Wireless Mesh Networks: Estudio, Diseño y Aplicaciones

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1 Wireless Mesh Networks: Estudio, Diseño y Aplicaciones Elio Federico Copas Pedro Pablo Lizondo María Elena Savoy UTN Facultad Regional Tucumán {eliofcopas, pedrolizondo, savoy.maelena}@gmail.com Abstract En la actualidad el estar comunicado se ha convertido en una necesidad indispensable. Debido a los grandes avances en las TICs, las personas exigen poder intercambiar información de manera rápida, confiable y en todo lugar. Esta tendencia que demanda movilidad es, cada vez mayor. Ante esta necesidad, se han desarrollado las Wireless Mesh Networks (WMN), una tecnología de red mallada capaz de ser autoorganizada dinámicamente, auto configurable y auto regenerable. La misma está siendo implementada en diversas zonas rurales, urbanas y campus universitarios de Estados Unidos y Europa. En estas experiencias, se están obteniendo resultados exitosos, dejando satisfechos a miles de usuarios. En este documento se mencionarán: características, funcionamiento y posibles escenarios de aplicación. Se abordará un caso de estudio del diseño de una WMN para el municipio de La Banda del Rio Salí, Tucumán. Finalmente se mostrarán los diferentes servicios que se pueden brindar en este tipo de redes. Palabras Clave Wireless Mesh Networks (WMN), auto configurable, auto regenerable, access point, roaming. 1. Introducción Hoy en día, están adquiriendo cada vez mayor relevancia las tecnologías inalámbricas debido a las exigencias de los usuarios; es por esto que las mismas se desarrollan a pasos agigantados. En tanto, las tecnologías cableadas están siendo desplazadas. Ahora con las WMN se quiere añadir roaming, brindando mayor movilidad al usuario. De esta manera se convierten en una variante del WiFi tradicional y una extensión de las redes Ad-Hoc, a semejanza de los sistemas celulares. El tener una topología mallada hace que estas redes sean descentralizadas, es decir, la comunicación no sólo puede ser entre nodo y estación base, sino, también entre nodos. Con esto se obtienen enlaces redundantes permitiendo tener una red robusta, confiable y de fácil mantenimiento. A nivel internacional, este concepto de WMN está muy difundido tanto en Europa como en Norte América. Son diversos los servicios que se están brindando a través de la implementación de este tipo de red. Algunos ejemplos son la ciudad de Zaragoza en España, donde se brindan servicios de ToIP y VoIP, y en Oklahoma, Estados Unidos, se generó una red para el servicio público y servicios de vigilancia en los patrulleros, entre otros. En nuestro país actualmente existe un grupo de investigación en la ciudad de Rosario en la provincia de Santa Fe, llamado Lugro Mesh [1], que tiene como misión la difusión de software libre. Este grupo está trabajando en un proyecto de red comunitaria para su ciudad. Desarrollaron su propio firmware llamado NightWing, que permite la creación de redes WIFI utilizando Redes Mesh, el cual permite un rápido despliegue con la mínima intervención humana. 2. Redes Inalámbricas Malladas 2.1 Historia Las WMN fueron evolucionando gracias a que se fueron desarrollando varias formas de brindar servicio y tráfico de datos entre nodos. Esto provocó que las WMN fueran clasificadas en generaciones [2] según la arquitectura de red, como se puede observar en la Figura 1. A continuación se hace una breve descripción de cada una de las generaciones: - Primera Generación: Las WMN utilizan un solo radio para brindar servicios y transmitir datos entre nodos. Los datos se transmiten de un nodo a otro, es decir el nodo recibe los datos y luego los retransmite. Esto presenta la desventaja de que un nodo no puede recibir datos y transmitir a la vez, es decir que se provocarían colisiones y una congestión de la red.

2 - Segunda Generación: En esta generación se utilizan dos radios, uno para dar servicio (estándar b/g) y el otro para interconectar los nodos (estándar a). Con este sistema se logra reducir la interferencia en los nodos debido a que se utiliza diversas frecuencias (2.4 GHz y 5.8 GHz) para brindar servicio a los clientes y comunicarse con los otros nodos. La desventaja de este sistema se presenta cuando hay una gran demanda de tráfico entre los usuarios y se producen congestiones en el radio para interconectar nodos. - Tercera Generación: los equipos de esta generación presentan una gran ventaja en comparación a las otras generaciones. Son considerados equipos inteligentes debido a la moderna tecnología que utilizan. La principal característica de esta generación es la comunicación full-dúplex (cada nodo puede enviar y recibir datos simultáneamente). Trabajan con múltiples radios que soportan múltiples configuraciones de red. A diferencia de las generaciones anteriores estos radios pueden hacer uso de diversos canales. acceso a la red a los clientes y la de comunicarse entre ellos para el correcto direccionamiento y envío de datos. - Dominio de Cliente Mesh: Está constituido por los Clientes Mesh, que son los dispositivos finales, a los cuales se les van a poner a disposición los servicios. Estos deben tener la capacidad de conectarse inalámbricamente a una red, como por ejemplo: laptops, celulares, PDAs, etc. Además, estos equipos pueden formar entre ellos una red Ad-Hoc creando una red híbrida con los Mesh Routers. Figura 2. Arquitectura de una WMN 2.3 Características Figura 1. Comparación de las tres generaciones de WMN 2.2 Arquitectura La arquitectura de WMN está constituida por dos tipos de nodos. Los que constituyen el dominio de enrutamiento, mesh router y mesh gateway, y los que constituyen el dominio del cliente mesh, formado por los clientes mesh. En la Figura 2 se puede observar los dominios en una arquitectura WMN. - Dominio de Enrutamiento: Está formado por un conjunto de dispositivos llamados Mesh Routers o enrutadores mesh y Mesh Gateway o puerta de enlace mesh. Estos dispositivos cumplen la función de trabajar como puntos de acceso convencionales (Mesh Gateways) y forman una malla de nodos fijos que constituyen la red de infraestructura. Además estos equipos pueden trabajar con varias tecnologías de radios para la interconexión entre ellos. Tienen doble función, la de proporcionar A continuación se verán cuáles son las principales características de las WMN que la diferencian de otras topologías de redes: - Redundantes: Los nodos están conectados unos con otros por varias rutas, de esta manera se obtienen rutas redundantes. Si una ruta falla habrá otra que se encargue de transmitir los datos. - Fácil Despliegue: Al tener capacidad de autoconfiguración (ruteo y selección de canal dinámica), ante situaciones de emergencia o catástrofes permiten dar soluciones de conectividad. - Auto-regenerables y auto-configurables: permiten la auto-reparación de rutas, por trabajar con protocolos de última generación mesh, permiten descubrir nuevos nodos admitiéndolos en la comunidad ya existente y regenerando nuevas tablas de enrutamiento. - Robustez: por el tipo de enrutamiento que se aplica se obtiene una gran estabilidad en cuanto a

3 condiciones variables o en alguna falla de un nodo en particular. - Mayor capacidad a bajo coste: hay estudios que han demostrado que la capacidad de una red inalámbrica puede ser mejorada mediante la utilización de repetidores [3], existiendo un compromiso entre distancia e interferencia entre nodos. 2.4 Protocolos de Enrutamiento en WMN Los protocolos de enrutamiento se consideran algoritmos encargados de escoger la mejor ruta que debe seguir un datagrama para llegar a su destino. El objetivo principal de un protocolo de ruteo en la red inalámbrica Mesh es buscar y establecer una ruta entre los nodos que requieran intercambiar información, es decir seleccionar el camino entre el nodo fuente y el nodo destino. En la Figura 3 se muestra una clasificación de los protocolos de enrutamiento en WMN. - Protocolos Reactivos: también conocidos como protocolos de baja demanda. Sólo determinan la ruta cuando existe una petición, lo cual permite disminuir la sobrecarga del ancho de banda. Entre los más conocidos están: AODV, RM-AODV, DSR. - Protocolos Proactivos: se encargan de establecer todas las rutas posibles dentro de la red en forma periódica. La búsqueda de rutas en la red es de manera inmediata, ya que se encontrarán continuamente actualizadas, pero a su vez ocasiona sobrecarga en el ancho de banda debido al número de peticiones que se realizan, disminuyendo la capacidad de la aplicación de los usuarios. Los protocolos proactivos que podemos encontrar son: OLSR, TBRPF, OSPF, FSR. - Protocolos Híbridos: surgen como una alternativa de los protocolos de enrutamiento basados en topología. Según las características de la red puede ser modificada de manera dinámica, es decir que en caso de que existan redes pequeñas y estáticas, lo más idóneo es utilizar protocolos proactivos. Si la red es grande y con movilidad lo mejor es utilizar protocolos reactivos. Así, con la combinación de rutas bajo demanda y protocolos proactivos se lograra tener un enrutamiento de red robusto. Un ejemplo de protocolo híbrido es el HWMP (Hybrid Wireless Mesh Protocol) Basados en Posición Figura 3. Clasificación de Protocolos de Enrutamiento Las WMN pueden trabajar con cualquier tipo de protocolo establecido en la clasificación anterior de la figura 3, pero esto no asegura que el funcionamiento de la red sea el óptimo. La elección del protocolo correcto es un factor crítico a la hora de diseñar una WMN. Para esto se deben considerar factores como el uso que se le dará a la red, los requisitos de funcionamientos que debe cumplir y la cantidad de nodos que constituirán la red, entre otros Basado en Topología. Este tipo de protocolos de enrutamiento se encargan de seleccionar la trayectoria de los paquetes, que van desde un nodo origen a uno de destino, basándose en la información topológica. Los protocolos basados en topología se clasifican en: Este tipo de protocolos se encargan de seleccionar las trayectorias, tomando en cuenta la información geográfica empleando algoritmos geométricos. La posición del nodo destino se la va a obtener por medio de un servicio denominado Location Service. El algoritmo empleado es el Greedy Forwanding, que es un algoritmo simple de búsqueda, donde el paquete que se envía se lo manda hacia el nodo vecino que está más cercano del nodo destino. Aunque trate de acercarse a su destino no asegura que lo pueda alcanzar aunque haya un enlace definido. Ejemplo: GPSR (Greed Perimeter Stateless Routing). 2.5 Escenarios de Aplicación - Mesh comunitaria: acceso a Internet compartido, vigilancia y seguridad vecinal (videocámaras), respuesta médica y de emergencia. - Mesh municipal: zonas comerciales de una ciudad, puntos de información al ciudadano y turismo, intranet municipal, comunicación permanente entre distintos organismos públicos (hospitales, comisarias, bomberos, etc.). Ver figura 4.

4 - Hogar mesh: equipos de audio y vídeo, teléfonos móviles y fijos, laptops, palms, interruptores inteligentes, sistemas de inteligencia ambiental dentro del hogar, etc. - Mesh espontánea: servicios de datos, voz y video momentáneos, llamadas peer-to-peer. - Campus mesh: universidades o instituciones educativas. En la ciudad de La Banda nos encontramos con los siguientes organismos municipales: 1. Edificio Municipalidad (Intendencia, Contaduría, Personal, Tesorería, Ob. Publicas, Teatro Municipal, Policlínica Municipal) 2. Tránsito, Defensa Civil, Saneamiento Ambiental 3. Rentas Municipal 4. Archivo Municipal, Acción Social 5. Empleo 6. Tribunal de Faltas 7. Programa Familias 8. Programa Familias (anexo) 9. Corralón Tránsito Estos edificios se encuentran distribuidos de la siguiente manera según lo muestra la Figura 6. Figura 4. Ejemplo de una WMN Municipal 3. Caso de Estudio Diseño de una WMN Comunitaria para la ciudad de La Banda del Río Salí La Banda del Río Salí (La Banda) es una ciudad ubicada en el Dpto. de Cruz Alta en la provincia de Tucumán, Argentina. En la Figura 5, se puede observar una vista aérea de la misma. Se encuentra a 3 km al este de San Miguel de Tucumán y la planta urbana ocupa 37 km². Limita al norte con la ciudad de Alderetes, al este con las comunas rurales de Delfín Gallo y Colombres, al sur con las comunas de San Andrés y Ranchillos-San Miguel y al oeste con el Río Salí. Con una población estimada según el Censo 2001 de habitantes. Figura 6. Ubicación de edificios municipales. El área de cobertura en este diseño es de aproximadamente m 2. Actualmente solo algunos de estos edificios cuentan con un acceso a banda ancha, cada uno de manera independiente, es decir que cada uno paga por el acceso. 3.1 Selección de Equipos y sus características. Para el diseño de esta WMN hemos decidido utilizar equipos de bajo costo pero con altas prestaciones y disponibles en el mercado nacional[4][5]. Un nodo Mesh estará compuesto de los siguientes dispositivos: Figura 5. Vista Aérea de la ciudad de La Banda del Río Salí

5 2410U Hyperlink 908U-Pro Tabla 1.Dispositivos de red y sus respectivas funciones Dispositivo Función Servidor Brindar servicios de red Routerboard Ruteo de datos y Gateway Microtik Rb600 Ubiquiti XR2 Brindar acceso a los servicios a 2,4 GHz los Mesh Clientes Ubiquiti XR9 Brindar conexión entre los nodos, 900Mhz ruteo de backhaul sin punto de visión. Hyperlink HGV- Antena Omnidireccional 2,4Ghz HG- 10.5dBi Antena Omnidireccional 900Mhz 8dBi En la Tabla 1 se muestran cuáles son los equipos necesarios para cada nodo, a excepción del servidor que se necesita solamente uno, que esté ubicado en el centro de cómputos de la municipalidad. Cada antena tiene un rango de cobertura de aproximadamente 300 metros. El servidor es el equipo en el cual se van a montar los servidores virtuales para montar en ellos el servidor DHCP, Proxy, VoIP y Cámaras IP. 3.2 Selección de protocolo Para el caso de estudio el protocolo seleccionado es el OLSR (Optimized Link State Routing). OLSR, descrito en la RFC3626 [6], es un protocolo de enrutamiento proactivo para redes móviles Ad hoc. Es basado en tablas y utiliza una técnica llamada: multipoint relaying (MPR) para la difusión de mensajes por inundación. Utiliza mensajes Hello y mensajes de control de topología (TC), para descubrir las rutas y así discriminar información del Enlace de Estado. Los nodos que son independientes, usan esta información de topología para calcular los siguientes saltos para todos los nodos de la red, debido a que utilizan el salto más corto para la transmisión de rutas. Actualmente la implementación funciona bajo GNU/Linux, Windows, OS X, FreeBSD y NetBSD. OLSR tiene, como ventaja, que no es un protocolo propietario. Por lo tanto funciona con la mayoría de equipos. Es la base de la mayoría de las WMN instaladas en Europa, con instalaciones exitosas en Alemania, Austria, Serbia, Inglaterra, España y Portugal. En Sudamérica se encuentra funcionando en Colombia. OLSR actualmente es visto como uno de los protocolos más prometedores y estables para este tipo de implementaciones de redes. A los efectos de nuestro caso de estudio este protocolo cumple con todos los requisitos. 3.3 Ubicación de los nodos Figura 7. Disposición de los nodos. Como se puede observar en la Figura 7, se decidió ubicar los nodos mesh gateway en el edificio de la Municipalidad debido a que ahí se va a encontrar la conexión con el ISP y en el Archivo municipal el centro de cómputos donde se va a alojar el servidor de red. Los mesh routers se encuentran ubicados en el Corralón de Tránsito, y en el edificio de Programa Familia. De la figura también se desprende que se necesitan 4 nodos para cubrir toda el área. 3.4 Servicios que proporciona la red Referencia: Mesh Router Mesh Gateway Área de cobertura En la WMN del caso de estudio se van a brindar los siguientes servicios: - Seguridad Pública: Se montarán cámaras de seguridad en lugares estratégicos de la ciudad para resguardar al ciudadano y controlar el tránsito, ya que esta ciudad está atravesada por rutas nacionales y provinciales. - Comunicación: Se implementará un servidor de VoIP para mantener comunicados a las oficinas públicas del municipio. - Administración Centralizada de Datos: Se montará un datacenter para que el municipio disponga de sus datos de manera centralizada. - Roaming: Los usuarios de la red podrán tener movilidad dentro de la cobertura de la WMN. - Acceso a Internet: Todas las personas que posean dispositivos que tengan la capacidad de conectarse inalámbricamente a una red, podrán acceder a internet a través de la WMN. - Servidor Web: Permitirá que se carguen los sitios web institucionales. - Correo Electrónico: Permitirá tener un dominio de correo electrónico para la municipalidad.

6 4. Resultados Como resultado del trabajo podemos decir que, las WMN representan una opción muy interesante para solucionar problemas de acceso dentro de una ciudad, comuna o campus. En el caso de estudio planteado se puede observar que, de acuerdo al diseño elaborado, no solo se brinda un ahorro en cuanto a los costos de acceso a Internet, sino que se pueden montar diferentes servicios sobre la red, que van a aportar valor agregado al municipio. Para ser más específicos vamos a detallar cuáles son las ventajas que proporciona la implantación de una WMN en cualquier escenario: - Mayor facilidad de comunicación: al tener un servidor de VoIP los organismos pueden estar comunicados en forma permanente disminuyendo costos en llamadas telefónicas convencionales. Cada oficina y empleado municipal podrá tener un identificador único que podrá usar en cualquier dependencia que se encuentre. - Mejora de la dinámica de grupo: al tener comunicación permanente se podrán agilizar los procesos internos de los organismos, lo que mejorara sustancialmente la dinámica de trabajo. - Reducción del presupuesto para proceso de datos: al tener un centro de cómputos centralizado, el procesamiento de datos se agiliza, así como también las eventuales consultas que se realicen a las bases de datos del municipio. - Mejoras en la administración de los programas: la administración de la red es centralizada, el mantenimiento de la misma resulta mucho más sencillo. Se puede implementar un sistema de reclamos con tickets para agilizar aún más los procesos. - Mejoras en la integridad de los datos: los datos se encuentran centralizados, esto permite que no haya redundancia de datos y a su vez que cada dependencia disponga exactamente de los mismos datos. - Mejora en los tiempos de respuesta: al tener todas las oficinas conectadas los tiempos de respuesta se reducen de manera sustancial. - Mayor facilidad de uso: para el usuario final el servicio va a ser totalmente transparente. La conexión a la red se hará de manera intuitiva. - Mejor seguridad: esto está garantizado debido a la mejor administración de la red y a que la subred de la municipalidad será inaccesible para los usuarios que no posean una autorización a usarla. Estas son algunas de las grandes ventajas que ofrece esta topología de red inalámbrica, sin mencionar que el hecho de implementar este tipo de tecnología posiciona a la ciudad en un lugar de vanguardia dentro de nuestro país. 5. Discusión Antes de tomar la decisión de implementar una WMN, primero, se debe tener una definición clara de cuáles son los servicios que se necesitaría correr sobre la red. Ya que, de ser necesario, únicamente el acceso a Internet no sería adecuado implementar una WMN debido a que existen otras soluciones que se ajustan mejor a dicha necesidad y a un precio más accesible. Las redes con topología mesh permiten maximizar la cobertura, porque cualquier nodo que compone la red puede encontrar un camino disponible para comunicarse con la estación base, sea directamente o, a través de uno o varios nodos que actúan de puentes para alcanzar finalmente la estación base. Esto simplifica notablemente la infraestructura de red, y además, permite que esa infraestructura sea dinámica, puesto que, en caso de caída de un enlace, un nodo conectado a la red puede encontrar una ruta alternativa de comunicación. Sin embargo, esta tecnología posee limitaciones que no la hacen aconsejable para aplicaciones de tiempo real, que requieren alta calidad de servicio, como por ejemplo en videoconferencias. Lo que más influye en esta limitación es la latencia, retardo de propagación de los paquetes, que crece con el número de saltos. Los efectos del retardo son dependientes de la aplicación; los correos electrónicos, por ejemplo, no sufren ni con grandes latencias, mientras que los servicios de voz son muy sensibles. La latencia se empieza a sentir desde los 170 ms en adelante, pero a veces un retraso de unos segundos en una conversación es mejor que no tener conexión. 5. Conclusión La tecnología de las Redes Mesh se está desarrollando gradualmente, a un punto donde no puede ser ignorada; siendo cada vez más los que apuestan por esta tecnología, y más aún numerosos los beneficios que genera una red de este tipo gracias a los servicios que se pueden implementar sobre la misma. En el presente trabajo se realizó un estudio de las WMN analizando su arquitectura, características, diferentes protocolos de enrutamiento y posibles escenarios de aplicación. Luego, se presentó un caso de estudio para el cual se diseñó una red WMN comunitaria. Se seleccionó el equipamiento necesario y

7 se definieron los servicios a implementar en la red, logrando como conclusión reducir costos de acceso a internet y, por sobre todo, brindar nuevos servicios públicos a los usuarios, como lo son la telefonía IP, video-vigilancia, entre otros. Las Redes Mesh Inalámbricas demuestran ser una solución innovadora a la necesidad, cada vez mayor, de estar comunicados, debido a sus bajos costos, robustez, confiabilidad y, fundamentalmente, a su alta flexibilidad. Esto permite a los usuarios poder estar conectados en todo momento y en cualquier lugar dentro del área de cobertura de la red. Además, disfrutar de todos los servicios que posibilita una WMN y, por consiguiente a mejorar la calidad de vida de los ciudadanos. 6. Referencias [1] Grupo Lugro Mesh, [2] Mesh Dynamics, Performance Analysis of three mesh networking architecture, performance-analysis.html, [3] Acuña Martínez Diana, Redes Inalámbricas Enmalladas Metropolitanas, Universidad Tecnológica de Bolívar, , consulta Julio [4] Equipamiento, Masa Comunicaciones, [5] Equipamiento, Sawerin S.A., [6] T. Clausen, P. Jacquet, Optimized Link State Routing Protocol (OLSR), Network Working Group, Agradecimientos Al Ing. Luis María Carriles y la Ing. Silvana Marsiglia por su tiempo, ayuda y ser quienes nos motivaron a investigar sobre las WMN. Datos de Contacto Elio Federico Copas. Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Tucumán. CP eliofcopas@gmail.com Pedro Lizondo. Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Tucumán. CP pedrolizondo@gmail.com María Elena Savoy. Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Tucumán. CP savoy.maelena@gmail.com