una volta è necessaria una distinzione fra le reti |
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| 193 | infrastrutturate e le reti \textit{ad hoc}: il valore comune su cui accordarsi è |
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| 194 | dettato rispettivamente dall'\textit{access point} e dall'intero BSS in maniera |
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| 195 | distribuita.} |
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| 196 | |
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| 197 | In aggiunta a quanto detto, il client non potrà trascurare le \textbf{scadenze} |
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| 198 | temporali oltre le quali i rapporti di autenticazione e associazione con i BSS |
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| 199 | vengono a cadere. |
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| 200 | |
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| 201 | \subsection{\textit{Wireless Extensions}} |
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| 202 | \label{sec:wext} |
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| 203 | La portabilità in ambienti GNU/Linux è stata ricercata usando come punto di |
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| 204 | riferimento le Linux Wireless Extensions (per brevità \texttt{wext}). Il |
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| 205 | progetto intende mettere ordine in uno scenario spesso dominato |
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| 206 | dall'eterogeneità, proponendo delle interfacce unificate per i driver di |
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| 207 | sistema delle varie soluzioni \textit{hardware} disponibili. Nel momento in cui |
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| 208 | si scrive sono ancora pochi i driver che si sono completamente uniformati a |
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| 209 | questo insieme di interfacce, ma questa scelta è stata dettata dalla speranza |
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| 210 | che esse diventino presto lo standard \textit{de facto}. |
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| 211 | |
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| 212 | Accanto alle API di programmazione sono stati sviluppati anche gli |
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| 213 | \textit{Wireless Tools}, comodi strumenti per l'utente che intendono |
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| 214 | offrire le medesime possibilità attraverso un'interfaccia a riga di comando. |
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| 215 | |
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| 216 | \subsection{Implementazioni} |
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| 217 | \label{sec:implementazioni} |
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| 218 | |
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| 219 | \subsubsection{Architettura} |
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| 220 | \label{sec:architettura} |
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| 221 | Lo standard IEEE 802.11 definisce due strati di rete che sono riconducibili, |
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| 222 | facendo riferimento al modello ISO/OSI, al livello fisico e a quello MAC |
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| 223 | (\textit{Medium Access Control}), implementati dai produttori tramite |
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| 224 | l'accoppiata \textit{hardware}/\textit{firmware}. MAC viene solitamente |
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| 225 | realizzato così a basso livello per rispondere alle esigenze di velocità |
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| 226 | e precisione temporale di cui si accennava in \ref{sec:vincolitemporali}. |
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| 227 | È importante sottolineare, quindi, che qualunque idea risolutiva dello |
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| 228 | studio in questione non potrà prescindere dalle modalità di interazione |
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| 229 | (interfacce e impostazioni) consentite dalla specifica implementazione di MAC. |
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| 230 | Questo discorso diventa tanto più importante quanto la soluzione perseguita si |
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| 231 | discosta dalla rigidità dello standard. |
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| 232 | |
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| 233 | La revisione 802.11i, che estende lo standard migliorando la sicurezza da esso |
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| 234 | offerta, definisce nuove funzionalità per il livello MAC che possono invece |
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| 235 | essere tranquillamente implementate all'esterno del \textit{firmware}. |
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| 236 | |
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| 237 | \subsubsection{Limitazioni} |
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| 238 | \label{sec:limitazioni} |
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| 239 | Le più diffuse implementazioni di 802.11 sono però quantomai lontane dalle |
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| 240 | libertà di azione sperabili poiché il \textit{firmware} risulta essere |
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| 241 | scarsamente programmabile, consentendo poco più delle interazioni necessarie al |
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| 242 | normale funzionamento. Esempi di soluzioni \textit{chipset} che siano |
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| 243 | controcorrente, e pertanto interessanti, vengono riportati da |
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| 244 | \refname{guidadefinitiva}: Atheros\footnotemark e Broadcom. |
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| 245 | \footnotetext{L'unico (dei due) provato dagli autori, con driver |
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| 246 | \texttt{MADWiFi}.} |
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| 247 | |
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| 248 | A complicare ulteriormente la situazione intervengono le limitazioni imposte |
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| 249 | dalle autorità delle comunicazioni di molti Paesi (si pensi all'FCC |
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| 250 | statunitense), che richiedono la distribuzione dei trasmettitori radio |
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| 251 | con \textit{firmware} in forma necessariamente binaria per scongiurare |
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| 252 | violazioni dei limiti di utilizzo delle frequenze. |
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| 253 | |
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| 254 | |
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| 255 | \subsubsection{Interpretazione dello standard} |
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| 256 | \label{sec:interpretazionedellostandard} |
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| 257 | % distanza dallo standard |
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| 258 | % | preautenticazione non implementata da alcuno, probabile assenza di |
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| 259 | % strutture per supportare autenticazione multipla |
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| 260 | % . powersaving opzionale |
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| 261 | |
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| 262 | \subsection{Caso reale} |
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| 263 | \label{sec:casoreale} |
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| 264 | |
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| 265 | \section{Soluzioni} |
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| 266 | \label{sec:soluzioni} |
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| 267 | |
---|
| 268 | \section{Ottimizzazioni ulteriori per le scelte di swinging} |
---|
| 269 | \label{sec:ottimizzazioni} |
---|
| 270 | |
---|
| 271 | \section{Bibliografia} |
---|
| 272 | \label{sec:bibliografia} |
---|
| 273 | |
---|
| 274 | \section{Ringraziamenti} |
---|
| 275 | \label{sec:ringraziamenti} |
---|
| 276 | |
---|
| 277 | \end{document} |
---|