IEEE 802.11 è un insieme di normative standard tecniche focalizzate sulle specifiche dei protocolli del livello fisico (PHY) e del Media Access Control (MAC) per le reti di tipo Wireless local area network (WLAN), nell'ambito della famiglia IEEE 802 (definizione delle Local Area Network). Lo standard originale e i suoi sviluppi successivi costituiscono la base di funzionamento per i prodotti di rete marchiati con il simbolo Wi-Fi e sono gli standard tecnici più utilizzati nelle reti di dispositivi wireless. Su queste specifiche si basa la maggior parte delle reti casalinghe e aziendali in cui computer fissi o portatili, smartphone, stampanti e altri dispositivi sono in grado di comunicare tra loro e accedere a Internet senza bisogno di cavi, nonché la comunicazione wireless tra veicoli (specifiche IEEE 802.11p).
Gli standard IEEE 802.11 sono definiti e manutenuti dall'Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). Alla versione base, pubblicata nel 1997, hanno fatto seguito una serie di emendamenti, identificati secondo lo schema di IEEE (802.11 seguito da una o due lettere minuscole in sequenza alfabetica: 802.11a, 802.11b e così via), e versioni successive dello standard completo, identificate con il suffisso dell'anno di pubblicazione, che introducono varianti, correzioni ed evoluzioni tecnologiche. Anche se gli emendamenti vengono ufficialmente dismessi nel momento in cui entrano a far parte integrante di una nuova versione dello standard completo, a livello industriale e commerciale si preferisce utilizzare direttamente il loro identificativo individuale per indicare in modo immediato e sintetico il livello di funzionalità disponibile su un determinato prodotto. Di conseguenza, ogni singolo emendamento viene trattato come fosse uno specifico standard individuale. La dicitura 802.11x è una forma abbreviata per indicare "una qualsiasi versione di 802.11" e viene usata per evitare ambiguità con la dicitura "802.11" che è quella specifica che si riferisce alla prima edizione del 1997 (802.11-1997, detta anche "802.11 legacy").
IEEE 802.11x prescrive per le reti wireless diverse frequenze di trasmissione, che comprendono tra le altre le bande di frequenza a 2,4, 5, 6 e 60 GHz, e identifica l'elenco dei canali che si possono utilizzare su tali frequenze, con l'avvertenza che la disponibilità effettiva delle frequenze nello spettro radio può dipendere localmente da altre norme regolatorie nazionali o internazionali.
I protocolli di comunicazione definiti da IEEE 802.11x sono utilizzati in combinazione con i livelli di rete superiori definiti dalla normativa IEEE 802.2 e sono concepiti per interoperare senza problemi con Ethernet e per il trasporto di traffico IP.
Storia La tecnologia standardizzata dalla 802.11 nasce da una decisione dell'FCC statunitense che nel 1985 liberò la banda ISM consentendone l'utilizzo senza necessità di licenza.
Nel 1991 NCR Corporation/AT&T (attualmente Nokia Labs e LSI Corporation) misero a punto un precursore dell'802.11 a Nieuwegein, nei Paesi Bassi, destinato originariamente ai servizi di cassa. I primi prodotti wireless vennero commercializzati con il nome WaveLAN ed erano caratterizzati da una velocità di trasmissione dati grezza di e .
Vic Hayes, insieme all'ingegnere dei Bell Labs Bruce Tuch, ha coinvolto l'IEEE per la creazione di uno standard. Hayes, definito il "padre del Wi-Fi", è stato presidente del gruppo di lavoro IEEE 802.11 per 10 anni e ha contribuito alla definizione degli standard iniziali 802.11b e 802.11a.
Nel 1999 è stato costituito il consorzio commerciale Wi-Fi Alliance, detentore del marchio "Wi-Fi" con il quale viene venduta la maggior parte dei prodotti.
La svolta commerciale chiave si è avuta nel 1999, quando Apple decise di dotare di Wi-Fi la famiglia di portatili iBook, il primo prodotto di largo consumo a offrire la connettività di rete wireless, commercializzata come AirPort. L'anno successivo fu la volta dell'IBM, che introdusse la tecnologia wireless nella serie ThinkPad 1300.
Descrizione Principi generali Lo standard 802.11x indirizza in modo specifico il livello fisico (PHY) e il livello Media Access Control (MAC) delle reti locali wireless. Per quanto riguarda il livello fisico, definisce una serie di tecniche di modulazione radio per segnali half-duplex che utilizzano di base lo stesso formato di dati; specifica le frequenze e i canali utilizzabili; definisce le velocità di trasmissione (bit rate); stabilisce eventuali limiti di potenza e definisce le tecniche di aggregazione. Per quanto riguarda il livello MAC, la gestione della trasmissione half-duplex si basa sul controllo di collisioni CSMA/CA per cui una emittente su uno specifico canale è in grado di determinare se su quello stesso canale ci siano altre entità che stanno trasmettendo (anche su protocolli diversi da quelli definiti da 802.11x) e trasmette i suoi frame-dati solo se il canale in quel momento è libero. Lo standard inoltre definisce il formato e la struttura dei frame usati per la comunicazione tra i dispositivi di rete, la loro tipologia, le informazioni di servizio veicolate e le modalità di impiego, tenendo presente l'interoperabilità con i frame Ethernet definiti dalla normativa IEEE 802.3. Definisce infine gli aspetti legati alla sicurezza nell'accesso alla rete e nel trasporto confidenziale del contenuto informativo.
Il primo standard definito fu l'802.11-1997 ma il primo ad essere effettivamente adottato su larga scala è stato l'802.11b, a cui hanno fatto seguito 802.11a, 802.11g, 802.11n, 802.11ac e 802.11ax. Gli altri emendamenti della famiglia sono intesi ad estendere l'ambito degli standard esistenti o a introdurre correzioni.
L'802.11b e 802.11g, così come anche 802.11n, utilizzano lo spettro di frequenze a (banda ISM). Si tratta di una banda di frequenze regolarmente assegnata dal piano di ripartizione nazionale (ed internazionale) ad altri servizi ma lasciata di libero impiego per le applicazioni che prevedono livelli di EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power, ovvero la massima potenza irradiata da un'antenna isotropa) non superiori a e utilizzate all'interno di una proprietà privata (senza attraversamento del suolo pubblico). Trovandosi ad operare in bande di frequenze dove già lavorano altri apparecchi, i dispositivi b/g/n possono subire fenomeni di interferenza da parte di altre apparecchiature come telefoni cordless, dispositivi Bluetooth, forni a microonde. Per controllare e limitare tali effetti, il protocollo 802.11b utilizza una tecnica di trasmissione Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) mentre l'802.11g impiega una modulazione multi-portante di tipo OFDM.
L'802.11a utilizza la banda U-NII (Unlicensed National Information Infrastructure) a , come definita dalla FCC statunitense, che per la maggior parte del mondo prevede almeno 23 canali radio non sovrapposti di di ampiezza. Questo è un miglioramento siginificativo rispetto alla banda che prevede solo tre canali da non sovrapposti, mentre tutti gli altri canali adiacenti presentano delle sovrapposizioni. Le prestazioni tra le differenti frequenze possono essere migliori o peggiori a seconda delle condizioni ambientali. I protocolli 802.11n e 802.11ax possono usare sia la banda a che quella a mentre l'802.11ac usa solo la banda a .
Il segmento di spettro delle frequenze radio usate dalla 802.11 cambia a seconda delle nazioni, in funzione delle normative locali.
Modello di rete
Le reti basate su 802.11 prevedono un'architettura formata da una collezione di sottoreti wireless collegate a una infrastruttura cablata di tipo Ethernet (802.3). Ogni dispositivo wireless in grado di collegarsi a una di queste sottoreti costituisce una "stazione", che può essere fissa o mobile all'interno della sottorete.
Tutti i dispositivi (client) di una sottorete devono collegarsi a una stazione speciale (Access Point, AP) che, essendo connessa all'infrastruttura cablata tramite il sistema di distribuzione (Distribution System), agisce come un gateway per l'intera sottorete, consentendo alle stazioni di accedere ai servizi forniti dal provider tramite la rete cablata. L'AP inoltre può funzionare anche come router per la comunicazione wireless tra i client all'interno della stessa sottorete.
L'insieme di dispositivi client collegati a uno specifico AP più l'AP stesso costituiscono un "insieme di servizi di base" (Basic Service Set, BSS). L'insieme di più BSS interconnessi, a sua volta, costituisce un "insieme di servizi estesi" (Extended Service Set, ESS)..
Ogni BSS è identificato e riconoscibile da parte degli altri dispositivi tramite due parametri: il Basic Service Set Identifier (BSSID), che è un valore cablato non modificabile coincidente con l'indirizzo MAC dell'Access Point; questo dato viene scambiato tra AP e stazioni solo a livello di protocollo il Service Set Identifier (SSID), liberamente modificabile, che è il nome della rete come visibile anche a livello applicativo (per esempio, quando si deve scegliere a quale rete Wi-Fi collegare uno specifico dispositivo/stazione: smartphone, tablet, computer, smart TV eccetera). Anche questo dato viene scambiato via protocollo.
Anche l'ESS, che di fatto costituisce una rete di BSS, possiede un suo identificativo, liberamente modificabile (Extended Service Set Identifier, ESSID), che tipicamente coincide con l'SSID. Questo dato, come l'SSID, viene utilizzato dal protocollo, soprattutto in caso di roaming, per cui un dispositivo mobile può passare da un BSS a un BSS diverso ma facente parte dello stesso ESS senza interruzione del servizio, purché i due BSS condividano lo stesso SSID.
Meccanismo di connessione e disconnessione
Il meccanismo tramite il quale una stazione si collega a un Access Point è regolato da un protocollo di comunicazione specifico e avviene attraverso una sequenza composta da tre fasi principali: Scansione (Scanning) per rilevare il dispositivo o la rete a cui connettersi; Autenticazione (Authentication), che consiste nell'identificazione del client e nello scambio di chiavi crittografiche tra client e Access Point; Associazione (Association), che consiste nello stabilire un connessione logica tra Access Point e dispositivo dopo aver verificato la rispettiva compatibilità, rendendo il dispositivo raggiungibile dal distribution system, che ora sa con quale Access Point deve comunicare per raggiungere una determinata stazione. Ogni dispositivo può essere associato a un solo Access Point alla volta, mentre un Access Point può essere associato a più dispositivi. Al termine di questa fase, può iniziare lo scambio dati vero e proprio.
Per la disconnessione, sono previste due fasi: Disassociazione (Disassociation) con cui un dispositivo cancella l'associazione su tutti gli Access Point, interrompendo ogni possibilità di comunicazione con il distribution system; Deautenticazione (Deauthentication) con cui un dispositivo disassociato chiude la sua sessione ed esce totalmente dalla rete, interrompendo ogni comunicazione con l'Access Point fino a nuova autenticazione. Va osservato che un dispositivo disassociato potrebbe risultare ancora autenticato all'interno della rete.
Scansione La scansione consiste nel riconoscimento dei dispositivi compatibili all'interno dell'area coperta da un Access Point (Basic Service Set Area, BSSA) e può essere di due tipi: scansione passiva: l'AP emette periodicamente, su un canale alla volta, un frame speciale di tipo broadcast, detto beacon ("faro") per la sua periodicità (Target Beacon Transmission Time, TBTT), per annunciare a tutte le stazioni potenzialmente in ascolto la sua presenza e le sue caratteristiche fondamentali (SSID, potenza del segnale eccetera). Al termine del periodo, il messaggio viene trasmesso sul canale successivo, fino a coprire tutti i canali.