IEEE 802.11, in informatica e telecomunicazioni, definisce un insieme standard di trasmissione per reti WLAN, sviluppato dal gruppo 11 dell'IEEE 802 sotto forma di varie release, con particolare riguardo al livello fisico e MAC del modello ISO/OSI, specificando sia l'interfaccia tra client e base station (o access point) sia le specifiche tra client wireless. Questo termine viene usualmente utilizzato per definire la prima serie di apparecchiature 802.11 sebbene in questo caso si debba preferire il termine "802.11 legacy".

Descrizione

Il simbolo Wi-Fi, termine con cui si identificano in genere i dispositivi 802.11 indica l'appartenenza del dispositivo stesso alla Wi-fi Alliance^[1], che raccoglie numerosi costruttori di hardware (Cisco, Netgear, Nokia, Intel, Broadcom, Philips, ASUS, ecc.).

L'organizzazione è nata con l'obiettivo di certificare l'interoperabilità di prodotti 802.11, portando ad una comune (o comunque interoperabile) implementazione di quelle parti dello standard lasciate libere al costruttore.

La famiglia 802.11 consta di quattro protocolli dedicati alla trasmissione delle informazioni (a, b, g, n), la sicurezza è stata inclusa in uno standard a parte, 802.11i. Gli altri standard della famiglia (c, d, e, f, h, …) riguardano estensioni dei servizi base e miglioramenti di servizi già disponibili. Il primo protocollo largamente diffuso è stato il b; in seguito si sono diffusi il protocollo a, e soprattutto il protocollo g.

L'802.11b e 802.11g utilizzano lo spettro di frequenze dei 2,4 GHz (banda ISM). Si tratta di una banda di frequenze regolarmente assegnata dal piano di ripartizione nazionale (ed internazionale) ad altro servizio, e lasciato di libero impiego solo per le applicazioni che prevedono livelli di EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power, ovvero la massima potenza irradiata da un'antenna isotropa) di non superiori a 20 dBm e utilizzate all'interno di una proprietà privata (no attraversamento suolo pubblico). Trovandosi così ad operare in bande di frequenze ove già lavorano altri apparecchi, i dispositivi b e g possono essere influenzati da telefoni cordless, ripetitori audio/video per distribuire programmi televisivi satellitari od altri apparecchi all'interno di un appartamento che utilizzano quella banda di frequenze.

L'802.11a utilizza la banda ISM dei 5,4 GHz. Tuttavia non risponde alla normativa europea ETSI EN 301 893^[2] che prevede DFS (Dynamic Frequency Selection), TPC (Transmit Power Control) e radar meteorologici; tale normativa di armonizzazione europea è valida in Italia su indicazione del Ministero delle comunicazioni con il decreto ministeriale del 10 gennaio 2005.

Per ovviare al problema in Europa è stato introdotto nel 2004 il protocollo 802.11h, che risponde ai requisiti richiesti. Un apparato WiFi per trasmettere su suolo pubblico in Italia a 5.4 GHz deve quindi utilizzare questo standard.

Alcune definizioni

Lo standard fornisce alcune definizioni, utili per comprendere la documentazione tecnica al riguardo:

• BSS (basic service set, insieme base di servizio): insieme di nodi che utilizzano la stessa funzione di accesso al canale (per esempio un gruppo di computer collegati in maniera wireless ad un access point).
• BSA (basic service area, area base di servizio): l'area occupata da un BSS, per esempio una cella di una wireless LAN.
• ESS (extended service set): più BSS collegate tra di loro a livello MAC, per esempio l'insieme delle reti wireless in un edificio pubblico come una facoltà.

Canali, larghezza di banda e compatibilità internazionale

Rappresentazione grafica dei canali Wi-Fi nella banda di 2.4 GHz, sia con ampiezza da 20 che da 22 MHz

Le reti 802.11 a 2,4 GHz dividono lo spettro in 14 sottocanali con ampiezza da 20 MHz o 40 MHz (solo per il protocollo n) ciascuno, mentre per i soli protocolli 802.11 legacy e 802.11b si ha un'ampiezza di banda di 22 MHz, mentre le reti 802.11 a 5 GHz dividono lo spettro in 30 sottocanali con ampiezza da 20 MHz fino a un massimo di 160 MHz, per il protocollo 802.11n l'ampiezza massima è di 40 MHz.

L'ampiezza di banda utilizzata permette di definire due limiti, quella della velocità di trasferimento e della compatibilità con altri dispositivi limitrofi^[3], in quanto la trasmissione avviene sì in un determinato range di frequenza, ma ha anche un range superiore ed inferiore in cui trasmette il segnale, anche se in una potenza decisamente minore, ma che può ridurre l'efficacia degli altri ripetitori.^[4][5]
I canali della banda da 2,4 GHz sono parzialmente sovrapposti tra loro in frequenza, quindi tra due canali consecutivi esiste una forte interferenza, per verificare quale canale ha meno traffico e quindi meno interferenza sono disponibili applicativi per l'analisi dello spettro della comunicazione Wi-Fi.^[6]
I 3 gruppi di canali 1, 6, 11 e 2, 7, 12 e 3, 8, 13 sono le combinazioni di canali che non si sovrappongono fra loro in caso di bande da 22 MHz e vengono utilizzati negli ambienti con altre reti wireless. Gli unici canali utilizzabili in tutto il mondo sono il 10 e 11 dato che la Spagna non ha concesso i canali dall'1 al 9 e molte nazioni si limitano ai primi 11 sottocanali. Per quanto riguarda i canali della banda 5 GHz nell'ampiezza di banda di 20 MHz in Europa non si sovrappongono e non interferiscono tra loro, mentre in altri paesi oppure con ampiezze di canale maggiori questi tendono a sovrapporsi.

La lista completa delle frequenze dal IEEE STD 802.11b-1999/Cor 1-2001 è:

La lista completa delle frequenze dal IEEE STD 802.11 5 GHz^[7]:

Emendamenti

802.11-1997 (802.11 legacy)

La prima versione dello standard 802.11 venne presentata nel 1997 e viene chiamata "802.1y", specificava velocità di trasmissione comprese tra 1 e 2  Mb/s e utilizzava i raggi infrarossi o le onde radio nella frequenza di 2,4 GHz per la trasmissione del segnale. La trasmissione infrarosso venne eliminata dalle versioni successive dato lo scarso successo. La maggior parte dei costruttori infatti non aveva optato per lo standard IrDA, preferendo la trasmissione radio. Il supporto di questo standard per quanto riguarda la trasmissione via infrarossi è incluso delle evoluzioni dello standard 802.11 per ragioni di compatibilità. Poco dopo questo standard vennero realizzati da due produttori indipendenti delle evoluzioni dello standard 802.1y che una volta riunite e migliorate portarono alla definizione dello standard 802.11b.

802.11a

Nel 1999 venne approvato il protocollo 802.11a. Questo standard utilizza la modulazione OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) nello spazio di frequenze nell'intorno dei 5 GHz e opera con una velocità massima di 54 Mbit/s sebbene nella realtà la velocità reale disponibile all'utente sia di circa 20 Mb/s. La velocità massima può essere ridotta a 48, 36, 24, 18, 9 o 6 se le interferenze elettromagnetiche lo impongono. Lo standard definisce 12 canali non sovrapposti, 8 dedicati alle comunicazioni interne e 4 per le comunicazioni punto a punto. Quasi ogni stato ha emanato una direttiva diversa per regolare le frequenze ma dopo la conferenza mondiale per la radiocomunicazione del 2003 l'autorità federale americana ha deciso di rendere libere secondo i criteri già visti le frequenze utilizzate dallo standard 802.11a.

Questo standard non ha riscosso i favori del pubblico dato che l'802.11b si era già molto diffuso e in molti paesi l'uso delle frequenze a 5 GHz è tuttora riservato. In Europa lo standard 802.11a non fu autorizzato all'utilizzo dato che quelle frequenze erano riservate all'HIPERLAN; solo a metà del 2002 tali frequenze vennero liberalizzate e quindi si poté utilizzare l'802.11a. Esistono schede dual standard o tri standard in grado di accettare oltre allo standard a anche il b e per le schede tri standard anche il g. Ovviamente esistono anche degli access point multi standard.

802.11b

802.11b ha visto la sua comparsa ufficiale nel 1999 e ha la capacità di trasmettere al massimo 11 Mbit/s e utilizza il Carrier Sense Multiple Access con Collision Avoidance (CSMA/CA) come metodo di trasmissione delle informazioni. Una buona parte della banda disponibile viene utilizzata dal CSMA/CA. In pratica il massimo trasferimento ottenibile è di 5,9  Mbit/s in TCP e di 7,1  Mbit/s in UDP. Metallo, acqua e in generale ostacoli solidi riducono drasticamente la portata del segnale. Il protocollo utilizza le frequenze nell'intorno dei 2,4 GHz.

Utilizzando antenne direzionali esterne dotate di alto guadagno si è in grado di stabilire delle connessioni punto a punto del raggio di molti chilometri ^{[senza fonte]}. Utilizzando ricevitori con guadagno di 80 decibel si può arrivare a 8 chilometri o se le condizioni del tempo sono favorevoli anche a distanze maggiori ^{[senza fonte]}, ma sono situazioni temporanee che non consentono una copertura affidabile nel tempo. Quando il segnale è troppo disturbato o debole lo standard prevede di ridurre la velocità massima a 5,5, 2 o 1  Mb/s per consentire al segnale di essere decodificato correttamente.

Sono state sviluppate delle estensioni proprietarie che utilizzando più canali accoppiati consentono di incrementare la velocità di trasmissione a scapito della compatibilità con le periferiche prodotte dagli altri produttori. Queste estensioni normalmente vengono chiamate 802.11b+ e portano la banda teorica a 22, 33 o addirittura a 44  Mb/s.

802.11e

Nel novembre del 2005, il gruppo di lavoro 802.11 ha definito l'emendamento 802.11e che introduce l'Hybrid Coordination Function (HCF). Questa nuova funzione di accesso al mezzo fornisce il supporto alla QoS nelle reti WLAN. Vengono definite così due nuove funzionalità di accesso al mezzo, e altri meccanismi quali il Block Ack e il Direct Link Setup. La Wi-Fi Alliance ha definito la certificazione WMM per garantire il supporto a tale emendamento.

802.11f

Anche chiamato Inter Access Point Protocol (IAPP), è un protocollo di livello applicazione per la gestione di ESS (Extented Service Set), ovvero più reti wireless collegate tra di loro, gestendo l'handover di terminali da una rete wireless all'altra.

802.11g

Questo standard venne ratificato nel giugno del 2003. Utilizza le stesse frequenze dello standard 802.11b cioè la banda di 2,4 GHz e fornisce una velocità teorica di 54 Mb/s che nella realtà si traduce in una velocità netta di 24,7 Mb/s, simile a quella dello standard 802.11a. È totalmente compatibile con lo standard b ma quando si trova a operare con periferiche b deve ovviamente ridurre la sua velocità a quella dello standard b.

Prima della ratifica ufficiale dello standard 802.11g avvenuta nell'estate del 2003 vi erano dei produttori indipendenti che fornivano delle apparecchiature basate su specifiche non definitive dello standard. I principali produttori comunque preferirono aderire alle specifiche ufficiali e quando queste vennero pubblicate molti dei loro prodotti furono adeguati al nuovo standard.

Alcuni produttori introdussero delle ulteriori varianti chiamate g+ o Super G nei loro prodotti. Queste varianti utilizzavano l'accoppiata di due canali per raddoppiare la banda disponibile anche se questo induceva interferenze con le altre reti e non era supportato da tutte le schede.

Il primo grande produttore a mettere in commercio schede con le specifiche ufficiali 802.11g fu Apple che presentò i suoi prodotti "AirPort Extreme". Cisco decise di entrare nel settore acquistando Linksys, e fornì i suoi prodotti con il nome di "Aironet".

802.11-2007

Nel 2003 il gruppo di lavoro IEEE 802.11 è stato autorizzato a unificare i vari emendamenti in un unico documento. Dopo diverse revisioni nell'8 marzo 2007 è stato definitivamente approvato un nuovo documento che prevede l'unificazione degli 8 emendamenti rilasciati (802.11a, b, d, e, f, g, h, i, j), da cui il nome 802.11-2007.

802.11n (Wi-Fi 4)

Nel gennaio 2004 IEEE ha annunciato di aver avviato lo studio di un nuovo standard per realizzare reti wireless di dimensioni metropolitane. La velocità reale di questo standard dovrebbe essere di 300 Mb/s^[8], quindi dovrebbe essere 5 volte più rapido dell'802.11g e 40 volte più rapido dell'802.11b.

Il 19 gennaio 2007 il gruppo di lavoro 802.11 di IEEE ha approvato la Draft 2.0; sulla quale si sono basate le aziende produttrici per mettere in commercio i loro prodotti della fascia Draft n. Il primo grande produttore a mettere in commercio prodotti con le specifiche ufficiali 802.11n draft 2.0 fu nuovamente Apple che presentò i suoi MacBook nella seconda metà del 2006, tutti forniti di serie con dispositivi compliant alla specifica 802.11n, ancora prima della ratifica ufficiale.

Nel marzo 2009 il gruppo di lavoro TGn^[9] è arrivato al draft 8.0.

La versione definitiva dello standard è stata approvata l'11 settembre 2009^[10] e la pubblicazione è avvenuta il 29 ottobre 2009.

802.11n include anche la possibilità di utilizzare la tecnologia MIMO (multiple-input multiple-output).^[11] Questo consentirà di utilizzare più antenne per trasmettere e più antenne per ricevere incrementando la banda disponibile utilizzando una multiplazione di tipo spaziale attraverso una codifica simile a quella di Alamouti.

La specifica 802.11n ha la possibilità di operare sia nell'intervallo dei 2.4 GHz sia nell'intervallo dei 5 GHz. I prodotti che permettono questa possibilità vengono chiamati "dual band" proprio perché trasmettono nell'intervallo dei 2.4 GHz e 5 GHz.

802.11s

Nel settembre del 2011, l'IEEE ha pubblicato questo standard dell'802.11, che si occupa di stabilire come viene creato e gestito il mesh networking. Tale emendamento introduce, inoltre, nuovi termini quali MBSS (Mesh Basic Service Set) e nuove funzionalità.

802.11ac (Wi-Fi 5)

Avviato da IEEE nel settembre 2008 questo standard dell'802.11 è stato approvato nel gennaio 2014 ed opera nell'intorno delle frequenze dei 5 GHz. La velocità massima teorica di questo standard all'interno di una WLAN multi-stazione è di 1 Gbit/s con una velocità massima di un singolo collegamento di 500 Mbit/s. Ciò è ottenuto ampliando concetti utilizzati da 802.11n: una più ampia larghezza di banda (fino a 160 MHz), più flussi spaziali MIMO (fino a 8), MIMO multi-utente e modulazione ad alta densità (fino a 256 QAM), Beamforming.

802.11ax (Wi-Fi 6)

Nel maggio del 2018, l'IEEE ha presentato questo nuovo standard dell'802.11, come evoluzione della versione ac, che viene da quel momento rinominata in Wi-Fi 5. Il pieno rilascio nel mercato è previsto entro la fine del 2019. 802.11ax è stato progettato per lavorare nella banda di frequenze tra 1 e 7 GHz, oltre alle già disponibili e largamente utilizzate 2.4 e 5Ghz. Durante il CES 2018 di Las Vegas sono stati mostrati dei test che hanno raggiunto velocità massime di 11Gbit/s. La velocità nominale è del 40% maggiore rispetto agli standard precedenti, e la latenza è stata ridotta del 75%.

In questo standard sono integrate le tecnologie MU-MIMO e TWT (Target Wake Time)^[12]. Dal 2022 si dovrebbe implementare anche la tecnologia UL MU-MIMO (uplink multiuser multiple-input multiple-output)^[12].

802.11be (Wi-Fi 7)

Per il 2024 è stato pensato il nuovo standard che dovrebbe essere certificato dall'IEEE a cavallo tra il 2018 ed il 2019, con una capacità di 30 Gb/s e con una frequenza tra i 2,4 GHz e 5 GHz e forse anche 6 GHz. La tecnologia MIMO dovrebbe avere un ulteriore miglioramento con CMU-MIMO (coordinated multiuser MIMO alias MIMO multiutente coordinato)^[12].

802.11mc

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802.11p

Sistema di comunicazione per i veicoli intelligenti e cooperativi alternativo allo standard C-V2X^[13].

Tabella riassuntiva

^[14]

Frame MAC 802.11

I campi di un generico frame MAC 802.11 sono i seguenti:

Il frame control è suddiviso nei seguenti sottocampi:

• Protocol version (2 bit)
• Type (2 bit)
• Subtype (4 bit)
• To DS (1 bit)
• From DS (1 bit)
• More fragments (1 bit)
• Retry (1 bit)
• Power management (1 bit)
• More data (1 bit)
• WEP (1 bit)
• Order (1 bit)

Certificazione

Dato che l'IEEE pubblica solo un insieme di specifiche, ma non prevede nessun test né certificazione per riconoscere che un prodotto rispetti dette specifiche, un gruppo di fabbricanti ha creato la Wi-Fi Alliance, un'associazione nata per certificare l'interoperabilità dei prodotti e per diffondere le reti Wi-Fi. In questa associazione vi sono praticamente tutti i costruttori di componenti per schede Wi-Fi. Attualmente^[quando?] l'Alliance si occupa solo degli standard a, b e g, oltre che degli standard di sicurezza come il WEP, il WPA e il nuovo 802.11i, conosciuto anche come WPA2.

Nel 2018 la Wi-Fi Alliance ha deciso di utilizzare una denominazione più semplice e commerciale per identificare i dispositivi che supportano gli standard di prossima generazione, per esempio la tecnologia alla base dei dispositivi che utilizzeranno la versione 802.11ax sarà denominata Wi-Fi 6.^[16]

Standard

Questi sono gli standard approvati o in fase di studio dall'IEEE:

• IEEE 802.11 - Lo standard originale 2 Mb/s, 2,4 GHz
• IEEE 802.11a - 54 Mb/s, 5 GHz standard (1999, approvato nel 2001)
• IEEE 802.11ac - 1,3 Gb/s, 5 GHz standard (2014)
• IEEE 802.11b - Miglioramento dell'802.11 col supporto di 5,5 e 11 Mb/s (1999)
• IEEE 802.11d - Adattamento a contesti regolatori in base alla nazione in cui è installato il sistema
• IEEE 802.11e - Miglioramento: Gestione della qualità del servizio.
• IEEE 802.11f - Inter-Access Point Protocol (IAPP)
• IEEE 802.11g - 54 Mb/s, 2,4 GHz standard (compatibile con il 802.11b) (2003)
• IEEE 802.11h - 5 GHz spectrum, Dynamic Channel/Frequency Selection (DCS/DFS) e Transmit Power Control (TPC) per compatibilità con l'Europa
• IEEE 802.11i (ratificato il 24 giugno 2004) - Miglioramento della sicurezza
• IEEE 802.11j - Estensione per il Giappone
• IEEE 802.11k - Misurazione delle sorgenti radio
• IEEE 802.11n - Aumento della banda disponibile, fino a 450  Mb/s, 2,4 GHz e 5 GHz
• IEEE 802.11p - WAVE - Wireless Ability in Vehicular Environments (gestione per autoveicoli, ambulanze ecc.)
• IEEE 802.11r - Roaming rapido
• IEEE 802.11s - Gestione delle reti mesh
• IEEE 802.11T - Gestione e Test
• IEEE 802.11u - Connessione con reti non 802, come le reti cellulari.
• IEEE 802.11v - Gestione delle reti wireless

Il dual band

Con il passare degli anni e con la grandissima diffusione di dispositivi e apparecchi conformi agli standard 802.11b e 802.11g entrambi funzionanti sulla frequenza dei 2.4 GHz quest'ultima ha avuto un vero e proprio sovraffollamento considerando anche altri tipi di servizi operanti sempre nell'intorno dei 2,4 GHz come il servizio bluetooth, radio telefoni, telefoni cordless, trasmettitori audio/video e altri apparecchi di uso comune, si è avuto l'esigenza di "liberare" questa frequenza. È stato così che si è deciso di ritornare ad utilizzare l'intorno dei 5 GHz già precedentemente utilizzato con la specifica 802.11a. Gli apparecchi che permettono di utilizzare sia l'intorno dei 2,4 GHz sia l'intorno dei 5 GHz vengono chiamati "dual band" e sono conformi alle specifiche 802.11b, 802.11g, 802.11a, 802.11n. I primi due lavorano esclusivamente sull'intorno dei 2.4 GHz, la specifica 802.11a solo sull'intorno dei 5 GHz mentre il recente 802.11n ha la possibilità di lavorare sia nell'intorno dei 2,4 GHz sia nell'intorno dei 5 GHz.

Sicurezza

Le versioni originali dei protocolli 802.11 erano basati sulla crittografia WEP.

Nel 2001 un gruppo dell'università di Berkeley presentò un lavoro dove descriveva le falle di sicurezza del protocollo 802.11. Questo gruppo si concentrò sull'algoritmo di cifratura utilizzato dal WEP (RC4), che nell'implementazione scelta per lo standard 802.11 era molto debole e facilmente forzabile. In particolare è possibile iniettare frame che costringano altre stazioni di un access-point a rieffettuare la procedura di autenticazione, durante la quale è possibile carpire informazioni con le quali recuperare la chiave.

L'IEEE mise in campo un gruppo di lavoro per progettare un'evoluzione dello standard di sicurezza WEP. Anche la Wi-Fi Alliance creò un gruppo di lavoro per risolvere il problema e la Wi-Fi Alliance annunciò la nascita del WPA durante il 2003. Il WPA era un'evoluzione del WEP che rimuoveva la maggior parte dei problemi di sicurezza rendendo le reti wireless discretamente sicure. Intanto il gruppo dell'IEEE era al lavoro e nel giugno del 2004 pubblicò le specifiche dell'IEEE 802.11i. Questo standard rendeva le reti wireless molto sicure e la Wi-Fi Alliance lo adottò subito sotto il nome di WPA2. Il WPA2 abbandona l'RC4 come algoritmo di codifica per passare al più sicuro Advanced Encryption Standard.

Le varie opzioni di sicurezza disponibili comportano però livelli di complessità crescente per la configurazione e l'adeguamento del firmware e di drive di sistema operativo di access Point e schede di rete wireless.

Con il diffondersi dei collegamenti via cavo o via ADSL si è avuto un notevole incremento degli utenti che realizzano piccole reti locali per condividere il collegamento a Internet, e molte di queste reti sono wireless. In queste situazioni sono di solito disponibili minori competenze, per cui capita spesso che le reti wireless non usino alcuna crittografia, o al massimo usino WEP. Queste reti sono insicure, e possono essere forzate con semplicità, permettendo l'intercettazione del traffico wireless e l'accesso abusivo alla rete.

L'intercettazione costituisce un rischio per la privacy degli utenti (potrebbero ad esempio essere sottratti segreti industriali o dati bancari). L'accesso abusivo alla rete è rischioso anche perché non è possibile rintracciare a posteriori gli autori di comportamenti pericolosi o illegali.

Accesso abusivo

Si è diffusa nell'underground informatico l'abitudine di segnalare la presenza di reti wireless non sicure o addirittura senza nessuna forma di protezione. Queste informazioni sono diffuse attraverso Internet. Inoltre è stato creato un linguaggio convenzionale per identificare le reti wireless accessibili mediante simboli grafici disegnati sui muri. La pratica di cercare reti wireless vulnerabili, girando per quartieri commerciali o industriali, è detta wardriving; quella di segnalarle con segni murali è detta warchalking.

Reti pubbliche

Ci sono persone o aziende che volontariamente forniscono una connessione Internet attraverso rete wireless per motivazioni idealistiche o per attirare clienti nei loro esercizi commerciali. In aree commerciali molto frequentate, come aeroporti, stazioni ferroviarie o alberghi, è talvolta possibile trovare servizi commerciali di connettività wireless (i cosiddetti hotspot), che però normalmente identificano i loro utenti.

Anche gli enti pubblici, soprattutto i comuni, possono installare delle reti wireless in aree pubbliche a disposizione della cittadinanza.