NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 15 n. 1 - Giugno 2006 127

Alla scopertadelle

reti MESH

GIOVANNI GASBARRONE

1. Introduzione

L’ architettura di rete Mesh si realizza con l’in-terconnessione a maglia (mesh) dei nodi doveognuno degli elementi di rete è capace di dialogarecon gli altri tramite collegamenti diretti o attraversoaltri nodi. Questa caratteristica rende la rete menosensibile ai guasti dei collegamenti o dei nodi, poi-ché si instaurano percorsi alternativi garantendonecosì il funzionamento. Il concetto di rete mesh nonè nuovo, e trova varie applicazioni nelle architetturedelle reti di telecomunicazioni.

2. Gli standard

La wireless meshnetwork (reti magliate senzafili) identifica una particolaretopologia di rete ideata perfornire una copertura radioche consente accessi wire-less a larga banda sia inambienti limitati, come abi-tazioni ed uffici, che in areeestese come campus uni-versitari e città (figura 1).Queste reti sono general-mente realizzate con tecno-logia WiFi (Wireless Fidelity)secondo gl i standard802.11b/g.

La banda di frequenzaut i l izzata nel le ret i WiFimesh è la banda ISM nonlicenziata a 2,4 GHz. Perconsentire accessi broad-band WiFi a standard802.11b vengono utilizzateantenne omnidirezionali al

fine di garantire una copertura radio omogenea.L'area operativa del singolo access-point vienegeneralmente definita hot spot.

Il collegamento tra i nodi può essere realizzato condorsali radio tra i singoli access point in modalitàmagliata, ad esempio con lo standard 802.11g, garan-tendo così una banda di collegamento di 54 Mbit/s.Può essere anche utilizzata una frequenza di lavoronella banda a 5 GHz per evitare interferenze con idispositivi degli utenti a 2,4 Ghz. In alternativa ven-gono utilizzate antenne direttive o con angoli di irradia-mento sufficientemente stretti al fine di collegare uno opiù access point.

Il concetto di wireless mesh network, visto per lereti locali WLAN (Wireless Local area Network), si

APPROFONDIMENTI

Downtown

Apartment

House

Enterprise buildings

ShoppingMall

Mesh Router

Vehicle

FIGURA 1› Una rete WiFi mesh in ambito urbano.

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GASBARRONE • Alla scperta delle reti MESH

128 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 15 n. 1 - Giugno 2006

estende anche nell’ambito delle reti wireless PAN(Personal Area Network) che hanno una portatanettamente inferiore, dell’ordine di una decina dimetri.

L’architettura mesh viene in questo caso utiliz-zata sia per far comunicare dispositivi wireless, chesono tra loro in prossimità, costituendo così unarete ad hoc wireless PAN, come nel caso di reti dicomputer o PDA (Personal Digital Assistant), siaall’interno di una copertura radio WiFi (WLAN) rea-l izzata ad esempio per un campus o in areeurbane.

Le soluzioni mesh che si collocano nell’ambitodelle reti WLAN 802.11 si differenziano dalle WPAN(Wireless Personal Area Network) per le caratteristi-che (raggio d’azione,frequenze,velocità e potenzein gioco) e campi d’impiego che sono diversi anchein relazione al differente raggio d’azione delsegnale tipico di ogni tecnologia. Le soluzioniWPAN sono descritte nella famiglia di standard802.15.

Le tecnologie wireless si possono rappresen-tare (figura 2) in una griglia che le raggruppa pervelocità e in riferimento all’ambito d’impiego:WPAN, WLAN, WMAN (Wireless Metro AreaNetwork), WRAN (Wireless Regional Area Network).

Nell’ambito delle WLAN, le reti wireless di tipomesh, pur appartenendo alla famiglia 802.11, nonsono state ancora standardizzate: l’IEEE ha peròiniziato a lavorare attivamente, con un gruppo diesperti che si è formato nel luglio 2004, sullo stan-dard denominato 802.11s.

La soluzione di rete WiFi mesh 802.11s si basasugli standard attuali (802.11a/b/g/i) e sulle presta-zioni aggiuntive, che permettono ad ogni nodo dicollegarsi ad un altro nodo di rete, autenticarsi estabilire quindi una connessione. In questo caso larete utilizza un routing dinamico per aumentarel'efficienza e le prestazioni in base alle condizionidi traffico e alla loro evoluzione.

Recentemente è stato presentato da Intel unanuova proposta per lo standard l'802.11s che com-prende tra le prestazioni aggiuntive anche l’imple-mentazione del QoS (Quality of Service). Tramitel’implementazione del QoS, una rete mesh forniscemigliori prestazioni grazie alla gestione delle prio-rità nei servizi, che sono offerti nei tempi stabilitianche in caso di congestione.

Tornando all’analisi dello standard 802.11s, unconcetto innovativo introdotto è legato alle solu-zioni “mesh portals”, che sono apparati con funzio-nalità di gateway, in grado di connettere reti wire-less WiFi tradizionali, basate sugli standard attuali,con le reti mesh dell'802.11s. Lo standard defini-tivo dovrebbe essere approvato non prima del2007

Possiamo pertanto individuare due tipologie direti mesh:1) una rete mesh ad hoc, in cui ogni terminale

wireless con a bordo un client specifico parte-cipa alla gestione della comunicazione come sefosse un nodo della rete. I terminali in questocaso possono comportarsi anche come se fos-sero dei router;

2) una rete mesh a standard WiFi, i cui nodi sonofissi e collegati a maglia (mesh), ed i collega-menti tra i nodi avvengono tramite connessioniwireless 802.11a/h/g in modalità LOS (Line OfSight). Tale soluzione consente di utilizzare unlink radio (ad es 802.11h) per il “backhauling”,cioè per connettere i nodi, invece dei collega-menti a larga banda tradizionali (ad esempio,ADSL, HDSL) come avviene attualmente percollegare gli Hot Spot.

3. Le reti MANET (Mobile ad hoc network)

La MANET (Mobile Ad hoc NETwork) è una retedi tipo mesh con topologia dinamica che utilizzatra i nodi una soluzione radio omogenea (IEEE802.11b/g/a/h o Bluetooth). I nodi sono mobili ed icollegamenti sono di tipo dinamico. I terminali(PDA, computer o altri dispostivi ) hanno un clientsoftware a bordo in grado di creare e configurare larete a maglia (mesh) e abilitare la funzione di rou-ting tra i dispositivi che entrano in contatto. I termi-nali si collegano tra loro direttamente o in modalitàwireless multi-hop (figura 3). Risulta pertanto indi-

WRAN

802.15.4ZigBee 802.15.2

Bluetooth802.15.3

802.11WiFi

802.16WiMax

802.20

802.22

0.01 0.1 1 10 100 1000

Mbit/s

WMAN

WLAN

WPAN

WLANWMANWPANWRAN

====

Wireless Local Area NetworkWireless Metro Area NetworkWireless Personal Area NetworkWireless Regional Area Network

FIGURA 2› Famiglie di reti wireless.

Com

unicazione wireless multi-hop

Comunicazionediretta

Comunicazione

diretta

FIGURA 3› Alcuni esempi di reti MANET.

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spensabile che almeno un terminale operi comegateway, collegandosi alla rete fissa o mobile perinstradare il traffico in uscita della mesh network.

Le principali applicazioni delle reti MANET sonoper lo più relative a:• gestione delle comunicazioni in situazione d’e-

mergenza al fine di garantire un collegamento inrete a tutti i terminali o ad almeno una lista prio-ritaria di utenti (per sicurezza o necessità opera-tive);

• estensione in ambito locale della rete mobile(mancanza di copertura interna ai locali) e dellaWLAN (non è possibile installare access point intempi ridotti);

• collegamento di gruppi di lavoratori in areeindustriali;

• collegamento per scopi militari nel campo dibattaglia tra mezzi e unità di combattimento inmovimento;

• per la creazione di reti d’emergenza nei campimilitari che per le loro caratteristiche sonomobili e necessitano di rapide configurazioni.A loro volta le reti mesh MANET si prestano

anche alla creazione di soluzioni ad hoc, come lemostre, i centri congressi, i villaggi turistici, per losviluppo di applicazioni di video sorveglianza o,come abbiamo accennato sopra, per le situazionid’emergenza, in cui appunto i vari dispostivi multi-mediali vengono collegati senza una configura-zione predefinita ed in modalità dinamica. Altresituazioni in cui si applicano le reti mesh MANETriguardano le coperture di campus universitari:questo perché una rete mesh si presta bene allacopertura di aree anche estese in tempi ridotti epuò essere usata come reted’emergenza o back-up del-l’infrastruttura sia fissa chemobile.

Se pensiamo ad un’ap-pl icazione di emergenzanella rete aziendale per unguasto, dove gli apparaticome PDA o PC tentano diinstaurare delle connessioniattraverso la rete mesh, siforma quindi una costella-zione di apparati attraversola quale i PC interessati dalguasto della rete aziendaletentano di r ipr ist inarealmeno la connettività per iservizi essenziale (e-mail,web browsing e VoIP), chevengono poi a loro voltainstradat i t ramite alcunipunti di uscita della meshverso la rete mobile o fissa,solo se almeno un PC èancora connesso. Questarapidità e capacità di auto-configurarsi degli apparati èl’elemento di maggior inte-resse della soluzione meshper le reti ad hoc.

4. Possibili applicazioni su reti MANET

Affinando il concetto delle reti MANET è possi-bile immaginare che più PC possano collegarsi traloro tramite una LAN realizzata in modalità MANETe, tramite la connessione di almeno un PC ad unadelle reti 2.5/3G/WiFi/WiMax, instradare il trafficoin uscita verso l’esterno e fornire l’accesso alla retedell’azienda in VPN (Virtual Private Network) perutilizzare i servizi di Office quali e-mail, browsinginternet, IPCentrex (figura 4).

Come requisiti realizzativi è necessario avereovviamente dei client MANET su tutti i terminali, edalcuni di essi, fungendo da gateway verso la reteIP, potrebbero essere anche delle CPE WiMax(apparati dual radio WiFi e WiMax) mentre altripossono avere una scheda UMTS per instradareparte del traffico in condizioni di emergenza versola rete mobile. Quindi anche in condizioni d’emer-genza è possibile utilizzare servizi di mobile office(mail, Internet browsing, …), pur se in modalitàridotta, connettendosi ad altri terminali in modalitàMANET.

Tutto ciò permette una realizzazione veloce disedi aziendali o campus/mostre con soluzioni inte-grate IP PBX-WiFi con applicazioni che prevedonoanche servizi di security ed un’estensione dell’of-ferta di Desktop Management.

5. Le reti mesh WiFi

Nelle reti wireless WLAN di tipo mesh ogninodo (access-point WiFi ) non solo forn isce

WiFi area

IP network

• Copertura WiFi• Terminali GSM/Bluetooth UMTS/WiFi• Eventuale Infrastruttura di rete (es. MANET GW, IP PBX)

Costi Plus

• Copertura flessibile e autoconfigurante• Rete Aziendale Mobile• Unico Terminale

Rete fissaIP

dual mode che inambito outdoor

usa la copertura GSM/UMTS

ambito outdoor(copertura

GSM/UMTS)

ambito outdoor(copertura WiFi)

terminale dual modeche in ambito indoorusa la copertura WiFi

MANET

ManetGateway

WiFiGateway

GSM/GPRS/UMTS

IP PBXPSTN

WiFi

WiFi

WiFi

GPRSGSM

GWIP PBX

====

General Packet Radio ServiceGlobal System for Mobile CommunicationsGateWayInternet Protocol Private Branch Exchange

PSTNUMTS

WiFi

==

=

Public Switched Telephone NetworkUniversal Mobile TelecommunicationsSystemWireless Fidelity

FIGURA 4› Scenario reti MANET per applicazioni business.

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accesso per gli utenti collegati, ma instrada il traf-fico generato dagli altri nodi adiacenti, agendocosì come un router. Dal punto di vista applica-tivo, la funzionalità di routing implementata inogni singolo access point, permette di inoltrare iltraffico dati (pacchetti TCP/IP) secondo tabellestatiche o dinamiche configurate negli apparati direte. Questa caratteristica permette una miglioreefficienza della rete, garantendo una ridondanzadei collegamenti dal punto di vista logico (intesocome instradamento dei pacchetti TCP/IP) ed unamigliore gestione del traffico di rete. La topologiaa maglia consente poi a sua volta notevoli van-taggi sia nella gestione dei guasti, che nell’am-pliamento della rete. Alcuni di questi vantaggisono ad esempio:• le interruzioni di servizio, dovute alla caduta di

un collegamento o di un nodo, sono eliminateattraverso l’uso di algoritmi adattativi di routinge funzionalità di auto-configurazione;

• la soluzione mesh consente di aggregare glihot-spot ampliando così le aree di copertura,tramite le funzionalità di auto-discovery in casodi aggiunta dei nodi; infatti la rete è in grado diorganizzarsi riconoscendo i nodi che vengonoaggiunti in modo dinamico.Devono però essere previste nei nodi mesh le

funzionalità di sicurezza per autenticare l’utente eproteggerne il traffico. La soluzione mesh mini-mizza poi i costi nell’infrastruttura e d’installazionegrazie alle citate funzionalità di auto-configura-zione, che consentono di renderla rapidamenteoperativa e meno costosa nella gestione. Tuttavia,le soluzioni WiFi mesh, pur avendo caratteristicheinteressanti e vantaggi evidenti, presentano aspettiche, ad oggi, non sono stati ancora risolti in modosoddisfacente. Tra questi credo sia utile ricordare:• l ’assenza di standard: i prodott i d i mesh

networking utilizzano spesso il set di standard802.11 o 802.15 e le tecnologie sono proprieta-rie; questo causa però una forte dipendenza dalvendor che integra le tecnologie;

• il throughput, ovvero il routing dinamico e adat-tivo e le operazioni di multihop implicano cheun nodo convogli non solo il proprio traffico, maanche quello degli altri. La banda effettivadisponibile per un nodo può essere minore diquella disponibile dal livello radio sottostante.Diversi algoritmi sono stati impiegati, ma leinstallazioni risentono dell’estensione ed ilmulti-hop è spesso limitato a 3 nodi consecutiviper i problemi legati ai protocolli utilizzati neiprodotti che non sono carrier-class;

• la QoS: la natura dinamica e adattiva delle retimesh rende difficile garantire la QoS; pertanto èstata presentata nel gruppo IEEE 802.11s unaproposta che introduce la QoS.

6. Il caso di Philadelphia

Secondo alcune analisi pubblicate nel dicembre2005 sul sito Muniwireless, si stima che le città e lecontee americane si apprestino ad effettuare inve-

stimenti per circa 700 milioni di $, nei prossimi treanni, per costruire reti wireless a larga banda diproprietà delle municipalità stesse. Molte di questesoluzioni sono WiFi mesh. Ad oggi almeno 300città negli USA stanno pianificando o hanno già infase avanzata tali progetti. Filadelfia è la città cheha, ad oggi, in progetto di realizzare la rete WiFimesh più ambiziosa, poiché avrebbe un’estensionedi 135 miglia quadrate e sarebbe in grado di servirecirca 1,5 milioni di residenti. L’obiettivo è fornireaccesso e servizi wireless Internet sia alle imprese,sia ai cittadini, attraverso la costruzione di una retemesh. Il progetto sarà realizzato grazie alla partner-ship della municipalità con il provider EarthLink,che per istallare la rete WiFi mesh avrà in noleggio4.000 lampioni, dotati di antenne WiFi. Il costo saràdi 74 dollari l'uno e porterà nelle casse municipali300.000 dollari al l 'anno. Inoltre gl i introit i diEarthLink, provenienti dalla commercializzazionedei servizi di accesso wireless, saranno decurtatidel 5%, una revenue share che sarà devoluta aWireless Philadelphia - l'organizzazione non-profitche si è occupata fin dalla prima ora del progetto -per iniziative benefiche. Ci saranno fasce socialiche avranno accesso a tariffe agevolate al servizioWiFi a circa 9 $ al mese, mentre per il comune letariffe saranno molto scontate. L’accordo conEarthLink prevede che i normali canoni commer-ciali ad aziende e clienti non supereranno i 20 dol-lari al mese, mentre il costo dell’unbundling per gliOLO o ISP sarà di circa 12 dollari ad accesso. Ilmodello di business prevede che saranno fornitiservizi di pubblica utilità che interessano il turismo,servizi per la polizia municipale, per il trasportopubblico e per gli impiegati che lavorano in mobi-lità, oltre ai servizi al cittadino. Il piano attuale pre-vede di coprire la città di Philadelphia con una reteWiFi mesh entro giugno 2006. L’obiettivo a lungotermine è coprire l’intera area di Philadelphia graziead una rete 802.11b/g mesh che utilizzerà il WiMaxcome backhauling. Questa soluzione si stima cherichieda da otto a sedici nodi WiFi mesh per migliaquadrata (www.phila.gov/wireless/briefing.html).

7. Un modello funzionante di business WiFi mesh:Cerritos

Un modello di business che è già attivo è quellodi Cerritos, città della California, dove la rete muni-cipale wireless in tecnologia mesh ha consentito difornire, dove non disponibile, la connettività broad-band a privati cittadini e aziende ed è stata realiz-zata e gestita privatamente, diventando così il ser-vice provider leader senza la concorrenza di opera-tori fissi e 3G, che hanno ritenuto troppo lungo ecostoso il deployment della rete. I parteners sonoAirmesh che agisce da prime contractor, possiedee gestisce la rete; Pronto Networks: per i sistemi diback end e i gateway verso la rete internet eTropos che ha fornito 130 nodi WiFi mesh per 8,6miglia quadrate. La connettività è equivalente adun accesso ADSL costa circa $30/mese per utenteed è fruibile sia per strada che da casa (figura 5).

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8. Alcuni esempi di reti WiFi mesh europee

A Portsmouth (UK), dal 2004 i servizi di pub-blica utilità sono offerti alla popolazione dalla“Por tsmouth Rea l -Time Trave l In format ionSystem” (PORTAL) che uti l izza una rete WiFimesh. Il sistema fornisce informazioni sulla mobi-lità in tempo reale ai passeggeri e viene utilizzato

per gestire la congestionenei t rasport i , control larel’inquinamento e migliorarei l serv iz io di t rasporto esicurezza. Grazie ad unarete WiFi mesh cit tadinaviene gestita una flotta di300 bus ed i passegger isono aggiornati, in temporeale, sugli arrivi e ritardidel serv iz io d i t rasportopubblico mediante totemdotat i d i v ideo touchscreen in 40 locat ions,qualora fossero sprovvistidi terminali WiFi.

A febbra io 2006, TheCloud la maggiore re teWiFi nel nord Europa (Uk,Svezia e Germania) ha con-c luso un impor tanteaccordo con Tropos, uno

dei principali fornitori di soluzioni WiFi mesh, perla fornitura di reti metropolitane di tale tipo intutta Europa. In italia dopo l’approvazione deldecreto Landolfi, si sono attivati consorzi conalcune municipalità e anche Telecom Italia ha giàin corso alcune sperimentazioni WiFi mesh inte-grate nelle soluzioni ICT.

Plan

Aiirmesh HomeMonthly

Aiirmesh In-TownHourlyDailyWeeklyMonthly

Aiirmesh BusinessProMonthly

Connection SpeedDownlink/Uplink

512 kbps/256 kbps

512 kbps/256 kbps512 kbps/256 kbps512 kbps/256 kbps512 kbps/256 kbps

1 Mbps/1 mbps

Price/Month

$29.99*

$4.99$8.99$17.99$29.99*

$249.99*

* Annual contract agreement required

FIGURA 5› Il caso Cerritos.

LOS Line Of SightMANET Mobile Ad hoc NETworkPAN Personal Area NetworkPDA Personal Digital AssistantQoS Quality of ServiceUMTS Universal Mobile Telecommunications SystemVoIP Voice over IPVPN Virtual Private NetworkWiFi Wireless FidelityWLAN Wireless Local Area NetworkWPAN Wireless Personal Area NetworkWMAN Wireless Metro Area NetworkWRAN Wireless Regional Area Network

— ABBREVIAZIONI Giovanni Gasbarrone si è laureato apieni voti in Ingegneria Elettronica pressol ’Un ive rs i tà deg l i S tud i d i Roma “LaSapienza”. Ha iniziato la sua attività in SIP(oggi Telecom Italia) nella direzione “Ricercae Sv i luppo”. È s ta to membro d i d ivers icomitati tecnici e presidente del MOU sullere t i da t i a pacchet to . Ne l 1990 hafrequentato presso la Bocconi SDA i corsiaz ienda l i d i Market ing e ha segui to ne l

Market ing Strategico lo sv i luppo del la rete inte l l igente eradiomobi le. Nel la Div is ione Business dal 1993, è statoresponsabile dei servizi commerciali OSS, e successivamentenel Marketing si è occupato di offerte innovative. Nel 1999 ècoordinatore del progetto di convergenza f isso-mobi le inTe lekom Aust r ia . Ne l 2000 par tec ipa a l Wor ld W i re lessResearch Forum per gli aspetti architetturali dei servizi . Dal2001 opera nel Marketing della Divisione Fonia Business e dal2002 nel Marketing Strategico e Innovazione di Wireline dove siè occupato dei servizi di “broadband wireless access” (WiFimesh, WiMax) e dei serv iz i d i convergenza f isso-mobi le(FMC).Dal 2006 opera nella funzione Sviluppo ICT e NuoviServizi.

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