VANET, le reti wireless che imitano api e formiche

Immaginate di essere sull'Autostrada del Sole, c'è nebbia e all'improvviso una voce sintetizzata vi avverte che un chilometro più avanti, ben oltre il raggio visuale, c'è un forte rallentamento della marcia per un improvviso infittirsi della nebbia. L'automobile non dispone di un radar, come ha fatto quindi a informare il conducente di quello che succedeva un chilometro più avanti? Semplice, glielo hanno detto i veicoli che la precedevano.

Grazie alle VANET (vehicular ad-hoc network) tutto questo sarà presto possibile. Le reti veicolari ad-hoc sono reti wireless che si basano sulla comunicazione cooperativa tra nodi paritetici, senza la necessità di punti di accesso fissi, e che formano configurazioni dinamiche e sempre in mutamento, ad-hoc appunto.

La ragion d'essere del concetto stesso di VANET è economico oltre che di funzionalità. La diffusione delle reti wireless ad alta velocità trova come proprio limite il costo dell'infrastruttura fissa (access point) che sarebbe necessaria se si ricorresse alle tecnologie tradizionali, stile Wi-Fi per intendersi. Anche se recenti esperimenti hanno dimostrato che è possibile con determinati accorgimenti superare in una certa misura le limitazioni di distanza massima copribile dalle reti Wi-Fi, il guadagno non è tale da cambiare in modo decisivo l'equazione di sostenibilità economica della realizzazione di un'infrastruttura wireless ad alta velocità sul territorio.

L'ampia disponibilità dell'accesso alla rete è la condizionante decisiva, anche più del prezzo, per la diffusione delle apparecchiature terminali sui veicoli. Con le VANET dunque si elimina il problema dell'infrastruttura (non del tutto, ma lo si riduce enormemente, da due a tre ordini d grandezza).

Allora perché le reti veicolari non sono già su tutte le auto? Perché il concetto è elegantemente semplice, ma tecnologicamente è complesso da realizzare. Le VANET sono una sottocategoria delle MANET (Mobile Ad-hoc Network) in cui i nodi sono veicoli e quindi si muovono a velocità ragguardevoli in senso relativo (tra d loro) e assoluto (rispetto a punti di riferimento fissi). A loro volta le MANET sono un sottoinsieme delle reti magliate (o mesh), in cui i nodi si comunicano tra di loro anche su lunghe distanze passandosi i dati in modo paritario, senza access point.

Il problema principale delle MANET e ancora più delle VANET, su cui sono al lavoro i laboratori delle università e delle aziende in tutto il mondo, si riassume in una parola: instradamento, o se si preferisce, routing.

Ossia, come faccio arrivare i dati dove voglio se posso comunicare a distanza limitata (poche centinaia di metri al massimo) e se la configurazione dei nodi che mi circondano cambia continuamente? Non è un problema banale se si considera che oltre a riuscire a comunicare devo anche poterlo fare a prestazioni interessanti, in un tempo non eterno e senza intasare la rete di messaggi inutili.

La fantasia tecnologica si è scatenata: dalla fine degli anni '90 dello scorso secolo sono stati inventati diversi protocolli. Alcuni cercano di adattare alle VANET i protocolli di routing classici, altri decisamente più innovativi, come il geocasting, che prevede di trasmettere a tutti i nodi presenti in una determinata area geografica e non più logica, come nelle reti tradizionali (che può comprendere anche nodi molto distanti tra di loro), e così via a cascata fino a che non si raggiunge il nodo di destinazione. Il vantaggio è evidente: non si va a casaccio, ma si segue una "direzione" preferenziale. Anche gli svantaggi sono evidenti: tutti i nodi devono essere dotati di un sistema di posizionamento assoluto (ossia GPS o Galileo) ed è necessario che da qualche parte venga costruita e mantenuta una griglia assoluta delle posizioni geografiche dei nodi.

Gli sviluppi più recenti e sorprendenti delle VANET vengono dalla bionica, ossia dal trasferimento alla tecnologia di spunti provenenti dal comportamento dei sistemi biologici. Nello specifico, l'inspirazione viene dai comportamenti degli sciami di api (swarming) e dei formicai (anting). Se sembrano concetti fantascientifici, bisogna ricredersi: il popolarissimo protocollo di trasmissione di contenuti multimediali nel mondo open source, BitTorrent, si basa proprio su un'applicazione dello swarming. Le due tipologie di protocolli bionici differiscono nei particolari ma entrambi fanno uso di analoghi radio dei sistemi di segnalazione chimica e visiva delle comunità/reti di insetti cui si ispirano.

I protocolli di anting (ne sono stati proposti una mezza dozzina) sono i più affascinanti, le loro analogie con il mondo degli insetti sono particolarmente accentuate e si basano sulla modalità utilizzata dalle formiche per cercare cibo partendo dalla sede della colonia: inizialmente i percorsi scelti sono casuali, a ogni diramazione le formiche lasciano delle sostanze chimiche (feromoni) e proseguono così finché non raggiungono una fonte di cibo. Al ritorno la formica segue la propria traccia chimica. Nel tempo i percorsi migliori (più brevi, meno pericolosi e che portano a più cibo) sono marcati da una traccia molto forte lasciata dalle formiche e quindi vengono privilegiati.

Traslato nel campo delle reti, tutto questo diventa un protocollo che prevede due agenti (speciali pacchetti di rete), "formica avanti" e "formica indietro". Il primo esplora il "territorio" di nodi circostante a quello iniziale alla ricerca del percorso verso il nodo di destinazione e lascia dei "feromoni" elettronici, ossia tracce nelle tabelle di routing dei nodi attraverso cui passa. La "formica indietro" fa lo stesso partendo dal nodo di arrivo e tornando al nodo di partenza. I protocolli di anting generano molte diverse "formiche" e queste di moltiplicano a cascata molto velocemente, fino a scoprire tutti i possibili cammini dal nodo d'origine a quello finale. Ai cammini vengono attribuiti dei punteggi sulla base della scia dei "feromoni" e i migliori percorsi dei dati vengono scelti per la trasmissione sulla base di algoritmi di diverso tipo, che comunque tendono a suddividere il carico su tutti i nodi e i possibili percorsi. Inoltre, il carico dovuto al protocollo è molto basso perché i nodi non si scambiano tabelle di routing ma solo pacchetti "formica" molto leggeri.

Quale protocollo verrà scelto per le VANET? Quasi tutti i protocolli per le VANET sono stati sottoposti a test in ambiente di rete del tipo IEEE 802.11 (base del Wi-Fi) reali o simulate ma in quanto protocolli di routing essi sono indipendenti dagli strati bassi della rete, ossia quelli standardizzati dall'IEEE nella serie 802.X. Per questo non esiste un organismo di standardizzazione istituzionalmente incaricato di risolvere la questione. E' probabile quindi che si andrà verso una situazione in cui diversi protocolli sviluppati da soggetti come aziende o consorzi competeranno sul mercato.

Forse non sarà nemmeno necessario uno standard, in quanto già oggi diversi protocolli di routing possono convivere sulla stessa rete. E la diversità sarà madre dell'innovazione, un altro concetto ispirato dai sistemi viventi.

Di VANET e di infomobilità si parlerà all'ITF 2004, che si terrà al Lingotto di Torino il prossimo 11 novembre e vedrà la partecipazione di tutti i principali operatori italiani del settore e delegazioni ufficiali provenienti dall'estero. La scorsa edizione, tenutasi nel novembre 2003, ha avuto oltre 40 sponsor e la presenza di 1050 operatori professionali. /R3

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