Redes mesh o redes malladas

RESUMEN

Uno de los temas que siempre se discuten es por ejemplo sobre los derechos de los ciudadanos, derechos inalienables, derechos que todo Ser debe poseer desde su nacimiento, derechos que en realidad son necesidades, actualmente el uso de internet y de telefonía se ha vuelto una necesidad y por tal un derecho que quizás no se vea como tal aunque se ha vuelto parte fundamental de nuestra vida. Por esta razón es que pequeñas y medianas organizaciones buscan llevar estos servicios mediante de redes sencillas a colegios, comunas y empresas. Redes como las de tipo malla o redes mesh son las más optimas cuando hablamos de lugares pequeños y medianos por esta razón es que se esta se está haciendo el presente estudio para identificar los factores importantes que intervienen en su implementación y luego en su mantenimiento y su respectiva capacitación.

FINALIDAD:

El presente trabajo monográfico tiene por finalidad plasmar un estudio básico de lo que son las redes de computadoras malladas o redes mesh, este trabajo monográfico presentara las bases y metodologías para desarrollar e implementar una red mesh.

INTRODUCCIÓN

El presente trabajo monográfico se basa en una de las topologías de redes llamadas mesh o enmalladas o tipo malla, estas redes tiene muchos beneficios cuando se habla de conectividad en ciudades donde existe una alta densidad de población; esta topología de red se caracteriza por manejar conexiones de tipo todos contra todos, capaces de actualizar y optimizar dinámicamente estas conexiones.

Un escenario típico MESH en una zona urbana debería estar conectada mayormente antenas en techos, pero podría incluir muchas otras ubicaciones, como torres de antenas, árboles, nodos móviles (vehículos, laptops y celulares). En un futuro muy cercano estas redes formarían parte de nuestras ciudades pudiendo solucionar los problemas que las redes WiFi convencionales presentan.

En el capítulo I "Red inalámbrica Mallada o Red Mesh" es importante porque se detalla los conceptos básicos sobre el tipo de red inalámbrica mallada, sus beneficios de utilizar esta topología, además de cómo está estructurada, de su estabilidad como red.

Además podremos detallar las aplicaciones que se basan en este tipo de red, por ejemplo la empresa Motorola ofrece una aplicación a sus clientes que se denomina "soluciones mesh". Esta también la aplicación "Serval Mesh" y "Lugro mesh".

Los protocolos también están descritos en este capítulo, protocolos como AODV AODV (Ad-hoc On Demand Distance Vector) Protocolo de enrutamiento a demanda, B.A.T.M.A.N, BMX, BATMAN-ADV, PWRP, DSR, OLSR, TORA. HSLS y por ultimo Babel.

Se explica además el funcionamiento de este tipo de red mallada y del hardware necesario para la implementación de nodos dobles. Y está por demás no detallar las ventajas y desventajas que esta red presenta.

En el capítulo II "Aplicaciones de Redes mesh en el mundo" se ejemplifica del uso de estas redes alrededor del mundo, por ejemplo en el caso de España se utilizan en pequeños municipios de 3000 habitantes y en grandes ciudades como Madrid o Barcelona.

También se muestra el desarrollo de este tipo de red en el país de Alemania, Illinois-Estados Unidos, Dharamsala-India y en Sudáfrica.

PROBLEMÁTICA

Uno de los azotes de la sociedad es la inseguridad ciudadana, asunto que hasta el día de hoy no se ha podido dar solución total y quizás por la falta cultura en tecnologías de la Información por ejemplo el implementar una red que interconecte a toda la región, tanto municipios, gobiernos regionales y comisarias brindado así un fácil monitoreo y puesta en marcha de las actividades preventivas y ejecutoras por parte de la Policía Nacional. La implementación de estas redes podría ayudar a las autoridades para que tomen cartas sobre el asunto y así beneficiar a la población.

El uso de este tipo de redes mesh o redes malladas facilitan en el control de vigilancia actividades delictivas por parte de la Policía Nacional. Además sobre estas redes se podría implementar un sistema de ayuda al usuario en donde el usuario podría dar su ubicación actual para que la Policía lo ayude así el usuario desconozca su paradero exacto.

La implementación de esta red es muy interesante ya que ciudadanos y autoridades podrán trabajar sobre una red conjuntamente para el bienestar en común.

I. Red Inalámbrica Mallada o Red Mesh

1.1 Conceptos básicos

Las redes inalámbricas malladas, redes acopladas, o redes de malla inalámbricas de infraestructura, para definirlas de una forma sencilla, son aquellas redes en las que se mezclan las dos topologías de las redes inalámbricas, la topología Ad-hoc y la topología infraestructura. Básicamente son redes con topología de infraestructura pero que permiten unirse a la red a dispositivos que a pesar de estar fuera del rango de cobertura de los puntos de acceso están dentro del rango de cobertura de alguna tarjeta de red (TR) que directamente o indirectamente está dentro del rango de cobertura de un punto de acceso (PA).

Permiten que las tarjetas de red se comuniquen entre sí, independientemente del punto de acceso. Esto quiere decir que los dispositivos que actúan como tarjeta de red pueden no mandar directamente sus paquetes al punto de acceso sino que pueden pasárselos a otras tarjetas de red para que lleguen a su destino.

Para que esto sea posible es necesario el contar con un protocolo de enrutamiento que permita transmitir la información hasta su destino con el mínimo número de saltos (Hops en inglés) o con un número que aun no siendo el mínimo sea suficientemente bueno. Es resistente a fallos, pues la caída de un solo nodo no implica la caída de toda la red.

La tecnología mallada siempre depende de otras tecnologías complementarias, para el establecimiento de backhaul debido a que los saltos entre nodos, provoca retardos que se van añadiendo uno tras otro, de forma que los servicios sensibles al retardo, como la telefonía IP, no sean viables.

La utilización de Wimax 5,4 GHz puede ser una solución de backhaul, aceptable para fortalecer el alcance de la red mallada, pero en muchos casos supone la renuncia a la banda 5,4 Ghz, para dar accesos a usuarios.

Utilizando tecnologías licenciadas (por ejemplo 802.16, en la banda de 3,5Ghz), para la creación del backhaul, es posible ofrecer accesos a los usuarios en 2,4 Ghz y en 5,4Ghz. Esto posibilita que los usuarios dispongan del 80% más de canales libres, aumentando el número de usuarios concurrentes en un 60-80%.

A modo de ejemplo podemos ver la estructura de una red inalámbrica mallada formada por ocho nodos. Se puede ver que cada nodo establece una comunicación con todos los demás nodos.

1.2 Arquitectura

La arquitectura de una red inalámbrica es el primer paso para llegar a proporcionar redes con un gran ancho de banda, de forma eficaz y dinámica sobre los costos en un área de cobertura específica. Las infraestructuras de una arquitectura de malla inalámbrica es en efecto un router de la red menos el cableado entre los nodos. Está construido por pares de dispositivos de radio que no tienen que estar cableados a un puerto como los puntos de acceso WLAN tradicionales (AP) lo hacen. La arquitectura de malla sostiene la intensidad de la señal mediante las largas rupturas a distancias, en una serie de saltos más cortos. Los nodos intermedios no sólo aumentan la señal, también hacen cooperativamente decisiones de envío en base a su conocimiento de la red, es decir, realizan un enrutamiento. Tal arquitectura con un diseño cuidadoso puede proporcionar un gran ancho de banda, eficiencia espectral y una ventaja económica sobre el área de cobertura.

Las redes de mallas inalámbricas tienen una topología relativamente estable a excepción a la falta ocasional de los ganglios o la adición de nuevos nodos. La ruta de acceso de tráfico, que se agregan a partir de un gran número de usuarios finales, no cambia con frecuencia. Prácticamente todo el tráfico en una infraestructura de red de malla es transmitida hacia o desde una puerta de enlace, mientras que en las redes ad hoc o redes de malla cliente el tráfico fluye a través de unos pares de nodos arbitrarios.

1.3 Aplicaciones

Las redes Mesh facilitan la comunicación inalámbrica, brindando así soluciones a las necesidades que afrontan las comunicaciones ofreciendo una amplia flexibilidad en los enlaces ya que los mismos pueden punto a punto, punto a multipunto, multipunto a multipunto.

1.4 Aplicaciones actuales

• MOTOROLA: La compañía Motorola utiliza las redes inalámbricas en todas sus aplicaciones de datos, voz y vídeo. Ofrece también a sus clientes "soluciones mesh" que brindan acceso a una red de banda ancha destinada a los servicios de seguridad en las empresas públicas y privadas.

• SERVAL MESH: La malla Serval o (Serval Mesh) es una aplicación para teléfonos androides la cual consiste en convertir a cada móvil en un servidor que permita la comunicación entre los teléfonos inteligentes, incluso cuando no cuenten con una red de celulares. Funciona mediante el WI-FI o por la formación de redes espontaneas formada por los móviles, permitiendo realizar llamadas privadas, enviar mensajes de texto y archivos de manera segura y privada desde lugares donde las redes de celulares fallan o no están disponibles.

• LUGRO MESH: Red comunitaria y libre que brinda acceso a Internet de forma gratis a los habitantes de Rosario (Argentina).

1.5 Protocolos

Hay más de 60 esquemas competentes para el encaminamiento de paquetes a través de redes malladas. Algunos de éstos incluyen:

AODV (Ad-hoc On Demand Distance Vector) Protocolo de enrutamiento a demanda.

B.A.T.M.A.N. (Better Approach To Mobile Adhoc Networking) BMX (BatMan eXperimental)

BATMAN-ADV (Batman Advance (capa2)) PWRP (Predictive Wireless Routing Protocol) DSR (Dynamic Source Routing)

OLSR (Optimized Link State Routing protocol) protocolo de enrutamiento por optimización del estado del enlace), OLSREXT, QOLSR.

TORA (Temporally-Ordered Routing Algorithm)

HSLS (Hazy-Sighted Link State) protocolo de enrutamiento basado en desechar los enlaces de baja calidad.

Babel (a loop-free distance-vector routing protocol)

El IEEE está desarrollando un conjunto de estándares bajo el título 802.11s para definir una arquitectura y un protocolo para la red mallada ESS.

1.6 Funcionamiento

Las redes inalámbricas malladas se caracterizan porque no necesitan de un (mini-router) o nodo central, de manera que si en alguna ocasión uno de los nodos sufre un desperfecto, no se cae toda la red, dado que el resto de los nodos de la red no pasan por el nodo dañado. Permitiéndole a quien le utiliza un nivel elevado de confianza. Cada uno de los nodos que conforman esta red son compatibles con el estándar IEEE 802.11 y configurada en modo ad-hoc, esto quiere decir que puede operar como una estación cliente o como un enrutador.

1.7 Hardware para MESH

Prácticamente cualquier nodo inalámbrico puede convertirse en un nodo mesh simplemente mediante modificaciones de software.

Cualquier computador con Linux y un dispositivo inalámbrico puede utilizarse para este fin, y próximamente inclusive los PDA (Personal Digital Assistant) podrán formar una Mesh y hasta los celulares de nueva generación.

Cualquier laptop o PC de escritorio con una tarjeta inalámbrica puede servir como un nodo MESH.

Las posibles configuraciones son muchas, sin embargo podemos mencionar algunos sistemas operativos tales como, Pebble Linux, MeshLinux, Locustworld, FreifunkFirmware, CUWin.

Muchas de estas soluciones están disponibles en un "Live CD", es decir un CD que contiene el sistema operativo y el protocolo de enrutamiento, de tal modo que el usuario sólo tiene que arrancar la máquina desde el CD y tener un nodo MESH listo para su configuración.

Para el armado físico de nodos dobles continuación se muestra los materiales necesarios:

1.8 Ventajas

Es una red confiable dado que si uno de sus nodos sufre daños, la posibilidad de que intervenga con las acciones de los demás nodos es casi nula.

Fácil instalación, cuando un nodo encuentra a otro, está listo para brindar servicio.

Todos los servidores se comunican entre sí. Se puede enviar información entre nodos Facilidad de crecimiento y de mantenimiento. Mitigación de la interferencia.

Entornos urbanos y rurales.

1.9 Desventajas

La latencia (retardo de propagación de los paquetes), obviamente tiene que crecer con el número de saltos. Los efectos del retardo son dependientes de la aplicación; los correos electrónicos por ej. no sufren ni con grandes latencias, mientras que servicios de voz es muy sensible.

La latencia se empieza a sentir desde los 170 ms en adelante, pero a veces un retraso de 5 s en una conversación mediante walkie talkie es mejor que no tener conexión.

Rendimiento: El tema de la disminución del rendimiento (througput) existe en todas las redes multisalto. El rendimiento disminuye con el número de saltos de acuerdo a 1/n o 1/n2 o 1/n1/2, dependiendo del modelo ("n" es el número de saltos) que se utilice. Fig.02

Escalabilidad: Todavía son limitadas las aplicaciones de mesh en términos de número de nodos, pero algunas de las conocidas son las siguientes:

o Rooftop de MIT: 4050

o Berlín OLSR: cerca de 4000

o CUWin: cerca de 500

o Dharamsala: > 50

Seguridad: Las redes ad hoc por definición necesitan hablar con los clientes antes de autenticarlos, esto constituye un reto en la seguridad de Internet. Las redes Mesh son por diseño muy vulnerables a ataques de negación de servicio (Denial of service – DOS).

Distribución de las direcciones IP: La distribución de las direcciones IP en una red Mesh no es trivial. Mientras que la asignación automática vía DHCP en rangos de IP privado no es problemática, las redes Mesh podrían en principio interactuar con redes vecinas en cualquier momento y el peligro de direcciones duplicadas y conflictos de red es obvio. IPv6 podría traer una solución a esto, pero todavía faltan algunos años para su despliegue a gran escala.

II. APLICACIONES DE REDES MESH EN EL MUNDO

2.1 Redes malladas en España

Son muchas las ciudades españolas que ya disponen de redes malladas. Desde pequeños municipios de 3.000 habitantes a grandes ciudades como Madrid o Barcelona, las pequeñas redes malladas se están extendiendo progresivamente en otras ciudades. Sin embargo sólo en Avilés, en 2007, y en Zaragoza, en 2008, se han desarrollado grandes redes malladas municipales con soporte para ToIP, VoIP y movilidad gracias al impulso de ambos ayuntamientos.

Generalmente se les dan unos usos internos, bien para servicios de tráfico y movilidad, comunicaciones, informática o seguridad ciudadana. Otra forma de realizar despliegues es a base de servicios al ciudadano, con las llamadas Wireless Cities: acceso a la web municipal, a Internet, o a servicios en local (juegos en red, p2p, etc) suele ser la otra forma de empezar los despliegues.

La CMT establece unos claros criterios sobre cómo prestar servicios al ciudadano y que no entren en competencia desleal con el sector privado, por lo que las denuncias a Atarfe, Barcelona o Ponteareas son cosa del pasado. En 2007 multitud de ayuntamientos iniciaron sus trámites y ofertan sus servicios de una manera eficaz cumpliendo con la legislación vigente.

2.2 Redes Mesh en Alemania: Freifunk OLSR Mesh, Berlín

Esta red experimental de comunidad urbana actualmente está conformada por unos 200 nodos basados en OLSR FirmwareFreifunk. A este software se le han dado muchos usos en proyectoscomunitarios y de desarrollo.Fig.03

2.3 CUWiN–Champaign-Urbana Community Wireless Network

Red inalámbrica comunitaria de Champaign-Urbana, Illinois Estados Unidos

CUWiN es una iniciativa de desarrollo e investigación con una implementación de código abierto del protocolo de enrutamiento HSLS, apostando a una red AdHoc inalámbrica escalable y altamente robusta. Fig.04

2.4 Red comunitaria de MESH inalámbrica en Dharamsala India

La red comunitaria de Dharamsala, se fundó luego de la aprobación del uso del WiFi en exteriores en la India (28 de Enero de 2005).Para finales de Febrero la MESH ya tenía conectados 8 campus. Pruebas extensivas durante Febrero mostraron que los terrenos montañosos abruptos se ajustan más a las MESH que las redes convencionales punto – multipunto. Fig.05 y Fig.06

2.5 Red MESH en el Instituto Meraka en Mpumalanga Sudáfrica: CSIR

La primera antena del Instituto Meraka está hecha con una lata de metal y un trozo de rayo de bicicleta soldado a un conector especial que se puede conectar con una antena similar en otro punto a 5 kilómetros. Fig.07

CONCLUSIONES

Esta unidad presenta las bases de una red Mesh, enfocándose en redes comunitarias e implementaciones de software libre. Los aspectos fundamentales son:

Las redes Mesh manejan conexiones de "todos contra todos" (Many-to- many) y son capaces de actualizarse dinámicamente optimizando estas conexiones.

Principales ventajas y limitaciones de las redes Mesh.

Comprender los elementos de enrutamiento Mesh y el hardware que puede ser utilizado para construir redes Mesh.

LINKOGRAFIA

Redes Mesh (topología malla). http://eslared.net/walcs/walc2011/material/track1/redes_mesh_presentac ion_es.pdf

Redes Mesh en Alemania: Freifunk OLSR Mesh, Berlín. http://www.freifunk.net

CUWiN–Champaign-Urbana Community Wireless Network. http://cuwireless.net/whatiscuwin

Red MESH en el Instituto Meraka en Mpumalanga Sudáfrica: CSIR. http://wirelessafrica.meraka.org.za

ANEXOS

Fig. 01

Fig. 02

Fig.03

Fig.04

Fig.05

Fig.06

Fig.07

Armado Físico de Nodos Dobles

Lista de materiales:

Caja Estanca IP-65:

Placa Router

Antena Externa:

Tornillos y Accesorios

Cantidad de tornillos y accesorios por placa:

• 4-tornillos 4 mm

• 12-arandelas de metal de 1,2cm diámetro

• 12-tuercas 4 mm

• 4-arandelas glober de 0.6cm diámetro

• 8-arandelas de goma de 1.2cm diámetro

1-tubo hembra 2 x 1/2" F

1-abrazadera alambre 32 a 28 mm UN Roseta RJ45

Accesorios:

• 2 Leds de 3mm color verde o rojo (a elección)

• 2 Resistencias de 1K 1/4w

Construcción

Como agujerear el gabinete:

Armado del conector de la extensión de antena superior:

Armado de la extensión de antena superior:

Armado del conector de la antena inferior:

Cómo agujerear chapa interna para colocar las placas de los routers:

Pasos para la colocación de los routers en la chapa interna:

Puesta del RJ45 en el gabinete:

Se coloca el conector y los leds y se pega por dentro por los bordes usando un pegamento.

Pasos para el armado final del nodo:

Dedicatoria:

A mis familiares que me apoyaron y confiaron en mí, a mis maestros universitarios que me motivaron y me supieron guiar en este proyecto y amigos que sin su apoyo no hubiese alcanzado todo esto.

Agradecimientos:

Agradezco ante todo a Dios por haberme dado salud, inteligencia y ganas de seguir adelante para ser alguien en la vida

Agradezco a mis hermanos que me apoyaron e indicaron como desempeñarme en temas de investigación.

Finalmente agradezco a mis docentes que sin sus consejos no hubiese llegado tan lejos en esta investigación

Autor:

Montes Torres kenmy Isrrael

Coautora:

Ing. Lizana Puelles Yolanda

"Año de la Promoción de la Industria Responsable y Compromiso Climático"

UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA

FACULTAD DE INGENIERIA INDUSTRIAL ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA INFORMÁTICA

PIURA – PERÚ

2014