Alla scoperta delle reti MESH

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1 APPROFONDIMENTI GIOVANNI GASBARRONE Alla scoperta delle reti MESH 1. Introduzione L architettura di rete Mesh si realizza con l interconnessione a maglia (mesh) dei nodi dove ognuno degli elementi di rete è capace di dialogare con gli altri tramite collegamenti diretti o attraverso altri nodi. Questa caratteristica rende la rete meno sensibile ai guasti dei collegamenti o dei nodi, poiché si instaurano percorsi alternativi garantendone così il funzionamento. Il concetto di rete mesh non è nuovo, e trova varie applicazioni nelle architetture delle reti di telecomunicazioni. 2. Gli standard fine di garantire una copertura radio omogenea. L'area operativa del singolo access-point viene generalmente definita hot spot. Il collegamento tra i nodi può essere realizzato con dorsali radio tra i singoli access point in modalità magliata, ad esempio con lo standard g, garantendo così una banda di collegamento di 54 Mbit/s. Può essere anche utilizzata una frequenza di lavoro nella banda a 5 GHz per evitare interferenze con i dispositivi degli utenti a 2,4 Ghz. In alternativa vengono utilizzate antenne direttive o con angoli di irradiamento sufficientemente stretti al fine di collegare uno o più access point. Il concetto di wireless mesh network, visto per le reti locali WLAN (Wireless Local area Network), si La wireless mesh network (reti magliate senza fili) identifica una particolare topologia di rete ideata per fornire una copertura radio che consente accessi wireless a larga banda sia in ambienti limitati, come abitazioni ed uffici, che in aree estese come campus universitari e città (figura 1). Queste reti sono generalmente realizzate con tecnologia (Wireless Fidelity) secondo gli standard b/g. La banda di frequenza utilizzata nelle reti mesh è la banda ISM non licenziata a 2,4 GHz. Per consentire accessi broadband a standard b vengono utilizzate antenne omnidirezionali al Enterprise buildings Downtown FIGURA 1 Una rete mesh in ambito urbano. Shopping Mall Mesh Router Apartment Vehicle House NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 15 n. 1 - Giugno

2 GASBARRONE Alla scperta delle reti MESH estende anche nell ambito delle reti wireless PAN (Personal Area Network) che hanno una portata nettamente inferiore, dell ordine di una decina di metri. L architettura mesh viene in questo caso utilizzata sia per far comunicare dispositivi wireless, che sono tra loro in prossimità, costituendo così una rete ad hoc wireless PAN, come nel caso di reti di computer o PDA (Personal Digital Assistant), sia all interno di una copertura radio (WLAN) realizzata ad esempio per un campus o in aree urbane. Le soluzioni mesh che si collocano nell ambito delle reti WLAN si differenziano dalle WPAN (Wireless Personal Area Network) per le caratteristiche (raggio d azione,frequenze,velocità e potenze in gioco) e campi d impiego che sono diversi anche in relazione al differente raggio d azione del segnale tipico di ogni tecnologia. Le soluzioni WPAN sono descritte nella famiglia di standard Le tecnologie wireless si possono rappresentare (figura 2) in una griglia che le raggruppa per velocità e in riferimento all ambito d impiego: WPAN, WLAN, WMAN (Wireless Metro Area Network), WRAN (Wireless Regional Area Network). WRAN WMAN WLAN ZigBee Bluetooth WiMax WPAN Mbit/s WLAN Wireless Local Area Network WMAN Wireless Metro Area Network WPAN Wireless Personal Area Network WRAN Wireless Regional Area Network FIGURA 2 Famiglie di reti wireless. Nell ambito delle WLAN, le reti wireless di tipo mesh, pur appartenendo alla famiglia , non sono state ancora standardizzate: l IEEE ha però iniziato a lavorare attivamente, con un gruppo di esperti che si è formato nel luglio 2004, sullo standard denominato s. La soluzione di rete mesh s si basa sugli standard attuali (802.11a/b/g/i) e sulle prestazioni aggiuntive, che permettono ad ogni nodo di collegarsi ad un altro nodo di rete, autenticarsi e stabilire quindi una connessione. In questo caso la rete utilizza un routing dinamico per aumentare l'efficienza e le prestazioni in base alle condizioni di traffico e alla loro evoluzione. Recentemente è stato presentato da Intel una nuova proposta per lo standard l'802.11s che comprende tra le prestazioni aggiuntive anche l implementazione del QoS (Quality of Service). Tramite l implementazione del QoS, una rete mesh fornisce migliori prestazioni grazie alla gestione delle priorità nei servizi, che sono offerti nei tempi stabiliti anche in caso di congestione. Tornando all analisi dello standard s, un concetto innovativo introdotto è legato alle soluzioni mesh portals, che sono apparati con funzionalità di gateway, in grado di connettere reti wireless tradizionali, basate sugli standard attuali, con le reti mesh dell'802.11s. Lo standard definitivo dovrebbe essere approvato non prima del 2007 Possiamo pertanto individuare due tipologie di reti mesh: 1) una rete mesh ad hoc, in cui ogni terminale wireless con a bordo un client specifico partecipa alla gestione della comunicazione come se fosse un nodo della rete. I terminali in questo caso possono comportarsi anche come se fossero dei router; 2) una rete mesh a standard, i cui nodi sono fissi e collegati a maglia (mesh), ed i collegamenti tra i nodi avvengono tramite connessioni wireless a/h/g in modalità LOS (Line Of Sight). Tale soluzione consente di utilizzare un link radio (ad es h) per il backhauling, cioè per connettere i nodi, invece dei collegamenti a larga banda tradizionali (ad esempio, ADSL, HDSL) come avviene attualmente per collegare gli Hot Spot. 3. Le reti MANET (Mobile ad hoc network) La MANET (Mobile Ad hoc NETwork) è una rete di tipo mesh con topologia dinamica che utilizza tra i nodi una soluzione radio omogenea (IEEE b/g/a/h o Bluetooth). I nodi sono mobili ed i collegamenti sono di tipo dinamico. I terminali (PDA, computer o altri dispostivi ) hanno un client software a bordo in grado di creare e configurare la rete a maglia (mesh) e abilitare la funzione di routing tra i dispositivi che entrano in contatto. I terminali si collegano tra loro direttamente o in modalità wireless multi-hop (figura 3). Risulta pertanto indi- Comunicazione diretta Comunicazione wireless multi-hop Comunicazione diretta FIGURA 3 Alcuni esempi di reti MANET. 128 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 15 n. 1 - Giugno 2006

3 GASBARRONE Alla scperta delle reti MESH spensabile che almeno un terminale operi come gateway, collegandosi alla rete fissa o mobile per instradare il traffico in uscita della mesh network. Le principali applicazioni delle reti MANET sono per lo più relative a: gestione delle comunicazioni in situazione d emergenza al fine di garantire un collegamento in rete a tutti i terminali o ad almeno una lista prioritaria di utenti (per sicurezza o necessità operative); estensione in ambito locale della rete mobile (mancanza di copertura interna ai locali) e della WLAN (non è possibile installare access point in tempi ridotti); collegamento di gruppi di lavoratori in aree industriali; collegamento per scopi militari nel campo di battaglia tra mezzi e unità di combattimento in movimento; per la creazione di reti d emergenza nei campi militari che per le loro caratteristiche sono mobili e necessitano di rapide configurazioni. A loro volta le reti mesh MANET si prestano anche alla creazione di soluzioni ad hoc, come le mostre, i centri congressi, i villaggi turistici, per lo sviluppo di applicazioni di video sorveglianza o, come abbiamo accennato sopra, per le situazioni d emergenza, in cui appunto i vari dispostivi multimediali vengono collegati senza una configurazione predefinita ed in modalità dinamica. Altre situazioni in cui si applicano le reti mesh MANET riguardano le coperture di campus universitari: questo perché una rete mesh si presta bene alla copertura di aree anche estese in tempi ridotti e può essere usata come rete d emergenza o back-up dell infrastruttura sia fissa che mobile. Se pensiamo ad un applicazione di emergenza nella rete aziendale per un guasto, dove gli apparati come PDA o PC tentano di instaurare delle connessioni attraverso la rete mesh, si forma quindi una costellazione di apparati attraverso la quale i PC interessati dal guasto della rete aziendale tentano di ripristinare almeno la connettività per i servizi essenziale ( , web browsing e VoIP), che vengono poi a loro volta instradati tramite alcuni punti di uscita della mesh verso la rete mobile o fissa, solo se almeno un PC è ancora connesso. Questa rapidità e capacità di autoconfigurarsi degli apparati è l elemento di maggior interesse della soluzione mesh per le reti ad hoc. Costi Copertura Terminali GSM/Bluetooth UMTS/ Eventuale Infrastruttura di rete (es. MANET GW, IP PBX) GPRS GSM GW IP PBX terminale dual mode che in ambito indoor usa la copertura 4. Possibili applicazioni su reti MANET Affinando il concetto delle reti MANET è possibile immaginare che più PC possano collegarsi tra loro tramite una LAN realizzata in modalità MANET e, tramite la connessione di almeno un PC ad una delle reti 2.5/3G//WiMax, instradare il traffico in uscita verso l esterno e fornire l accesso alla rete dell azienda in VPN (Virtual Private Network) per utilizzare i servizi di Office quali , browsing internet, IPCentrex (figura 4). Come requisiti realizzativi è necessario avere ovviamente dei client MANET su tutti i terminali, ed alcuni di essi, fungendo da gateway verso la rete IP, potrebbero essere anche delle CPE WiMax (apparati dual radio e WiMax) mentre altri possono avere una scheda UMTS per instradare parte del traffico in condizioni di emergenza verso la rete mobile. Quindi anche in condizioni d emergenza è possibile utilizzare servizi di mobile office (mail, Internet browsing, ), pur se in modalità ridotta, connettendosi ad altri terminali in modalità MANET. Tutto ciò permette una realizzazione veloce di sedi aziendali o campus/mostre con soluzioni integrate IP PBX- con applicazioni che prevedono anche servizi di security ed un estensione dell offerta di Desktop Management. 5. Le reti mesh Nelle reti wireless WLAN di tipo mesh ogni nodo (access-point ) non solo fornisce Plus Copertura flessibile e autoconfigurante Rete Aziendale Mobile Unico Terminale MANET Manet Gateway Gateway General Packet Radio Service Global System for Mobile Communications GateWay Internet Protocol Private Branch Exchange Rete fissa IP IP network (copertura GSM/UMTS) (copertura ) IP PBX FIGURA 4 Scenario reti MANET per applicazioni business. PSTN UMTS GSM/GPRS/UMTS PSTN area dual mode che in usa la copertura GSM/UMTS Public Switched Telephone Network Universal Mobile Telecommunications System Wireless Fidelity NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 15 n. 1 - Giugno

4 AUTORE AUTORE AUTORE AUTORE AUTORE Titoletto accesso per gli utenti collegati, ma instrada il traffico generato dagli altri nodi adiacenti, agendo così come un router. Dal punto di vista applicativo, la funzionalità di routing implementata in ogni singolo access point, permette di inoltrare il traffico dati (pacchetti TCP/IP) secondo tabelle statiche o dinamiche configurate negli apparati di rete. Questa caratteristica permette una migliore efficienza della rete, garantendo una ridondanza dei collegamenti dal punto di vista logico (inteso come instradamento dei pacchetti TCP/IP) ed una migliore gestione del traffico di rete. La topologia a maglia consente poi a sua volta notevoli vantaggi sia nella gestione dei guasti, che nell ampliamento della rete. Alcuni di questi vantaggi sono ad esempio: le interruzioni di servizio, dovute alla caduta di un collegamento o di un nodo, sono eliminate attraverso l uso di algoritmi adattativi di routing e funzionalità di auto-configurazione; la soluzione mesh consente di aggregare gli hot-spot ampliando così le aree di copertura, tramite le funzionalità di auto-discovery in caso di aggiunta dei nodi; infatti la rete è in grado di organizzarsi riconoscendo i nodi che vengono aggiunti in modo dinamico. Devono però essere previste nei nodi mesh le funzionalità di sicurezza per autenticare l utente e proteggerne il traffico. La soluzione mesh minimizza poi i costi nell infrastruttura e d installazione grazie alle citate funzionalità di auto-configurazione, che consentono di renderla rapidamente operativa e meno costosa nella gestione. Tuttavia, le soluzioni mesh, pur avendo caratteristiche interessanti e vantaggi evidenti, presentano aspetti che, ad oggi, non sono stati ancora risolti in modo soddisfacente. Tra questi credo sia utile ricordare: l assenza di standard: i prodotti di mesh networking utilizzano spesso il set di standard o e le tecnologie sono proprietarie; questo causa però una forte dipendenza dal vendor che integra le tecnologie; il throughput, ovvero il routing dinamico e adattivo e le operazioni di multihop implicano che un nodo convogli non solo il proprio traffico, ma anche quello degli altri. La banda effettiva disponibile per un nodo può essere minore di quella disponibile dal livello radio sottostante. Diversi algoritmi sono stati impiegati, ma le installazioni risentono dell estensione ed il multi-hop è spesso limitato a 3 nodi consecutivi per i problemi legati ai protocolli utilizzati nei prodotti che non sono carrier-class; la QoS: la natura dinamica e adattiva delle reti mesh rende difficile garantire la QoS; pertanto è stata presentata nel gruppo IEEE s una proposta che introduce la QoS. 6. Il caso di Philadelphia Secondo alcune analisi pubblicate nel dicembre 2005 sul sito Muniwireless, si stima che le città e le contee americane si apprestino ad effettuare investimenti per circa 700 milioni di $, nei prossimi tre anni, per costruire reti wireless a larga banda di proprietà delle municipalità stesse. Molte di queste soluzioni sono mesh. Ad oggi almeno 300 città negli USA stanno pianificando o hanno già in fase avanzata tali progetti. Filadelfia è la città che ha, ad oggi, in progetto di realizzare la rete mesh più ambiziosa, poiché avrebbe un estensione di 135 miglia quadrate e sarebbe in grado di servire circa 1,5 milioni di residenti. L obiettivo è fornire accesso e servizi wireless Internet sia alle imprese, sia ai cittadini, attraverso la costruzione di una rete mesh. Il progetto sarà realizzato grazie alla partnership della municipalità con il provider EarthLink, che per istallare la rete mesh avrà in noleggio lampioni, dotati di antenne. Il costo sarà di 74 dollari l'uno e porterà nelle casse municipali dollari all'anno. Inoltre gli introiti di EarthLink, provenienti dalla commercializzazione dei servizi di accesso wireless, saranno decurtati del 5%, una revenue share che sarà devoluta a Wireless Philadelphia - l'organizzazione non-profit che si è occupata fin dalla prima ora del progetto - per iniziative benefiche. Ci saranno fasce sociali che avranno accesso a tariffe agevolate al servizio a circa 9 $ al mese, mentre per il comune le tariffe saranno molto scontate. L accordo con EarthLink prevede che i normali canoni commerciali ad aziende e clienti non supereranno i 20 dollari al mese, mentre il costo dell unbundling per gli OLO o ISP sarà di circa 12 dollari ad accesso. Il modello di business prevede che saranno forniti servizi di pubblica utilità che interessano il turismo, servizi per la polizia municipale, per il trasporto pubblico e per gli impiegati che lavorano in mobilità, oltre ai servizi al cittadino. Il piano attuale prevede di coprire la città di Philadelphia con una rete mesh entro giugno L obiettivo a lungo termine è coprire l intera area di Philadelphia grazie ad una rete b/g mesh che utilizzerà il WiMax come backhauling. Questa soluzione si stima che richieda da otto a sedici nodi mesh per miglia quadrata ( 7. Un modello funzionante di business mesh: Cerritos Un modello di business che è già attivo è quello di Cerritos, città della California, dove la rete municipale wireless in tecnologia mesh ha consentito di fornire, dove non disponibile, la connettività broadband a privati cittadini e aziende ed è stata realizzata e gestita privatamente, diventando così il service provider leader senza la concorrenza di operatori fissi e 3G, che hanno ritenuto troppo lungo e costoso il deployment della rete. I parteners sono Airmesh che agisce da prime contractor, possiede e gestisce la rete; Pronto Networks: per i sistemi di back end e i gateway verso la rete internet e Tropos che ha fornito 130 nodi mesh per 8,6 miglia quadrate. La connettività è equivalente ad un accesso ADSL costa circa $30/mese per utente ed è fruibile sia per strada che da casa (figura 5). 130 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 15 n. 1 - Giugno 2006

5 AUTORE AUTORE AUTORE AUTORE AUTORE Titoletto Plan Aiirmesh Home Aiirmesh In-Town Hourly Daily Weekly Connection Speed Downlink/Uplink Price/ Month $29.99* $4.99 $8.99 $17.99 $29.99* Aiirmesh BusinessPro 1 Mbps/1 mbps $249.99* * Annual contract agreement required FIGURA 5 Il caso Cerritos. 8. Alcuni esempi di reti mesh europee A Portsmouth (UK), dal 2004 i servizi di pubblica utilità sono offerti alla popolazione dalla Portsmouth Real-Time Travel Information System (PORTAL) che utilizza una rete mesh. Il sistema fornisce informazioni sulla mobilità in tempo reale ai passeggeri e viene utilizzato per gestire la congestione nei trasporti, controllare l inquinamento e migliorare il servizio di trasporto e sicurezza. Grazie ad una rete mesh cittadina viene gestita una flotta di 300 bus ed i passeggeri sono aggiornati, in tempo reale, sugli arrivi e ritardi del servizio di trasporto pubblico mediante totem dotati di video touch screen in 40 locations, qualora fossero sprovvisti di terminali. A febbraio 2006, The Cloud la maggiore rete nel nord Europa (Uk, Svezia e Germania) ha concluso un importante accordo con Tropos, uno dei principali fornitori di soluzioni mesh, per la fornitura di reti metropolitane di tale tipo in tutta Europa. In italia dopo l approvazione del decreto Landolfi, si sono attivati consorzi con alcune municipalità e anche Telecom Italia ha già in corso alcune sperimentazioni mesh integrate nelle soluzioni ICT. ABBREVIAZIONI Giovanni Gasbarrone si è laureato a pieni voti in Ingegneria Elettronica presso LOS MANET PAN PDA QoS UMTS VoIP VPN WLAN WPAN WMAN WRAN Line Of Sight Mobile Ad hoc NETwork Personal Area Network Personal Digital Assistant Quality of Service Universal Mobile Telecommunications System Voice over IP Virtual Private Network Wireless Fidelity Wireless Local Area Network Wireless Personal Area Network Wireless Metro Area Network Wireless Regional Area Network l Università degli Studi di Roma La Sapienza. Ha iniziato la sua attività in SIP (oggi Telecom Italia) nella direzione Ricerca e Sviluppo. È stato membro di diversi comitati tecnici e presidente del MOU sulle reti dati a pacchetto. Nel 1990 ha frequentato presso la Bocconi SDA i corsi aziendali di Marketing e ha seguito nel Marketing Strategico lo sviluppo della rete intelligente e radiomobile. Nella Divisione Business dal 1993, è stato responsabile dei servizi commerciali OSS, e successivamente nel Marketing si è occupato di offerte innovative. Nel 1999 è coordinatore del progetto di convergenza fisso-mobile in Telekom Austria. Nel 2000 partecipa al World Wireless Research Forum per gli aspetti architetturali dei servizi. Dal 2001 opera nel Marketing della Divisione Fonia Business e dal 2002 nel Marketing Strategico e Innovazione di Wireline dove si è occupato dei servizi di broadband wireless access ( mesh, WiMax) e dei servizi di convergenza fisso-mobile (FMC).Dal 2006 opera nella funzione Sviluppo ICT e Nuovi Servizi. NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 15 n. 1 - Giugno