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CAPITOLO 1: INTRODUZIONE ALLE RETI AD HOC
Assecondare il sempre crescente sviluppo della tecnologia wireless, in
particolare delle reti locali identificate col termine WLAN (Wireless Local Area
Network), significa, attualmente, trovare un modo per diminuirne il più possibile quelli
che sono i vincoli pratici: uno fra tutti, l‘impossibilità per una rete wireless di esistere
indipendentemente dalla presenza o meno nelle vicinanze di una qualche infrastruttura.
In questo ambito emerge dunque una nuova concezione tecnologica che
permette di stabilire comunicazioni istantanee senza basarsi su di una infrastruttura di
rete pre-esistente: questa tecnologia va sotto il nome di rete “ad hoc”. Le reti senza
infrastruttura sono più complesse perché ogni nodo deve implementare tutti i
meccanismi di accesso al canale ed, eventualmente, i meccanismi per la gestione della
QoS (Quality of Service). Per contro, la flessibilità è massima perché consente la
creazione veloce di reti spontanee in luoghi o momenti non previsti.
Esistono vari ipotetici scenari applicativi connessi a questo nuovo step
tecnologico, dal tracking al disaster recovery o alle comunicazioni in ambito militare;
quest’ultimo rappresenta – come spesso accade – il primo utilizzo di questa rete, ed è
evidente l’importanza che può avere se si pensa che in un campo di battaglia realizzare
una rete fissa è praticamente impensabile.
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1.1 - ELEMENTI FONDAMENTALI DI UNA RETE AD HOC
Le maggior parte delle reti wireless odierne richiede una infrastruttura.
L’infrastruttura non è solo necessaria per garantire il collegamento ad altre reti, ma
fornisce anche le procedure di accesso al mezzo e le funzionalità di inoltro delle trame.
Nelle reti con infrastruttura il dialogo wireless avviene tra i terminali ed il punto di
accesso e non avviene mai direttamente tra i terminali, in quella che viene definita
modalità peer-to-peer (fig.1)
fig.1 - Esempio di rete con infrastruttura
Il punto di accesso (Access Point, AP) gestisce l’accesso al mezzo e funziona da
ponte verso altre reti wireless o fisse. L’infrastruttura può unificare reti wireless facenti
capo a diversi AP in modo da formare una rete wireless logica più ampia, oppure può
collegare gli AP ad una infrastruttura di rete fissa per consentire il colloquio con utenti
wired [1]. Generalmente il progetto di una rete wireless è più semplice se c’è una
infrastruttura perché la maggior parte delle funzionalità sono confinate nell’AP, mentre
i terminali sono più semplici. Le reti con infrastruttura sono meno flessibili perché non
possono costituirsi spontaneamente e non possono esistere dove non sia presente
l’infrastruttura. Esempi tipici di rete wireless con infrastruttura sono la rete cellulare e
le reti basate su satelliti. Queste ultime sono esempi di reti nelle quali l’infrastruttura
non è costituita da una rete fissa. Le reti IEEE 802.11 sono reti con infrastruttura che
prevedono anche una modalità di funzionamento opzionale senza infrastruttura.
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Tuttavia quest’ultima modalità è di gran lunga la meno diffusa, tanto che alcuni
prodotti non la contemplano.
Viceversa, le reti ad hoc sono per definizione prive di infrastruttura. Ogni nodo
comunica direttamente con gli altri nodi e non è richiesta la presenza di un AP. Una
delle caratteristiche peculiari per una rete ad hoc è certamente il fatto che tutti i nodi
della rete sono in grado di comportarsi da router. Per promuoversi una rete di questo
tipo utilizza il motto “anytime and anywhere”, ovvero permette la comunicazione in
ogni istante di tempo ed in ogni luogo, concedendo la possibilità di creare e disfare in
maniera spontanea una rete mobile. Per cui, in una siffatta rete ogni utente mobile deve
diventare un router, in modo da garantire ricezione e trasmissione “intelligenti”. Per far
ciò, essa deve avere una precisa serie di requisiti e caratteristiche, dalla versatilità alla
flessibilità, e alla disponibilità ad attivarsi in qualsiasi momento, come detto anche
senza infrastrutture nei paraggi: è questa l’essenza vera di tale tipologia di rete, la
possibilità di auto-modellarsi e cambiare istantaneamente, senza ausilio di infrastrutture
pre-esistenti. In questo contesto, un nodo mobile può comunicare con qualunque altro
nodo, ed inoltre è in grado di ricevere servizi informatici in un’area sino ad allora non
predisposta alla comunicazione.
Una rete ad hoc è anche definita “multi-hop” (multi salto). Questa peculiarità è
dovuta al fatto che spesso per raggiungere il nodo ricevitore, la distanza dal nodo
trasmittente è troppo elevata per tentare la connessione diretta. Per evitare dunque
elevati dispendi energetici, ma anche il rischio di non vedere mai il pacchetto giungere
a disposizione, si fa in modo che un certo numero di nodi intermedi faccia da router di
transizione: tramite alcuni algoritmi di routine, dunque, il messaggio salta di nodo in
nodo fino ad arrivare a quello desiderato.
Ogni dispositivo è equipaggiato ovviamente con un trasmettitore ed un
ricevitore wireless che utilizzano antenne; esse possono essere omnidirezionali
(broadcast), altamente direzionali (punto-punto) o direttive (array) a seconda delle
applicazioni interessate.
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Ecco dunque alcune importanti caratteristiche di queste reti:
- un nodo non è più semplicemente un ES (nodo terminale), ma può agire
anche da IS (nodo intermedio)
- la topologia della rete può cambiare più volte nel tempo (a causa del fatto
che i nodi possono muoversi arbitrariamente, anche la topologia può cambiare
rapidamente ed in maniera aleatoria)
- ogni nodo può essere mobile
- i nodi mobili dispongono di una potenza ridotta (la maggior parte se non tutti
i nodi della rete si affidano a batterie, e per questi nodi il consumo energetico è un
problema critico)
- la banda wireless per la comunicazione è limitata (rispetto alla tecnologia
cablata la banda è notevolmente minore)
- la qualità del canale è mutevole nel tempo
- la rete si definisce distribuita, ovvero non esiste un’entità centralizzata (e
proprio per questo è richiesto un protocollo di autoconfigurazione per definire
l’assegnazione ai nodi degli indirizzi di rete) .
1.2 - CLASSIFICAZIONI
Le reti ad hoc possono essere classificate in base a vari parametri. Un primo è
ad esempio la tipologia. Esistono due tipologie di reti ad hoc:
1. per dispositivi mobili eterogenei
2. per nodi mobili
In 1. la rete è composta da tipi differenti di dispositivi mobili, come palmari,
utenti mobili, “smart badges”, mentre nel secondo caso la rete è composta solo da nodi
(cioè utenti) mobili. In fig.2 è rappresentata bene la differenza.
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fig. 2 - Differenza tra le due tipologie di reti ad hoc
Un secondo parametro è la dimensione della rete.
Come mostrato in fig.3, possiamo classificare le reti ad hoc, in base all’area
coperta, in più classi: Body (BAN), Personal (PAN), Local (LAN), Metropolitan (MAN)
e Wide (WAN). Le ultime due, (MAN e WAN) sono reti wireless mobili e multi-hop
che presentano molti problemi talmente distanti dalla risoluzione (indirizzamento,
routing, localizzazione, sicurezza, …) da far pensare che la possibilità di averle a
disposizione in breve è praticamente nulla.
Dall’altro lato, reti con una minore area coperta come BAN, PAN e LAN, sono
già da tempo sul mercato e rappresentano un importantissima fondamenta per la
realizzazione di reti ad hoc multi-hop piccole: per questo motivo, esse sono definite e
costituiscono le “tecnologie di base” per reti ad hoc [2].
fig.3 - Classificazione secondo area coperta
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Riassumiamo qui le tecnologie disponibili per ciascuna di queste classi.
Una rete BAN è fortemente connessa all’utilizzo dei computer portatili, in
quanto questi distribuiscono sul proprio “corpo” i loro componenti ( microfoni, cuffie o
casse, monitor, …), lasciando alla BAN il compito di fornire il collegamento tra questi
dispositivi. Di fatto, il range di comunicazione di una Body Ad hoc Network
corrisponde alla lunghezza di un corpo umano, ovvero 1-2 metri; dal momento che il
cablaggio è in genere ingombrante, le tecnologie wireless costituiscono la soluzione
migliore per l’interconnessione tra i dispositivi.
Una rete PAN connette moduli mobili trasportati dagli utenti verso altri moduli
mobili o stazionari. Mentre una BAN è dedicata all’interconnessione tra dispositivi
portatili legati all’individuo, una PAN è una rete correlata all’ambiente che circonda
l’individuo. Poiché il range di comunicazione di una PAN arriva tipicamente fino a 10
metri, cioè permette il collegamento tra individui diversi vicini tra loro, ed il
collegamento con l’ambiente circostante. La banda di lavoro è quella attorno ai 2.4
GHz (ISM), ed è impiegata la modulazione a spettro diffuso per ridurre l’interferenza
ed il riuso della banda.
Una wireless LAN (WLAN) ha un raggio di trasmissione in genere di un
singolo edificio o di un gruppo di edifici, per cui parliamo di una copertura di 100-500
metri. Una WLAN dovrebbe soddisfare i requisiti tipici di una generica LAN, tra cui la
connessione completa tra le stazioni legate e l’essere in grado di trasmissione in
broadcast a larga banda. Comunque, per tentare di raggiungere questi obiettivi, le
WLAN devono essere progettate per fronteggiare alcuni problemi legati all’ambiente
wireless, come la sicurezza, il consumo di potenza, la mobilità e la limitazione di
banda.
Due approcci differenti possono essere seguiti nell’implementazione di una
WLAN: un approccio basato sull’infrastruttura, o uno realizzato tramite una rete ad hoc.
Nel secondo, non è richiesto un controllore fisso, ma esso potrebbe essere eletto in
maniera dinamica tra le stazioni partecipanti alla comunicazione.
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1.3 - VINCOLI E LIMITAZIONI
In generale, come già più volte detto, le reti ad hoc sono formate dinamicamente
da un sistema autonomo di nodi mobili che sono connessi tramite collegamenti wireless
senza utilizzare infrastrutture di una rete esistente o un’amministrazione centralizzata. I
nodi sono liberi di muoversi in maniera aleatoria ed organizzarsi arbitrariamente: per
cui, la topologia di una rete wireless potrebbe cambiare rapidamente ed in modo
impredicibile. Una rete di questo tipo ha la possibilità di operare sia da sola che
connessa ad Internet. Le MANET (Mobile Ad hoc NETwork) sono reti senza
infrastrutture dal momento che non richiedono elementi fissi cui appoggiarsi, come una
stazione base, per le loro operazioni. In generale, i percorsi tra i nodi possono includere
molti salti; ogni nodo sarà in grado di comunicare direttamente con gli altri nodi che
risiedono all’interno del raggio (range) di trasmissione. Per comunicare con i nodi che
sono collocati oltre questo range, c’è bisogno di utilizzare alcuni nodi intermedi per
trasmettere i messaggi “hop by hop” (un salto alla volta fino alla destinazione).
La flessibilità e le altre caratteristiche peculiari di queste reti non giungono
senza pagare alcun prezzo: le reti ad hoc ereditano infatti i tradizionali problemi delle
comunicazioni e del “networking” wireless:
- il mezzo wireless non ha limiti (né assoluti né facilmente osservabili) fuori i
quali è possibile riconoscere le stazioni come non in grado di ricevere i frame
- il canale non è protetto dai segnali esterni
- il mezzo wireless è significativamente meno affidabile di quello cablato
- il canale ha proprietà di tempo varianza e propagazione asimmetrica
- potrebbero accadere fenomeni di terminali nascosti o esposti
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Terminali nascosti: Supponiamo che un utente A stia trasmettendo ad un utente B e che un terzo utente C
voglia trasmettere ad un quarto utente D. Se C è in grado di sentire B e di non sentire A (terminale
nascosto), si può generare una collisione in B perché né A né C sono in grado di rilevare se il canale è
occupato. Terminali esposti: Supponiamo che un utente A stia trasmettendo ad un utente B e che un terzo
utente C voglia trasmettere ad un quarto utente D. B e C si trovano entro il raggio di trasmissione di A, ma
non si sentono tra di loro. Inoltre D non è in grado di sentire A. In questo caso C (terminale esposto) ritarda
la trasmissione perché sente il canale occupato. Diversamente dai terminali nascosti, i terminali esposti non
generano collisioni, ma determinano solo una perdita di efficienza.
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A questi problemi e queste complessità, la natura multi salto e la mancanza di
infrastrutture fisse aggiungono una serie di caratteristiche e vincoli di progetto specifici
delle reti ad hoc:
- Autonoma e senza infrastrutture. Una MANET non dipende da alcuna
infrastruttura stabilita né da un’amministrazione centralizzata; la direzione della rete
viene distribuita tra nodi diversi che portano difficoltà aggiuntive nella rivelazione
errori e nell’amministrazione.
- Routing multi-hop. Non è disponibile un router di default, ogni nodo agisce
da router e inoltra ogni pacchetto altrui per permettere all’informazione di essere
condivisa tra gli utenti mobili.
- Topologie di rete che cambiano dinamicamente. Nelle reti mobili ad hoc, a
causa del fatto che i nodi possono muoversi arbitrariamente, la topologia della rete,
tipicamente multi salto, può cambiare frequentemente ed in maniera impredicibile,
avendo come risultato cambi di percorso e possibili perdite di pacchetti.
- Variazione nei collegamenti e nei nodi. Ogni nodo potrebbe essere
equipaggiato con una o più interfacce radio che hanno capacità di trasmissione e
ricezione variabili ed operano su differenti bande di frequenza. Questa eterogeneità può
dare come conseguenza dei collegamenti asimmetrici. Inoltre, ogni nodo mobile
potrebbe disporre di una configurazione hardware/software differente, dando come
risultato una variabilità nelle capacità di elaborazione. Progettare i protocolli di rete e
gli algoritmi per una rete eterogenea come questa può risultare molto complesso, dal
momento che è richiesto un adattamento dinamico a tali parametri mutevoli (potenza e
condizioni del canale, variazioni nella distribuzione del traffico in entrata e uscita,
congestione, …).
- Vincoli energetici. Dal momento che le batterie trasportate da ciascun nodo
mobile hanno una riserva di potenza limitata, ciò a sua volta limita i servizi e le
applicazioni che possono essere supportate da ogni nodo.
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