Realizzazione di un testbed per reti wireless mesh multi-radio basate su tecnologia

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1 Realizzazione di un testbed per reti wireless mesh multi-radio basate su tecnologia Thesis submitted for the degree of Dottore in Ingegneria Candidato: Giovanni Di Stasi Relatore: Prof. Stefano Avallone Correlatore: Ing. Francesco Oliviero Luglio, 2007

2 Alla mia famiglia

3 Indice 1 Introduzione Reti wireless mesh multi-radio Campi di applicazione delle WMNs Obbiettivi del lavoro di tesi Standard IEEE Standard IEEE s Descrizione del contenuto dei capitoli Progetti correlati WMN singola radio WMNs multi-radio WMNs commerciali Community Wireless Mesh Network Hardware per reti wireless mesh multi-radio Desktop Computer Access Point Single Board Computer Hardware custom made Testbed Fccanet Standard IEEE

4 2 INDICE Livello Fisico Livello Datalink Ad-Hoc Mode Hardware utilizzato Software utilizzato Click Distribuzioni Linux utilizzate Descrizione dell'algoritmo di routing implementato Architettura del software sviluppato Descrizione delle classi sviluppate Prove di funzionamento Preparare il testbed Preparazione delle board Installazione del sistema operativo Compilazione del kernel Montaggio delle directory di rete Installazione del software di rete Scrittura del le di congurazione Handler Avvio del software Conclusioni e sviluppi futuri Parti dell'algoritmo di routing da sviluppare Nuova architettura interna Miglioramenti prestazionali Appendici 87

5 INDICE 3 A Estratto del codice sorgente 89 A.1 Header del pacchetto FCCA A.2 FCCAForwarder A.3 FCCAFlooder A.4 Script di congurazione Bibliograa 111 Ringraziamenti 115

6 4 INDICE

7 Capitolo 1 Introduzione 1.1 Reti wireless mesh multi-radio Le reti wireless mesh, abbreviato in WMNs (Wireless Mesh Networks), appartengono alla famiglia delle reti wireless, ossia quelle reti di calcolatori in cui i collegamenti fra i calcolatori sono realizzati senza li, mediante l'utilizzo di onde elettromagnetiche. La struttura classica delle reti wireless, quella ad esempio di utilizzo domestico, consiste nell'avere una stazione base e tante stazioni client che si connettono a questa stazione base mediante dei link diretti. La stazione base ricopre un ruolo particolare ed quindi dotata di funzioni supplementari rispetto alle stazioni client. Un altro tipo di organizzazione si ha quando manca la stazione base e i vari nodi comunicano l'uno con l'altro, in maniera diretta: quando un nodo ha nel suo raggio di azione un altro nodo, puo' comunicare direttamente con esso, senza bisogno dell' intervento di una stazione base che faccia da tramite. Le reti wireless mesh sono un'evoluzione dell'architettura di rete appena vista: non esistono stazioni base, ogni nodo può essere connesso a vari altri nodi, e in più, la comunicazione fra due nodi della rete può avvenire grazie all'intervento di vari nodi intermedi. Oltre a questo, cioè la capacità di comunicazione multi-hop, 5

8 6 CAPITOLO 1. INTRODUZIONE si aggiungono caratteristiche di adabilità (le WMN godono di ridondanza dei collegamenti, per cui la caduta di un link non provoca per forze un malfunzionamento della rete), self-conguring (cioè la capacità dei nodi di organizzarsi e congurarsi autonomamente), ecc. Le reti wireless mesh multi-radio (WMNs multi-radio) sono reti wireless mesh in cui ogni nodo è dotato di più di una radio. Una radio è lo strumento utilizzato da ogni nodo per generare i segnali elettromagnetici utilizzati per mandare messaggi agli altri nodi. Una caratteristica di questo tipo di comunicazione è che solo una stazione alla volta può trasmettere, per il fatto che due segnali elettromagnetici (alla stessa frequenza) nella stessa regione di spazio entrano in conitto. Nelle WMNs multi-radio i nodi possono generare più di un segnale elettromagnetico alla volta (ogni radio di un nodo genera un segnale in una frequenza diversa), e questo porta ad un aumento della velocità con cui possono scambiarsi i messaggi. In gura 1.1 è riportato un esempio di WMN multi-radio. La struttura realizzata dai vari nodi è una maglia, una struttura in cui ogni nodo è collegato a vari altri nodi. Questa struttura ricorda molto da vicino la struttura di Internet: tanti router collegati uno con l'altro attraverso dei link, per cui fra un nodo e l'altro vi possono essere più percorsi diversi (è compito dell'algoritmo di routing scegliere il percorso migliore). Il fatto che fra un nodo e un altro vi siano più percorsi è un vantaggio, in quanto aumenta l'adabilità della rete: le reti wireless mesh, così come la rete Internet, continuano a funzionare anche se uno dei nodi smette di funzionare: gli altri nodi sceglieranno semplicemente un altro link al posto di quello non più funzionante. Gli algoritmi di routing per WMNs sono pensati in modo da reagire a situazioni del genere in maniera automatica. Analizziamo la struttura di una WMN. La WMN è collegata alla rete cablata attraverso dei nodi particolari, chiamati mesh gateway: questi nodi hanno il compito di fare da gateway, ovvero da collegamento, fra la WMN propria e la rete cablata. I mesh gateway, insieme ai mesh router e ai mesh aggregation device, realizzano il cosiddetto backbone, ossia la struttura che realizza il collegamento

9 1.1. RETI WIRELESS MESH MULTI-RADIO 7 Figura 1.1: Esempio di wireless mesh network; i numeri indicano la frequenza su cui è realizzato il collegamento fra la rete cablata e i client, che sono gli utilizzatori nali della rete. I mesh aggregation device si dierenziano dai mesh router in quanto, oltre a realizzare il backbone della rete, permettono la connessione dei client. In alcune WMNs, comunque, scompare la distinzione fra mesh gateway e mesh aggregation node, e i client possono connettersi a qualsiasi nodo della WMN. I nodi client possono essere nodi normali, cioè nodi terminali a cui non può connettersi nessun'altro nodo (nelle Infrastructure/Backbone WMNs [1]), oppure possono essere dei nodi dotati di funzionalità di routing, per cui possono far connettere altri nodi client (Hybrid WMNs). Esiste pure una terza architettura (Client WMNs), in cui tutti i nodi sono uguali (scompare la distinzione fra nodi appartenenti al backbone e nodi client).

10 8 CAPITOLO 1. INTRODUZIONE Evoluzione delle reti wireless mesh Le prime WMNs realizzate sono oggi classicate come WMNs di prima generazione [2]. Nelle WMNs di prima generazione, in ogni nodo è presente una sola radio. I nodi, quindi, condividono l'unico mezzo trasmissivo disponibile (un determinato spettro di frequenze), che implica che un nodo non può trasmettere e ricevere contemporaneamente, e non può trasmettere quando un altro nodo nel suo raggio di azione già lo sta facendo. Un mesh aggregation device, ad esempio, in un determinato istante può: trasmettere ad uno dei client, ricevere da uno dei client, ricevere da uno dei mesh router, trasmettere ad uno dei mesh router; come si può intuire, la larghezza di banda massima teorica, cioè la capacità trasmissiva della radio, è suddivisa nella comunicazione con tutti i nodi appena elencati. Le WMNs di seconda generazione sono quelle reti in cui i mesh aggregation device sono dotati di due radio, una per la comunicazione con i client e una per la comunicazione con il backbone. Ciò permette di migliorare le prestazioni in prossimità dei nodi client, ma non migliora sensibilmente le prestazioni complessive della rete, in quanto i mesh router continuano ad avere una sola radio, per cui nello stesso istante possono trasmettere o in upstream (verso un mesh router più vicino alla rete cablata), o in downstream (verso un mesh router più vicino ai client). Nelle WMNs di terza generazione viene aggiunta una radio anche ai mesh gateway, per cui quest'ultimi possono comunicare nello stesso istante sia in downstream che in upstream: ciò permette di migliorare ancora la banda disponibile, ma non elimina ancora del tutto le contese (basti pensare che in upstream ad esempio il nodo può o trasmettere o ricevere). Come si può intuire, aumentando il numero di radio aumenta anche la capacità trasmissiva della rete: un numero di radio maggiore permette di utilizzare un numero di frequenze maggiore, e ciascuna frequenza in più utilizzabile costituisce un nuovo mezzo trasmissivo (cosa che non può che comportare un aumento della

11 1.1. RETI WIRELESS MESH MULTI-RADIO 9 banda complessiva disponibile; ovviamente, non è possibile aumentare le radio a piacere, dato che il numero di frequenze è limitato 1 ). Le WMNs multi-radio possono essere considerate un'evoluzione delle WMNs di terza generazione: ciascun nodo della rete può essere dotato di più radio. Il progetto è la realizzazione di WMNs multi-radio, però, presentano delle dicoltà aggiuntive rispetto alle WMN singola radio. La prima dicoltà che si incontra è relativa al costo: i nodi con una sola radio costano relativamente poco, essendo disponibile hardware cosiddetto othe-shelf 2 con cui realizzarli; già con due radio per nodo, invece, il costo aumenta signicativamente. Il costo costituisce un problema soprattutto per le cosiddette Community WMNs, che sono reti costituite da vicini che vogliono condividere la connessione ad internet o condividere dati. Un altro problema importante è quello delle interferenze generate dalle varie radio: le radio che si trovano in commercio non sono fatte per operare in prossimità di altre radio, per cui anche se trasmettono su frequenze diverse tendono ad interferire una con l'altra [3] (l'utilizzo di antenne esterne e una certa separazione fra di esse riescono ad alleviare il problema). L'algoritmo di routing e il software relativo, inoltre, sono più dicili da realizzare (ed è un settore di ricerca molto attivo in questi ultimi anni). 1 In realtà, il numero di frequenze disponibili (o di canali disponibili, i due termini si usano come sinonimi) può essere sfruttato anche in un altro modo: oltre ad aumentare il numero delle radio presenti in un nodo si può dotare il nodo di radio capaci di variare dinamicamente la frequenza su cui vanno a trasmettere, in modo da utilizzare tutte quelle disponibili: questo è uno dei loni di ricerca attualmente aperto; il problema attuale con questo tipo di approccio è che le radio attualmente in commercio non sono in grado di variare la frequenza di trasmissione in maniera sucientemente veloce, per cui il cambio di frequenza può diventare il collo di bottiglia della trasmissione; inoltre potrebbe essere necessaria una stretta sincronizzazione fra il nodo che trasmette e quello che riceve per far si che al momento della trasmissione si trovino sulla stessa frequenza. 2 L'hardware è detto o-the-shelf quando è disponibile sugli scaali dei negozi.

12 10 CAPITOLO 1. INTRODUZIONE 1.2 Campi di applicazione delle WMNs Le WMNs sono un fenomeno emergente nel settore delle reti di calcolatori. I vantaggi delle WMNs rispetto alle reti cablate sono, in genere, il minor costo, potendosi realizzare il backbone della rete senza fare scavi; l'adabilità intrinseca, dovuta alla ridondanza dei collegamenti; la maggiore semplicità di installazione e congurazione (il software che governa una WMN è in genere pensato per essere autocongurante, questo perché una WMN è un'entità più dinamica rispetto ad una rete cablata); la facilità di espansione, perché è molto facile aggiungere un nuovo nodo ad una rete esistente (perché basta installare il nuovo nodo, senza necessità di fare scavi). Tuttavia, le WMNs non possono sostituire completamente le reti cablate, per il fatto che quest'ultime sono più performanti, e molto probabilmente lo saranno sempre. Questo può essere un problema, considerando che con il passare del tempo le applicazioni diventano sempre più esigenti in termini di qualità del servizio (richiedono, quindi, non solo maggiore banda disponibile, ma anche altre caratteristiche, come bassi delay e jitter 3 ). Le WMNs, soprattutto quelle di prima generazione, si mostrano particolarmente deboli in termini di qualità del servizio, a causa delle contese per l'accesso al mezzo trasmissivo e alle interferenze. Proprio per questo la ricerca si sta spostando verso lo studio delle WMNs multi-radio, che migliorano le caratteristiche di qualità del servizio. Attualmente, le WMNs si mostrano una buona scelta in vari contesti applicativi: ad esempio, nella soluzione del problema del digital divide: molte località, soprattutto montane, possono trarre vantaggio dalla facilità di installazione e dal 3 Il delay indica il ritardo con cui un pacchetto trasmesso da un nodo arriva ad un altro nodo; parametro molto importante per alcune applicazioni come il VOIP, in cui il delay rappresenta il ritardo con cui una parola pronunciata da un'interlocutore viene sentita dall'altro; il jitter rappresenta la variazione statistica nel ritardo dei pacchetti; basso delay e jitter signica che il delay deve essere basso e poco variabile

13 1.3. OBBIETTIVI DEL LAVORO DI TESI 11 minor costo delle WMN, e, in eetti, in molte località questo è già successo; le WMNs possono essere una buona scelta per quelle società che scelgono di rinunciare alle performance di una rete cablata, in cambio del risparmio economico che si ottiene realizzando il backbone in tecnologia wireless; può essere una buona scelta, inoltre, per gli utenti di una Community Wireless, che possono costruire una rete in modo collaborativo, installando ognuno il proprio nodo e mettendolo in comunicazione con i nodi dei vicini tramite gli algoritmi di routing per reti mesh. 1.3 Obbiettivi del lavoro di tesi Questo lavoro di tesi nasce dal lavoro di ricerca [4] sulle WMNs multi-radio. La ricerca propone un nuovo algoritmo per l'assegnazione delle frequenze alle radio dei nodi della rete e un nuovo algoritmo di routing (che sarà visto più avanti). Il mio lavoro di tesi è consistito nell'implementare questo algoritmo di routing e di provarlo su macchine reali tramite la realizzazione di un testbed, chiamato Fccanet. 1.4 Standard IEEE Nel realizzare il testbed ci siamo serviti di schede wireless 4 aderenti allo standard IEEE , standard che denisce i protocolli di comunicazione di livello sico e datalink 6 per un certo tipo di reti wireless. L' IEEE è uno standard molto diuso, nato per permettere connettività senza li fra nodi di rete poco distanti fra loro e con l'ausilio di una stazione base, 4 Schede wireless e radio sono utilizzati come sinonimi in questo lavoro di tesi 5 Si parla di standard IEEE per semplicità; in realtà si dovrebbe parlare di famiglia di standard emanati dal gruppo di lavoro IEEE Il livello sico e datalink rappresentano i livelli più bassi del modello ISO/OSI, il modello base delle reti di calcolatori

14 12 CAPITOLO 1. INTRODUZIONE chiamata access point (anche se lo standard prevede anche una modalità operativa che non richiede access point, che è quella utilizzata in questo lavoro di tesi). Con il passare del tempo, questa tecnologia è stata usata anche per scopi per cui non era concepita, come realizzare collegamenti radio a lunga distanza e realizzare reti wirless mesh. In Fccanet si sono utilizzate schede wireless aderenti allo standard IEEE Le caratteristiche di questo standard saranno approfondite nel capitolo riguardante il testbed. 1.5 Standard IEEE s E' in corso di denizione lo standard IEEE s[5], il primo standard della famiglia IEEE pensato per reti wireless mesh. I nodi di una rete IEEE s, quindi, saranno da subito capaci di comunicare gli uni con gli altri (senza access point), e saranno capaci di formare cammini anche fra nodi non direttamente collegati. Lo standard è in discussione ormai da 4 anni, e non dovrebbe mancare molto alla sua ratica denitiva. Questo standard (come avvenuto spesso in precedenza) sarà compatibile con i precedenti, per cui sarà possibile collegarsi ad una rete IEEE s anche con l'hardware attualmente disponibile. I nodi di una rete wireless mesh aderente allo standard IEEE s sono chiamati Mesh Points (MPs). I MPs (gli analoghi dei mesh router nel nostro modello) formano la rete all'interno della quale possono formarsi dei cammini grazie ad un algoritmo di routing; un MP, inoltre, può fare pure da gateway verso un'altra rete (ad esempio una rete ethernet), oppure può fungere da access point per client di reti IEEE Lo standard s prevede più di un algoritmo di routing, fra i quali l' Hybrid Wireless Mesh Protocol (obbligatorio), che è basato sugli algoritmi di

15 1.5. STANDARD IEEE S 13 routing AODV e OLSR, gli stessi algoritmi che sono attualmente molto usati nelle reti WMNs. L'AODV (Ad-hoc On-demand Distance Vector) è un protocollo che costruisce il percorso verso la destinazione solo quando questo percorso è richiesto. E' un protocollo di tipo reactive, in quanto costruisce il percorso in reazione ad una richiesta; al contrario, gli algoritmi di routing di tipo proactive, come sono i più comuni protocolli di routing utilizzati su internet, costruiscono il percorso verso tutte le destinazioni prima che il percorso sia richiesto. Quando un nodo ha bisogno di inviare un pacchetto verso un nodo verso il quale non conosce un percorso, invia in broadcast (su tutte le sue interfacce) una richiesta di percorso; il messaggio si dionde per la rete, no a quando non arriva ad un nodo che conosce un percorso verso la destinazione (questo nodo può essere la destinazione stessa); a quel punto questo nodo invia al richiedente l'informazione del percorso. In realtà al mittente arriveranno in generale più risposte, e lui scegliera fra queste quella a lunghezza minima (praticamente grazie a questi messaggi di risposta, comporrà un Distance Vector, cioè una struttura dati contenente l'informazione di quali destinazioni sono raggiungibili, attraverso quale percorso e con quale distanza; questo Distance Vector è usato per rispondere alle richieste di altri nodi e per conoscere i percorsi verso le destinazioni raggiungibili). I vantaggi dell'aodv sono che non genera traco quando si utilizzano percorsi già conosciuti e che non richiede grosse risorse di calcolo (essendo basato sul Distance Vector); gli svantaggi sono che genera attesa maggiore e traco maggiore, rispetto ad altri algoritmi, quando si tratta di inoltrare un pacchetto ad un nodo verso il quale non si conosce già il percorso. L'OLSR (Optimized Link State Routing protocol) è un algoritmo di routing di tipo proactive, che costruisce i percorsi verso le destinazioni in anticipo, scambiandosi in maniera continua informazioni con gli altri nodi della rete. E' un algoritmo di tipo Link State: ogni nodo invia l'informazione relativa ai suoi link (a quali altri nodi è collegato) a tutti gli altri nodi della rete; ogni nodo, riceven-

16 14 CAPITOLO 1. INTRODUZIONE do l'informazione riguardate le connessioni di ogni altro nodo, conosce tutta la topologia ed è in grado di calcolare il percorso di costo minore verso ogni destinazione. Il vantaggio di questo algoritmo è che i percorsi sono subito disponibili per ogni destinazione, mentre gli svantaggi sono le maggiori risorse di calcolo e di memoria necessarie per calcolare i percorsi 7, e il maggiore traco generato. 1.6 Descrizione del contenuto dei capitoli Nel capitolo seguente si tratterà di alcuni progetti relativi alle WMN, sia singola radio che multi-radio. Si vedranno quali scelte progettuali sono state prese in altri ambiti, e come queste scelte hanno inuenzato la realizzazione di questo testbed. Nel terzo capitolo si analizzeranno quali sono le alternative disponibili per chi si trovi a dover implementare un testbed per reti wireless mesh multi-radio basate su tecnologia Nel quarto capitolo si descriverà il testbed realizzato: l'hardware e il software utilizzati e l'architettura del software realizzato; inoltre si descriveranno alcuni dei test condotti sul testbed. Nel quinto capitolo si descriveranno dettagliatamente le operazioni svolte per preparare i router utilizzati nel testbed e per congurare il software di rete. Nel sesto e ultimo capitolo si tireranno le conclusioni e si vedrà quali potranno essere gli sviluppi futuri. 7 Nonostante queste maggiori richieste in termini di risorse di memoria e di calcolo, questo algoritmo è utilizzato con successo in numerose WMN in cui si utilizzano dispositivi con risorse hardware ridotte; ad esempio nelle WMN che utilizzano il rmware Freifunk che gira sull'access point Linksys WRT54G, analizzato più avanti.

17 Capitolo 2 Progetti correlati Negli ultimi anni vi è stato un notevole fermento nel campo delle wireless mesh network (WMNs), testimoniato dalla nascita di numerose ricerche e testbed a loro dedicati. La maggioranza dei testbed realizzati riguarda WMNs singola radio, ma con il passar del tempo ci si sta spostando verso lo studio delle più performanti WMNs multi-radio, grazie alla discesa dei prezzi e alla maggiore disponibilità di hardware per questo tipo di realizzazione. In questo capitolo si farà una breve introduzione di alcuni progetti interessanti relativi alle WMNs. Si vedrà quali scelte progettuali sono state fatte in altri ambiti e come queste hanno inuenzato questo lavoro di tesi. 2.1 WMN singola radio Roofnet Roofnet[6] è una WMN singola radio nata nell'ambito di un progetto di ricerca sperimentale del MIT. La rete consiste in una cinquantina di nodi installati nei pressi del campus universitario del MIT, per la maggior parte presso abitazioni di studenti che hanno accettato di fare da volontari per il progetto di ricerca. Il modello di WMN adottato in Roofnet è diverso dal modello di rete mesh 15

18 16 CAPITOLO 2. PROGETTI CORRELATI adottato in questo lavoro di tesi. I mesh gateway, cioè i nodi che fanno da collegamento tra la rete mesh e la rete cablata, non sono situati al conne della rete mesh (vedi gura 1.1), ma possono essere situati in un qualsiasi punto: se uno dei volontari che ospita un nodo della rete ha una connessione ad Internet, e decide di condividerla, può far diventare il suo nodo un punto di accesso alla rete cablata. Inoltre i client non si connettono ai mesh aggregation device tramite una connessione wireless, ma tramite un cavo ethernet (quindi le radio dei vari nodi sono utilizzati solo per il backbone). Roofnet è stato realizzato nell'ambito di studi rivolti alla realizzazione di nuovi algoritmi di routing per WMN. Questi studi hanno portato alla denizione di un algoritmo di routing chiamato SrcRR. SrcRR è un algoritmo di tipo source routing: il primo nodo decide quale strada dovrà fare il pacchetto e inserisce questa informazione all'interno dell'header del pacchetto. Il percorso scelto non è quello a distanza minima, che in generale si è visto non essere ottimale in una WMN, ma è scelto basandosi sulla qualità dei link. La metrica utilizzata per valutare la qualità del link è chiamata ETT, Estimated Trasmission Time, che stima il tempo medio che occorre per inviare un pacchetto su quel link (include la trasmissione del pacchetto, la ricezione dell'ack 1, e le le loro eventuali ritrasmissioni). Questo ETT è calcolato inviando sul link una serie di messaggi di probe 2, e considerando il tempo medio necessario a ricevere l'ack. Questo calcolo è fatto impostando la comunicazione su dierenti velocità, e scegliendo poi la velocità che assicura un ETT più basso (una velocità maggiore avrà in genere una percentuale di perdità maggiore, ma può comunque avere un ETT migliore). In realtà, la scelta del percorso in base alla valutazione dell'ett dei vari link è fatta solo per il primo pacchetto della connessione 3 : i pacchetti successivi di 1 Messaggio di risposta da parte del ricevente di avvenuta ricezione 2 Brevi messaggi che non contengono dati ma sono usati esclusivamente per testare la qualità di un link. 3 Si intende connessione TCP o UDP; non sempre comunque un pacchetto appartiene ad una connessione.

19 2.1. WMN SINGOLA RADIO 17 quella connessione seguiranno lo stesso percorso, anche se cambiano le condizioni dei link. Questo è fatto per assicurarsi che i vari pacchetti della trasmissione ricevano, nel caso tipico, lo stesso trattamento (quindi abbiano tempi di percorrenza simili), ma ha lo svantaggio che la connessione può subire un peggioramento (se la qualità dei link coinvolti cambia), oppure può essere interrotta, se uno dei nodi coinvolti nel percorso cade. L'informazione relativa al percorso, e altre informazioni relative all'algoritmo di routing, sono inserite in un header supplementare, inserito fra l'header Ethernet e l'header IP. L'hardware usato in Roofnet è stato vario: all'inizio hanno usato dei semplici computer desktop con un'interfaccia di rete wireless pci. Mettevano il computer nella casa del volontario che ospitava il nodo e lo collegavano all'antenna situata sul tetto tramite un lungo cavo coassiale (ciò aveva lo svantaggio di utilizzare un cavo lungo, che quindi degradava il segnale, ma permetteva l'uso di un normale desktop computer); più avanti sono passati ad utilizzare degli access point commerciali, modicandone opportunamente il rmware; inne, hanno utilizzato soluzioni basate su Single Board Computer 4. Le schede wireless utilizzate appartengono allo standard IEEE (in particolare IEEE b 5 ); il driver di queste schede wireless, però, è stato modicato per fornire alcune funzionalità che lo standard non prevedeva. L'algoritmo, come anticipato, ha la necessità di inviare pacchetti di probe a diverse velocità, e, inoltre, di raccogliere varie informazioni relative alla qualità del segnale per ogni pacchetto (cose che lo standard non prevede); il driver è stato modicato per aggiungere queste possibilità. Un'altra modica è stata fatta per eliminare il cosiddetto problema del BSSID partitioning: questo è un problema che aigge le WMNs basate su tecnologia IEEE e consiste nel fatto che la rete si può 4 Maggiori informazioni sulle scelte disponibili per la realizzazione di una WMN sono disponibili nel capitolo hardware 5 Si parla di standard IEEE , ma in realtà si dovrebbe parlare di famiglia di standard emanati dal gruppo di lavoro IEEE

20 18 CAPITOLO 2. PROGETTI CORRELATI partizionare, per cui un certo insieme di nodi della rete non riesce a contattare un certo altro insieme di nodi della rete. Il driver mette le schede in una particolare modalità, chiamata pseudo-ibss, che consente di eliminare questo problema 6. Il driver in questione è il madwi[7]. Fra le possibilità del driver madwi e le schede Atheros vi sono, inoltre: la possibilità di settare la potenza e la velocità di trasmissione a livello del singolo pacchetto, la possibilità di ricavare informazioni relative alla qualità del segnale a livello del singolo pacchetto, la possibilità di impostare una singola scheda wireless e farla operare contemporaneamente come client e come access point, ecc.. Roofnet, quindi, facendo uso di alcune di queste caratteristiche aggiuntive, è legata alle schede prodotte da Atheros, anche se vi sono tentativi di portarla anche su altre schede wireless (ad esempio [8]), rinunciando però ad alcune caratteristiche dell'algoritmo. Anche in Fccanet si sono utilizzate schede prodotte dalla Atheros e il driver madwi: per il momento l'unica funzionalità utilizzata è la pseudo-ibss. Quindi, a patto di sopportare il BSSID partitioning (cosa che potrebbe essere accettabile in un testbed, mentre sarebbe molto fastidiosa in una rete reale), non ci si è legati alle schede prodotte dalla Atheros. L'unico requisito in Fccanet è la possibilità per le schede wireless di operare in Ah-Hoc mode; requisito, quindi, che dovrebbe essere soddisfatto da tutte le schede wireless dichiarate compatibili allo standard. Roofnet è stato molto importante nella realizzazione di questo lavoro di tesi (oltre ad utilizzare le stesse schede wireless, si è utilizzato lo stesso software di base, Click 7 ), e una parte importante del lavoro di preparazione della tesi è stato studiarne il funzionamento. Tuttavia, il risultato ottenuto è abbastanza diverso da quello di Roofnet (in parte questo era un fatto scontato, dato che Roofnet è una WMN singola radio). Nel caso di Roofnet sostanzialmente si fa un routing di livello 3: ad esempio ogni nodo della rete decrementa il TTL e manda un 6 Dettagli sul BSSID partitioning verrano dati quando si parlerà dello standard Il software Click sarà analizzato nel capitolo dedicato al testbed.

21 2.1. WMN SINGOLA RADIO 19 messaggio di errore ICMP qualora questo valore vada a 0; nel caso di Fccanet il pacchetto IP è visto come payload del pacchetto di livello superiore: il pacchetto IP è inglobato all'entrata della WMN ed è estratto all'uscita (nessun controllo o modica dell'header Ip è fatto all'interno della WMN). Altre WMN singola radio Alcuni ricercatori della Rice University in Houston, in collaborazione con TFA (Technology for all)[9], hanno realizzato dei testbed grazie ai quali hanno realizzato una serie di misure in varie condizioni di riferimento (throughput di un collegamento wireless fra due nodi rispetto all distanza fra essi e al rapporto segnale/rumore, throughput della rete rispetto alla disposizione geometrica dei nodi, ecc.). I risultati della ricerca possono essere utili quando ci si trovi a fare il deployment di testbed all'esterno. Nel testbed UCSB si sono concentrati nelle tecniche di controllo e valutazione dei testbed wireless mesh. Hanno sviluppato un framework[10] chiamato ATMA, che propone la costruzione di una rete mesh, parallela alla rete wireless mesh da valutare, che andrà usata solo per scopi di controllo e valutazione. Si tratta di un controllo cosiddetto out-of-band, che non fa uso, cioè, della rete mesh reale. Il controllo in-band implica che il traco di management competa con il traco dati, per cui può alterare le misure di valutazione; un altro problema del controllo in-band è nel fatto che il traco di controllo dipende dalla rete da controllare, per cui se la rete smette di funzionare non è più controllabile. Questi problemi si presentano soprattutto in caso di deployment all'esterno, quando i nodi sono dicili da raggiungere. Oltre nella rete mesh parallela, Il framework ATMA consiste in una serie di agenti software e di tool che aiutano a eseguire le operazioni di controllo e valutazione del testbed. Uno dei testbed sui quali è stato utilizzato questo framework è UCSB. Per la

22 20 CAPITOLO 2. PROGETTI CORRELATI Figura 2.1: Nodo di rete del testbed UCSB; un access point è dedicato alla rete di controllo e l'altro alla rete wireless mesh vera e propria realizzazione di quest'ultimo è stato utilizzato un access point commerciale 2.1 e come software è stato utilizzato una versione leggermente modicata dell'aodv. 2.2 WMNs multi-radio Hyacinth[11] è un testbed per WMNs nato con lo scopo di studiare le possibilità delle WMNs multi-radio, mostrando il vantaggio che danno in termini di maggiore throughput rispetto alla soluzione singola radio. Le WMNs multi-radio consentono, infatti, di sfruttare una parte maggiore di spettro radio messo a disposizione dallo standard, al contrario della soluzione singola radio, che concentra le comunicazioni in uno spettro radio limitato. Gli studi condotti hanno dato risultati interessanti, mostrando che con già 2 schede wireless per nodo si riusciva ad aumentare il throughput di 6-7 volte. Le due principali scelte progettuali da fare, quando si tratta di progettare l'architettura di una WMN multi-radio, è la denizione delle frequenze da assegnare alle radio di ciascun nodo, e la politica di routing da adottare. In Hyacinth, le frequenze delle radio presenti sui nodi sono assegnati in maniera dinamica: ciò signica che una radio in un nodo non trasmetterà sempre sulla stessa frequenza, ma varierà nel corso del suo funzionamento; la dinamica di questo cambiamento, però, non è veloce: la radio rimarrà su una stessa frequenza per un periodo

23 2.2. WMNS MULTI-RADIO 21 relativamente lungo. L'assegnazione è fatta in maniera dinamica per far si che, all'occorrenza, un link possa essere spostato da un canale ad alta utilizzazione verso uno meno utilizzato. Per realizzare ciò i nodi di Hyacinth si scambiano informazioni sull'utilizzazione dei canali (l'informazione non è scambiata fra tutti i nodi, ma il messaggio inviato da un nodo giunge no ai nodi distanti un certo numero di hop, quelli che si suppone possano interferire fra di loro). Nel cambiare eventualmente la frequenza di funzionamento di una delle sue radio, il nodo considera non solo la percentuale di utilizzazione dei vari canali, ma anche il fatto che questi siano o meno utilizzati da nodi a priorità maggiore. In Hyacinth, i nodi a priorità maggiore sono quelli più vicini alla rete cablata (si suppone che debbano raccogliere una quantità di traco maggiore). Nel testbed realizzato nell'ambito di questo lavoro di tesi, le frequenze sono assegnate alle radio dei nodi in maniera statica (quindi la parte del software che si occupa di gestire le frequenze dei nodi è semplice, dovendole solo impostare all'inizio). Per quanto riguarda l'algoritmo di routing, Hyacinth utilizza un routing di tipo proactive, cioè stabilisce i percorsi prima che siano richiesti 8. I percorsi sono costruiti a partire dai mesh gateway no ai mesh aggregation device (anche in Hyacinth, quindi, non è prevista la comunicazione fra qualsiasi due nodi della rete mesh 9 ). I mesh gateway inviano un messaggio nel quale dicono che sono in grado di raggiungere la rete cablata. I nodi vicini che ricevono questo messaggio decidono se utilizzare quel mesh gateway per accedere alla rete cablata (accederanno alla rete cablata tramite esso), e inviano l'informazione sulla raggiungibilità appena acquisita ai nodi vicini; quest'ultimi decidono a loro volta se unirsi al nodo 8 Negli algoritmi di routing di tipo reactive il percorso è stabilito quando serve; in Roofnet l'algoritmo di routing è di tipo reactive 9 Hyacinth, comunque, non è una rete pensata per un utilizzo reale, quindi questa non è una limitazione importante. Lo scopo principale della rete era soprattutto quella di studiare il comportamento dell'algoritmo di routing.

24 22 CAPITOLO 2. PROGETTI CORRELATI da cui hanno ricevuto questo messaggio (devono decidere se unirsi o meno perché potrebbero già avere un percorso verso la rete cablata attraverso un altro host: la scelta del percorso è fatto in base ad una metrica che cerca di bilanciare il carico sui vari link). L'architettura di Hyacinth è stata provata in un testbed costituito da una decina di desktop computer ognuno dotato di 2 schede wireless (su standard a/b/g). Sono stati adottati accorgimenti per diminuire le interferenze (che si vericano anche nel caso un cui si utilizzino 2 schede wireless per nodo), posizionando le schede all'interno del PC a distanza di 60 cm e utilizzando antenne esterne. Per quanto riguarda il software, hanno sviluppato e testato tutto in ambiente Windows, realizzando un demone di livello utente (vedi la gura 2.2). Il demone di livello utente interagisce con alcuni moduli del kernel di Windows per settare le frequenze delle radio, per raccogliere statistiche, e per modicare le tabelle di routing interne del kernel. L'inoltro vero e proprio dei pacchetti è fatto dalle routine di routing del kernel sulla base delle tabelle di routing settate dal demone di livello utente. Il routing, quindi, è di livello 3, e ogni interfaccia di rete ha un proprio indirizzo IP. Figura 2.2: Architettura software di un nodo della rete Hyacinth

25 2.3. WMNS COMMERCIALI 23 L'approccio implementativo in Fccanet è diverso, ed è simile a quello descritto in [12] e [13]. L'approccio che si è utilizzato consiste nel creare uno strato software che nasconda alle applicazioni il fatto che sul nodo sono presenti più interfacce di rete. A dierenza di Hyacinth, quindi, non ci sarà un indirizzo IP per ogni interfaccia, ma un solo indirizzo: il routing non sarà, quindi, di livello 3, ma di livello 2. Ciò presenta il vantaggio di consentire il funzionamento senza modiche alle applicazioni che hanno necessità di inviare messaggi di broadcast di livello 2 (ad esempio DHCP) WMNs commerciali Strix System [14] è una società che realizza WMNs multi-radio. I mesh router di queste reti arrivano ad avere no a 3 radio, e i mesh aggregation device no a 6 radio (3 radio dedicate alle connessioni con i client e 3 per il backbone). Strix System dichiara che le sue WMNs sono in grado di mantenere un throughput di 35Mbit/s anche fra nodi distanti diversi hop. Aermano, inoltre, di aver fatto dei test su chiamate in Voip (diverse chiamate fatte in contemporanea a trasferimenti di dati, fra nodi distanti diversi hop) che hanno evidenziato una qualità delle chiamate molto alta, di 1 MOS 11. Queste sono dichiarazioni della stessa Strix System e non sono note le condizioni precise in cui sono stati eettuati i test. Anche Cisco ha una sua soluzione per la realizzazione di WMNs multi-radio [15]. Rende disponibili due tipi di nodi per WMNs, chiamati mesh access point, uno con una radio (la serie 1400), e una con due radio (la serie 1500). 10 In Fccanet, comunque, non sono previsti ancora messaggi di tipo broadcast, cioè messaggi che sono destinati a tutti gli host. 11 La scala MOS (Mean Opinion Score) è una scala usata per valutare le qualità di una conversazione telefonica: il punteggio va da 1, che è il punteggio migliore, a 5, che è il peggiore. La valutazione è ottenuta come media delle valutazioni fatte da un insieme di persone.

26 24 CAPITOLO 2. PROGETTI CORRELATI Sia nel caso di Strix System che di Cisco non sono disponibili informazioni dettagliate sull'hardware utilizzato e sull'architettura di software adottata. 2.4 Community Wireless Mesh Network Le Community WMN, come [16, 17], sono reti costruite da gruppi di utenti che vogliono condividere una connessione ad internet, oppure vogliono scambiarsi dei dati tramite la propria rete locale. Le WMNs si prestano bene a realizzare questo tipo di reti, perché non c'è necessita di realizzare stazioni base: ogni utente può allestire un nodo di sua proprietà che può comunicare con gli altri nodi, anche distanti diversi hop, grazie agli algoritmi di routing delle WMNs. Altra caratteristica che rende le WMNs adatte a questo tipo di realizzazione è che di solito possiedono meccanismi di autocongurazione (per cui si assegnano automaticamente i parametri di rete). Quasi la totalità delle Community WMN sono costituite da nodi con una sola radio. Ciò è dovuto al fatto che i nodi con più radio sono dicoltosi da realizzare e più costosi. Per quanto riguarda l'algoritmo di routing utilizzato, in genere si utilizzano versioni modicate dell'aodv (Ad-Hoc On Demand Distance Vector) [18], o dell'olsr (Optimized Link State Routing protocol) [19].

27 Capitolo 3 Hardware per reti wireless mesh multi-radio In questo capitolo si analizzeranno quali sono le alternative disponibili per chi si trovi a dover implementare un testbed per reti wireless mesh multi-radio basate su tecnologia Per quanto riguarda le WMN singola radio, esiste una buona disponibilità di hardware commerciale (hardware cosiddetto o-the-shelf), a prezzi anche accessibili (basti pensare agli access point, dispositivi utilizzabili come nodo di una rete wireless mesh singola radio). Per le WMNs multi-radio la disponibilità di hardware è minore e i prezzi sono ancora alti. Ciò è destinato a cambiare, probabilmente, grazie all'introduzione di nuovi standard per WMNs e WMNs multi-radio. Attualmente, infatti, ogni produttore adotta una propria soluzione hardware e software, e i suoi prodotti sono incompatibili con quelli degli altri. Ciò evita la competizione e scoraggia altri produttori, che non hanno le forze di proporre una propria soluzione, ad entrare nel mercato. Con l'avvento di nuovi standard, i produttori dovranno confrontarsi sullo stesso terreno, e le loro soluzioni dovranno essere compatibili l'una con l'altra: ciò potrà favorire la competizione e la discesa dei prezzi. 25

28 26CAPITOLO 3. HARDWARE PER RETI WIRELESS MESH MULTI-RADIO Oltre alla componente economica, c'è anche un fattore tecnologico che rende dicile la realizzazione di reti wireless mesh multi-radio: le schede wireless prodotte attualmente non sono fatte per operare l'una vicina all'altra. Ciò è dovuto all'uso di ltri di scarsa qualità che lasciano passare frequenze del segnale che dovrebbero essere bloccate; questo fatto limita il numero di radio che è possibile utilizzare in uno stesso nodo, a meno di utilizzare soluzioni particolari. Passiamo comunque a vedere alcune delle soluzioni hardware disponibili per realizzare un testbed per reti wireless mesh multi-radio. 3.1 Desktop Computer I desktop computer possono essere usati come nodi di rete di una WMN, sia singola che multi-radio. Il punto di forza dei desktop computer è l'ottima dotazione di memoria ram e memoria di massa, che possono facilitare il compito in diverse situazioni. Ad esempio in fase di compilazione e installazione del software 1, che può essere fatto direttamente sul nodo, e, soprattutto, quando vengono eseguiti i test valutativi, perché la memoria di massa del sistema è comoda e veloce per salvare i risultati. Una delle alternative è quella di trasferire i dati raccolti dal nodo tramite la rete stessa, ma così facendo si rischia di alterare le misure che si stanno conducendo. In alcuni testbed, come [9], hanno optato per aancare alla rete di test, una rete dedicata allo scambio dei dati di test. I desktop computer, inoltre, sono dotati di unità cdrom, da cui si può fare il boot, e ciò può essere utile per aggiornare il software di un nodo di rete in caso di necessità. In Roofnet, ad esempio, hanno utilizzato questo approccio: quando 1 É possibile, ed è questo l'approccio seguito dall'autore di questa tesi, utilizzare lo stesso computer per compilare il software per tutti i nodi di rete, anche se hanno architetture diverse. Basta dotarsi dei toolchain (compilatore, linker, ecc.) dei vari sistemi per i quali si vuole compilare.

29 3.2. ACCESS POINT 27 l'aggiornamento non poteva essere fatto via rete, inviavano un cdrom avviabile a casa del volontario che poteva così eseguire facilmente l'aggiornamento. I desktop computer sono dotati di vari slot di espansione (di solito PCI) e permettono l'inserimento di diverse schede di rete (il numero di slot di espansione PCI dipende dal tipo di scheda madre di cui è dotato il PC). Il problema in questo caso, però, non è lo spazio, ma il fatto, come anticipato, che più radio in un nodo interferiscono l'una con l'altra abbassando le prestazioni (come dimostrano diverse evidenze sperimentali, fra le quali [3] e [20]). I desktop computer sono indicati soprattutto quando si tratta di allestire dei testbed indoor, e per questo sono molto usati in ambito accademico, ma non sono utilizzabili come nodo di rete reale (non possono stare all'esterno, consumano molta più energia rispetto ad altre soluzioni, ecc.). 3.2 Access Point Gli access point sono calcolatori nati per ricoprire, tipicamente, il ruolo di stazione base in una rete wireless basata su uno degli standard IEEE Molti di essi sono compatibili con il sistema operativo Linux, per cui è facile installarci sopra del software personalizzato, basato su Linux, e fare esperimenti. La maggioranza degli access point in commercio non sono dotati di grandi risorse hardware e, inoltre, sono dotate di una sola radio. Non sono, quindi, gli elementi ideali di una WMNs multi-radio 3 ; sono molto utilizzati nelle Community Wireless Network, anche perché sono molto economici e prezzi continuano a 2 In realtà, la maggior parte degli access point possono essere impostati anche per operare in Managed Mode, ossia come client, o in Ad-Hoc mode 3 Nulla vieta, comunque, di utilizzare un access point in un testbed per WMNs multi-radio come nodo a prestazioni ridotte, oppure di utilizzarlo come ulteriore radio di un nodo (quello che serve i client), collegandolo ad un altro nodo di rete (magari multi-radio) con una connessione ethernet

30 28CAPITOLO 3. HARDWARE PER RETI WIRELESS MESH MULTI-RADIO scendere (grazie alle economie di scala legate alla vendità nel mercato domestico e aziendale). Linksys WRT54GL Il Linksys WRT54GL (vedi gura 3.1) è uno degli access point più utilizzati per la realizzazione di testbed wireless mesh, per il fatto che è molto bene supportato dal kernel di Linux (in particolare dalla distribuzione OpenWRT [21]). E' dotato di un processore Broadcom 5352 da 200 Mhz, ha una memoria di massa basata su ash disk di 4 Mbyte, e una memoria RAM di 16 Mbyte. Figura 3.1: Access Point Linksys WRT54GL Questo access point è stato utilizzato come prima piattaforma di test, per fare esperimenti i primi esperimenti di cross-compilazione e per fare le prime grossolane stime di ecenza del software realizzato. Questo Access Point può essere usato in una WMN reale mista singola radio - multi-radio, in quei casi in cui si accetta di avere prestazioni inferiori in cambio di un consistente risparmio economico (questo access point costa, adesso, circa 70 euro, molto meno di un nodo basato su Single Board Computer).

31 3.3. SINGLE BOARD COMPUTER Single Board Computer Le SBC (Single Board Computer[22]) sono computer completi costruiti su una singola circuit board. Si va da SBC che contengono solo un microprocessore, una RAM e poco altro necessario, no a SBC che contengono anche una scheda video, una scheda audio, e altre periferiche tipiche di un desktop computer. Figura 3.2: Esempio di Single Board Computer Le SBC sono usate soprattutto in ambito industriale, grazie al fatto che orono molte funzionalità in uno spazio ridotto, sono più ecienti in termini di richieste energetiche, e sono più adabili dei normali desktop computer (contenendo tutto in una singole circuit board, non hanno ad esempio connessioni realizzate con cavi; le connessioni realizzate su circuito stampato sono molto più adabili delle connessioni realizzate con cavo). Per queste stesse ragioni sono anche utilizzati come hardware per costruire nodi di WMN, soprattutto all'esterno: è possibile costruire un nodo di rete completo con una singola SBC, un alimentatore, un enclosure (un contenitore a tenuta per la SBC), un'antenna, e poco altro. I ragazzi del progetto CUWiN hanno scritto un'interessante guida su come costruire[23] un nodo di una WMN per esterni; la guida è per la costruzione di un nodo con una singola radio, però molte delle istruzioni riportate sono utili per costruire nodi con più di una radio:

32 30CAPITOLO 3. HARDWARE PER RETI WIRELESS MESH MULTI-RADIO è facile costruire nodi con 2 radio per nodo, sostituendo la SBC proposta con una con due slot di espansione (mini-pci). Esistono SBC che hanno anche 4 o più slot di espansione per inserire schede wireless, ma in quel caso va valutato con attenzione quante schede wireless inserire, e in che modo (a che distanza l'una dall'altra e su quali frequenze), sempre per via delle interferenze che possono generarsi. Figura 3.3: Esempio di Single Board Computer Stackable Le SBC hanno, in generale, caratteristiche che variano da produttore a produttore. Esistono, però, anche degli standard che prescrivono le caratteristiche che la SBC deve avere. Uno di questi standard è il PCI-104 (vedi gura 3.3), che specica le caratteristiche di un tipo di SBC a cui possono essere aggiunti dei moduli uno sull'altro, come una pila. Ciascuna modulo di espansione contiene i connettori che permettono l'inserimento di un ulteriore modulo. Così facendo è possibile ottenere sistemi con un numero di slot di espansione denibile quasi a piacere (quasi perché ci sono dei limiti sul numero di schede che si possono mettere l'una sull'altra). Anche in questo caso, però, bisogna valutare le interferenze che si possono generare fra le schede wireless installate.

33 3.4. HARDWARE CUSTOM MADE Hardware custom made Alcune realizzazioni di WMNs multi-radio, in genere quelle commerciali, optano per la costruzione di nodi di rete il cui hardware è appositamente progettato per quello scopo (come [14, 15]). Il progetto di hardware dedicato consente di prendere accorgimenti che permettono di eliminare, o perlomeno alleviare, il problema delle interferenze fra le radio dei nodi (ad esempio progettando le radio o prevedendo schermature fra una radio e l'altra); inoltre, consente di ottenere dei risparmi sull'hardware, se prodotto in una quantità suciente: l'hardware progettato appositamente per quello scopo conterrà solo i componenti strettamente necessari (al contrario di una soluzione che adotta hardware commerciale, che essendo destinata ad un uso più generico, conterrà anche componenti non strettamente necessari, il cui costo sarà sprecato). Ovviamente va valutato anche il costo del progetto, che per l'hardware dedicato è rilevante, mentre non è nullo per l'hardware già disponibile commercialmente. Quindi, se non si considerano altri fattori, l'hardware commerciale converrà no ad una certa quantità di produzione, perché non ci sono i costi di progetto; da una certa quantità in poi converrà l'hardware appositamente progettato, perché i costi di progetto sono ammortizzati dal minor costo unitario dell'hardware prodotto.