CAPITOLO I
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Nello studio d’infrastrutture mobili bisogna considerare sia molti
aspetti relativi alla sicurezza che ala presenza di eventuali carenze
strutturali. Per di più, risulta inevitabile non considerare la presenza
di nodi che potrebbero avere un ruolo all’interno della rete con il solo
obiettivo di degradarne le prestazioni.
Inoltre, un ruolo fondamentale nei dispositivi mobili è rappresentato
dalla presenza di una quantità finita d’energia, necessaria per il
funzionamento del dispositivo. Certamente un nodo di una rete che
deve consentire il transito d’informazioni vorrebbe preservare quanto
più possibile il suo livello di energia. Contro questo “tentativo” di
preservare il livello d’energia, agisce come controtendenza la
necessità di inoltrare informazioni da parte del nodo. Tale necessità,
di conseguenza, provoca un consumo più rapido d’energia.
In questa tesi si sono studiati protocolli che permettono di realizzare
percorsi di comunicazione formati da dispositivi che presentano un
alto livello di energia che possano allungare il “lifetime” della rete.
Inoltre, sono stati proposti i risultati mediante la visualizzazione di
grafici che intendono dimostrare la funzionalità del protocollo.
Si sono analizzati ancora meccanismi, relativi il risparmio energetico,
che hanno lo scopo di “premiare” nodi che presentino un alto livello
di collaborazione. Quest’ultima sarà individuata per stabilire, come
valore di bontà, quali nodi abbiano lavorato in maniera efficiente per
ottenere un miglior funzionamento della rete.
I protocolli presentati poggiano sul protocollo di routing “DSR”
(Dynamic Source Route) che permette di realizzare dei percorsi di
comunicazione in maniera reattiva da una sorgente ad una
destinazione, quando lo scambio di messaggi risulti essere
necessario.
CAPITOLO I
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I.2 Struttura del lavoro
L’intera attività sviluppata è descritta nei capitoli successivi.
In questo paragrafo, invece, ci si accinge a presentare in maniera
succinta cosa è stato esposto in questi capitoli.
La tesi consta esattamente di otto capitoli. Nel capitolo successivo
sono presentati come argomento di studio le reti MANET, il loro
scopo e le caratteristiche che le differenziano dalle altre tipologie di
reti.
Il terzo capitolo presenta le funzionalità e la struttura di un
protocollo reattivo per le reti MANET, il protocollo in questione è il
DSR.
Lo strumento atto all’esecuzione di simulazioni è il Network
Simulator, presentato del capitolo 4. Successivamente, sono
presentati le reti Wireless come mezzo per ottenere un struttura di
rete, con l’ausilio dell’etere per la trasmissione delle informazioni.
Il capitolo 6 presenta il problema dell’energia nei dispositivi mobili e
quanto sia necessario riuscire ad ottenere soluzioni atte ad evitare
crolli d’energia. E’ presentato un protocollo in grado di risolvere il
problema di consumo energetico su nodi che si trovano in posizioni
critiche.
Il settimo capitolo propone un nuovo meccanismo per “aiutare” i
nodi che hanno collaborato in maniera efficiente per il corretto
funzionamento della rete, evitando una riduzione eccessiva
dell’energia elettrica.
Infine, l’ultimo capitolo è interamente dedicato alle conclusioni e ai
futuri sviluppi possibili relativi agli argomenti introdotti.
II. MANET
Le reti MANET (Mobile Ad hoc Network, oppure Multi-hop Ad hoc
Network) sono reti wireless non infra-strutturate, temporanee, senza
punti di accesso, che non vengono preconfigurate ma che si formano
per la sola presenza dei vari dispositivi in un dato territorio. Come
nelle reti Peer-to-Peer (P2P), l'elemento cardine è l'assenza di
infrastrutture centralizzate atte ad adempiere compiti funzionali per
la rete. Le reti wireless infra-strutturate, a differenza delle MANET,
poggiano su entità che svolgono compiti basilari quali routing
(instradamento), packet forwarding (inoltro dei pacchetti) ed altre
funzionalità di mantenimento della rete. Tutti i nodi riescono a
comunicare grazie a queste infrastrutture.
Al contrario, nelle reti MANET non vi è alcuna entità con ruoli simili,
ogni entità della rete è soltanto un nodo mobile che deve svolgere in
maniera autonoma tutte le operazioni necessarie per comunicare con
gli altri nodi. Così come nelle reti Peer-to-Peer anche in quelle
MANET ogni nodo è un peer, ovvero sono tutti eguali e svolgono
ruoli di pari importanza. L'efficienza della rete, dunque, risiede
interamente nella collaborazione tra i nodi senza l'ausilio di ulteriori
entità.
In origine, le reti MANET sono nate per operare in situazioni critiche,
ad esempio nei campi di battaglia o in operazioni di recupero. Si
pensi, ad esempio, a dei veicoli militari dispiegati in un campo di
battaglia, ad una flotta di navi nell'oceano oppure ad un gruppo di
soccorritori in una zona disastrata. In questi scenari una MANET
permette di dispiegare una rete efficiente, autonoma e scalabile in
poco tempo.
CAPITOLO II MANET
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Rete MANET per dispositivi militari
Negli ultimi anni, i dispositivi wireless, basati sul protocollo IEEE
802.11, sono divenuti disponibili a costi bassissimi ed è per questo
motivo che il mercato è stato letteralmente invaso da questi device.
Tutti i portatili, i PDA (Personal Digital Assistant ), i cellulari di
nuova generazione sono ormai dotati di interfacce wireless. Gli uffici
pubblici, le aziende, le scuole e le università sono piene di dispositivi
wireless usati per reti locali e in tutti questi contesti si può creare una
rete MANET senza bisogno di AP (Access Point).
Altri ipotetici scenari d’utilizzo potrebbero essere le zone non coperte
dalla telefonia mobile: una rete MANET potrebbe colmare parte di
questa copertura sfruttando l'interconnessione tra i cellulari e altri
dispositivi più economici. Si potrebbe anche pensare di ridisegnare la
struttura del sistema di telefonia mobile riducendo il carico, e quindi
il numero, delle infrastrutture centralizzate compensando le lacune
con una MANET tra i dispositivi mobili stessi.
Da quanto descritto finora, quindi, si possono dedurre i molteplici usi
a cui questo tipo di rete può prestarsi e che la renderanno un nuovo
ed indiscusso modello di riferimento per la comunicazione a
pacchetto.
CAPITOLO II MANET
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II.1 Caratteristiche dei nodi nelle MANET
Una MANET è composta da soli nodi mobili, le cui proprietà
delineano alcune delle caratteristiche di una MANET. Si esaminino le
singole proprietà dei nodi e si evidenzino le relative caratteristiche
che da esse hanno origine. Il risultato è il seguente.
Le proprietà dei nodi mobili sono:
∞ raggio trasmissivo limitato;
∞ risorse energetiche limitate;
∞ modesta potenza di calcolo;
∞ mobilità.
Raggio trasmissivo limitato. I nodi di una rete hanno una
potenza di trasmissione limitata, da un centinaio di metri in assenza
di ostacoli fino a ridursi a pochi metri in presenza di muri, alberi e
pioggia. Ciò vuol dire che è preclusa loro la possibilità di comunicare
direttamente con tutti i nodi di una rete. La comunicazione può
avvenire direttamente solo tra quei nodi che rientrano nel range dei
ricetrasmettitori (nodi vicini, o neighbour nodes).
Tutti gli altri nodi possono essere raggiunti in maniera indiretta
tramite la collaborazione dei nodi vicini. Se si ipotizza,ad esempio,
che un nodo S voglia inviare pacchetti ad un nodo D, esterno al suo
raggio di comunicazione. S, per poter inviare i dati, dovrà dare
l'inoltro dei pacchetti ai nodi vicini. Sarà compito loro inoltrare i
pacchetti al destinatario D o affidarli ai loro vicini per l'inoltro sino a
giungere a D. In questo esempio il pacchetto dovrà attraversare un
certo numero di salti per giungere a destinazione. La limitazione
imposta dal raggio trasmissivo evidenzia come solo la collaborazione
tra i nodi renda possibile la comunicazione.
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Risorse energetiche limitate. I nodi mobili sono alimentati da
batterie che sono una fonte energetica finita. Le operazioni di rete
richiedono generalmente poche risorse, che devono essere utilizzate
solo se il loro uso si riveli strettamente necessario. In effetti, un nodo,
di fronte ad un’eventuale carenza d’energia, non potrebbe più
partecipare allo svolgimento delle funzioni di rete, ragion per cui di
fronte ad eccessivi sprechi, l'intera rete ne risentirebbe. Si pensi a
questo nodo, ad esempio, come unico hop disponibile tra una nuvola
di nodi e un altro gruppo di nodi.
Figura 1 – Interruzione e creazione di un link
Modesta potenza di calcolo. Solitamente, le operazioni di packet
forwarding non consumano molte risorse computazionali. I nodi di
una MANET non dispongono di grandi risorse di calcolo, ciò che
possono offrire è generalmente sufficiente per adempiere ai ruoli
imposti dalla rete. Per questo motivo, potrebbe essere problematico
un uso massiccio della crittografia per garantire alcuni aspetti della
sicurezza quali segretezza dei dati o autenticazione.
Mobilità dei nodi. La mobilità dei nodi produce nelle reti MANET
una caratteristica unica: alta dinamicità della topografia. Le reti
cablate sono statiche, un link porta ad un nodo di rete che è fisso,
non si sposta e soprattutto è caratterizzato da una relazione fissa tra
il suo indirizzo di rete e la sua posizione. La topologia di una MANET
è in continua evoluzione e cambia ogni qualvolta lo spostamento di
un nodo provochi l'attivazione di un nuovo link wireless (un nodo che
si sposta dentro il raggio di ricetrasmissione di un altro nodo),
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oppure la caduta di un link esistente (un nodo che muovendosi esce
dal raggio di copertura di un altro nodo).
II.1.1 Caratteristiche di una MANET
Dalle proprietà dei nodi si evince che le MANET godono di proprietà
uniche nel mondo delle reti, concettualmente si notano maggiori
affinità con le reti Peer-to-Peer.
Le caratteristiche di una MANET sono:
∞ assenza di infrastrutture centrali;
∞ topografia dinamica;
∞ capacità di riconfigurazione automatica;
∞ cooperazione tra i nodi.
Assenza di infrastrutture centrali. L'assenza di infrastrutture
centrali rende le MANET molto interessanti perché si pongono come
alternativa alle reti cablate ordinarie. I nodi possono comunicare tra
loro senza chiedere l'ausilio di nessuna entità, ma richiedendo
soltanto la collaborazione degli altri nodi nella rete. Questa
caratteristica rende molto affini le reti P2P con le MANET, molti dei
cui problemi risultano comune ad entrambi le tipologie, sebbene
abbiano scopi differenti. Infatti, nelle reti P2P, i peers condividono la
capacità di calcolo, lo spazio su disco ed in generale, ogni tipo di
risorsa, mentre i nodi delle reti MANET condividono solo la necessità
di comunicare.
Topografia dinamica. Col passare del tempo la rete muta, i link
vengono interrotti e ne vengono creati di nuovi. Alcuni nodi possono
scollegarsi dalla rete perché hanno esaurito le risorse energetiche,
mentre altri si sono aggiunti per poter comunicare.
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Capacità di configurazione automatica. Se ad un certo punto
della vita della rete vi è un’ interruzione di un link, la destinazione
potrebbe essere raggiungibile attraverso un altro percorso. Questa
proprietà è un pregio delle reti MANET rispetto alle reti cablate, in
queste ultime, infatti, se un link
viene interrotto, l'intera sotto-rete raggiungibile da quel percorso
diventa irraggiungibile. Ad esempio, se in una MANET un nodo S
invia un pacchetto a D attraverso il percorso <S, B, G, D> e viene
rilevata un’interruzione nel collegamento tra G e D, è possibile
rilevare l'errore e scegliere un percorso alternativo, ad esempio il
percorso <S, C, L, I, H, D> (Figura 2).
Figura 2 – Esempio di una rete MANET. Ogni nodo può essere un qualsiasi dispositivo mobile.
Cooperazione tra i nodi. Le funzionalità di rete vengono eseguite
da tutti i nodi, collaborando. Si supponga che un nodo sorgente S
voglia comunicare con un nodo destinazione D ed inoltre che debba
attraversare i nodi A, B e C. La collaborazione dei nodi A, B e C
risulterà fondamentale per portare a termine la comunicazione.
Questa proprietà è vitale per la sopravvivenza della rete.
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