IEEE 802.11s

La normativa IEEE 802.11s, identificata ufficialmente come IEEE 802.11s-2011, è un emendamento allo standard IEEE 802.11 che definisce le modalità con cui dispositivi wireless possono stabilire collegamenti diretti tra di loro, senza necessariamente passare tramite un Access Point (AP). Nel caso di reti composte da più nodi, l'emendamento definisce i meccanismi con cui realizzare una rete magliata auto-configurante di tipo multi hop su infrastruttura completamente wireless (Wireless Mesh Network, WMN),[1] su cui può essere veicolato sia traffico di tipo unicast che di tipo multicast/broadcast.[2]

L'emendamento è stato pubblicato il 10 settembre 2011[2] ed è stato incorporato nell'edizione 2012 dello standard completo.[3]

Descrizione

L'emendamento è finalizzato a estendere le capacità di una rete wireless introducendo le seguenti funzionalità:[4]

  • la possibilità da parte di ciascun dispositivo wireless (nodo) di scoprire la presenza di altri dispositivi analoghi e compatibili nelle vicinanze;
  • la possibilità da parte di ciascun nodo di collegarsi direttamente a uno o più altri nodi compatibili senza dover comunicare con l'Access Point (AP);
  • la possibilità da parte di ciascun nodo di scambiare dati con un altro nodo non adiacente e non collegato direttamente, attraversando più nodi intermedi (multi-hop), tramite protocolli di instradamento che possono tenere conto anche della qualità dei collegamenti radio per la scelta di un percorso ottimale; questo comporta che ciascun nodo deve essere in grado di riconoscere e reindirizzare in modo opportuno il traffico dati non destinato ad esso;
  • la possibilità di aggiungersi a una rete esistente collegandosi al primo nodo utile.

La normativa consente di gestire le reti mesh wireless utilizzando solo il livello MAC, introducendo estensioni specifiche, senza modificare il livello fisico che risulta quindi compatibile con tutte le normative precedenti. Vengono inoltre definiti i protocolli di instradamento basati sugli indirizzi MAC che consentono la comunicazione su rete magliata tra nodi non immediatamente adiacenti (multi hop).[1]

Tutte queste funzionalità consentono di realizzare reti con topologia a maglia (mesh) con le stesse caratteristiche delle LAN cablate senza dover realizzare preventivamente l'infrastruttura di trasporto del traffico, che viene creata tramite l'interazione diretta tra i nodi (self-forming)[1] e, grazie alla funzionalità multi-hop, di far comunicare tra loro dispositivi wireless anche oltre la portata radio nominale dei singoli nodi,[1] di fatto allargando a piacere la copertura della rete su percorsi ottimizzati.[4] La struttura a maglia, unita alla capacità di poter reindirizzare il traffico, consente anche di realizzare reti auto-riparentesi che, in caso di guasto o isolamento di un nodo, sono in grado di trovare per il traffico un percorso alternativo che aggiri il punto di guasto (self-healing).[4]

Architettura di rete

Schema concettuale di una rete 802.11s

L'architettura di rete si basa sulla definizione di tre nuove tipologie di nodi, che devono essere tutti dotati delle funzionalità specifiche per le reti a maglia:[1]

  • Mesh Point (MP): è una singola stazione che è in grado di partecipare alla rete mesh come unità individuale indipendente.
  • Mesh Access Point (MAP): è un Mesh Point che ingloba anche le funzioni di Access Point, a cui può fare capo una rete wireless ordinaria (senza capacità di mesh) che può così scambiare dati e diventare raggiungibile tramite la rete mesh. Opera quindi come gateway tra una rete wireless mesh e una rete wireless 802.11 ordinaria.
  • Mesh Point Portal o Mesh Portal (MPP): è un Mesh Point in grado di collegarsi alla rete di distribuzione (Distribution System) usando una connessione di tipo cablato (rame o fibra), fornendo alla rete mesh e alle eventuali reti wireless ad essa collegate l'accesso da e verso servizi di rete come Internet, data center, reti di calcolatori eccetera. È il gateway tra l'intera rete wireless e la rete cablata.

L'insieme di questi nodi e dei loro collegamenti costituisce un Mesh Basic Service Set (MBSS), ossia una rete wireless di tipo mesh caratterizzata da un profilo definito da questi parametri:[5]

  • l'identificativo della rete (Mesh ID), equivalente dell'SSID;
  • uno specifico protocollo di identificazione e selezione del percorso per il traffico;
  • una specifica metrica usata dal protocollo per la selezione del percorso preferenziale.

Ogni nodo (MP, MAP o MPP) può essere in grado di gestire più profili differenti, ma i nodi che costituiscono una MBSS devono utilizzare tutti lo stesso profilo.[5]

La rete viene creata in modo autonomo dai nodi partecipanti (self-forming) tramite un meccanismo di rilevazione automatica degli altri nodi (auto discovery) e di collegamento spontaneo a coppie (protocollo di Peer Link Management),[1] secondo lo schema seguente:[6]

  • Ogni MP (compresi MAP e MPP) manda periodicamente delle trame di tipo beacon per scoprire se nel raggio della sua portata esistono altri MP con lo stesso profilo. Le trame sono single-hop, ovvero raggiungono solo i nodi immediatamente adiacenti e il nodo che le riceve non le propaga oltre.[6]
  • Alla ricezione di trame beacon compatibili col proprio profilo, due MP possono collegarsi tramite l'invio reciproco di una richiesta di accoppiamento (Peering Request). Ogni MP elabora la richiesta e se verifica la coincidenza dei profili invia all'altro un messaggio di conferma dell'accoppiamento (Peering Confirm). Quando entrambi i nodi hanno ricevuto il messaggio di conferma possono iniziare a scambiare traffico direttamente tra loro. Il meccanismo è sempre di tipo bidirezionale e paritario e non c'è una sequenza definita per questo scambio di messaggi: può avvenire prima dal nodo A verso il nodo B e poi dal nodo B verso il nodo A, oppure viceversa oppure può avvenire contemporaneamente tra i due nodi.[7]
  • Al momento dell'accoppiamento i due MP generano in modo algoritmico un identificativo univoco per la loro connessione diretta (mesh peer link) e un identificativo locale per l'MP all'altro capo dell'accoppiamento (AID).[7]

L'accoppiamento, e quindi la connessione, termina quando una delle due stazioni non è più nel raggio di portata dell'altra (per esempio, nel caso di dispositivi wireless in movimento) oppure quando i due profili non sono più identici o quando una delle due stazioni è collegata al numero massimo di nodi che è in grado di gestire o una delle due stazioni smette di rispondere.[7] L'accoppiamento può terminare anche in seguito alla decisione di una delle due parti di scollegarsi; in tal caso, la stazione manda alla sua controparte un messaggio specifico di chiusura del collegamento (Peering Close).[7]

Sicurezza

Il meccanismo di accoppiamento che consente l'ingresso di un nodo nella rete può avvenire in modalità non sicura (MPM, Mesh Peering Management) oppure in modalità sicura tramite autenticazione reciproca delle parti (AMPM, Authenticated Mesh Peering Management); quest'ultima modalità è indicata come preferenziale.[8]

Il meccanismo sicuro AMPM può utilizzare come opzione il protocollo IEEE 802.1x, che prevede la presenza di un server di autenticazione; in questo modo, ogni nodo, alla ricezione di una richiesta di peering, invia i dati relativi al nodo richiedente al server di autenticazione, che risponde indicando se il nodo è autentico o meno.[8] Lo svantaggio di questo meccanismo è che l'interazione con il server di autenticazione rallenta i tempi di accoppiamento, inoltre non può funzionare se il server non è momentaneamente raggiungibile, bloccando quindi l'intero meccanismo.[8]

Per ovviare a questi problemi, la normativa IEEE 802.1s prevede come opzione alternativa un meccanismo di Simultaneous Authentication of Equals (SAE), che è richiesto come obbligatorio per i nodi mesh, in base al quale ogni nodo può autenticare autonomamente la controparte purché entrambi siano stati configurati con lo stesso segreto condiviso (shared secret), che può essere ad esempio una password.[8][9] Il meccanismo è tale per cui il segreto condiviso non viene mai trasferito in chiaro; ogni nodo può verificare se l'altro utilizza lo stesso segreto tramite la generazione e lo scambio di un numero derivato dal segreto stesso e di un valore identificativo associato al calcolo, e controlla se usando il segreto condiviso con lo stesso identificativo avrebbe generato lo stesso numero; in caso positivo, assume che entrambi i nodi condividono lo stesso segreto e invia un messaggio di conferma.[8] Solo quando entrambi i nodi hanno ricevuto il messaggio di conferma dell'autenticità è possibile completare l'accoppiamento e generare la chiave crittografica da usare per lo scambio sicuro.[8][9] Come nel caso dell'accoppiamento, anche il meccanismo SAE è di tipo reciproco e paritario, senza ruoli o sequenze predefinite.[8]

È possibile anche utilizzare un meccanismo misto, in cui in una prima fase lo scambio avviene in modalità non sicura (MPM) solo per negoziare tra i nodi quale meccanismo di autenticazione utilizzare; una volta identificato tale meccanismo, i nodi procedono all'autenticazione in modalità sicura (AMPM) e in ogni caso l'accoppiamento effettivo, con la possibilità di trasferire i dati, avviene solo dopo il completamento dell'autenticazione reciproca.[8]

Estensioni alla frame MAC (Mesh Header)

Formato della frame MAC 802.11s con le estensioni specifiche

Per la gestione delle comunicazioni su infrastruttura mesh, la normativa introduce dei campi specifici, che costituiscono il Mesh Header. Questi campi aggiuntivi sono posizionati subito dopo l'header MAC ordinario, nei primi ottetti del campo normalmente utilizzato per i dati di traffico; con questo approccio, le frame 802.11s sono retrocompatibili con i dispositivi non mesh, che considerano questa estensione come parte del traffico dati.[4] In particolare, le estensioni riguardano la gestione degli indirizzi dei nodi di origine e di destinazione delle singole frame.

L'header MAC ordinario prevede già quattro campi di indirizzi, che rappresentano due coppie logiche:[4][10]

  • Address1 e Address2 sono rispettivamente gli indirizzi destinazione e sorgente relativi a due nodi direttamente adiacenti (estremi di un link, one hop endpoints)
  • Address3 e Address4 sono rispettivamente gli indirizzi destinazione e sorgente relativi ai due nodi mesh agli estremi di un percorso MAC (mesh path endpoints)

Il Mesh Header aggiunge come estensione una terza coppia di indirizzi:[4][10]

  • Address5 e Address6 sono rispettivamente gli indirizzi destinazione e sorgente relativi a eventuali stazioni esterne alla rete mesh ma collegate tra loro da tale rete (end-to-end).

Nei casi in cui la normativa 802.11 di base non prevede l'uso del campo Address 4 nell'header MAC ordinario, come avviene ad esempio per le frame di gestione (management frame), si utilizza al suo posto il campo Address 4 del Mesh Header, anch'esso previsto dalla normativa 802.11s.[10]

Il flag AE (Address Extension) del Mesh Header, codificato su due bit, indica quali delle tre coppie di indirizzi possibili sono presenti, consentendo la gestione corretta del trasferimento del frame.[4]

Il campo TTL (time to live) viene usato per impedire che una frame circoli indefinitamente nella rete mesh a causa della formazione di anelli (loop); è un numero compreso tra uno e 255 che viene decrementato ogni volta in cui un nodo deve trasferire la frame a un altro nodo; la frame viene scartata e non più trasmessa quando tale valore arriva a zero.[4][11]

Il campo Mesh Sequence Number (numero di sequenza mesh) viene utilizzato nel caso di trasmissioni multicast o broadcast per assegnare a ogni singola frame un numero di sequenza specifico; in questo modo, ogni nodo può identificare e sopprimere eventuali frame duplicate.[11]

Protocolli di instradamento

Per garantire la compatibilità tra dispostivi mesh, la normativa 802.11s prevede come protocollo di instradamento obbligatorio di default l'Hybrid Wireless Mesh Protocol (HWMP)[4], basato sugli indirizzi MAC dei nodi in quanto implementato al livello 2.[12]. Il protocollo prevede due meccanismi fondamentali, che possono anche coesistere:[4]

  • Modalità proattiva: tramite protocollo, viene selezionato un "nodo radice" (root node) che calcola e mantiene aggiornati, su una struttura ad albero che fa capo al nodo stesso, tutti i percorsi per raggiungere ogni altro nodo della rete mesh, interrogandoli periodicamente (tree routing).[13]
  • Modalità reattiva o on-demand: un nodo che deve comunicare con un altro nodo della rete mesh calcola il percorso al momento di iniziare la comunicazione, interrogando le altre stazioni per ottenere le informazioni utili per identificare il percorso migliore. Il meccanismo di base è il protocollo Ad Hoc On Demand Vector (AODV), definito da IETF nella normativa RFC 3561, opportunamente esteso per riportare anche informazioni relative alla qualità dei singoli link radio.[13]

Per la selezione del percorso migliore, il protocollo può usare qualsiasi tipo di metrica[13] ma per garantire l'interoperabilità tra dispositivi di produttori diversi, la normativa 802.11s prevede di usare come metrica di default, obbligatoria per tutti i dispositivi, l'Airtime Link Metric[13] che tiene conto di parametri quali la velocità di trasmissione, il tasso di errore e il carico di traffico aggiuntivo (overhead) introdotto dalle trame MAC e dai dati di controllo utilizzati per la gestione del canale.[14]

Oltre al protocollo HWMP, è possibile utilizzare altri protocolli alternativi, come ad esempio RA-OLSR (Radio Aware Optimized Link State Routing Protocol) definito dalla normativa IETF RFC 3626.[15]

Applicazioni

Grazie alle caratteristiche di semplicità di configurazione, di robustezza ai guasti, di economicità e di facilità nell'estendere il raggio di portata di una rete, la normativa 802.11s si è dimostrata adatta per realizzare soprattutto reti wireless aziendali e municipali su larga scala, installazioni casalinghe e di monitoraggio, controllo di droni, applicazioni militari.[16][17]

Le reti wireless di tipo mesh si rivelano inoltre molto importanti in caso di catastrofi o disastri, perché consentono alle squadre di emergenza di raggiungere in modalità wireless dispositivi che altrimenti sarebbe isolati, facilitando le operazioni di soccorso e di monitoraggio della situazione.[18][19][20]

Note

  1. 1 2 3 4 5 6 (EN) IEEE 802.11s, su Linux Wireless Documentation.
  2. 1 2 IEEE 802.11s-2011
  3. ↑ IEEE 802.11-2012, p. ix
  4. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 (EN) 802.11s Wireless Mesh Solution (PDF), in ACL Digital.
  5. 1 2 IEEE 802.11s Mesh Networking, p.7
  6. 1 2 IEEE 802.11s Mesh Networking, p.8
  7. 1 2 3 4 Jerome Henry, pp. 9-10
  8. 1 2 3 4 5 6 7 8 Jerome Henry, pp.11-14
  9. 1 2 Gianluigi Spagnuolo (a cura di), WPA3: analisi delle nuove reti WiFi, su ictsecuritymagazine.com, 27 settembre 2018.
  10. 1 2 3 Jerome Henry, p. 20
  11. 1 2 (EN) Lamia Chaari, Rim Ayadi e Lotfi Kamoun, Conception and FPGA implementation of IEEE 802.11s mesh network MAC layer transmitter, in Journal of Telecommunications, vol. 2, n. 1, aprile 2010, p. 116, DOI:10.48550/arXiv.1004.4616.
  12. ↑ (EN) Whye Kit Tan, Sanggon Lee, Jun Huy Lam e Seong-Moo Yoo, A Security Analysis of the 802.11s Wireless Mesh Network Routing Protocol and Its Secure Routing Protocols, in Sensors, vol. 13, n. 9, settembre 2013, p. 11554, DOI:10.3390/s130911553.
  13. 1 2 3 4 (EN) Kirill Andreev e Pavel Boyko, IEEE 802.11s Mesh Networking NS-3 Model (PDF).
  14. ↑ (EN) Georgios Parissidis, Merkourios Karaliopoulos, Rainer Baumann e Thrasyvoulos Spyropoulos, Routing Metrics for Wireless Mesh Networks, in Guide to Wireless Mesh Networks, febbraio 2009, p. 27, DOI:10.1007/978-1-84800-909-7_8.
  15. ↑ (EN) W. Steven Conner, Jan Kruys, Kyeongsoo (Joseph) Kim e Juan Carlos Zuniga, IEEE 802.11s Tutorial (PDF), novembre 2006, p. 46.
  16. ↑ (EN) WiFi 802.11s Mesh Networking Showcase, su gateworks.com.
  17. ↑ (EN) 802.11s and EasyMesh, su wallystech.com, 30 giugno 2023.
  18. ↑ (EN) Ana Rita Ortigoso et al., HaLert: A Resilient Smart City Architecture for Post-Disaster Based on Wi-Fi HaLow Mesh and SDN, su arxiv.org, 11 luglio 2025.
  19. ↑ (EN) Lifetime enhancement of disaster recovery systems based on IEEE 802.11s wireless mesh networks, IEEE 11th International Conference on Wireless and Mobile Computing, Networking and Communications (WiMob), Abu Dhabi, IEEE, 19-21 ottobre 2015, DOI:10.1109/WiMOB.2015.7347945, ISBN 978-1-4673-7701-0.
  20. ↑ (EN) L. Vollero e R. Setola, IEEE 802.11s mesh network analysis for post disaster communication, in Lecture Notes in Electrical Engineering, vol. 504, 2019, pp. 53-57, DOI:10.1007/978-981-13-0408-8_5, ISBN 978-981-13-0408-8.

Bibliografia

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