Lezione 3 di 7

Reti Wireless 2

Modulo W2 — Architettura Wi-Fi | Hands on Stem
Modulo W2 di 6

Architettura Wi-Fi

BSS, ESS, SSID, AP autonomi vs controller, mesh, roaming e il processo di associazione: come è organizzata una rete wireless.

Prof. D. Bertolino Hands on Stem Reti Wireless

W2.1 Terminologia Fondamentale

Prima di analizzare le architetture, è essenziale conoscere il vocabolario del Wi-Fi. Questi termini vengono usati in ogni documentazione, certificazione e configurazione.

TermineSignificatoEsempio
STAStation — qualsiasi dispositivo con interfaccia Wi-FiLaptop, smartphone, stampante Wi-Fi
APAccess Point — dispositivo che crea la rete wireless e fa da ponte verso la rete cablataCisco Aironet, Ubiquiti UniFi
SSIDService Set Identifier — il “nome” della rete Wi-Fi (max 32 caratteri)“Scuola-WiFi”, “Casa-5G”
BSSIDBasic Service Set Identifier — il MAC address della radio dell’APAA:BB:CC:11:22:33
BSSBasic Service Set — una singola cella wireless: 1 AP + i suoi clientUn AP nella stanza riunioni
ESSExtended Service Set — più AP con lo stesso SSID che formano una rete unicaWi-Fi di un intero campus
DSDistribution System — la rete cablata che interconnette gli APSwitch + cablaggio Ethernet
WLCWireless LAN Controller — gestisce centralmente tutti gli APCisco WLC 9800

W2.2 Modalità Operative

Lo standard 802.11 definisce diverse modalità di funzionamento, ciascuna adatta a un caso d’uso specifico.

Infrastructure Mode

La modalità più comune. Tutte le STA comunicano attraverso l’AP, che fa da ponte verso la rete cablata. Ogni comunicazione tra due client wireless passa dall’AP (anche se sono vicini).

Uso: uffici, scuole, case — il 99% delle installazioni.

Ad-Hoc (IBSS)

Connessione diretta tra STA senza AP. Ogni dispositivo è sia client che “server”. Nessun ponte verso la rete cablata.

Uso: condivisione file temporanea, emergenze, reti mesh di base. Poco usato.

Wi-Fi Direct

Evoluzione dell’ad-hoc: un dispositivo funge da “Soft AP”. Più sicuro e gestibile dell’IBSS. Negoziazione automatica dei ruoli.

Uso: Miracast, stampa wireless, AirDrop-like, gaming locale.

W2.3 BSS, ESS e il Concetto di Cella

Ogni AP crea una cella (BSS): l’area di copertura radio entro cui i dispositivi possono connettersi a quell’AP. Per coprire aree più grandi, si usano più AP con lo stesso SSID, formando un ESS.

BSS singolo vs ESS (Extended Service Set)
📡 AP1
BSS 1
SSID: “Ufficio”

1 AP = 1 BSS

📡 AP1
BSS 1
📡 AP2
BSS 2

2+ AP = ESS
Stesso SSID, canali diversi

Regole dell’ESS

Stesso SSID — tutti gli AP annunciano lo stesso nome di rete. Per il client è trasparente: vede “una sola rete”.
Canali diversi — gli AP adiacenti devono usare canali non sovrapposti per evitare interferenza co-canale. A 2.4 GHz: 1-6-11. A 5 GHz: molte più opzioni.
Sovrapposizione ~15-20% — le celle devono sovrapporsi leggermente per garantire il roaming senza disconnessioni. Troppo poca sovrapposizione = zone morte. Troppa = interferenza.

W2.4 Il Processo di Connessione: Scanning e Associazione

Quando accendi il Wi-Fi del tuo smartphone, una serie di passi avviene automaticamente prima che tu possa navigare.

Scanning (scoperta): la STA cerca gli AP disponibili. Può essere passivo (ascolta i beacon frame inviati dagli AP ogni ~100 ms) o attivo (invia probe request e attende probe response dagli AP).
Selezione AP: la STA sceglie l’AP migliore in base a SSID, segnale (RSSI), capacità (velocità, banda), carico e politiche.
Authentication: la STA si autentica con l’AP. In Open Authentication (reti aperte) è un semplice scambio. Con WPA2/WPA3 segue un processo più complesso (4-way handshake).
Association: la STA si associa all’AP: negozia velocità, canale, capacità. L’AP assegna un Association ID (AID) e la STA è ora parte del BSS.
802.1X / EAP (opzionale, Enterprise): ulteriore autenticazione tramite server RADIUS con credenziali utente o certificato.
DHCP: la STA ottiene un indirizzo IP dal server DHCP. Solo ora può comunicare a livello 3+.
Beacon Frame: il “battito cardiaco” dell’AP

L’AP trasmette un beacon frame ogni ~100 ms (10 volte al secondo) su ogni canale. Il beacon contiene: SSID, BSSID, velocità supportate, canale, sicurezza (WPA2/WPA3), capacità (HT/VHT/HE). È grazie al beacon che il tuo telefono “vede” le reti disponibili. Un SSID può essere nascosto (hidden): l’AP non include il nome nel beacon, ma risponde comunque ai probe request diretti — non è una vera misura di sicurezza.

W2.5 Architetture: AP Autonomo vs Controller-Based

AP Autonomo (Standalone)

Ogni AP è indipendente: configurazione locale, gestione canali manuale, nessun coordinamento centralizzato.

  • Configurazione: su ogni AP singolarmente
  • Canali e potenza: impostati manualmente
  • Roaming: gestito dal client (lento)
  • SSID/VLAN: configurati su ogni AP
  • Aggiornamenti: uno per uno
  • Scalabilità: fino a ~5-10 AP

Ideale per: casa, piccolo ufficio, singola stanza.

vs
Controller-Based (CAPWAP/WLC)

Un WLC (Wireless LAN Controller) gestisce centralmente tutti gli AP. Gli AP sono “leggeri” (lightweight): eseguono i comandi del controller.

  • Configurazione: centralizzata sul WLC
  • Canali e potenza: RRM automatico
  • Roaming: veloce (802.11r, OKC, PMK cache)
  • SSID/VLAN: push da WLC a tutti gli AP
  • Aggiornamenti: simultanei su tutti gli AP
  • Scalabilità: centinaia/migliaia di AP

Ideale per: campus, aziende, scuole, ospedali.

CAPWAP: il protocollo AP ↔ Controller

CAPWAP (Control And Provisioning of Wireless Access Points, RFC 5415) è il protocollo che collega gli AP lightweight al WLC. Usa due tunnel UDP: il control tunnel (porta 5246) per configurazione, gestione e monitoraggio, e il data tunnel (porta 5247) per il traffico dati dei client. Quando un AP si accende, cerca il WLC (via DHCP option 43, DNS, o broadcast) e stabilisce i tunnel automaticamente.

La terza via: Cloud-Managed

Oggi molti vendor offrono AP gestiti via cloud (Cisco Meraki, Ubiquiti UniFi, Aruba Instant On). Gli AP si collegano a una piattaforma cloud che funge da controller virtuale. Vantaggi: nessun hardware controller da comprare, gestione da remoto via browser, aggiornamenti automatici, dashboard e analytics. Svantaggio: dipendenza dalla connessione Internet e dal vendor.

W2.6 RRM — Radio Resource Management

In un’architettura con controller, il RRM è il cervello che ottimizza automaticamente i parametri radio di tutti gli AP. Senza RRM, ogni AP dovrebbe essere configurato manualmente — un incubo in un campus con 100+ AP.

DCA — Dynamic Channel Assignment

Il WLC analizza l’ambiente radio (interferenze, AP vicini, client) e assegna a ogni AP il canale ottimale, evitando sovrapposizioni e minimizzando l’interferenza co-canale. Ricalcola periodicamente se le condizioni cambiano.

TPC — Transmit Power Control

Il WLC regola la potenza di trasmissione di ogni AP per creare celle della dimensione giusta: abbastanza grandi per coprire, abbastanza piccole per non interferire con gli AP vicini. Potenza troppo alta = più interferenza.

L’errore più comune: “alzare la potenza al massimo”

Molti pensano che aumentare la potenza dell’AP migliori la copertura. In realtà: l’AP trasmette più forte, ma il client (smartphone) ha una potenza fissa (~15 dBm). Risultato: il client “sente” l’AP da lontano ma l’AP non sente il client → connessione asimmetrica, instabile, con ritrasmissioni continue. Inoltre, una potenza troppo alta crea interferenza sugli AP vicini. La soluzione corretta: più AP a potenza moderata, non pochi AP a potenza massima.

W2.7 Roaming: spostarsi tra AP senza disconnettersi

In un ESS con più AP, quando un client si sposta fisicamente, a un certo punto il segnale dell’AP attuale diventa troppo debole e quello di un AP vicino diventa più forte. Il client deve cambiare AP: questo processo si chiama roaming.

La sfida del roaming

Il roaming deve essere trasparente: l’utente non deve accorgersi del cambio di AP. Una videochiamata o una sessione VoIP non devono interrompersi. Questo richiede che il passaggio avvenga in meno di 50 ms (per il VoIP il limite è ~150 ms, ma ogni ms perso è audio perso).

Tipo di roamingTempoCome funzionaStandard
Layer 2 roaming~50-200 msIl client cambia AP ma resta nella stessa VLAN/subnet. L’IP non cambia.Base 802.11
Fast BSS Transition~20-50 msPre-autenticazione con il nuovo AP prima del salto. Riduce il tempo di handshake.802.11r (FT)
OKC / PMK Caching~30-80 msIl WLC condivide le chiavi di sessione tra AP: il client non deve ri-autenticarsi.Vendor-specific / 802.11r
Layer 3 roaming~200-500 msIl client cambia subnet: serve nuovo IP. Il WLC mantiene un tunnel per non perdere la sessione.Controller-based
Chi decide il roaming?

Nella maggior parte dei casi, è il client a decidere quando e verso quale AP fare roaming — non l’AP o il controller. Ogni vendor di smartphone/laptop ha i propri algoritmi e soglie. Questo rende il roaming imprevedibile: un iPhone potrebbe restare “attaccato” a un AP lontano mentre un Samsung passa subito al più vicino. Lo standard 802.11v (BSS Transition Management) permette all’AP di “suggerire” al client di spostarsi, ma il client può ignorare il suggerimento.

Band Steering e Client Steering

Band steering: l’AP “spinge” i client dual-band dalla banda 2.4 GHz (congestionata) alla 5 GHz (più veloce). Tecnica: risponde ai probe request del client solo sulla banda preferita, o ritarda la risposta su 2.4 GHz.
Client steering: il controller distribuisce i client tra gli AP per bilanciare il carico. Se un AP ha 30 client e quello vicino ne ha 5, il controller può rifiutare le nuove associazioni al primo per forzarle al secondo.

W2.8 Mesh Wi-Fi

In una rete mesh, gli AP comunicano tra loro via wireless (backhaul wireless), formando una “maglia” che si auto-configura e si auto-ripara. Non tutti gli AP devono essere collegati via cavo allo switch.

Come funziona

Un nodo root (o gateway) è collegato alla rete cablata. Gli altri nodi (mesh AP) si connettono al root o tra loro via radio. I dati dei client “saltano” da nodo a nodo fino a raggiungere il root e da lì la rete cablata/Internet.

Vantaggi

Nessun cavo necessario tra gli AP (installazione facile). Self-healing: se un nodo cade, il traffico viene re-instradato automaticamente. Ideale per ambienti dove il cablaggio è impossibile o molto costoso (edifici storici, spazi aperti, eventi temporanei).

Lo svantaggio: il throughput diminuisce ad ogni hop

Se il backhaul è wireless sullo stesso canale dei client, ogni hop dimezza il throughput (l’AP deve ricevere e ritrasmettere sullo stesso mezzo half-duplex). Con 2 hop il throughput è ~25% del massimo. Soluzioni: dedicated backhaul radio (una radio separata solo per il backhaul, es. banda 5 GHz alta per backhaul + 5 GHz bassa per client) o tri-band mesh (2.4 + 5 + 5 GHz o 2.4 + 5 + 6 GHz).

AspettoAP tradizionali (cablati)Mesh Wi-Fi
BackhaulEthernet cablato (1-10 Gbps)Wireless (throughput variabile)
InstallazioneServe cablaggio a ogni APSolo alimentazione elettrica
ThroughputCostante e altoDiminuisce ad ogni hop
AffidabilitàAlta (cavo dedicato)Self-healing ma dipende dalla radio
Costo infrastrutturaAlto (cablaggio)Basso (no cavi, solo corrente)
Uso idealeUffici, scuole, data centerCase grandi, eventi, outdoor, retrofit

W2.9 SSID Multipli, VLAN e Segmentazione

Un singolo AP fisico può trasmettere più SSID contemporaneamente (tipicamente fino a 8-16), ciascuno associato a una VLAN diversa. Questo permette di segmentare il traffico wireless come si fa con gli switch cablati.

SSIDVLANSicurezzaAccesso
“Corp-WiFi”VLAN 10WPA3-Enterprise (802.1X)Dipendenti — accesso completo alla LAN
“Guest-WiFi”VLAN 50WPA2-PSK o captive portalOspiti — solo Internet, LAN bloccata
“IoT-Devices”VLAN 30WPA2-PSKSensori, telecamere — rete isolata
“Admin”VLAN 99WPA3-Enterprise + MAC filterSolo IT — gestione apparati
Attenzione: troppi SSID = problemi

Ogni SSID richiede il proprio beacon frame trasmesso periodicamente. Con 8 SSID, l’AP trasmette 8 beacon ogni 100 ms = 80 frame di management al secondo che consumano tempo di trasmissione (airtime) senza trasportare dati. La regola pratica: massimo 3-4 SSID per AP. Se servono più reti, usa VLAN con assegnazione dinamica basata su 802.1X (un solo SSID, la VLAN viene assegnata dal RADIUS in base all’utente).

W2.10 Riepilogo del Modulo

BSS / ESS
BSS = 1 AP + client. ESS = più AP, stesso SSID, canali diversi, sovrapposizione 15-20%.
Associazione
Scanning → selezione → autenticazione → associazione → (802.1X) → DHCP.
Controller vs Autonomo
Autonomo: config manuale, max ~10 AP. WLC: centralizzato, RRM, roaming veloce, centinaia di AP.
Roaming
802.11r (FT) per roaming veloce (<50 ms). Client decide, AP suggerisce (802.11v).
Mesh & SSID/VLAN
Mesh: backhaul wireless, self-healing, throughput cala a ogni hop. Max 3-4 SSID per AP.

🧪 Verifica di Autovalutazione

01 Cos’è un BSS? E un ESS? Qual è la differenza?
02 Cos’è l’SSID e cos’è il BSSID?
03 Descrivi i passaggi del processo di associazione Wi-Fi.
04 Cos’è un beacon frame e cosa contiene?
05 Quali sono i vantaggi di un’architettura controller-based rispetto a AP autonomi?
06 Cos’è il RRM e quali problemi risolve?
07 Perché “alzare la potenza al massimo” è un errore?
08 Cos’è il roaming 802.11r e perché è importante per il VoIP?
09 Qual è il principale svantaggio di una rete mesh?
10 Perché è sconsigliato avere più di 3-4 SSID per AP?

Soluzioni

Domanda 01 — BSS vs ESS
BSS (Basic Service Set): una singola cella wireless composta da 1 AP e tutti i client ad esso associati. Ha un BSSID unico (MAC dell’AP). ESS (Extended Service Set): più BSS (più AP) con lo stesso SSID, interconnessi via rete cablata (Distribution System). I client vedono una sola rete e possono fare roaming tra gli AP.
Domanda 02 — SSID e BSSID
SSID (Service Set Identifier): il nome della rete Wi-Fi visibile all’utente (es. “Casa-WiFi”). Max 32 caratteri. Può essere uguale su più AP (ESS). BSSID (Basic Service Set Identifier): il MAC address della radio dell’AP. Univoco per ogni AP/radio. È usato internamente dal protocollo 802.11 per distinguere i BSS.
Domanda 03 — Processo di associazione
1) Scanning: la STA cerca gli AP (passivo: ascolta beacon; attivo: invia probe request). 2) Selezione: sceglie l’AP migliore (RSSI, capacità, carico). 3) Authentication: scambio di autenticazione con l’AP (open o WPA). 4) Association: negozia parametri, riceve un AID. 5) Opzionale 802.1X/EAP: autenticazione Enterprise via RADIUS. 6) DHCP: ottiene un IP. Solo dopo il DHCP il client può comunicare a livello rete.
Domanda 04 — Beacon frame
Il beacon è un frame di management trasmesso dall’AP ogni ~100 ms (10/secondo). Contiene: SSID (nome rete), BSSID (MAC AP), velocità supportate, canale corrente, tipo di sicurezza (RSN/WPA2/WPA3), capacità (HT/VHT/HE), timestamp, intervallo beacon, informazioni di potenza. Il client usa i beacon per scoprire le reti disponibili e valutare la qualità del segnale.
Domanda 05 — Controller-based vs autonomo
Il controller (WLC) offre: gestione centralizzata (configurazione unica per tutti gli AP), RRM automatico (canali e potenza ottimizzati), roaming veloce (condivisione chiavi tra AP), aggiornamenti firmware simultanei, dashboard e monitoring centralizzati, bilanciamento carico client. Gli AP autonomi richiedono configurazione individuale, non si coordinano, il roaming è lento e non scalano oltre 5-10 AP.
Domanda 06 — RRM
RRM (Radio Resource Management) è il sistema del controller che ottimizza automaticamente i parametri radio. Include: DCA (Dynamic Channel Assignment) per assegnare canali senza interferenza, TPC (Transmit Power Control) per regolare la potenza di ogni AP, e coverage hole detection per segnalare zone scoperte. Risolve il problema della configurazione manuale di canali e potenza su decine/centinaia di AP.
Domanda 07 — Potenza al massimo
Aumentare la potenza dell’AP crea una connessione asimmetrica: l’AP raggiunge il client a distanza, ma il client (smartphone ~15 dBm) non riesce a rispondere con la stessa portata. Il client vede segnale forte ma non riesce a trasmettere → ritrasmissioni, velocità basse, disconnessioni. Inoltre, potenza alta = cella più grande = più interferenza co-canale con gli AP vicini. La soluzione corretta: più AP a potenza moderata, celle più piccole e uniformi.
Domanda 08 — 802.11r e VoIP
802.11r (Fast BSS Transition) permette al client di pre-autenticarsi con il nuovo AP prima di lasciare quello corrente. Il handshake crittografico avviene in anticipo, riducendo il tempo di roaming da ~200 ms a ~20-50 ms. Per il VoIP è critico perché il protocollo vocale tollera al massimo ~150 ms di interruzione: un roaming lento causa audio mancante o caduta della chiamata.
Domanda 09 — Svantaggio del mesh
Il principale svantaggio è la riduzione del throughput ad ogni hop. Se il backhaul wireless usa lo stesso canale dei client (single-radio), ogni hop dimezza la banda disponibile (l’AP deve ricevere e ritrasmettere sullo stesso mezzo half-duplex). Con 2 hop il throughput è ~25%. Soluzioni: backhaul radio dedicato (tri-band) o backhaul su banda diversa (es. 5 GHz alto per backhaul, 5 GHz basso per client).
Domanda 10 — Troppi SSID
Ogni SSID richiede un beacon frame separato (~200-400 byte) trasmesso alla velocità più bassa (per raggiungere tutti i client) ogni ~100 ms. Con 8 SSID: 80 beacon/secondo che consumano airtime prezioso senza trasportare dati. Su un canale da 20 MHz, 8 SSID possono consumare il 5-10% dell’airtime solo per i beacon. Regola: max 3-4 SSID. Per più reti, usare un unico SSID con assegnazione VLAN dinamica via 802.1X/RADIUS.
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