Progetto della Rete

Prima di acquistare del materiale o di decidersi sulla piattaforma hardware da adottare, occorre farsi una chiara idea sulla natura del problema di comunicazione. Probabilmente, state leggendo questo libro perché intendete collegare tra loro reti di computer, al fine di condividere risorse fino a raggiungere la più estesa Internet. Il progetto di rete che scegliete di realizzare dovrà rispondere alle esigenze di comunicazione che state tentando di soddisfare. Dovete connettere un sito remoto ad una connessione Internet nel centro del vostro campus universitario? La vostra rete potrà presumibilmente crescere, fino ad includere diversi siti remoti? La maggior parte dei vostri componenti di rete sarà installata in postazioni fisse, o la vostra rete si espanderà fino a comprendere centinaia di portatili ed altri dispositivi che migrano da una cella all'altra?

Quando si affronta un problema complesso, si rivela spesso utile tracciare un grafico delle risorse a disposizione e del problema. In questo capitolo, daremo un'occhiata alle modalità che altre persone hanno scelto per costruire reti wireless in grado di soddisfare le proprie esigenze di comunicazione, comprendendo anche i diagrammi essenziali delle strutture di reti. Procederemo quindi con l'affrontare i concetti di networking che definiscono la suite TCP/IP, ovvero il principale linguaggio del networking che si impiega su Internet. Dimostreremo diversi metodi ormai comuni per ottenere che l'informazione fluisca efficacemente attraverso la vostra rete verso il resto del mondo.

Progettare la rete fisica

Potrebbe sembrare bizzarro parlare della rete "fisica" quando si costruiscono reti wireless. Dopo tutto, dov'è la parte fisica della rete? Nelle reti wireless, il mezzo fisico che impieghiamo per la comunicazione è, ovviamente, l'energia elettromagnetica. Ma nel contesto di questo capitolo, il termine "rete fisica" intende riferirsi al banale concetto di dove mettere le cose. Dove sistemare l'attrezzatura, in modo che sia possibile raggiungere i client wireless? Sia che si intenda coprire l'area di un edificio o che si intenda coprire diversi chilometri, le reti wireless sono suddivise in queste tre configurazioni logiche:

• collegamenti punto-punto (point-to-point links)

• collegamento punto-multipunto (point-to-multipoint links)

• reti multipunto-multipunto (multipoint-to-multipoint clouds)

La struttura di rete fisica da adottare dipenderà dalla natura del problema che si intende risolvere. Mentre parti differenti della rete possono sfruttare ognuna delle citate configurazioni, ogni singolo collegamento ricadrà in una delle tre tipologia sopra riportate. L'applicazione di ciascuna di tali tipologie è meglio spiegata con degli esempi.

Punto-Punto

Collegamenti punto-a-punto (Point-to-point links) garantiscono, tipicamente, una connessione Internet dove l'accesso non sia altrimenti disponibile. Ad un capo di tale collegamento verrà offerta la connessione ad Internet, mentre all'altro estremo Internet viene connessa. Per esempio, una università può disporre di una connessione veloce di tipo frame relay o VSAT al centro del campus, ma non può permettersi lo stesso tipo di connessione per un edificio distaccato. Se l'edificio principale gode di una visuale libera verso il sito distaccato, una connessione punto-a-punto può essere impiegata per connettere assieme i due edifici. Con tale accorgimento, si possono estendere come capacità, od addirittura sostituire, i collegamenti di tipo telefonico già esistenti. Con antenne adatte e visuale libera, sono possibili collegamenti affidabili punto-a-punto anche oltre i trenta chilometri.

Naturalmente, una volta che una connessione punto-punto è stata messa in piedi, altre connessioni possono essere impiegate per estendere la rete ulteriormente. Se l'edificio distaccato del nostro esempio è in cima ad una collina, può essere in visibilità di altre importanti aree che non sarebbero direttamente visibili dal campus centrale. Installando un secondo collegamento punto-punto sul sito remoto, un altro nodo può raggiungere la rete e far così uso della connessione centrale verso Internet.

I collegamenti punto-punto non devono, necessariamente, riguardare l'accesso ad Internet. Supponiamo per esempio di dover condurre una stazione di monitoraggio ambientale, su di una collina, con lo scopo di raccogliere i dati che questa registra nel tempo. Si potrebbe connettere il sito con un collegamento punto-punto, permettendo la raccolta dati ed il monitoraggio in tempo reale, senza la necessità di portarsi fisicamente sul posto. Le reti wireless assicurano sufficiente banda per portare grandi quantità di dati (compresi audio e video) tra due punti che siano tra loro connessi, anche se mancano di allacciamento diretto ad Internet.

Punto-multipunto

La seconda disposizione di rete maggiormente diffusa è la punto-multipunto (point-to-multipoint). Ove diversi nodi sono in connessione con un punto centrale di accesso, questa è un'applicazione del punto-multipunto. Il classico esempio di una configurazione punto-multipunto è l'impiego di un punto di accesso wireless che garantisce la connessione a diversi laptop. I laptop non comunicano direttamente tra di loro, ma devono rimanere nel raggio di azione dell'access-point per poter usare la rete.

Il networking punto-multipunto può anche applicarsi al precedente esempio dell'università. Si supponga che l'edificio distaccato sulla cima della collina sia connesso al campus centrale con un collegamento punto-punto. Piuttosto che tirare su diversi collegamenti punto-punto per distribuire l'accesso ad Internet, può venir impiegata un'unica antenna che sia visibile dai diversi edifici lontani. Questo è un classico esempio di una connessione punto (sito distaccato sulla collina) -multipunto (molti edifici nella valle sottostante) su area estesa.

Si osservi come sussistano limiti nelle prestazioni di collegamenti punto-multipunto su distanze molto estese, limiti che verranno discussi più avanti nel capitolo. Questi collegamenti sono possibili ed utili in diverse situazioni, ma si eviti di ricadere nel classico errore di installare un singolo traliccio radio ad alta potenza nel bel mezzo della città, con la pretesa di portare il servizio a migliaia di utenti, così come si potrebbe invece fare per una stazione radio FM. Come si vedà più avanti, le reti di dati si comportano in modo decisamente differente dalle trasmissioni della radio.

Multipunto-multipunto

Il terzo tipo di configurazione di rete è quello multipunto-multipunto, definito anche rete ad-hoc o mesh. In una rete multipunto-multipunto, non c'è un'autorità centrale. Ogni nodo sulla rete si prende carico del traffico di ogni altro nodo, secondo necessità, ed ogni nodo comunica direttamente con ogni altro.

I vantaggi di tale configurazione di rete risiedono nel fatto che, anche se nessuno dei nodi fosse in contatto con l'access point centrale, questi potrebbero comunque comunicare tra loro. Le realizzazioni a regola d'arte di reti mesh sono auto-riconfiguranti, nel senso che riescono a riconoscere automaticamente i problemi di routing e riescono a risolverli nel modo opportuno. Estendere una rete mesh è semplice come aggiungere nuovi nodi. Se uno dei nodi nella "nuvola" si trova ad essere un gateway (varco) verso Internet, allora l'accesso può essere condiviso tra tutti i client presenti.

Due gravi svantaggi di tale tipologia sono la complessità crescente e la bassa prestazione. Anche la sicurezza, in una rete simile, rappresenta un serio problema, poiché ogni singolo partecipante può, potenzialmente, prendersi carico del traffico di ogni altro. Reti multipunto-multipunto tendono ad essere complicate nella diagnostica dei problemi, a causa del grande numero di variabili che insorgono quando i nodi cambiano di posizione. Le reti multipunto-multipunto, tipicamente, non dispongono della stessa capacità di reti punto-punto o punto-multipunto, a causa dell'overhead supplementare necessario per il routing della rete e della più serrata competizione per l'impiego dello spettro elettromagnetico.

Tuttavia, le reti a maglia (mesh networks) sono utili in diverse situazioni. Alla fine di questo capitolo, vedremo un esempio di come rendere attiva una rete a maglia multipunto-multipunto impiegando un protocollo di routing chiamato OLSR.

Impiega la tecnologia che risolve il problema

Tutti questi progetti di rete possono essere usati per complementarsi a vicenda in una rete più grande, e possono ovviamente far uso delle tradizionali tecniche di una rete su cavo, ove possibile. Si fa infatti comunemente ricorso ad un collegamento wireless a lunga distanza per assicurare l'accesso Internet ad una postazione remota, impiegando poi un access point su tale postazione per garantire l'accesso a livello locale. Uno dei client di questo access point può poi, a sua volta, comportarsi come nodo di maglia, permettendo alla rete di espandersi tra gli utenti dei laptop che, alla fine, usano tutti il collegamento punto-punto originale per aver accesso ad Internet.

Ora che è stata fornita una chiara idea sul modo con cui vengono tipicamente impostate le reti wireless, si può iniziare a comprendere come sia possibile la comunicazione attraverso tali reti.

La rete logica

La comunicazione diventa realizzabile solo quando i partecipanti impiegano un linguaggio comune. Quando però la comunicazione diventa più complessa che una semplice radio-diffusione, il protocollo acquista un'importanza pari a quella del linguaggio. Tutte le persone in un auditorium possono parlare lo stesso Inglese, ma in assenza di regole per stabilire chi abbia diritto di prendere il microfono, la comunicazione delle idee di un singolo individuo all'intera platea diventa praticamente impossibile. Si immagini ora un auditorium che si estenda al mondo intero, ove siano compresi tutti i computer esistenti. Senza un insieme di protocolli di comunicazione comuni per regolare quando e come un computer possa prendere la parola, Internet sarebbe solo una disordinata confusione, dove tutte le macchina provano a parlare nello stesso momento.

TCP/IP si riferisce alla suite di protocolli che permettono la realizzazione delle conversazioni sull'Internet globale. Se si comprende TCP/IP, si possono costruire reti in grado di crescere praticamente a qualsiasi dimensione, per arrivare a diventare parte, alla fine, dell'Internet globale.

Il modello TCP/IP

Le reti di dati sono spesso descritte come costituite su strati diversi. Ogni strato dipende dalle operazioni condotte da tutti gli strati sottostanti, prima che la comunicazione possa aver luogo, ma ogni strato scambia i dati solo con lo strato superiore o con quello inferiore ad esso. Il modello TCP/IP delle reti descrive cinque strati, come evidenziato dal diagramma sotto riportato:

La precedente sezione sulla configurazione della rete descriveva il primo strato: lo strato fisico. Si tratta del mezzo fisico sul quale la comunicazione ha luogo. Può essere un cavo di rame di tipo CAT5, un fascio di fibre ottiche, onde radio, od anche un altro mezzo.

Lo strato soprastante è chiamato strato data link. Quando due o più nodi condividono lo stesso mezzo fisico (per esempio, diversi computer attestati ad un hub, od una sala piena di laptop che usano tutti lo stesso canale radio), essi usano lo strato data link per determinare a chi spetti trasmettere sul mezzo. Esempi comuni di protocolli di data link sono Ethernet, il Token Ring, l'ATM, ed i protocolli di rete wireless (802.11a/b/g). Le comunicazioni su questo strato sono definite link locali, poichè tutti i nodi connessi su questo strato possono comunicare direttamente l'uno con l'altro. Sulle reti che assumono Ethernet come modello di riferimento, i nodi vengono distinti sulla base del proprio indirizzo MAC, che è un numero univoco di 48 bit assegnato ad ogni periferica di rete dal suo costruttore.

Appena sopra dallo strato data link c'è lo strato Internet. Per il TCP/IP, questo è detto Internet Protocol (IP). Sullo strato Internet, i pacchetti possono lasciare la rete del collegamento locale per essere ritrasmessi su altre reti. I router prendono in carico questa funzione su una rete, disponendo di almento due interfacce di rete, una per ogni rete che devono interconnettere. I nodi su Internet sono raggiungibili grazie al loro IP address, che è globalmente unico.

Diventato possibile il routing su Internet, si rende ora necessario raggiungere un particolare servizio disponibile presso un indirizzo IP dato. La funzione è soddisfatta dallo strato successivo, lo strato di trasporto. TCP ed UDP sono classici esempi di strati di trasporto. Alcuni protocolli dello strato di trasporto (come TCP) assicurano che tutti i dati arrivino a destinazione, siano riassemblati e quindi consegnati allo strato superiore, nell'ordine previsto.

Alla fine, sulla cima della pila si trova lo strato applicativo. È lo strato che si interfaccia con la maggior parte degli utenti della rete, ed è a livello di questo strato che avviene la comunicazione per le persone. HTTP, FTP e SMTP sono tutti protocolli dello strato applicativo. La persona si pone al di sopra di tutti questi strati, e non deve conoscere praticamente nulla di tutti gli strati sottostanti, per impiegare in modo efficace la rete.

Un modo per riconoscere il modello TCP/IP può essere quello che prevede una persona che intenda consegnare una lettera ad un ufficio in un palazzo del centro. Occorre prima interagire con la stessa strada (lo strato fisico), prestare attenzione al traffico che altri conducono sulla strada (lo strato data-link), giungere al posto giusto per immettersi su altre strade ed arrivare all'indirizzo giusto (lo strato Internet), portarsi al piano giusto ed al corretto numero di stanza (lo strato di trasporto), e finalmente trovare il destinatario o un commesso che possa prendere in carico la lettera (lo strato applicativo). I cinque strati possono facilmente essere ricordati usando il trucco mnemonico "Forse Domani Incontrerò Tue Amiche", che naturalmente ricorda: " Fisico / Data-link / Internet / Trasporto / Applicativo."

reti wireless 802.11

Prima che i pacchetti possano essere inoltrati ed instradati su Internet, il primo strato (quello fisico) ed il secondo (quello data link) devono essere connessi. Senza connessione sul collegamento locale, i nodi della rete non possono comunicare tra di loro, né possono instradare pacchetti.

Per garantire connessione fisica, le periferiche wireless devono operare nella stessa finestra dello spettro radio. Come si è visto nel capitolo 2, ciò significa che le radio 802.11a potranno comunicare con altre radio 802.11a sulla banda dei 5GHz, mentre le radio 802.11b/g comunicheranno con altre radio 802.11b/g sulla banda dei 2.4 GHz. Ma una periferica 802.11a non potrà colloquiare con una periferica 802.11b/g, poichè usano segmenti completamente diversi dello spettro elettromagnetico.

In modo più specifico, le schede wireless devono accordarsi su un canale comune. Se una scheda radio 802.11b è impostata sul canale 2 mentre un'altra è impostata sul canale 11, le due radio non comunicheranno tra di loro.

Quando due schede wireless sono configurate per impiegare lo stesso protocollo sullo stesso canale radio, sono allora pronte per negoziare la connettività sullo strato data link. Ogni periferica 802.11a/b/g può lavorare in uno dei quattro possibili modi:

1. Master mode (altrimenti chiamato AP or modo infrastruttura) è usato per rendere disponibile un servizio simile ad un access point tradizionale. La scheda wireless crea una rete con un nominativo specifico (chiamato SSID) ed un proprio canale, ed offre servizi di rete su questo. Posta in modo master, la carta wireless governa tutte le comunicazioni relative alla rete (autenticando i client wireless, gestendo le contese sul canale, ripetendo i pacchetti, etc.). Le schede wireless poste in modo master possono comunicare solo con altre schede che le siano associate in modalità managed (gestita).

2. Managed mode viene talvolta chiamato client mode. Le schede wireless poste in managed mode si aggregheranno a reti create da un master, e provvederanno automaticamente a reimpostare il proprio canale di lavoro per adeguarsi al canale del master. Provvederanno quindi a presentare ogni credenziale necessaria al master, e se queste credenziali saranno accettate, queste schede verranno definite associate (associated) al master. Le schede in Managed mode non comunicano direttamente tra di loro, ma comunicano solo con il master loro associato.

3. Ad-hoc mode crea reti multipunto-multipunto dove non è presente un signolo nodo master, od Access Point. Nel modo ad-hoc, ogni scheda wireless comunica direttamente con i propri vicini. I nodi devono essere nel raggio d'azione di ogni altro nodo corrispondente per comunicare, e devono accordarsi sul nome della rete e sul canale da impiegare.

4. Monitor mode è impiegato da alcuni strumenti (come Kismet, vedasi al capitolo sei) che ascoltano passivamente il traffico presente su un dato canale. Quando sono in Monitor Mode, le schede wireless non trasmettono dati. Tale caratteristica è importante per analizzare problemi su un collegamento wireless o per osservare l'impiego dello spettro elettromagnetico in una zona locale. Il Monitor Mode non è usate per le normali comunicazioni.

Nella realizzazione di un collegamento punto-punto o punto-multipunto, una radio dovrà tipicamente operare in Master Mode, mentre le altre verranno poste in Managed Mode. In una rete multipunto-multipunto, le radio opereranno tutte in modalità ad-hoc, sì che possano comunicare direttamente una con le altre.

È importante mantenere queste modalità in mente quando si progettano le configurazioni di rete. Si ricordi come i client in Managed Mode non possano comunicare direttamente gli uni con gli altri, sì da rendere probabile l'impiego in un sito ripetitore a maggiore altezza che sia in Master Mode o Ad-Hoc Mode. Come si vedrà più avanti nel capitolo, il modo Ad-Hoc è più flessibile ma presenta maggiori problemi di prestazioni, rispetto al Master Mode ed al Managed Mode.

Ora che le schede wireless garantiscono connettività sia nello strato fisico che in quello data-link, sono in grado di cominciare a trasferire i pacchetti sul terzo strato, lo strato internetworking.

reti Internet

Indirizzi IP, indirizzamento di rete, routing e forwarding sono tutti concetti importanti e correlati nell'ambito delle reti Internet. Un indirizzo IP è un identificatore per un nodo di rete quale un PC, un server, un router od un bridge. Indirizzamento di Rete è il sistema impiegato per assegnare tali identificatori raggruppandoli in gruppi significativi. Il Routing tiene traccia di dove questi gruppi possano essere trovati nella rete. Il risultato del processo di routing è mantenuto in una lista chiamata tabella di routing. Il Forwarding è l'azione di impiegare la tabella di routing per spedire un pacchetto dati o verso la sua destinazione finale, o verso "il prossimo salto" che lo avvicina alla destinazione.

Indirizzi IP

In una rete IP, l'indirizzo è un numero di 32 bit, normalmente scritto sotto forma di quattro numeri ad otto bit, separati da punti. Esempi di indirizzi IP sono 10.0.17.1, 192.168.1.1, o 172.16.5.23.

indirizzamento di rete

Reti interconnesse devono concordare un piano di indirizzamento IP. Nella Internet globale, commissioni di persone distribuiscono gruppi di indirizzi IP in modo coerente per assicurare che indirizzi duplicati non vengano usati da reti differenti, provvedendo altresì che ci si possa riferire in modo rapido a gruppi di indirizzi. Questi gruppi di indirizzi sono chiamati sotto-reti o subnets come abbreviazione. Sottoreti più ampie possono essere ulteriormente suddivise in sottoreti minori. Talvolta, un gruppo di indirizzi collegati è chiamato Spazio di Indirizzi o address space.

Su Internet, nessuna persona e nessuna organizzazione possiede effettivamente questi gruppi di indirizzi perché gli indirizzi hanno significato solo se il resto della comunità di Internet concorda nel loro utilizzo. Per accordo, gli indirizzi sonon distribuiti alle organizzazioni sulla base dei loro bisogni e della loro dimensione. Un'organizzazione che abbia ricevuto un segmento di indirizzi potrebbe quindi assegnarne una porzione ad un'altra organizzazione, sulla base di un accordo di servizio. Indirizzi che vengono assegnati in questa maniera, partendo dalle commissioni internazionalmente riconosciute per poi essere via via spezzati gerarchicamente da comitati nazionali o regionali, sono detti indirizzi IP globalmente instradati (globally routed IP addresses).

A volte non è conveniente, se non impossibile, ottenere per un individuo od un'organizzazione più di un indirizzo IP globalmente instradato. In questo caso può essere impiegata una tecnica conosciuta come Network Address Translation (traduzione dell'indirizzo di rete), o NAT. Un dispositivo NAT è un router con due porte di rete. La porta esterna impiega un indirizzo IP globalmente instradato, mentre la porta interna usa un indirizzo IP appartenente ad un segmento particolare, chiamato indirizzi privati. Il router NAT permette al singolo indirizzo globale di essere condiviso da parte di tutti gli utenti interni, che impiegano indirizzi privati. Il router NAT converte i pacchetti da una forma di indirizzamento all'altra, quando i pacchetti lo attraversano. Gli utenti interni credono di essere direttamente connessi ad Internet e non richiedono né software particolare, né driver, per condividere il singolo indirizzo IP globale.

Routing

Internet cresce e cambia costantemente. Nuove reti sono aggiunte in continuazione, mentre i collegamenti tra le reti sono aggiunti, sono rimossi, cadono e vengono ripristinati. È compito del routing determinare il percorso migliore verso la destinazione, e creare tabelle di routing che elenchino il percorso migliore per ogni possibile destinazione.

Routing Statico è il termine usato per le tabelle di routing compilate a mano. È talvolta conveniente per piccole reti, ma può facilmente diventare impraticabile e soggetto ad errori per reti di maggiore dimensione. Ancora peggio, se il percorso migliore verso una rete diventa inimpiegabile, per un'avaria hardware o per altre ragioni, il routing statico non farà uso del miglior percorso secondario.

Routing Dinamico è una soluzione dove gli elementi di rete, in particolare i router, si scambiano reciprocamente informazioni sul loro stato e sullo stato dei propri vicini nella rete, e quindi usano queste informazioni per rilevare automaticamente il percorso migliore e per compilare la tabella di routing. Se ci sono cambiamenti, come un router che si blocca od un nuovo router che entra in azione, allora i protocolli di routing dinamico apportano aggiustamenti alle tabelle di routing. Il sistema di scambio dei pacchetti e la definizione delle decisioni è denominato protocollo di routing. Ci sono diversi protocolli di routing che sono usati oggi su Internet, tra cui OSPF, BGP, RIP, and EIGRP.

Le reti wireless sono come le reti su cavo, per quanto riguarda la loro necessità di protocolli di routing, ma sono anche tanto differenti, da richiedere protocolli di routing diversi. In particolare, le connessioni su reti su cavo tipicamente o funzionano bene, o non funzionano affatto (in altre parole, un cavo Ethernet o è allacciato, o non lo è). La situazione non è così chiara quando si tratta di reti wireless. Le comunicazioni radio possono essere affette da oggetti che si muovono sul percorso del segnale, o da disturbi che interferiscono. Conseguentemente, i collegamenti possono funzionare bene, o male, o in modo sfumato tra i due estremi. Poichè i protocolli attuali non tengono in conto la qualità del collegamento nel definire le decisioni, i comitati IEEE 802.11 e l'IETF stanno lavorando sulla standardizzazione dei protocolli per le reti wireless. Al momento, non è ancora chiaro se si imporrà un singolo standard per affrontare la qualità variabile di un collegamento.

Nel frattempo, sono in corso diversi tentativi di affrontare il problema. Alcuni esempi sono Hazy Sighted Link State (HSLS), Ad-hoc On-demand Distance Vector (AODV), e Optimized Link State Routing (OLSR). Un altro è SrcRR, una combinazione del DSR e dell'ETX, realizzato dal progetto Roofnet del M.I.T. Più avanti, in questo capitolo, vedremo un esempio di come realizzare una rete usando OLSR per le decisioni di routing.

Forwarding

Il Forwarding è diretto, in confronto con l'indirizzamento ed il routing. Ogni volta che riceve un pacchetto di dati, il router consulta la tabella di routing che possiede internamente. Partendo dal bit più significativo (o di maggior ordine), la tabella di routing viene scandita per ricercare il valore che corrisponda per il maggior numero di bit all'indirizzo di destinazione. Tale valore (il primo campo di ogni riga) è denominato il prefisso dell'indirizzo. Se viene trovato nella tabella di routing un prefisso che corrisponda, allora il contatore dei salti (hop counter) od il campo time to live (TTL) è decrementato. Se il risultato è zero, allora il pacchetto viene lasciato cadere ed un pacchetto di segnalazione di errore viene rinviata al mittente. Altrimenti, il pacchetto viene inviato al nodo od alla interfaccia specificata nella tabella di routing. Come esempio, se la tabella di routing contiene questi valori...

Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric  Iface
10.15.6.0       0.0.0.0         255.255.255.0   U     0       eth1
10.15.6.108     10.15.6.7       255.255.255.255 UG    1       eth1
216.231.38.0    0.0.0.0         255.255.255.0   U     0       eth0
0.0.0.0         216.231.38.1    0.0.0.0         UG    0       eth0

...ed un pacchetto arriva con indirizzo di destinazione 10.15.6.23, questi verrà allora spedito al gateway 10.15.6.7 (poichè il primo campo, di ingresso, trova sulla linea di tale gateway una corrispondenza più completa rispetto dalla rotta della rete 10.15.6.0)

Una destinazione 0.0.0.0 è convenzionalmente considerata il default gateway. Se nessun altro prefisso trova corrispondenza con l'indirizzo di destinazione, allora il pacchetto viene spedito al default gateway. Per esempio, se l'indirizzo di destinazione fosse 72.1.140.203, allora il router indirizzerebbe il pacchetto al gateway 216.231.38.1 (che sarà, verosimilmente, più prossimo alla destinazione finale, e così via).

Se per il pacchetto in ingresso non è trovata nessuna corrispondenza valida (cioè, se non esiste un default gateway e non c'è corrispondenza con il prefisso di una rotta stabilita), allora il pacchetto viene lasciato cadere ed un pacchetto di errore viene restituito al mittente.

Il campo TTL è impiegato per riconoscere i giri a vuoto dei pacchetti (routing loops). Senza tale campo, un pacchetto potrebbe essere continuamente rimbalzato tra un router ed un altro, qualora questi si indicassero a vicenda come prossimo passo verso la destinazione finale. Questo tipo di giro a vuoto può dare origine ad un forte traffico non necessario sulla rete, tale da minacciarne la stabilità. L'impiego del TTL non scongiura i giri a vuoto, ma contribuisce ad evitare che questi distruggano la rete a causa di un semplice errore di configurazione.

Comporre il tutto in una visione unica

Ciascun nodo della rete può inviare pacchetti di dati all'indirizzo IP di un altro nodo, una volta che tutti abbiano ricevuto il proprio indirizzo IP. Attraverso l'uso del routing e del forwarding, questi pacchetti possono raggiungere i nodi sulla rete che non sono fisicamente connessi al nodo di origine. Questo processo sintetizza la gran parte di ciò che avviene su Internet. Tutto ciò è illustrato nelle figure seguenti:

In questo esempio, potete vedere il percorso che completano i pacchetti quando Alice scambia messaggi con Bob impiegando un servizio di istant messaging. Ogni linea punteggiata rappresenta un cavo Ethernet, un collegamento wireless, od ogni altra possibile rete fisica. Il simbolo a nuvola viene comunemente usato per rappresentare "Internet", e corrisponde ad un numero di reti IP che vi partecipano. Né Alice, né Bob devono preoccuparsi di come le proprie reti cooperino tra loro, fintantochè i router inviino il traffico IP fino alla destinazione finale. Se non fosse per i protocolli di Internet e la collaborazione di ciascuno sulla rete, questo tipo di comunicazione non sarebbe possibile.

Ora che abbiamo visto come i pacchetti fluiscano sulle reti IP, vediamo un tipo particolare di rete IP: una maglia OLSR.

Reti a Maglia con OLSR

Gran parte delle reti wireless lavorano in Infrastructure Mode; sono costituite di un access point posto da qualche parte, con una scheda radio che lavora in Master Mode, ed un collegamento ad una linea DSL od ad un'altra rete di grande dimensione, di tipo su cavo. In questo hotspot, l'access point lavora tipicamente da Master Station che distribuisce l'accesso ad Internet ai propri client, che funzionano invece in Managed Mode. Questa topologia è simile al servizio mobile telefonico GSM. I telefonini si connettono ad una stazione base; senza la presenza di tale stazione base, i telefonini non sarebbero in grado di comunicare tra loro. Se desiderate giocare uno scherzo, chiamate l'amico che siede dall'altro lato del tavolo; il vostro telefono spedice alla stazione base del vostro provider telefonico che può essere lontana un paio di chilometri, ed è la stazione base che reinvia poi il segnale al telefono del vostro amico.

Anche le schede WiFi in Managed Mode non possono comunicare direttamente. I client - ad esempio, due portatili sullo stesso tavolo - devono impiegare un access point come relay. Tutto il traffico tra i client aggregati ad un access point deve quindi essere spedito due volte. Se i client A e C comunicano, il cliente A spedisce i propri dati all'access point B, quindi l'access point ritrasmette i dati al cliente C. La singola trasmissione può raggiungere, nel nostro esempio, i 600 kByte/sec (all'incirca, la velocità massima raggiungibile con il protocollo 802.11b). Così, poichè i dati devono essere ripetuti dall'access point prima che raggiungano il proprio destinatario, la velocità effettiva tra due client sarà solo di 300 kByte/sec.

Nel modo ad-hoc non c'è un rapporto gerarchico master-client. I nodi possono comunicare direttamente, fintantochè siano nel raggio d'azione delle proprie interfacce wireless. Così, nel nostro esempio entrambi i computer potrebbero raggiungere la massima velocità se lavorassero in modalità ad-hoc, in condizioni ideali.

Lo svantaggio della modalità ad-hoc è che i client non ritrasmettono il traffico destinato ad altri client. Nel caso dell'access point (modalità infrastructure), invece, se due client A e C non possono vedersi direttamente con le loro interfacce wireless, sono comunque in grado di comunicare, fintantochè l'Access Point sia nel raggio wireless di entrambi i client.

I nodi Ad-hoc non ritrasmettono il traffico per default, ma possono comportarsi in modo simile se viene applicato un opportuno routing. Le reti a maglia (Mesh networks) sono basate sulla strategia che rende ogni nodo - capace di costituire maglie - relay per estendere la copertura della rete wireless. Maggiore il numero dei nodi, migliore diventa la copertura radio e la portata della nuvola di maglie.

Un importante costo dev'essere menzionato a questo proposito. Se il dispositivo usa solo un'interfaccia radio, la banda disponibile è ridotta in modo significativo ogni volta che il traffico viene ripetuto da nodi intermedi posti sul percorso da A a B. Inoltre, ci sarà interferenza nella trasmissione a causa della condivisione dello stesso canale da parte dei nodi. Cosi, economiche reti a maglia su modalità ad-hoc possono garantire una buona copertura radio sull'ultimo miglio di una rete di una comunità wireless al costo della velocità, specialmente se la densità dei nodi e la potenza di trasmissione sono alte.

Se una rete ad-hoc è costituita solamente di pochi nodi che sono accesi ed attivi in modo continuo, che non si muovono e che dispongono sempre di collegamenti radio stabili - una lunga lista di condizioni - diventa possibile compilare a mano le tabelle di routing per tutti i nodi.

Sfortunatamente, le condizioni citate si incontrano difficilmente nel mondo reale. I nodi possono cadere, dispositivi WiFi sono presenti nelle vicinanze, e le interferenze possono rendere inimpiegabili i collegamenti radio in qualsiasi momento. Nessuno ha l'intenzione di aggiornare a mano diverse tabelle di routing ogni volta che un nuovo nodo è aggiunto alla rete. Impiegando invece protocolli di routing che mantengono in modo automatico le specifiche tabelle di routing su tutti i nodi coinvolti, diventa possibile evitare questo problema. I protocolli di routing di maggiore impiego nel mondo cablato (protocolli come OSPF) non funzionano al meglio in un ambiente wireless perché non sono progettati per contrastare i collegamenti con attenuazioni o le topologie che cambiano con rapidità.

Mesh Routing con olsrd

Il demone Optimized Link State Routing - olsrd - fornito da olsr.org è un'applicazione di routing sviluppata per il routing nelle reti wireless. Ci si concentrerà su questo software di routing per diverse ragioni. È un progetto open-source che supporta Mac OS X, Windows 98, 2000, XP, Linux, FreeBSD, OpenBSD e NetBSD. Olsrd è disponibile per access point che funzionano sotto Linux, come il Linksys WRT54GL, l'Asus WL-500G, l'AccessCube od i PocketPC che funzionano su Familiar Linux, e viene fornito come standard sui kit Metrix che funzionano su Metrix Pebble. Olsrd può gestire interfacce multiple ed è estensibile con appositi moduli aggiuntivi (plug-in). Supporta IPv6 ed è attivamente sviluppato ed impiegato da reti di comunità in tutto il mondo.

Si noti come esistano diverse versioni dell'Optimized Link State Routing, che è nato come un draft IETF scritto dall'istituto francese INRIA. La realizzazione distribuita da olsr.org ha visto la luce come tesi di master di Andrea Toennesen all'università di Unik. Basato sull'esperienza pratica della comunità delle reti libere, il demone di routing venne modificato. Olsrd attualmente si differenzia significativamente dalla proposta originale, perché include un dispositivo chiamato Link Quality Extension che rileva il tasso di pacchetti perduti tra i nodi e ricalcola le rotte sulla base di queste informazioni. Questa estensione rompe la compatibilità con i demoni di routing che seguono la proposta INRIA. Il demone olsrd disponibile da olsr.org può essere configurato per comportarsi in ossequio alla proposta IETF che manca di questa caratteristica, ma non v'è ragione per disabilitare la Link Quality Extension, a meno che non sia espressamente richiesta la piena aderenza con le altre realizzazioni.

La Teoria

Dopo che il demone olsrd è stato attivato per un tempo adeguato, un nodo apprende dell'esistenza di ogni altro nodo nella nuvola di maglie, e riconosce anche quale nodo possa essere impiegato per indirizzargli il traffico. Ogni nodo mantiene aggiornata una tabella di routing che descrive l'intera nuvola di maglie. Questo approccio al mesh routing viene chiamato routing proattivo. Al contrario, gli algoritmi di routing reattivo ricercano le rotte solo quando è necessario spedire dei dati verso un nodo specifico.

Ci sono vantaggi e svantaggi nel routing proattivo, e per realizzare il mesh routing ci sono molte altre impostazioni differenti, meritevoli di citazione. Il maggior vantaggio del routing proattivo risiede nel fatto che viene reso noto chi sia presente all'esterno e non si deve quindi aspettare che la rotta venga trovata. Tra gli svantaggi, ci sono il maggior sovraccarico di traffico ed il maggior carico sulla CPU. A Berlino, la comunità Freifunk impiega una nuvola di maglie dove olsrd deve gestire più di 100 interfacce. Il carico medio sulla CPU di un Linksys WRT54G a 200 MHz, causato da olsrd, è circa del 30%, nella rete di Berlino. C'è chiaramente un limite alla scalabilità di un protocollo proattivo, limite che dipende da quante interfacce siano coinvolte e da quanto frequentemente le tabelle di routing vengano aggiornate. Mantenere le rotte in una nuvola di maglie coon nodi statici richiede meno sforzo di quanto sia invece necessario in una maglia dove i nodi siano in costante movimento, poichè le tabelle di routing devono essere aggiornate con frequenza minore.

Il Meccanismo

Un nodo, su cui gira olsrd, diffonde periodicamente messaggi di 'hello' in modo che i propri vicini possano riconoscerne la presenza. Ogni nodo mantiene una statistica di quanti messaggi di 'hello' siano stati ricevuti o persi da parte di ognuno dei suoi vicini, riuscendo così a ricevare informazioni sulla topologia dei nodi vicini e sulla qualità dei collegamenti. Le informazioni ricavate sulla tipologia sono poi diffuse via radio come messaggi di controllo della topologia (messaggi TC) ed inoltrati dai vicini che olsrd ha preventivamente eletto come relay multipunto.

Nel routing proattivo Il concetto di relay multipunto è un'idea nuova che è sorta con la bozza di OLSR. Se ogni nodo ridiffondesse via radio le informazioni di topologia che ha ricevuto, potrebbe generarsi un sovraccarico eccessivo nella rete. Queste trasmissioni sono ridondanti, se un nodo ha diversi vicini. Un nodo olsrd, allora, decide quali vicini siano relay multipunto favorevoli per inoltrare i propri messaggi di controllo della tipologia. Si noti che i relay multipunto sono scelti con l'unico scopo di inoltrare i messaggi TC. Il contenuto utile (payload) viene soggetto a routing che può coinvolgere ogni nodo disponibile.

Altri due tipi di messaggio sono presenti in OLSR per passare informazioni: se un nodo presenta un gateway ad altre reti (messaggi HNA) o se ha più interfacce (messaggi MID). Non c'è molto da dire su quale compito svolgano questi messaggi, a parte il fatto che esistono. I messaggi HNA rendono olsrd molto utile quanto si tratti di connettere Internet con un dispositivo mobile. Quando un nodo di maglia si sposta intorno, potrà riconoscere dei gateway nelle altre reti, e sceglierà sempre il gateway che presenta la rotta migliore. Comunque, olsrd non è assolutamente a prova di errore. Se un nodo dichiara di essere un gateway verso Internet - funzione che non ricopre. in realtà, perché non lo è mai stato o perché si trova disconnesso al momento - gli altri nodi presteranno fede all'affermazione. Il finto-gateway diventa un buco nero. Per superare questo problema, è stato scritto un plugin (modulo aggiuntivo) per il gateway dinamico. Il plugin nel gateway verificherà automaticamente se questi sia connesso e se il collegamento stia ancora in piedi. In caso negativo, l'olsrd terminerà di inviare falsi messaggi HNA. È fortemente raccomandato di inserire ed impiegare questo plugin, piuttosto che dare manualmente l'abilitazione all'invio di messaggi HNA.

In Pratica

Olsrd realizza il routing basato su IP con un'applicazione nello spazio-utente; l'installazione è quindi piuttosto semplice. I pacchetti per l'installazione sono disponibili per OpenWRT, Accesscube, Mac OS X, Debian GNU/Linux e Windows. OLSR è un componente standard di Metrix Pebble. Se si deve compilarlo dai sorgenti, occorre leggere la documentazione che è diffusa all'interno del pacchetto del sorgente. Se ogni cosa è configurata ammodo, tutto ciò che rimane da fare è l'avvio del programma olsr.

Prima di tutto, occorre assicurarsi che ogni nodo abbia un indirizzo IP, assegnato staticamente ed unico, per ogni interfaccia usata per la maglia. Non è raccomandato (né è praticabile) impiegare DHCP in una rete a maglia basata su IP. Una richiesta DHCP non verrà soddisfatta da un server DHCP se il nodo che la inoltra richiede più di un salto per essere raggiunto, ed inserire dei relay DHCP su una maglia è pressochè impraticabile. Questo problema potrebbe essere risolto usando IPv6, poichè in tal modo sarebbe disponibile uno spazio-indirizzi enorme per generare un indirizzo IP a partire dall'indirizzo MAC di ogni scheda coinvolta (come suggerisce in "IPv6 Stateless Address Autoconfiguration in large mobile ad hoc networks" di K. Weniger e M. Zitterbart, 2002).

Potrebbe servire allo scopo anche una pagina wiki, dove ogni persona interessata potrebbe scegliere un indirizzo IPv4 unico per ognuna delle interfacce sulle quali il demone olsr verrebbe fatto girare. In sintesi, non c'è una soluzione facile per rendere automatico tale processo, se si ricorre ad IPv4.

L'indirizzo di broadcast, per convenzione generale, dovrebbe essere 255.255.255.255 su interfacce che si affacciano sulla rete a maglia. Non c'è nessun motivo, per inserire esplicitamente l'indirizzo di broadcast, poichè olsrd può essere configurato per sostituire gli indirizzi di broadcast con tale valore predefinito. Occorre solo essere sicuri che tali impostazioni siano uniformi in ogni parte. Olsrd può raggiungere tale scopo da solo. Quando un file predefinito di configurazione di olsrd è distribuito, questa caratteristica dovrebbe essere abilitata per evitare confusione del tipo "perché gli altri nodi non riescono a vedere la mia macchina?!?"

Ora configuriamo l'interfaccia wireless. Di seguito un comando, come esempio di come configurare una scheda WiFi, con il nome wlan0, usando Linux:

iwconfig wlan0 essid olsr.org mode ad-hoc channel 10 rts 250 frag 256

Occorre verificare che la parte wireless della scheda WiFi sia stata configurata in modo che abbia una connessione ad-hoc verso gli altri nodi della maglia direttamente raggiungibili (nodi entro il singolo salto). Occorre anche assicurarsi che l'interfaccia si aggreghi allo stesso canale wireless, che usi lo stesso nome di rete wireless ESSID (Extended Service Set IDentifier) e che sia caratterizzato dallo stesso Cell-ID come tutte le altre schede WiFi che compongono la maglia. Molte schede WiFi, od i loro rispettivi driver, non si comportano in maniera conforme a quanto previsto dagli standard 802.11 per il networking ad-ho, e così può fallire miseramente il tentativo di connettersi ad una cella. Le stesse schede possono non essere in grado di connettersi ad altri dispositivi sullo stesso tavolo, anche se questi sono impostati con il corretto canale e nome di rete wireless.Queste schede possono, piuttosto, confondere altre schede che si comportano invece conformemente allo standard, creando il proprio indicativo di cella (Cell-ID) sullo stesso canale con lo stesso nome di rete wireless. Le schede WiFi costruite dall'Intel e che sono distribuite con i notebook Centrino sono famose per comportarsi in tale maniera.

È possibile verificare tutto con il comando iwconfig, quando si usa Linux. Di seguito, l'output che si ottiene sulla mia macchina.

wlan0 IEEE 802.11b  ESSID:"olsr.org" 
      Mode:Ad-Hoc  Frequency:2.457 GHz  Cell: 02:00:81:1E:48:10 
      Bit Rate:2 Mb/s   Sensitivity=1/3 
      Retry min limit:8   RTS thr=250 B   Fragment thr=256 B 
      Encryption key:off 
      Power Management:off 
      Link Quality=1/70  Signal level=-92 dBm  Noise level=-100 dBm 
      Rx invalid nwid:0  Rx invalid crypt:28  Rx invalid frag:0 
      Tx excessive retries:98024 Invalid misc:117503 Missed beacon:0 

È importante impostare la soglia del 'Request To Send' (RTS) per una maglia. Ci saranno delle collisioni sul canale radio tra le trasmissioni dei nodi dello stesso canale radio, e l'RTS mitigherà tali effetti. RTS/CTS introduce un handshake prima di ogni pacchetto di trasmissione per sincerarsi che il canale sia chiaro. Si introduce del sovraccarico, ma si incrementano le prestazioni in caso di nodi nascosti - ed i nodi nascosti sono presenti per default sulla maglia! Questo parametro imposta la dimensione in Byte del più piccolo pacchetto per il quale il nodo spedisce l'RTS. La soglia RTS deve avere un valore minori della dimensione del pacchetto IP e il valore di 'soglia di frammentazione' - qui posto a 256 - altrimenti sarà disabilitato. Il TCP è molto sensibile alle collisioni, così è importante attivare l'RTS.

La frammentazione permette di spezzare un pacchetto IP in una serie di frammenti minori che vengono trasmessi sul medium. Tutto questo aggiunge sovraccarico, ma in un ambiente rumoroso ciò riduce il costo dell'errore e permette ai pacchetti di attraversare le scariche di rumore. Le reti a maglia sono molto rumorose perché i nodi impiegano lo stesso canale e, quindi, è probabile che le trasmissioni inteferiscano a vicenda. Questo parametro imposta la massima dimensione in byte che permetta la pacchetto di non essere spezzettato per poi essere recapitato a pezzi - un valore uguale alla massima dimensione IP disabilita il meccanismo, cos' dev'essere minore della dimensione del pacchetto IP. Impostare la soglia di frammentazione è raccomandato.

Una volta che sono stati assegnati un indirizzo IP valido ed una maschera di rete, una volta che l'interfaccia wireless sia attiva, il file di confifurazione di olsrd dev'essere alterato perché olsrd trovi ed impieghi le interfacce con le quali si intende farlo lavorare.

Per Mac OS-X e Windows è disponibile una simpatica GUI per configurare e controllare il demone disponibile. Sfortunatamente, questi tenta l'utente che manchi di competenze a commettere errori stupidi - quali annunciare la presenza di un buco nero. Su BSD e Linux il file di configurazione è:

Un semplice file di configurazione olsrd.conf

Non verrà di seguito presentato un file di configurazione completo. Ci saranno invece alcune impostazioni essenziali che devono essere controllate.

 UseHysteresis           no
 TcRedundancy            2
 MprCoverage             3
 LinkQualityLevel        2 
 LinkQualityWinSize      20

 LoadPlugin "olsrd_dyn_gw.so.0.3"
 {
     PlParam     "Interval"   "60"
     PlParam     "Ping"       "151.1.1.1"
     PlParam     "Ping"       "194.25.2.129"
 }

 Interface "ath0" "wlan0" {
     Ip4Broadcast 255.255.255.255
 }

Ci sono molte altre opzioni disponibili nel olsrd.conf, ma queste opzioni base dovrebbero permettervi di iniziare. Dopo che questi passi sono stati completati, olsrd può essere avviato con un semplice comando all'interno di un terminale:

 olsrd -d 2

Si raccomanda di lanciare il programma con l'opzione di debugging "-d 2", quando lo si usi su una workstation, specialmente se si tratta del primo avvio. Si può così osservare come si comporti olsrd e monitorare quale sia la qualità dei link con i vicini. Sui dispositivi embedded, invece, il livello di debug dovrebbe essere posto a zero (off), perché le operazioni di debugging caricano pesantemente la CPU.

I dati in uscita del debugging dovrebbero essere simili a questo:

--- 19:27:45.51 --------------------------------------------- DIJKSTRA

192.168.120.1:1.00 (one-hop)
192.168.120.3:1.00 (one-hop)

--- 19:27:45.51 ------------------------------------------------ LINKS

IP address       hyst   LQ     lost   total  NLQ    ETX
192.168.120.1    0.000  1.000  0      20     1.000  1.00
192.168.120.3    0.000  1.000  0      20     1.000  1.00

--- 19:27:45.51 -------------------------------------------- NEIGHBORS

IP address       LQ     NLQ    SYM   MPR   MPRS  will
192.168.120.1    1.000  1.000  YES   NO    YES   3
192.168.120.3    1.000  1.000  YES   NO    YES   6

--- 19:27:45.51 --------------------------------------------- TOPOLOGY

Source IP addr   Dest IP addr     LQ     ILQ    ETX
192.168.120.1    192.168.120.17   1.000  1.000  1.00
192.168.120.3    192.168.120.17   1.000  1.000  1.00

Impiego di OLSR su Ethernet e su interfacce multiple

Non è necessario disporre di un'interfaccia wireless per provare od impiegare olsrd - sebbene sia per queste interfacce che olsrd è stato progettato. Olsrd può essere benissimo impiegato su qualsiasi NIC (scheda di rete). Le interfacce WiFi non necessariamente devono operare in modo ad-hoc per formare una maglia quando i nodi dispongano di più di una interfaccia. Per dei collegamenti dedicati potrebbe essere un'interessante opzione mantenerli attivi in Infrastructure Mode. Molte schede WiFi posseggono driver che presentano problemi in Ad-hoc Mode, ma l'Infrastructure Mode funziona bene - perché tutti si aspettano che almeno questa prestazione sia garantita. Il modo ad-hoc non è così popolare, così la realizzazione di un modo ad-hoc è sempre stata trascurata da molti produttori. Con la crescente attenzione alle reti a maglia, la situazione dei driver sta ora migliorando.

Molte persone usano olsrd su interfacce wireless ed altre cablate, non hanno bisgono di tenere conto dell'architettura della rete. Si limitano a collegare antenne alle loro schede WiFi, collegare cavi alle loro schede Ethernet, abilitare olsrd ad essere lanciato su tutti i computer e su tutte le interfacce e quindi danno il via al tutto. Tutto ciò è piuttosto un abusare di un protocollo che era stato concepito per permettere il wireless networking su link con perdite, ma perché impedirlo?

Ci si aspetta che olsrd sia un sovra-protocollo. Chiaramente non è necessario inviare un messaggio di Hello su un'interfaccia ogni due secondi, ma funziona. Questo comportamento non dev'essere assunto come raccomandazione, è solo incredibile cosa facciano le persone di questo protocollo, ed hanno successo. Infatti è entusiasmante l'idea di mettere a disposizione un protocollo che risolva tutto per dei principianti che desiderino reti LAN di dimensioni medio-piccole.