Progettazione e valutazione di un protocollo di trusting per reti manet

CAPITOLO I                                                                                  
 
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Nello studio d’infrastrutture mobili bisogna considerare sia molti 
aspetti relativi alla sicurezza che ala presenza di eventuali carenze 
strutturali. Per di più, risulta inevitabile  non considerare la presenza 
di nodi che potrebbero avere un ruolo all’interno della rete con il solo 
obiettivo di degradarne le prestazioni.  
Inoltre, un ruolo fondamentale nei dispositivi mobili è rappresentato 
dalla presenza di una quantità finita d’energia, necessaria per il 
funzionamento del dispositivo. Certamente un nodo di una rete che 
deve consentire il transito d’informazioni vorrebbe preservare quanto 
più possibile il suo livello di energia. Contro questo “tentativo” di 
preservare il livello d’energia, agisce come controtendenza la 
necessità di inoltrare informazioni da parte del nodo. Tale necessità, 
di conseguenza, provoca un consumo più rapido d’energia.  
In questa tesi si sono studiati protocolli che permettono di realizzare 
percorsi di comunicazione formati da dispositivi che presentano un 
alto livello di energia che possano allungare il “lifetime” della rete. 
Inoltre, sono stati proposti i risultati mediante la visualizzazione di 
grafici che intendono dimostrare la funzionalità del protocollo. 
Si sono analizzati ancora meccanismi, relativi il risparmio energetico, 
che hanno lo scopo di “premiare” nodi che presentino un alto livello 
di collaborazione. Quest’ultima sarà individuata per stabilire, come 
valore di bontà, quali nodi abbiano lavorato in maniera efficiente per 
ottenere un miglior funzionamento della rete. 
I protocolli presentati poggiano sul protocollo di routing “DSR” 
(Dynamic Source Route) che permette di realizzare dei percorsi di 
comunicazione in maniera reattiva da una sorgente ad una 
destinazione, quando lo scambio di messaggi risulti essere 
necessario. 
 
 
 
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I.2 Struttura del lavoro 
L’intera attività sviluppata è descritta nei capitoli successivi.  
In questo paragrafo, invece, ci si accinge a presentare in maniera 
succinta cosa è stato esposto in questi capitoli. 
La tesi consta esattamente di otto capitoli. Nel capitolo successivo 
sono presentati come argomento di studio le reti MANET, il loro 
scopo e le caratteristiche che le differenziano dalle altre tipologie di 
reti.  
Il terzo capitolo presenta le funzionalità e la struttura di un 
protocollo reattivo per le reti MANET, il protocollo in questione è il 
DSR.  
Lo strumento atto all’esecuzione di simulazioni è il Network 
Simulator, presentato del capitolo 4. Successivamente, sono 
presentati le reti Wireless come mezzo per ottenere un struttura di 
rete, con l’ausilio dell’etere per la trasmissione delle informazioni.  
Il capitolo 6 presenta il problema dell’energia nei dispositivi mobili e 
quanto sia necessario riuscire ad ottenere soluzioni atte ad evitare 
crolli d’energia. E’ presentato un protocollo in grado di risolvere il 
problema di consumo energetico su nodi che si trovano in posizioni 
critiche.  
Il settimo capitolo propone un nuovo meccanismo per “aiutare” i 
nodi che hanno collaborato in maniera efficiente per il corretto 
funzionamento della rete, evitando una riduzione eccessiva 
dell’energia elettrica. 
Infine, l’ultimo capitolo è interamente dedicato alle conclusioni e ai 
futuri sviluppi possibili relativi agli argomenti introdotti.
II. MANET 
Le reti  MANET  (Mobile Ad hoc Network, oppure Multi-hop Ad hoc 
Network) sono reti wireless non infra-strutturate, temporanee, senza 
punti di accesso, che non vengono preconfigurate ma  che si formano 
per la sola presenza dei vari dispositivi in un dato territorio. Come 
nelle reti Peer-to-Peer (P2P), l'elemento cardine è l'assenza di 
infrastrutture centralizzate atte ad adempiere compiti funzionali per 
la rete. Le reti wireless infra-strutturate, a differenza delle MANET, 
poggiano su entità che svolgono compiti basilari quali routing 
(instradamento), packet forwarding (inoltro dei pacchetti) ed altre 
funzionalità di mantenimento della rete. Tutti i nodi riescono a 
comunicare grazie a queste infrastrutture.  
Al contrario, nelle reti MANET non vi è alcuna entità con ruoli simili, 
ogni entità della rete è soltanto un nodo mobile che deve svolgere in 
maniera autonoma tutte le operazioni necessarie per comunicare con 
gli altri nodi. Così come nelle reti Peer-to-Peer anche in quelle 
MANET ogni nodo è un peer, ovvero sono tutti eguali e svolgono 
ruoli di pari importanza. L'efficienza della rete, dunque, risiede  
interamente nella collaborazione tra i nodi senza l'ausilio di ulteriori 
entità. 
In origine, le reti MANET sono nate per operare in situazioni critiche, 
ad esempio nei campi di battaglia o in operazioni di recupero. Si 
pensi, ad esempio, a dei veicoli militari dispiegati in un campo di 
battaglia, ad una flotta di navi nell'oceano oppure ad un gruppo di 
soccorritori in una zona disastrata. In questi scenari una MANET 
permette di dispiegare una rete efficiente, autonoma e scalabile in 
poco tempo.  
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Rete MANET per dispositivi militari 
Negli ultimi anni, i dispositivi wireless, basati sul protocollo IEEE 
802.11, sono divenuti disponibili a costi bassissimi ed è per questo 
motivo che il mercato è stato letteralmente invaso da questi device. 
Tutti i portatili, i PDA (Personal Digital Assistant ), i cellulari di 
nuova generazione sono ormai dotati di interfacce wireless. Gli uffici 
pubblici, le aziende, le scuole e le università sono piene di dispositivi 
wireless usati per reti locali e in tutti questi contesti si può creare una 
rete MANET senza bisogno di AP (Access Point). 
Altri ipotetici scenari d’utilizzo potrebbero essere le zone non coperte 
dalla telefonia mobile: una rete MANET potrebbe colmare parte di 
questa copertura sfruttando l'interconnessione tra i cellulari e altri 
dispositivi più economici. Si potrebbe anche pensare di ridisegnare la 
struttura del sistema di telefonia mobile riducendo il carico, e quindi 
il numero, delle infrastrutture centralizzate compensando le lacune 
con una MANET tra i dispositivi mobili stessi. 
Da quanto descritto finora, quindi, si possono dedurre i molteplici usi 
a cui questo tipo di rete può prestarsi e che la renderanno un nuovo  
ed indiscusso modello di riferimento per la comunicazione a 
pacchetto. 
 
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II.1 Caratteristiche dei nodi nelle MANET 
Una MANET è composta da soli nodi mobili, le cui proprietà 
delineano alcune delle caratteristiche di una MANET. Si esaminino le 
singole proprietà dei nodi e si evidenzino le relative caratteristiche 
che da esse hanno origine. Il risultato è il seguente. 
Le proprietà dei nodi mobili sono: 
∞ raggio trasmissivo limitato; 
∞ risorse energetiche limitate; 
∞ modesta potenza di calcolo; 
∞ mobilità. 
Raggio trasmissivo limitato. I nodi di una rete hanno una 
potenza di trasmissione limitata, da un centinaio di metri in assenza 
di ostacoli  fino a ridursi a pochi metri in presenza di muri, alberi e 
pioggia. Ciò vuol dire che è preclusa loro la possibilità di comunicare 
direttamente con tutti i nodi di una rete. La comunicazione può 
avvenire direttamente solo tra quei nodi che rientrano nel range dei 
ricetrasmettitori (nodi vicini, o neighbour nodes). 
Tutti gli altri nodi possono essere raggiunti in maniera indiretta 
tramite la collaborazione dei nodi vicini. Se si ipotizza,ad esempio,  
che un nodo S voglia inviare pacchetti ad un nodo D, esterno al suo 
raggio di comunicazione. S, per poter inviare i dati, dovrà dare 
l'inoltro dei pacchetti ai nodi vicini. Sarà compito loro inoltrare i 
pacchetti al destinatario D o affidarli ai  loro vicini per l'inoltro sino a 
giungere a D. In questo esempio il pacchetto dovrà attraversare un 
certo numero di salti per giungere a destinazione. La limitazione 
imposta dal raggio trasmissivo evidenzia come solo la collaborazione 
tra i nodi renda possibile la comunicazione. 
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Risorse energetiche limitate. I nodi mobili sono alimentati da 
batterie che sono una fonte energetica finita. Le operazioni di rete 
richiedono generalmente poche risorse, che devono essere utilizzate 
solo se il loro uso si riveli strettamente necessario. In effetti, un nodo, 
di fronte ad un’eventuale carenza d’energia, non potrebbe più 
partecipare allo svolgimento delle funzioni di rete, ragion per cui di 
fronte ad eccessivi sprechi, l'intera rete ne risentirebbe. Si pensi a 
questo nodo, ad esempio, come unico hop disponibile tra una nuvola 
di nodi e un altro gruppo di nodi. 
 
Figura 1 – Interruzione e creazione di un link 
Modesta potenza di calcolo. Solitamente, le operazioni di packet 
forwarding non consumano molte risorse computazionali. I nodi di 
una MANET non dispongono di grandi risorse di calcolo, ciò che 
possono offrire è generalmente sufficiente per adempiere ai ruoli 
imposti dalla rete. Per questo motivo, potrebbe essere problematico 
un uso massiccio della crittografia per garantire alcuni aspetti della 
sicurezza quali segretezza dei dati o autenticazione. 
Mobilità dei nodi. La mobilità dei nodi produce nelle reti MANET  
una caratteristica unica: alta dinamicità della topografia. Le reti 
cablate sono statiche, un link porta ad un nodo di rete che è  fisso, 
non si sposta e soprattutto è caratterizzato da una relazione  fissa tra 
il suo indirizzo di rete e la sua posizione. La topologia di una MANET 
è in continua evoluzione e cambia ogni qualvolta lo spostamento di 
un nodo provochi l'attivazione di un nuovo link wireless (un nodo che 
si sposta dentro il raggio di ricetrasmissione di un altro nodo), 
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oppure la caduta di un link esistente (un nodo che muovendosi esce 
dal raggio di copertura di un altro nodo). 
II.1.1 Caratteristiche di una MANET 
Dalle proprietà dei nodi si evince che le MANET godono di proprietà 
uniche nel mondo delle reti, concettualmente si notano maggiori 
affinità con le reti Peer-to-Peer. 
Le caratteristiche di una MANET sono: 
∞ assenza di infrastrutture centrali; 
∞ topografia dinamica; 
∞ capacità di riconfigurazione automatica; 
∞ cooperazione tra i nodi. 
Assenza di infrastrutture centrali. L'assenza di infrastrutture 
centrali rende le MANET molto interessanti perché si pongono come 
alternativa alle reti cablate ordinarie. I nodi possono comunicare tra 
loro senza chiedere l'ausilio di nessuna entità, ma richiedendo 
soltanto la collaborazione degli altri nodi nella rete. Questa 
caratteristica rende molto affini le reti P2P con le MANET, molti dei  
cui problemi risultano comune ad entrambi le tipologie, sebbene 
abbiano scopi differenti. Infatti, nelle reti P2P, i peers condividono la 
capacità di calcolo, lo spazio su disco ed in generale, ogni tipo di 
risorsa, mentre i nodi delle reti MANET condividono solo la necessità 
di comunicare. 
Topografia dinamica. Col passare del tempo la rete muta, i link 
vengono interrotti e ne vengono creati di nuovi. Alcuni nodi possono 
scollegarsi dalla rete perché hanno esaurito le risorse energetiche, 
mentre altri si sono aggiunti per poter comunicare. 
CAPITOLO II                                                                       MANET 
 
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Capacità di configurazione automatica. Se ad un certo punto 
della vita della rete vi è un’ interruzione di un link, la destinazione 
potrebbe essere raggiungibile attraverso un altro percorso. Questa 
proprietà è un pregio delle reti MANET rispetto alle reti cablate, in 
queste ultime, infatti, se un link  
viene interrotto, l'intera sotto-rete raggiungibile da quel percorso 
diventa irraggiungibile. Ad esempio, se in una MANET un nodo S 
invia un pacchetto a D attraverso il percorso <S, B, G, D> e viene 
rilevata un’interruzione nel collegamento tra G e D, è possibile 
rilevare l'errore e scegliere un percorso alternativo, ad esempio il 
percorso <S, C, L, I, H, D> (Figura 2). 
 
Figura 2 – Esempio di una rete MANET. Ogni nodo può essere un qualsiasi dispositivo mobile. 
Cooperazione tra i nodi. Le funzionalità di rete vengono eseguite 
da tutti i nodi, collaborando. Si supponga che un nodo sorgente S 
voglia comunicare con un nodo destinazione D ed inoltre che debba 
attraversare i nodi A, B e C. La collaborazione dei nodi A, B e C 
risulterà fondamentale per portare a termine la comunicazione. 
Questa proprietà è vitale per la sopravvivenza della rete.