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La tecnologia della rete EOLO

La rete EOLO offre caratteristiche uniche sul mercato internazionale della banda ultra-larga wireless

Agli albori della rete EOLO, le tecnologie IEEE 802.11a e derivate (HiperLAN2) rappresentavano una scelta tecnologica quasi obbligata per realizzare reti radio a larga banda punto-punto e punto-multipunto, avendo il vantaggio di essere "semplici" e consentire di realizzare velocemente una rete radio senza bisogno di troppi servizi centralizzati e disponendo, per quei tempi, di una buona efficienza spettrale (circa 1 bit/Hz in condizioni reali).

 

802.11 e HiperLAN sono protocolli radio non sincronizzati e senza alcuna gestione del canale trasmissivo. In caso di trasmissione, un client impiega immediatamente il canale radio, senza alcun sistema di prenotazione della risorsa trasmissiva. Questo sistema ha il beneficio che, se il canale è scarsamente utilizzato, la latenza è molto bassa (1-2 ms), ma col crescere dell’occupazione del canale questa diventa imprevedibile. In condizioni di saturazione delle capacità di canale, inoltre, non vi è alcuna garanzia di equa ripartizione delle risorse tra clienti diversi. 802.11, infine, non consente la sincronia di trasmissione/ricezione, limitando il riuso dello spettro radio e, di conseguenza, ostacolando la crescita della rete in situazioni dove sia necessario co-locare diverse celle sullo stesso sito o in zone dove sia necessario realizzare diverse stazioni radio vicine.

Dal 2010 abbiamo iniziato a installare stazioni radio con tecnologia WiMAX (IEEE 802.16e), sviluppata appositamente per realizzare reti di accesso radio su larga scala. Grazie a questa scelta siamo riusciti ad aumentare la nostra copertura ed a superare le limitazioni tecnologiche alla densità dell'utenza, aumentando significativamente la capacità della rete. L'utilizzo del MIMO in downlink, ossia lo sfruttamento di due canali trasmissivi accoppiati (su due differenti polarità radio) consente di aumentare in modo sensibile l'efficienza spettrale (circa 2 bit/s/Hz). 802.16e, inoltre, ha portato un significativo miglioramento nell'allocazione della banda disponibile in scenari di saturazione ed una riduzione del jitter (variazione di latenza). Di contro, WiMAX non consente di ridurre la latenza dell'accesso oltre i 35-40 millisecondi e limita la capacità di uplink (ossia la banda disponibile dal cliente verso la rete) a non più di 2-3 Mb/s per cliente.

 

Dal 2006 ad oggi è davvero cambiato tutto. L’incredibile successo di EOLO ci ha consentito, dal 2009, di diventare un laboratorio permanente e di collaborare direttamente con i reparti R&D delle principali aziende produttrici a livello mondiale.

In un primo momento abbiamo consigliato di sviluppare caratteristiche e modifiche ai loro apparati esistenti per incontrare le nostre esigenze e, successivamente, ci siamo fatti realizzare apparati direttamente su nostre specifiche. Oggi, l'enorme dimensione della rete ed i volumi d’investimento che generiamo ci permettono di realizzare soluzioni hardware e software su misura per le nostre esigenze.

 

EOLOwave rappresenta la materializzazione del nostro sogno: un insieme di tecnologie che consentono la realizzazione di una rete radio fissa ad altissime prestazioni, bassa latenza e scalabilità. EOLOwave rappresenta il naturale punto di arrivo di un cammino iniziato nel 2006, che aveva come obiettivo la realizzazione interna di ogni tecnologia core per lo sviluppo della rete.

 

I protocolli radio 4G utilizzati dagli operatori mobili (quali LTE) non sono ottimizzati per una rete come EOLO. EOLO ha la particolarità di essere una rete di accesso fisso, di avere collegamenti in linea di vista. E' una rete più simile a tanti "ponti radio dedicati" che ad una rete mobile. Al contrario, LTE è ottimizzato per la mobilità - con conseguente incremento dell'overhead.

EOLOwave è una tecnologia proprietaria, frutto dell’esperienza maturata in quasi 10 anni di sviluppo della rete EOLO, che rappresenta lo stato dell’arte tecnologico per reti radio di accesso fisse a banda ultra larga. Di seguito alcuni dettagli:

  • Time Division Multiple Access (TDMA): la tecnica di accesso multiplo al mezzo trasmissivo radio, che si basa sull’assegnazione controllata e programmata di finestre di trasmissione temporali predefinite - in modo da realizzare un accesso condiviso da parte di utenti multipli senza contesa ed esente da collisioni.
  • Multiple Input Multiple Output (MIMO): la tecnica di trasmissione e ricezione di segnali radio multipli aumenta la capacità del collegamento radio e la probabilità di realizzare un collegamento robusto. La trasmissione MIMO2x2 bidirezionale conferisce anche al collegamento di uplink elevate prestazioni, richieste dalle nuove applicazioni multimediali.
  • Multi-user MIMO (MU-MIMO): un'innovativa tecnica di trasmissione radio che consente di trasferire simultaneamente e sulla stessa frequenza informazioni distinte verso più gruppi di utenti appartenenti allo stesso settore radio. La tecnica del MU-MIMO, permette di aumentare notevolmente l’efficienza spettrale e la capacità aggregata di ogni settore.
  • Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM): la tecnica avanzata di modulazione OFDM, attraverso un elevato numero di sottoportanti ortogonali, consente di incrementare l’efficienza spettrale assieme alla resistenza ai fenomeni di multipath della trasmissione radio.
  • Adaptive Modulation: l’algoritmo di adattamento del livello di modulazione della comunicazione wireless massimizza in tempo reale il data rate sostenibile in funzione dei cambiamenti di condizioni di propagazione radio cui il collegamento è soggetto, ottimizzando in questo modo le prestazioni del sistema in ogni momento.
  • GPS Synchronization: la possibilità di sincronizzazione degli intervalli di trasmissione e ricezione dei moduli radio, attraverso un accurato riferimento temporale basato sul sistema GPS, incrementa l’efficienza di riuso delle frequenze nei siti in cui sono collocati punti di accesso multipli.

Tra i punti di forza della tecnologia EOLOwave evidenziamo:

  • Efficienza spettrale: il sistema EOLOwave, grazie al suo contenuto tecnologico molto avanzato - sviluppato allo scopo di ottenere le massime prestazioni di capacità con il minimo delle risorse a radiofrequenza disponibili in ambienti esterni, è in grado di gestire flussi spaziali multipli sulla stessa frequenza, ciascuno in grado di trasportare circa 130 Mb/s di traffico utente in un canale di 20 MHz. La tecnica del MU-MIMO permette, infatti, di moltiplicare le prestazioni del singolo settore sfruttando la distribuzione spaziale degli utenti all’interno dell’area di copertura. Il throughput di settore risultante è compreso tra 260 e 390 Mb/s, corrispondenti ad un’efficienza spettrale tra i 13 e i 19 bps/Hz, valore che rappresenta il punto più alto raggiunto dalla tecnologia punto-multipunto attualmente disponibile nel mercato. In aggiunta, grazie all’impiego della sincronizzazione basata su GPS, è possibile realizzare siti multisettore, adottando efficaci schemi di riuso della frequenza nei settori in opposta direzione che consentono di offrire fino a 1,5 Gb/s di capacità di sito occupando solo 40 MHz di spettro, il che corrisponde ad un’efficienza spettrale di sito pari a 39 bps/Hz - valori non eguagliabili da altre tecnologie.
  • Flessibilità dell’offerta all’utente: il sistema EOLOwave è in grado di mettere a disposizione un’ampia varietà di unità subscriber che si differenziano in termini di livelli di servizio con banda nominale che varia da 10 Mb/s a 30 Mb/s e banda minima molto elevata, in modo da soddisfare qualunque opportunità commerciale.
  • Scalabilità della rete: il protocollo di accesso proprietario del sistema EOLOwave è stato sviluppato appositamente per ottimizzare le prestazioni in termini di capacità aggregata e latenza, in maniera indipendente dal numero di utenti contemporaneamente attivi e dal carico di traffico da essi generato, consentendo di realizzare reti di accesso altamente scalabili per supportare al meglio l’evoluzione e la penetrazione dei servizi erogati.
  • Sicurezza delle informazioni: il sistema EOLOwave offre l’insieme di funzionalità e caratteristiche di sicurezza più completo disponibile sul mercato, allo scopo di realizzare un robusto approccio multilivello alla protezione delle informazioni. L’autenticazione degli utenti viene effettuata tramite protocollo standard RADIUS mentre la protezione in aria si basa sulla cifratura dei dati secondo il protocollo Advanced Encryption Standard (AES) conforme allo standard FIPS 197 con chiavi a 128 bit.
  • Qualità del servizio: a causa dei diversi livelli di capacità offerti rispetto alle tecnologie di rete cablate i collegamenti radio spesso rappresentano i colli di bottiglia di una rete; per questo il sistema EOLOwave offre un’avanzata politica di qualità del servizio basata sulla prioritizzazione di diverse code di traffico e sulla classificazione del traffico utente sia a Livello 2 (Ethernet Priority) che a Livello 3 (IP DSCP e MPLS TC). In tal modo viene assicurata la minimizzazione della perdita di frame durante gli stati di congestione di rete e la prioritizzazione del traffico sensibile alla latenza.
  • Ridotti costi di installazione: il disegno ottimizzato delle componenti hardware e le guide all’installazione di facile lettura riducono in maniera significativa i tempi delle attività di realizzazione ed i loro costi. L'impianto EOLOwave è basato su un’architettura di tipo integrato, che comprende nella medesima unità da esterno il modem, il ricetrasmettitore radio e il sistema di antenna, mentre quella da installare all'interno consiste semplicemente in un alimentatore dalle dimensioni fisiche molto compatte, connesso all’unità esterna tramite cavo di rete standard. Tale approccio architetturale, oltre ad eliminare qualunque tipo di perdita di potenza dovuta al cablaggio, riduce enormemente lo spazio di alloggiamento richiesto per l’installazione del sistema - anche quando la disponibilità di unità rack sia scarsa o assente.

La nostra rete nazionale di trasporto

Il backhaul della rete territoriale è realizzato per la maggior parte tramite collegamenti radio punto-punto a bassa latenza ed elevata capacità: fino a 4 Gb/s full-duplex, con un ritardo introdotto per singolo link radio inferiore ai 0,3 millisecondi.

L’utilizzo primario dei collegamenti radio ci consente di ridurre notevolmente i tempi di realizzazione della rete rispetto a quanto sarebbe necessario per il rilegamento dei tralicci EOLO tramite stesura di collegamenti in fibra ottica. Il costo di realizzazione dei collegamenti - significativamente inferiore alla stesura di fibra ottica, inoltre, ci permette di mantenere un "approccio opportunistico" alla progettazione della rete di trasporto: ogniqualvolta due tralicci EOLO sono in visibilità e le condizioni delle strutture consentono l’installazione di nuove antenne, viene valutata la possibilità di realizzare un nuovo link radio per collegarle. Tale approccio si traduce in un elevato "fattore di magliatura": il numero di link di backhaul attivi è, quindi, molto superiore al numero di tralicci e da ciò consegue che ognuno ha a disposizione una molteplicità di percorsi per arrivare ai datacenter nazionali o a qualunque altro traliccio della rete.

Sebbene tale magliatura rappresenti un importante asset strategico, risulterebbe difficile sfruttarlo con le tradizionali architetture di switching Layer 2 o di routing dinamico Layer 3. In particolare, verrebbe limitata la scalabilità del numero di rotte ed il bilanciamento del traffico dalla stessa sorgente su percorsi multipli dal costo differente risulterebbe inattuabile.

 

Abbiamo dunque deciso, investendo in ricerca e sviluppo interna, di realizzare una piattaforma di routing intelligente basata sul concetto di Software Defined Networking (SDN). La piattaforma hardware, denominata "Blu", presenta le seguenti caratteristiche:

  • installazione a rack standard 19” - profondità ridotta e flusso di aria ottimizzati per consentire l’installazione in tutti gli shelter;
  • alimentazione ridondata in DC o AC e consumi ridotti;
  • 24 porte Ethernet Gigabit rame e ottiche, 2 porte TenGigabit;
  • 128 GB di memoria persistente e 16 GB di RAM ECC ad alte performance;
  • processore RISC con 72 core operante a 1 GHz dotato di funzionalità di packet inspection ed encryption, che consente di processare oltre 120 milioni di pacchetti al secondo.
 

Il software della piattaforma è basato su progetti open source, ai quali contribuiamo attivamente. La piattaforma è progettata per gestire una rete con 10.000 tralicci e milioni di clienti.

Ogni nodo fornisce la terminazione dei servizi PPP, DHCP e MPLS dei clienti attestati nelle vicinanze ed è in grado di rilevare autonomamente le condizioni della rete quali, ad esempio, il throughput dei link di trasporto e le condizioni dei collegamenti radio. L’insieme di metriche raccolte viene periodicamente trasferito ad un controller centralizzato, che mantiene visibilità globale sulle condizioni della rete EOLO. Il controller ricalcola costantemente i percorsi migliori tra i tralicci della rete EOLO ed i datacenter nazionali al variare delle condizioni del traffico e delle caratteristiche dei singoli collegamenti radio, istruendo di conseguenza i nodi periferici sui percorsi da utilizzare.

La piattaforma è in grado di re-instradare il traffico su un percorso di backup in meno di un secondo nel caso in cui un collegamento radio dovesse diventare indisponibile.

In prospettiva futura, vi è un ulteriore motivo per il quale la piattaforma di routing intelligente sopra descritta rappresenta una funzionalità strategica. Il traffico IP viene tradizionalmente categorizzato tra traffico "real-time", cioè quello relativo a servizi la cui fruibilità degrada rapidamente al crescere della latenza sul collegamento, e traffico "bulk" generato da applicazioni non sensibili alla latenza. Esempi di servizi real-time sono, ad esempio, la telefonia VoIP, il controllo remoto (ad esempio SSH, etc.) e le applicazioni di telepresenza (ad esempio Skype). Esempi di servizi bulk sono invece la navigazione web tradizionale, il trasferimento di file e lo streaming unidirezionale di video (ad esempio YouTube).

Negli ultimi anni, il volume del traffico bulk è cresciuto a ritmi elevati, principalmente a causa del diffondersi di servizi di streaming video ad alta qualità: si cita ad esempio la stima dello studio Cisco VNI, il quale prevede che nel 2017 il traffico IP video su scala globale sarà triplo rispetto ai valori del 2012. Sulla rete EOLO, il traffico video rappresentava già il 50% del volume totale alla fine del 2014. La crescita del traffico bulk potrebbe aumentare ancora di più in seguito al lancio di nuovi servizi di video streaming dai contenuti localizzati nel mercato italiano (ad esempio Mediaset Infinity, Sky Go, etc.). La crescita del traffico video, infine, viene percepita ancora di più dagli operatori, a causa dell’acuirsi della differenza tra il traffico di picco gestito in fasce serali e quello medio: il sopra citato studio Cisco stima che il traffico di picco crescerà il 40% più velocemente del traffico medio entro il 2017.

Per gli operatori, la gestione del video on-demand è resa difficoltosa dal fatto che le metodologie tradizionali di gestione del traffico (ad esempio lo shaping) vanno a colpire significativamente la fruibilità del servizio. In altre parole, non è possibile limitare il traffico senza peggiorare l’esperienza dell’utente.

La piattaforma di routing intelligente di EOLO, invece, consente di identificare la tipologia di traffico alla periferia della rete e di marcarlo quale real-time o bulk. Poiché il traffico bulk è scarsamente sensibile alla latenza, esso offre un grado di libertà maggiore, potendo essere instradato su percorsi composti da un numero maggiore di link rispetto al traffico real-time. La piattaforma di routing intelligente permette, dunque, di "aggirare" eventuali congestioni locali del trasporto geografico, ruotando parte del traffico bulk su più percorsi, potenzialmente anche più lunghi, ma che non presentano congestione.

Siamo, dunque, in grado di assicurare la fruibilità dei contenuti bulk, quali video streaming, anche in orari di punta e nonostante la crescita del volume, senza in alcun modo limitare la velocità di trasferimento (ad esempio con lo shaping) e senza peggiorare le prestazioni dei servizi real-time.

La rete di Core e la capacità "Peering & Transit"

La rete di Core nazionale EOLO è costituita da tre datacenter, in locazione da fornitori diversi, presso Settimo Milanese, San Donato Milanese e nel campus di Via Caldera a Milano. I tre datacenter sono collegati tra di loro da un anello in fibra ottica, in configurazione di disaster recovery.

La strategia di peering di EOLO si basa su una politica "aperta" all’interscambio con qualunque operatore che ne faccia richiesta, presso uno dei Neutral Internet Exchange a cui EOLO afferisce (MIX di Milano, TOP-IX di Torino, NaMeX di Roma). La capacità di peering pubblico attualmente è la seguente:

  • 20 Gb/s di capacità presso MIX Milano;
  • 10 Gb/s di capacità presso TOP-IX;
  • 1 Gb/s di capacità presso NaMeX Roma.

Per assicurare ottimi livelli qualitativi nel trasporto IP nazionale e internazionale, inoltre, EOLO dispone delle seguenti capacità di transito presso i datacenter di Milano:

  • 20 Gb/s con Level 3;
  • 20 Gb/s con BT;
  • 10 Gb/s con Cogent Communications.
 

Il monitoraggio della rete

Dal 2006 investiamo in Eolia, una piattaforma software sviluppata totalmente internamente che consente di monitorare il funzionamento e lo stato di tutta la catena infrastrutturale dalla "antenna" del singolo utente fino agli apparati di backhaul.

Il software è in grado di fornire supporto per la gestione dell’infrastruttura delle reti di accesso e di distribuzione in modalità end-to-end (i.e. dall’antenna cliente agli apparati della rete di backhaul) sia dal punto di vista dall'anagrafica di ciò che è installato, sia per quanto riguarda la configurazione degli apparati ed il loro monitoraggio. Un diversificato insieme di statistiche operative viene raccolto ogni breve intervallo di minuti da tutti gli apparati in esercizio, permettendo l’analisi puntuale delle prestazioni, nonché la rappresentazione grafica delle serie storiche fino a cinque anni.

 

Eolia viene, inoltre, utilizzata per il monitoraggio degli allarmi e la gestione pro-attiva dei problemi. Eolia, infine, presenta una visualizzazione georeferenziata della rete al fine di poter correlare guasti ed anomalie per area geografica, permettendo una più efficace diagnostica degli stessi. L'interazione diretta con il catasto delle infrastrutture fornisce, poi, le informazioni necessarie per il coordinamento delle squadre territoriali, che si occupano della risoluzione dei guasti. Il sistema è anche in grado di generare le mappe della copertura della rete in tempo reale.

Eolia supporta sia modalità di monitoraggio attivo (ad esempio query SNMP, ping, query HTTP), che di monitaggio passivo (ad esempio ricezione di TRAP SNMP) - consentendo l’integrazione con tutti i modelli di apparati utilizzati in rete. La piattaforma è fruibile tramite connessione sicura via web (HTTPS) ed è stata sviluppata, utilizzando tecnologie quali HTML5, CSS3 e Javascript, permettendo integrazione diretta con tutti i servizi di supporto (DNS, Radius, server VoIP, etc.) e completo controllo sull'intera infrastruttura da un unico punto di accesso.