Il collegamento in rete tramite tecnologia Wi-Fi sta conoscendo una diffusione sempre più ampia per le applicazioni integrate, per le stesse ragioni che favorirono a suo tempo il successo della tecnologia Ethernet. Lo standard Wi-Fi ci è familiare, l'attrezzatura necessaria per installare una rete è economica e consente di comunicare facilmente con Pc e altri dispositivi appartenenti a infrastrutture di rete esistenti. L'implementazione di una rete Wi-Fi per sistemi integrati pone tuttavia alcuni problemi. Quali funzionalità sono necessarie? Quali sono le più importanti? Quali aspetti è opportuno considerare? Accesso Wi-Fi seriale o completo?
Molti dispositivi Wi-Fi per sistemi embedded forniscono solo un accesso di tipo seriale. L'idea alla base è che il dispositivo Wi-Fi disponga di un firmware predefinito e che l'utente utilizzi una porta seriale sul proprio dispositivo integrato per interfacciarsi con il dispositivo Wi-Fi. Tale funzionamento è molto simile a quello che consente l'accesso seriale ai dispositivi Ethernet. I dispositivi Wi-Fi che richiedono un accesso di tipo seriale facilitano l'aggiunta di alcune funzionalità Wi-Fi limitate ai dispositivi integrati esistenti. Questa modalità di trasmissione funziona bene con applicazioni che richiedono una sola connessione per volta. Tale modalità è adatta per consentire l'accesso a una porta seriale tramite rete. Nel caso sia invece necessario eseguire contemporaneamente più server o client sul dispositivo (ad esempio nel caso di un server Web, di un server Ftp e di un client di posta elettronica), la modalità di trasmissione seriale verso i dispositivi Wi-Fi non offrirà una flessibilità sufficiente. Esiste un numero crescente di Sbc e di moduli di base che dispongono di funzionalità Wi-Fi integrata come interfaccia di rete nativa. Tale funzionalità consente di norma un accesso completo a livello di socket che permette di eseguire vari server e client contemporaneamente. Questa soluzione può rivelarsi più economica, dato che non richiede un dispositivo separato. Se lo scopo è invece di aggiungere funzionalità Wi-Fi a un sistema esistente, i dispositivi con accesso Wi-Fi seriale risulteranno più semplici da implementare, se siamo disposti ad accettarne le limitazioni.
Disponibilità della soluzione Wi-Fi nel lungo periodo
Fino a poco tempo fa per i produttori di dispositivi embedded era difficile integrare il supporto Wi-Fi. I chipset Wi-Fi erano infatti stati sviluppati principalmente per il mercato consumer. La produzione di vari modelli di chipset veniva quindi avviata e terminata con una certa frequenza. Le prime soluzioni utilizzavano schede Wi-Fi Compact Flash, che si rivolgevano però soprattutto agli utenti della fascia dei beni di consumo, dato che erano state ideate principalmente per fornire un'interfaccia Wi-Fi ai dispositivi Pda. I chipset venivano modificati spesso, a tal punto che, quando un'applicazione embedded veniva immessa sul mercato, il chipset da essa supportato era già giunto al termine della sua vita di prodotto. Infine, quando i Pda sono stati dotati di Wi-FI integrato e le schede Wi-Fi CompactFlash non sono risultate più necessarie, il loro formato è scomparso. È quindi essenziale considerare la disponibilità di una soluzione Wi-Fi nel lungo periodo. Se state utilizzando un dispositivo Wi-Fi seriale, questo includerà probabilmente un firmware preinstallato. Se il produttore ritiene di dover modificare il chipset Wi-Fi utilizzato, potrà modificare il firmware preinstallato addirittura prima di vendere il dispositivo. Se invece state utilizzando un dispositivo embedded dotato di chipset Wi-Fi integrato, dovete considerare più attentamente quali conseguenze comporterà la modifica del chipset Wi-Fi.
• Se il dispositivo dispone di un driver Wi-Fi preinstallato, il produttore dovrebbe essere in grado di modificare il driver nel caso in cui venga modificato il chipset. L'impatto sull'applicazione dell'utente dovrebbe essere minima.
• Se il driver Wi-Fi è stato compilato come parte del firmware del dispositivo, eventuali modifiche apportate al chipset Wi-Fi risulteranno invece molto più problematiche. Dovrete procurarvi un nuovo driver e una versione del firmware diversa in base alla versione dell'hardware.
Quale standard Wi-Fi? 802.11b, 802.11g o altro?
Con il termine Wi-Fi si intende una famiglia di protocolli. 802.11b è stata la prima tecnologia Wi-Fi a ottenere una vasta diffusione, anche se è stata largamente soppiantata dal protocollo 802.11g. Il protocollo 802.11a è stato abbastanza utilizzato, anche se non ha ottenuto la vasta diffusione dell'802.11g. Il protocollo 802.11n non è ancora stato ratificato, anche se alcuni dispositivi a livello consumer hanno cominciato a supportare versioni preliminari dello standard. Occorre notare che la frequenza massima di trasmissione dati indicata non coincide con la velocità effettiva di trasmissione. La tecnologia Wi-Fi ha un elevato valore di overhaed, specialmente nella modalità infrastruttura, che prevede l'invio della maggior parte dei dati al punto di accesso prima di inviarli alla loro destinazione finale. Tipicamente, la velocità massima effettiva di trasmissione dati sarà inferiore alla metà della frequenza massima. I dispositivi Wi-Fi più diffusi per sistemi integrati si basano sugli standard 802.11b e 802.11g. 802.11b presenta la più bassa frequenza di trasmissione dati disponibile, ma risulta altamente compatibile con le reti Wi-Fi esistenti. 802.11g è compatibile con i dispositivi 802.11b e fornisce una frequenza massima di trasmissione dati molto più elevata. Sia 802.11b che 802.11g utilizzano una frequenza operativa di 2,4 GHz, che è soggetta a numerose interferenze da parte di altri dispositivi Wi-Fi, microonde, telefoni cordless ecc. In generale la differenza di prezzo tra 802.11g e 802.11b si sta riducendo. Per ragioni di marketing si consiglia di implementare lo standard 802.11g, dal momento che lo standard 802.11b viene percepito come antiquato. Se le interferenze rappresentano un problema, è consigliabile adottare lo standard 802.11a. Le sue prestazioni sono molto simili a quelle dello standard 802.11g. Poiché tuttavia utilizza una banda di frequenza di 5 GHz, relativamente poco frequentata, è molto meno soggetto a interferenze. Sfortunatamente lo standard 802.11a è poco disponibile nel mondo dei dispositivi embedded e ha una implementazione limitata nel consumer. Se state progettando una soluzione di sistemi embedded che preveda il controllo completo della creazione della rete Wi-Fi, lo standard 802.11a può essere una buona scelta. Se invece i sistemi devono integrarsi in reti Wi-Fi esistenti, è preferibile adottare gli standard 802.11b o 802.11g. Sebbene 802.11n presenti la più alta frequenza di trasmissione dati disponibile, questo standard non risulta molto presente nel mondo dei dispositivi integrati. 802.11n rappresenta una nuova tecnologia, e lo standard non è ancora stato ratificato dall'Ieee. Molti produttori di attrezzature di rete stanno immettendo sul mercato, dispositivi basati su una versione preliminare di questo standard. Al momento tale tecnologia non risulta ancora sufficientemente stabile per essere adottata su vasta scala.
Le funzioni di protezione Wi-Fi
Poiché le comunicazioni Wi-Fi avvengono attraverso l'aria, è fondamentale garantirne la sicurezza. La crittografia e l'autenticazione rappresentano le principali tecnologie di protezione Wi-Fi. La crittografia consente di mantenere segrete le comunicazioni, mentre l'autenticazione assicura che solo gli utenti autorizzati possano accedere alla rete. In genere, quando si pensa al concetto di protezione Wi-Fi, il pensiero va subito alla crittografia. Poiché l'autenticazione Wi-Fi richiede un’infrastruttura di rete superiore, la maggior parte delle reti domestiche utilizza solamente la crittografia Wi-Fi. Il Wep è stato il primo metodo di crittografia Wi-Fi. Si tratta di uno standard molto diffuso. Sfortunatamente il suo codice è stato violato e le reti Wep possono essere compromesse in pochi minuti. Il metodo Tkip è stato sviluppato per sostituire il Wep. Viene considerato praticamente sicuro e gode di un'ampia diffusione. Il metodo Ccmp è sviluppato sulla base di principi di ottimizzazione della protezione. Il metodo Ccmp è ampiamente supportato dai dispositivi consumer e la sua presenza è in aumento nei dispositivi embedded. Al momento tutte le piattaforme Wi-Fi che vengono sviluppate in funzione del loro utilizzo con i dispositivi integrati dovrebbero supportare tutti e tre i metodi. L'autenticazione Wi-Fi è più complessa. Esistono infatti dozzine di metodi tra cui scegliere. Fortunatamente la loro diffusione sembra convergere su due di essi: Eap-TLS e Peap. Tali metodi sono gli unici supportati da Microsoft Windows senza necessità di configurazione. Se volete che il vostro sistema embedded supporti l'autenticazione Wi-Fi, accertatevi che supporti anche tali metodi. Talvolta vengono utilizzati anche i metodi Eap-fast e Leap. In generale è preferibile supportare un numero più ampio possibile di metodi per l'autenticazione Wi-Fi. Occorre notare che nelle schede dati l'autenticazione Wi-Fi potrebbe essere indicata come autenticazione 802.11i, autenticazione Wpao Wpa2 o autenticazione 802.1X. Rivolgetevi al produttore dei vostri sistemi integrati per scoprire quali metodi di autenticazione vengono da essi supportati. Come potete appurare se la vostra applicazione Wi-Fi integrata deve supportare l'autenticazione Wi-Fi? Se avete il controllo completo della rete o siete in grado di specificare quale rete Wi-Fi verrà utilizzata, potete fare a meno del supporto per l'autenticazione. Il supporto della crittografia potrebbe essere sufficiente. Se invece il vostro dispositivo deve essere integrato in reti Wi-Fi arbitrarie avrete con ogni probabilità bisogno del supporto per l'autenticazione.
La certificazione Wi-Fi
La certificazione regionale del dispositivo Wi-Fi è un aspetto che va considerato attentamente. In quanto emettitori volontari di onde elettromagnetiche, i dispositivi Wi-Fi devono essere certificati da agenzie normative diverse a seconda della regione. Se la soluzione utilizzata è un prodotto integrato (come un dispositivo seriale Wi-Fi), la procedura è semplice: il dispositivo deve essere certificato per le regioni di interesse. Se state integrando un modulo di base o un altro dispositivo nel vostro prodotto, la procedura è più complessa. La soluzione ideale sarebbe che il modulo fosse dotato di una certificazione che rendesse superflua quella del prodotto. Fortunatamente la maggior parte delle agenzie normative forniscono un tipo di certificazione modulare che consente di raggiungere questo scopo. In ogni caso il produttore della soluzione embedded Wi-Fi dovrà essere in grado di gestire i problemi di certificazione. La principale preoccupazione sarà quella che il dispositivo risulti certificato in tutte le regioni nelle quali desiderate vendere il prodotto. Vorrete che la certificazione Wi-Fi del vostro dispositivo si basi su quella del produttore del dispositivo Wi-Fi. Eseguire infatti un test di certificazione Wi-Fi è un'operazione complessa e costosa. Per questo motivo, se possibile, preferirete evitarla. Inoltre, il software o il firmware deve fornire un metodo per impostare la regione normativa di riferimento. La regione stabilisce infatti quali canali Wi-Fi siano disponibili per l'uso, come pure la massima capacità di trasmissione. Taluni software consentono di configurare automaticamente i canali e la capacità di trasmissione consentiti, semplicemente impostando la regione normativa di riferimento. Un'altra opzione per configurare un dispositivo in modo che risulti conforme alle normative regionali consiste nell'utilizzare le funzionalità fornite dalla specifica Ieee 802.11d. Esse consentono ai punti di accesso di comunicare il dominio normativo locale in modo che i client Wi-Fi possano individuarlo e conformarsi automaticamente ad esso. Se prevedete che i dispositivi vengano implementati in paesi diversi, è consigliabile adottare il supporto per 802.11d.
Le prestazioni
La conoscenza del tipo di rete Wi-Fi può dare un’idea delle prestazioni del dispositivo Wi-Fi. Il fatto però che il dispositivo abbia una frequenza teorica di trasmissione dati di 54 Mbps non significa che esso possa realmente ottenere tali prestazioni. Prima di tutto, la velocità tipica di ogni dispositivo Wi-Fi è normalmente inferiore alla metà della frequenza massima di trasmissione dei dati. Inoltre i dispositivi embedded tendono ad avere delle prestazioni inferiori rispetto ad esempio ai computer notebook. Per questo motivo è importante stabilire la velocità tipica massima che è possibile attendersi. Tale velocità sarà molto a seconda della soluzione integrata che viene scelta. I dispositivi con accesso Wi-Fi seriale avranno in genere una velocità inferiore, dal momento che la connessione seriale comporta un accumulo dei dati. Anche le soluzioni Wi-Fi integrate possono tuttavia presentare delle prestazioni relativamente basse. Vi consigliamo di rivolgervi al fornitore della soluzione. Alcune delle opzioni di protezione adottate possono inoltre influenzare le prestazioni del sistema. L'attivazione della crittografia avrà un effetto negativo sulla velocità. In generale l'assenza di soluzioni crittografiche rende il sistema più veloce. I metodi Wep e Tkip/Wpa permettono una velocità più elevata. Il metodo Ccmp/Wpa2, infine, che utilizza il motore di crittografia Aes, relativamente complesso, è il più lento. Ciò non è sempre vero: alcuni sistemi supportano l'accelerazione hardware Aes, in grado di rendere la crittografia Ccmp più rapida rispetto ai metodi Wep o Tkip. A differenza della crittografia, l'autenticazione Wi-Fi non compromette la velocità di trasmissione. Influisce tuttavia sul tempo impiegato dal dispositivo per accedere alla rete Wi-Fi. La quantità di tempo necessaria per accedere alla rete dipende dalle prestazioni della Cpu e dalle dimensioni delle chiavi dei certificati. Nel caso di chiavi voluminose, la procedura di accesso a una rete Wi-Fi potrebbe richiedere decine di secondi o anche minuti. Se il dispositivo non deve essere costantemente connesso alla rete, ma deve poter accedere rapidamente ad essa, dovete considerare in che modo l'autenticazione possa influenzare il tempo di avvio del sistema.
Il consumo energetico
La tecnologia Wi-Fi non è stata concepita come una tecnologia particolarmente parca in termini di consumo energetico. Molte applicazioni Wi-Fi tuttavia, richiedono un profilo energetico più snello. Il produttore deve essere in grado di fornire i dati relativi al consumo energetico. Il problema è stabilire come interpretarli. Vorrete probabilmente sapere quanta elettricità consuma il vostro dispositivo Wi-Fi durante la trasmissione, in modo da farvi un'idea del suo consumo massimo. I valori tipici si aggireranno attorno ai 300-500 mA a 3,3 V. Dovrete inoltre sapere quanta elettricità viene consumata quando l'interfaccia Wi-Fi si trova in stand-by. Se il valore del consumo energetico nei momenti di stand-by supera quello che siete disposti a sostenere, avete ancora qualche opzione a disposizione. Alcuni dispositivi integrati Wi-Fi vi consentono di disattivare il sottosistema Wi-Fi quando non è in uso. Questa potrebbe essere una soluzione accettabile per le applicazioni che raccolgono dati e li caricano periodicamente tramite la rete Wi-Fi, ma non nel caso in cui il dispositivo debba essere sempre accessibile in remoto. Al fine di risolvere questo problema, la specifica 802.11 include il supporto a funzionalità di risparmio energetico. Un dispositivo notifica a un punto di accesso quando sta per entrare in modalità di spegnimento. Il punto di accesso provvede quindi a memorizzare nel buffer tutti i dati destinati a quel dispositivo. Quando il dispositivo viene riattivato, invia una notifica al punto di accesso e può quindi ricevere i dati memorizzati. In genere un dispositivo rimane in stato di spegnimento per soli circa 300 ms prima di inviare una notifica al punto di accesso. Molti dispositivi Wi-Fi che vantano un consumo energetico inferiore si servono di questo metodo. Esso consente al dispositivo di essere sempre accessibile in remoto e di risparmiare energia quando il traffico di rete è tranquillo. Occorre notare che il risparmio energetico non può essere sempre garantito: quando il traffico di rete verso il dispositivo è molto elevato, il suo valore sarà molto inferiore.
Ulteriori considerazioni
Oltre a tutto quanto esposto sopra, è necessario considerare altri fattori. Prima di tutto se l'area di copertura offerta dalla soluzione integrata è simile a quella di altri dispositivi Wi-Fi. Molti dispositivi Wi-Fi offrono una copertura di circa 150 metri all'esterno e di meno di 50 metri all'interno. I fattori che determinano la copertura effettiva sono talmente numerosi da rendere impossibile esprimerli con un semplice numero. Per determinare tale valore con una giusta approssimazione è necessario eseguire un proprio test. Il dispositivo presenta delle prestazioni equivalenti a un computer notebook? A un Pda? A un dispositivo concorrente? Una seconda considerazione riguarda la temperatura di esercizio del dispositivo Wi-Fi. Alcuni componenti utilizzati nel sistema Wi-Fi potrebbero non essere in grado di sostenere l'intera gamma delle temperature previste per i prodotti commerciali o industriali. Il fatto che la versione Ethernet di un dispositivo soddisfi le specifiche richieste per la temperatura non significa che lo faccia anche la versione Wi-Fi. Un sistema Wi-Fi spesso richiede l'utilizzo di una antenna. Quali opzioni sono offerte dalla vostra soluzione? È dotata di una antenna interna? In caso affermativo, fornisce delle prestazioni soddisfacenti? Se l'antenna è esterna, potete utilizzare una antenna di vostra scelta? I dispositivi Wi-Fi sono generalmente certificati per essere utilizzati con antenne specifiche. L'utilizzo di antenne di tipo diverso potrebbe costituire una violazione delle normative locali. Se dovete utilizzare un'antenna di tipo diverso da quella standard fornita dal vostro produttore, dovete conoscere le opzioni disponibili. Il produttore potrebbe disporre di altre antenne certificate da utilizzare con i suoi prodotti. È necessario infine considerare le prestazioni del dispositivo Wi-Fi quando passa da un punto di accesso e un altro. Le reti a modalità infrastruttura utilizzano spesso diversi punti di accesso connessi tra loro per coprire un'area più vasta. Alcuni dispositivi integrati possono "bloccarsi" su un singolo punto di accesso. In un sistema ideale un dispositivo dovrebbe essere in grado di passare rapidamente da un punto a un altro causando interruzioni minime alla comunicazione. Anche se potete rivolgervi al vostro produttore per appurare in che modo esso gestisca il roaming, è consigliabile eseguire un test personalizzato.
