CAPITOLO 2
LE RETI MANET
2.1 LE RETI AD-HOC
Le reti “auto-organizzanti” o “reti ad-hoc” sono costituite da nodi autonomi che collaborano tra loro tramite lo scambio di messaggi. Esistono 2 tipi di reti ad-hoc[127]:
• reti ad-hoc statiche
• reti ad-hoc dinamiche o mobili
Nelle reti ad-hoc statiche la posizione dei nodi non cambia. Un nodo, dopo essere entrato a far parte della rete, rimane nella stessa posizione geografica senza subire variazioni.
Nelle reti ad-hoc mobili invece, i nodi sono liberi di muoversi anche dopo essere entrati a far parte della rete. Generalmente le reti ad-hoc mobili sono chiamate MANET. Una MANET quindi è costituita da un insieme di nodi mobili che formano tra loro una rete con capacità di scambio di messaggi senza ausilio di infrastrutture preesistenti [122].
2. 2 LE MANET
Le MANET (Mobile Ad-hoc Network) costituiscono un sistema di nodi dotati di mobilità e capacità di organizzazione dinamica in reti o sottoreti con topologie arbitrarie, reti che permettono le comunicazioni wireless tra nodi senza l'ausilio di
infrastrutture fisse preesistenti[22].
Ogni nodo, per poter effettuare broadcast di messaggi, è equipaggiato con antenne omnidirezionali e da antenne direzionali per la comunicazione point-to-point. Entrambi i tipi di antenne hanno la capacità di ridurre o aumentare il raggio d’azione in base al numero di nodi presente in una data area geografica.
Caratteristica principale in questo tipo di architettura è che i nodi svolgono anche funzioni di routing per messaggi destinati ad altri.
Il traffico di rete nelle MANET e nelle reti non-infrastrutturate denota differenze rispetto al traffico che delle reti infrastrutturate:
• Alta mobilità dei nodi: Nelle MANET la topologia di rete è altamente
mutabile nel tempo quindi, deve essere in grado di poter gestire tale mobilità utilizzando tecniche di adattamento delle condizioni di propagazione dei messaggi, in modo da ottenere la migliore copertura geografica del segnale ed evitando la formazione di zone d'ombra (zone non coperte dal raggio d’azione dei nodi) o zone di ipercopertura (zone più volte coperte dal raggio d'azione delle antenne dei nodi).
• Assenza del controllo e della gestione della rete: Data l’assenza di
infrastrutture fisse, nelle MANET la gestione ed il controllo della rete è distribuita tra i vari nodi, i quali, devono farsi carico sia del routing che della sicurezza della comunicazione.
• Problema del terminale Esposto/Nascosto: Il problema del terminale
esposto si ha quando cui due nodi con visibilità diretta intendono comunicare con altri nodi esterni che non interferiscono tra loro. Uno dei due nodi non può iniziare la comunicazione (anche se potrebbe), in quanto dai test sul canale da esso effettuati, risulta occupato dalla comunicazione dell'altro nodo avviando quindi una procedura di back-off.
Il problema del terminale nascosto invece si ha quando due nodi che non sono in visibilità diretta tra loro provano ad usare il canale di comunicazione contemporaneamente. Ciò determina collisioni di pacchetti sul nodo ricevente con la conseguente perdita delle informazioni contenute all'interno dei messaggi inviati.
• Utilizzo del protocollo CSMA-CA: Nelle reti cablate la tecnica usata per la
comunicazione è la CSMA-CD (Carrier Sense Multiple Access-Collision Detected) dove nessun host può iniziare una trasmissione se il canale occupato da un'altra trasmissione.
Nelle reti cablate, se un host è in fase di trasmissione, tutti gli altri host sono in grado di ascoltare la trasmissione quindi è possibile regolare la turnazione della trasmissione con la tecnica delle attese o back-off.
Il CSMA-CD sta alla base di diversi protocolli di accesso al mezzo nelle reti a commutazione di pacchetto. Tale protocollo si potrebbe applicare alle reti wireless se tutti gli host riuscissero a sentirsi tra loro, ossia nel caso in cui il raggio di trasmissione di ogni host fosse grande a sufficienza da coprire l'intera area di dislocazione degli altri host. In realtà questa è un'ipotesi ideale, non riscontrabile nella realtà a causa dei raggi limitati delle antenne e della scarsa affidabilità del segnale propagato da esse. Tali limitazioni rendono inapplicabile il protocollo CSMA-CD in questo tipo di reti quindi, si opta per l'uso del protocollo CSMA-CA. In questo protocollo, il terminale che vuole trasmettere dati ad un altro, prima manda un messaggio al destinatario per informarlo, quindi attende la sua risposta che dà il via libera alla trasmissione. Per risolvere il problema delle collisioni dei messaggi inviati da due o più stazioni contemporaneamente, ogni stazione può ritrasmettere il messaggio solo dopo esser passato un certo tempo casuale.
Le reti MANET oltre a far comunicare i nodi fra di loro, devono essere in grado di comunicare con altri tipi di rete, specie quelle basate su indirizzi IP fissi.
Questa necessità nasce dall'esigenza di avere l'interoperabilità con le altre reti. Ad esempio, può essere necessario far interagire le MANET con delle reti GSM[123], UMTS[124], WLAN[125] o altro scenario ancora, la realizzazione di nuovi servizi.
Un importante problema legato alle reti Ad-hoc è quella del risparmio energetico, tuttavia ci sono particolari MANET in cui questo requisito non riveste un ruolo di primaria importanza.
alimentati dalle batterie delle vetture. Tali batterie costituiscono una fonte di alimentazione inesauribile dato che vengono ricaricate continuamente ogni volta all'accensione del veicolo.
Tuttavia, il controllo della potenza di trasmissione dei dispositivi radio continua ad essere importante per la modifica della topologia della rete con le variazioni dell'ampiezza del raggio di trasmissione delle antenne e per limitare i fenomeni di interferenza.
Ipotizziamo una situazione in cui un veicolo viaggi in autostrada e sia dotato di un dispositivo di trasmissione a raggio fisso pari ad 1 Km (ipotesi che garantisce una buona connettività alla rete veicolare).
In prossimità di una città, il veicolo è costretto a scambiare messaggi con un grande numero di nodi dato che nel raggio d'azione della propria antenna rientrano numerosi veicoli. Infatti, la densità di veicoli nelle città è molto più alta rispetto a strade extraurbane o autostrade.
La possibilità di variare il raggio d'azione delle antenne può portare dei benefici alle VANET. Un uso oculato della potenza delle antenne radio ha come conseguenza una riduzione delle interferenze ed un guadagno nella trasmissione.
Nell'esempio sopra descritto, se il veicolo fosse stato equipaggiato con un'antenna con variazione di raggio, una buona soluzione sarebbe stata quella di ridurre il raggio di trasmissione non appena il veicolo fosse prossimità della città riducendo in tal modo, il traffico di rete tra il veicolo e i suoi vicini.
Essendo le MANET delle reti di tipo wireless, il mezzo fisico di comunicazione adottato è quello radio. Questo mezzo è soggetto a diversi problemi, essi possono essere ad esempio disturbi nel segnale di trasmissione causati da rifrazioni e diffrazioni delle onde radio, disturbi spesso causati da conformazioni ambientali, raggi di trasmissione dei nodi della rete limitati e non perfettamente ben distribuiti nel territorio e così via. Questi problemi comunque sono ampiamente studiati in letteratura, vedi [133, 134, 135].
Infine, le reti MANET devono tener conto del QoS[128] (Quality of Service). Il QoS ha come scopo la realizzazione di una comunicazione deterministica tra due o più nodi facendo in modo che alcuni parametri quali riduzione di pacchetti ridondanti, migliore sfruttamento della banda e minimizzazione della perdita di
pacchetti trasmessi vengano rispettati ed ottimizzati nel miglior modo possibile. Nelle reti infrastrutturate, gli algoritmi di QoS operano in diversi strati della pila protocollare. Tali algoritmi vengono ampiamente aiutati da un buon layer fisico che assicura una bassa percentuale di errori nella trasmissione/ricezione dei pacchetti.
Nelle MANET garantire la QoS è un compito più arduo da raggiungere a causa dei seguenti motivi:
1. Il layer fisico è soggetto ad un alto tasso di errori di trasmissione e di ricezione causato dall'ambiente fisico.
2. La presenza sul mercato di un alto numero di tecnologie wireless eterogenee crea scenari in cui i nodi possono essere dotati di dispositivi (antenne, ricevitori gps, etc.) diversi tra loro creando difficoltà nelle comunicazioni. I continui studi effettuati sulle MANET rendono l' ambiente molto dinamico e molto eterogeneo, ogni tecnologia quindi dovrà essere dotata di un layer a livello MAC che supporti un servizio di QoS che necessariamente dovrà essere flessibile[136].
2.3 PROBLEMA DEL TERMINALE ESPOSTO E NASCOSTO
Le reti MANET così come le reti wireless sono soggette al problema del terminale esposto e quello del terminale nascosto.
2.3.1 Il problema del Terminale esposto
Illustreremo il problema con riferimento alla figura 2.1.
Figura 2.1: Esempio di problematiche relative al terminale esposto. B A C D
In figura 2.1 sono presenti 4 terminali denominati A B C e D, dove i terminali B e C hanno una zona di copertura comune mentre i terminali A e D non percepiscono la loro presenza o perché situati al di fuori della portata dei rispettivi raggi trasmissione o per altri motivi. Supponiamo che il terminale B inizi una trasmissione con il terminale A dopo essersi appurato della disponibilità del canale e supponiamo che allo stesso istante il terminale C voglia iniziare una trasmissione con il terminale D. C effettua un controllo sulla disponibilità del canale. Il canale non risulta disponibile dato che C riceve anche i pacchetti che A sta inviando a B. C quindi avvia la procedura di Back-off.
In questo caso è facile notare che la comunicazione tra terminali C e D potrebbe invece essere possibile dato che C non interferirebbe con la trasmissione tra i terminali B ed A, quindi si viene a creare un blocco inutile della trasmissione tra 2 terminali con conseguente deterioramento delle prestazioni.
2.3.2 Il problema del Terminale nascosto
Illustreremo il problema con riferimento alla (Fig. 2.2).
Il problema è illustrato in figura 2.2 dove i 4 terminali denominati A B C e D, sono in una situazione analoga alla figura 1.1.
Supponiamo che il terminale A dopo aver appurato la disponibilità del canale Figura 2.2: Esempio di problematiche relative al terminale nascosto. Il terminale B
D B
C A
inizia una trasmissione verso il terminale B. Subito dopo, supponiamo che il terminale C voglia iniziare una trasmissione verso il terminale D. C effettua un test sul canale, pur accorgendosi della non disponibilità del canale inizia lo stesso la sua trasmissione.
In questo caso siamo in presenza di continue collisioni tra pacchetti nel terminale B, terminale che in condizioni normali non è in grado di gestire le collisioni e dunque di ricevere correttamente il pacchetto inviatogli da A.
