Stato dell’arte e prossimi sviluppi delle reti di comunicazione

Dopo molti decenni di sviluppo e di progressiva integrazione, le reti di comunicazione hanno iniziato un processo di radicale universalizzazione i cui risultati si vedranno progressivamente nel prossimo quinquennio. I principali pilastri di questo processo evolutivo sono:

– La progressiva virtualizzazione delle reti e degli apparati attivi.

– La diffusione di nuove tecnologie abilitanti di trasmissione wireless come rete 5G e WiFi 6.

– L’integrazione delle reti locali industriali, domotiche e Smart Grid con le reti degli uffici.

– L’unificazione dei protocolli di comunicazione per garantire l’interoperabilità.

Virtualizzazione

Il processo di virtualizzazione dell’hardware, iniziato anni fa con la virtualizzazione dei server e dei terminali (macchine virtuali) e delle centrali telefoniche (PBX virtuali e Centrex), si è progressivamente esteso, anche grazie alle diffusione delle tecnologie di cloud computing, allo storage (software-defined storage – SDS), a interi data center (software-defined data center – SDDC) e infine alle reti di comunicazione (software-defined networking – SDN), per arrivare all’acronimo SDx (software defined everything) che sintetizza la tendenza a passare da una pletora di dispositivi hardware che svolgono funzioni specifiche alla personalizzazione in modo dinamico di risorse hardware omogenee (computer, storage e network fabric) per realizzare strutture in grado di svolgere le loro funzioni in modo ottimizzato in tempo reale.

Per quanto riguarda le reti, la virtualizzazione delle funzioni hardware (virtualized network function – VNF) consente di utilizzare processori tipo x86 o altre piattaforme generiche invece di costose e inflessibili apparecchiature specializzate. Le funzioni di rete di base come switching, routing e firewall sono già supportate da quasi tutti gli apparati attivi virtualizzati (customer premise equipment- CPE) che generalmente sono anche in grado di realizzare quasi tutte le altre funzioni di rete, come il filtraggio antispam, il rilevamento di malware e controlli di sessione delle chiamate vocali (session border controller – SBC).

La tecnologia SD-WAN (software-defined wide area network) semplifica il networking delle filiali e ottimizza le prestazioni delle applicazioni su Internet e WAN ibrida. La rete SD-WAN è basata sulla tecnologia SDN (software-defined networking), che separa i servizi di rete dall’hardware sottostante.

Per realizzare questo tipo di virtualizzazione nei siti di erogazione dei servizi, i CPE stanno evolvendo in flessibili dispositivi di rete ‘off-the-shelf’ che possono funzionare come parte di tecnologie definite dal software come l’architettura di comunicazione SD-WAN. Ciò significa che le funzioni di rete tradizionalmente gestite dagli apparati hardware specializzati CPE si stanno trasformando in virtualized network functions (VNF) nell’ambito dell’architettura network functions virtualization (NFV) definita da ETSI. Questa architettura abbina i VNF a sistemi di gestione degli elementi (EMS) e li controlla tramite i gestori VNF in remoto tramite un sistema centralizzato di gestione e orchestrazione.

Con l’evoluzione dei servizi e delle architetture virtualizzate, sono emersi due tipi di CPE software-defined: vCPE e uCPE. Un vCPE (CPE virtualizzato) è un apparato di basso livello, gestito dai VNF che risiedono in altri nodi del cloud di rete. Un dispositivo vCPE è semplice, ma richiede una linea di comunicazione veloce e affidabile per eseguire funzioni VNF come routing locale, firewall o funzionalità di sicurezza basate su cloud.

Un uCPE (CPE universale) è un dispositivo molto più potente che, oltre a incorporare alcune capacità fisiche dei CPE tradizionali, è in grado di eseguire sulla propria piattaforma di elaborazione general-purpose anche altre funzioni virtualizzate e di orchestrazione. La piattaforma software più utilizzata è tipicamente Linux con componenti come OpenStack.

Quando si implementano gli uCPE a livello di grandi organizzazioni, che richiedono notevoli ampiezze di banda, diventa fondamentale l’integrazione con le SD-WAN che forniscono una struttura di rete stratificata su internet e permettono agli utenti di implementare una soluzione di connettività economica rispetto ai costosi servizi delle reti multiservizio dedicate Mpls.

2019: l’anno di avvio delle sperimentazioni 5G

Le reti cellulari 4G come WiMAX e LTE, standardizzate nel 2012, che offrono velocità di trasmissione più elevate rispetto alla tecnologia Umts di terza generazione, stanno per cedere il passo alla quinta generazione (5G) in grado di garantire velocità da centinaia di megabit ai gigabit.

La tecnologia di trasmissione cellulare 5G attualmente è offerta al pubblico solo da Verizon in alcune zone degli USA, mentre gli operatori telefonici di tutto il mondo si stanno preparando a realizzare e distribuire reti 5G già nel corso del 2019. È in fase di sperimentazione in Italia, che è stato il primo Paese dell’Unione Europea ad avviare le sperimentazioni a Milano, Prato, l’Aquila, Bari e Matera, e verrà offerta a partire dal 2022 alle normali utenze dai principali gestori di telefonia mobile. Tim è stato il primo operatore telefonico italiano a partecipare al progetto sin dall’inizio, mettendo a disposizione i propri laboratori di ricerca. La tecnologia 5G può utilizzare varie bande di frequenza: 700 MHz, 3,7 GHz e 26 GHz.

La maggior parte degli smartphone attuali è equipaggiata con hardware progettato per reti 4G o 4,5G e non sarà in grado di utilizzare il 5G per limiti dell’hardware non risolvibili tramite aggiornamenti software.

I primi smartphone commerciali che supporteranno il 5G nella banda media (3,7 GHz) saranno disponibili nel 2019, mentre il supporto per bande ad alto spettro è previsto nel 2020.

Dal 2020 in poi, la maggior parte degli smartphone avrà a bordo la connettività 5G, e nello stesso anno Intel, grazie a un’alleanza con Dell, Hp, Lenovo e Microsoft, porterà sul mercato i primi pc che supporteranno il nuovo standard.

Gli smartphone saranno i principali dispositivi a utilizzare la tecnologia 5G, affiancati da tablet, computer, apparati di rete, auto connesse, droni, visori per la realtà virtuale, dispositivi indossabili, infrastrutture per smart city, sensori, macchine e impianti industriali (Industria 4.0).

Secondo Ericcson il 5G raggiungerà il 15% della popolazione mondiale entro il 2022, mentre nel 2023 le reti 5G dovrebbero raggiungere il miliardo di ‘utenze’, e i 2,6 miliardi entro i due anni successivi. L’implementazione partirà dalle principali aree metropolitane: le applicazioni IoT che saranno usate per prime saranno probabilmente le soluzioni per smart city come l’illuminazione stradale e i semafori connessi. In seguito l’ultrabroadband consentirà di connettere praticamente qualsiasi cosa, dai dispositivi per la smart home alle auto a guida autonoma fino alla robotica.

Il 5G consentirà all’IoT di decollare definitivamente, con il passaggio dagli attuali 20 miliardi di dispositivi connessi ai 76 miliardi ipotizzati dagli analisti per il 2025. Al di là delle prestazioni, la connessione degli oggetti alla rete 5G consentirà di tracciare costantemente e identificare in tempo reale tutti gli oggetti collegati alla rete, semplificando in modo decisivo tutte le problematiche legate agli standard per la comunicazione tra oggetti che oggi utilizzano protocolli di comunicazione differenti.

In seconda istanza l’ultrabroadband consentirà di connettere praticamente qualsiasi cosa, dai dispositivi per la smart home alle auto a guida autonoma fino alla robotica, e di offrire nuovi servizi come la trasmissione degli ologrammi.

Requisiti e possibili scenari del 5G

L’ITU (International Telecommunication Union), organizzazione delle Nazioni Unite che definisce gli standard nelle telecomunicazioni, ha stabilito i requisiti della nuova tecnologia: deve offrire una velocità di download di almeno 20 Gbps, tempi di ‘latenza’ di meno di un millisecondo e capacità di connettere almeno un milione di dispositivi in un chilometro quadrato. Quindi la rete 5G porta in campo tre nuove caratteristiche: una velocità maggiore, una latenza minore che consentirà di essere più reattivi, e la capacità di connettere contemporaneamente molti più dispositivi (come sensori e smart device).

Il rapporto ‘Understanding 5G: Perspectives on future technological advancements in mobile’ pubblicato da GSMA (Global System for Mobile Communications) elenca gli otto criteri che una connessione 5G dovrebbe soddisfare:

– Connessioni da 1 a 10 Gbps ai terminali sul campo.

– Ritardo end-to-end (latenza) di 1 millisecondo.

– 1.000x di larghezza di banda per unità di area.

– Da 10 a 100x dispositivi collegati.

– Percezione di disponibilità del 99,999%.

– Percezione di copertura del 100%.

– 90% di riduzione nell’uso di energia della rete.

– Durata della batteria fino a dieci anni per dispositivi a bassa potenza.

La rete 5G consentirà il passaggio alla ‘Gigabit Society’ e abiliterà la realizzazione delle smart city, smart building, smart home, smart grid e delle automobili e dei veicoli a guida autonoma. Questo perché consentirà connessioni mobili ad altissima velocità, e con tempi di latenza inferiori rispetto a quelli offerti dalle reti mobili (da 1 a 4 millisecondi, contro i 20 di LTE).

La ‘fifth generation’ degli standard per le connessioni da dispositivi mobili offre agli utenti una user experience semplificata insieme a prestazioni e servizi finora mai realizzati e avrà un impatto importante sulla diffusione dell’IoT. La nuova rete mobile consentirà la connessione di un numero di device molto più elevato di quanto non sia possibile oggi, con prestazioni molto più performanti che consentiranno un utilizzo più semplice e sicuro, anche in mobilità, di droni e robot.

Sono stati individuati dieci settori in cui il 5G avrà un notevole impatto per il miglioramento dei servizi dal punto di vista economico e sociale: energia e utility, manufacturing, sicurezza pubblica, sanità, trasporto pubblico, media ed entertainment, automotive, servizi finanziari, retail e agricoltura.

Questa tecnologia potrà affiancare quelle già esistenti, dove è presente una connessione fissa, e dall’altra potrà estendere l’utilizzo dell’IoT in campi nuovi, come l’automotive o la smart agrifood/agriculture, ottimizzando le prestazioni che oggi possono essere ottenute utilizzando LTE o Wi-Fi.

Rispetto alle tecnologie già esistenti per il monitoraggio ambientale, il 5G è in grado di migliorare sensibilmente la qualità delle prestazioni offerte dai sensori connessi in 4G, con una velocità di trasmissione più elevata e una durata delle batterie più lunga, supportando una ‘Smart urban communication infrastructure’ in grado di coprire uniformemente il territorio cittadino, e sarà inoltre possibile installare i sensori per monitorare edifici e mezzi mobili.

È significativo il ruolo che giocherà la tecnologia 5G nell’‘haptic feedback’, ovvero l’utilizzo del tatto per fornire informazioni all’utente. Un’interfaccia aptica può permettere di manovrare a distanza un robot, ricevendo in risposta sensazioni tattili con una bassa latenza.

Arriva Wi-Fi 6

Il nuovo standard WiFi 802.11ax, rinominato Wi-Fi 6, che introduce una serie di aggiornamenti tecnologici volti a semplificare i problemi della rete wireless, inizierà a comparire nelle nuove installazioni nel 2019.

Lo standard è stato progettato per funzionare negli ambienti radio odierni sempre più congestionati. Supporta la tecnologia multiutente a ingressi multipli e uscite multiple (MU-Mimo) che permette a un singolo access point di gestire il traffico di un massimo di otto utenti contemporaneamente e alla stessa velocità. Oltre a essere più veloce rispetto alle versioni precedenti della tecnologia ‘senza fili’, il Wi-Fi 6 sarà in grado di gestire meglio l’alta densità di client e dispositivi IoT presenti nei moderni ambienti e risulterà più efficiente anche dal punto di vista energetico.

Alcuni access point Wi-Fi 6 sono già sul mercato, ma la maggior parte dei nuovi modelli e i terminali saranno disponibili dal 2019, mentre la diffusione di massa del Wi-Fi 6 inizierà nel 2020.

Per facilitare il riconoscimento delle tecnologie WiFi disponibili negli hotspot e per semplificare la ‘alphabet soup’ che identifica i numerosi standard wireless, WiFi Alliance ha rinominato le principali tecnologie precedenti come segue:

– WiFi 4 – tecnologia IEEE 802.11n;

– WiFi 5 – tecnologia IEEE 802.11ac;

– WiFi 6 – tecnologia IEEE 802.11ax.

E ha definito nuovi simboli grafici per individuare il tipo di copertura WiFi presente nei diversi luoghi (vedi tabella in questa pagina).

Convergenza tra reti IT e OT: le difficoltà da superare

Una delle principali difficoltà connesse all’implementazione delle applicazioni relative a Industria 4.0 è la convergenza tra le reti degli ambienti IT con quelle presenti negli ambienti operativi, come la fabbrica o il magazzino, oggi considerate a pieno titolo appartenenti alla categoria delle operational technology (OT). Tale convergenza è auspicabile per semplificare i processi di monitoraggio e di gestione degli impianti degli edifici e delle città, ma le reti esistenti nei diversi ambienti (uffici, siti produttivi, edifici, strade…) sono state realizzate per soddisfare necessità molto diverse tra loro e rispondono a logiche e architetture differenti.

L’obiettivo principale delle reti informatiche attive in azienda è quello di trasmettere grandi quantità di dati di varia natura (dati strutturati, documenti, file multimediali, e-mail, VoIP, videocomunicazione, applicazioni in cloud) in aree locali e geografiche senza requisiti particolarmente stringenti relativamente ai tempi e alla latenza di trasmissione, e sono utilizzate da applicazioni che non comportano generalmente rischi relativi a danni materiali e all’incolumità fisica degli utenti.

Le reti di fabbrica tradizionalmente devono trasmettere quantità limitate di dati in tempi certi, misurabili in millisecondi o microsecondi per le applicazioni più critiche, arrivando ad assicurare anche comunicazioni in tempo reale.

Le reti di monitoraggio di impianti e di parametri ambientali generalmente operano su aree anche vaste e trasportano segnali semplici e con velocità moderate.

Nella maggior parte dei casi, tra queste reti è possibile solo una comunicazione limitata in ciascuna direzione attraverso gateway e convertitori di protocollo. La convergenza di queste reti costituisce però un elemento chiave abilitante per i sistemi cyberfisici, le applicazioni di Industria 4.0, l’IoT, gli smart building, le smart city e le smart grid.

I fieldbus – come Profibus, ModBus, CC-Link, KNX, Lonworks – si diversificano per il livello di controllo e comando, il volume dei dati trasmessi, i tempi di risposta e il grado di protezione.

Da qualche anno, sono nate varie versioni del protocollo Industrial Ethernet (Ethernet/IP, Profinet, EtherCAT, Mobus_TCP, PowerLink) che superano in vari modi il problema dell’impossibilità di controllare i tempi di latenza delle trasmissioni, insito nel meccanismo di comunicazione Csma/CD di Ethernet standard IEEE 802.3, e permettono di utilizzare i cablaggi CAT 5, 6 e 7 e gli switch Ethernet. Si stanno diffondendo velocemente anche le tecnologie wireless.

La migrazione a Ethernet industriale nasce dall’esigenza di disporre di alte prestazioni, di una maggiore integrazione degli impianti industriali con i sistemi IT/IoT, ed è favorita dalla diffusione delle applicazioni IIot (Industrial Internet of Things).

La crescita delle reti industriali è stata costante nel corso degli ultimi cinque anni, tuttavia il mercato delle reti industriali rimane frammentato data la crescente necessità da parte degli utenti di collegarsi a un’ampia scelta di reti, in funzione delle applicazioni.

Verso le reti Time Sensitive Networking

In futuro, è chiaro che, poiché saranno collegati sempre più dispositivi industriali, favoriti dall’Industrial Internet of Things e dall’Industria 4.0, sarà necessario arrivare a un’unica rete convergente per gestire le aziende manufatturiere, la building automation, gli impianti di distribuzione dell’energia, dell’acqua e anche l’industria dei trasporti, evitando le necessità di formazione del personale su molti standard differenti.

La soluzione sarà fornita dalle reti TSN (Time Sensitive Networking), un insieme di standard della famiglia IEEE 802.1 che renderanno possibile la comunicazione deterministica fra reti Ethernet, pur mantenendo i vantaggi della comunicazione in modalità best effort sulla stessa rete. Il protocollo TSN introduce diverse classi di traffico che condividono la stessa connessione, riserva risorse per flussi con caratteristiche deterministiche nel tempo, e consente di realizzare una rete comune che supporta più standard di comunicazione. Ulteriori funzionalità TSN includono il filtraggio e la sorveglianza dei flussi TSN, il supporto a reti ridondanti e alla trasmissione ciclica dei dati, fornendo privilegi per i pacchetti ad alta priorità. Di conseguenza, lo standard TSN assicura la convergenza fra le reti IT e OT.

Questa convergenza riduce il costo di implementazione, di gestione e di esercizio della rete. Il maggiore vantaggio tecnico delle reti TSN sulle attuali Ethernet industriali sta però nella scalabilità. Infatti potranno essere utilizzate a 10/100 Mbps, 1 o 5Gbps grazie al layer 2 unificato IEEE802.1/TSN.

Ovviamente, i protocolli Industrial Ethernet esistenti non spariranno subito, e per gli utenti di Profinet, EtherNet/IP, EtherCAT e simili, si stanno già pianificando cammini di migrazione che si concretizzeranno nei prossimi 10 anni. Le reti TSN si troveranno in tutte le nuove installazioni e sotto forma di isole introdotte in modo incrementale nelle installazioni esistenti.

Esistono già sul mercato apparati ‘TSN ready’ che possono essere aggiornati tramite upgrade di firmware.

Dall’interconnessione all’interoperabilità

Una delle maggiori sfide dell’Industrial Internet è l’interoperabilità. Molti fornitori utilizzano diversi tipi di dispositivi, ciascuno con i propri protocolli proprietari per comunicare tra loro, rendendo difficile realizzare soluzioni connesse e sicure, quindi molte organizzazioni hanno difficoltà a integrare sistemi composti disparati da dispositivi e apparecchiature, che anche se sono collegabili alla medesima rete, utilizzano linguaggi diversi.

Per risolvere questo problema, le aziende che aderiscono alla Fondazione OPC (OPC Foundation – opcfoundation.org) hanno creato il protocollo standard aperto per le macchine e i sistemi software dell’automazione industriale OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture), che permette di comunicare a PLC, CNC, PC, sensori e attuatori. OPC UA è completamente interoperabile tra i PLC/CNC e i più diffusi sistemi operativi come Windows Linux, iOS e anche sistemi operativi per dispositivi mobili come Android.