Red de malla inalámbrica - Wireless mesh network

Diagrama que muestra una posible configuración para una red de malla inalámbrica por cable, conectada aguas arriba a través de un enlace VSAT (haga clic para ampliar)

Una red de malla inalámbrica ( WMN ) es una red de comunicaciones formada por nodos de radio organizados en una topología de malla . También puede ser una forma de red inalámbrica ad hoc .

Una malla se refiere a una rica interconexión entre dispositivos o nodos. Las redes de malla inalámbrica a menudo constan de clientes de malla, enrutadores de malla y puertas de enlace. La movilidad de los ganglios es menos frecuente. Si los nodos se mueven constantemente o con frecuencia, la malla dedica más tiempo a actualizar rutas que a entregar datos. En una red de malla inalámbrica, la topología tiende a ser más estática, por lo que el cálculo de rutas puede converger y puede ocurrir la entrega de datos a sus destinos. Por lo tanto, esta es una forma centralizada de baja movilidad de red inalámbrica ad hoc. Además, debido a que a veces depende de nodos estáticos para actuar como puertas de enlace, no es una red ad hoc totalmente inalámbrica.

Los clientes de malla suelen ser computadoras portátiles, teléfonos celulares y otros dispositivos inalámbricos. Los enrutadores de malla reenvían el tráfico hacia y desde las puertas de enlace, que pueden estar conectadas a Internet, aunque no es necesario. El área de cobertura de todos los nodos de radio que funcionan como una sola red a veces se denomina nube de malla. El acceso a esta nube de malla depende de que los nodos de radio trabajen juntos para crear una red de radio. Una red de malla es confiable y ofrece redundancia. Cuando un nodo ya no puede operar, el resto de los nodos aún pueden comunicarse entre sí, directamente o a través de uno o más nodos intermedios. Las redes de malla inalámbrica pueden formarse y curarse por sí mismas. Las redes de malla inalámbricas funcionan con diferentes tecnologías inalámbricas, incluidas 802.11 , 802.15 , 802.16 , tecnologías celulares y no necesitan estar restringidas a ninguna tecnología o protocolo.

Historia

Las redes de radio de malla inalámbrica se desarrollaron originalmente para aplicaciones militares, de modo que cada nodo podría servir dinámicamente como un enrutador para todos los demás nodos. De esa manera, incluso en el caso de una falla de algunos nodos, los nodos restantes podrían continuar comunicándose entre sí y, si es necesario, servir como enlaces ascendentes para los otros nodos.

Los primeros nodos de la red de malla inalámbrica tenían una única radio semidúplex que, en cualquier instante, podía transmitir o recibir, pero no ambas al mismo tiempo. Esto fue acompañado por el desarrollo de redes de malla compartidas . Posteriormente, esto fue reemplazado por un hardware de radio más complejo que podría recibir paquetes de un nodo ascendente y transmitir paquetes a un nodo descendente simultáneamente (en una frecuencia diferente o en un canal CDMA diferente). Esto permitió el desarrollo de redes de malla conmutadas . A medida que el tamaño, el costo y los requisitos de energía de las radios disminuyeron aún más, los nodos podrían equiparse de manera rentable con múltiples radios. Esto, a su vez, permitió que cada radio manejara una función diferente, por ejemplo, una radio para el acceso del cliente y otra para los servicios de backhaul.

El trabajo en este campo se ha visto favorecido por el uso de métodos de teoría de juegos para analizar estrategias para la asignación de recursos y el enrutamiento de paquetes.

Características

Arquitectura

La arquitectura de malla inalámbrica es un primer paso para proporcionar una movilidad reducida y rentable en un área de cobertura específica. La infraestructura de malla inalámbrica es, en efecto, una red de enrutadores menos el cableado entre los nodos. Está construido con dispositivos de radio de pares que no tienen que estar conectados a un puerto cableado como lo hacen los puntos de acceso (AP) WLAN tradicionales . La infraestructura de malla transporta datos a grandes distancias dividiendo la distancia en una serie de saltos cortos. Los nodos intermedios no solo aumentan la señal, sino que pasan datos de forma cooperativa del punto A al punto B tomando decisiones de reenvío basadas en su conocimiento de la red, es decir, realizan el enrutamiento derivando primero la topología de la red.

Las redes de malla inalámbricas son una red de "topología estable", excepto por el fallo ocasional de los nodos o la adición de nuevos nodos. La ruta del tráfico, que se suma a un gran número de usuarios finales, cambia con poca frecuencia. Prácticamente todo el tráfico en una red de malla de infraestructura se reenvía hacia o desde una puerta de enlace, mientras que en las redes ad hoc inalámbricas o las redes de malla de clientes el tráfico fluye entre pares arbitrarios de nodos.

Si la tasa de movilidad entre los nodos es alta, es decir, las roturas de enlace ocurren con frecuencia, las redes de malla inalámbrica comienzan a fallar y tienen un rendimiento de comunicación bajo.

Gestión

Este tipo de infraestructura puede ser descentralizada (sin servidor central) o administrada centralmente (con un servidor central). Ambos son relativamente económicos y pueden ser muy confiables y resistentes, ya que cada nodo solo necesita transmitir hasta el siguiente nodo. Los nodos actúan como enrutadores para transmitir datos desde nodos cercanos a pares que están demasiado lejos para alcanzarlos en un solo salto, lo que da como resultado una red que puede abarcar distancias más grandes. La topología de una red en malla debe ser relativamente estable, es decir, sin demasiada movilidad. Si un nodo se desconecta de la red, debido a una falla de hardware o cualquier otra razón, sus vecinos pueden encontrar rápidamente otra ruta usando un protocolo de enrutamiento.

Aplicaciones

Las redes de malla pueden involucrar dispositivos fijos o móviles. Las soluciones son tan diversas como las necesidades de comunicación, por ejemplo, en entornos difíciles como situaciones de emergencia, túneles, plataformas petrolíferas, vigilancia en el campo de batalla, aplicaciones de video móvil de alta velocidad a bordo del transporte público, telemetría de autos de carreras en tiempo real o autocontrol. organizar el acceso a Internet para las comunidades. Una posible aplicación importante para las redes de malla inalámbricas es VoIP. Mediante el uso de un esquema de calidad de servicio, la malla inalámbrica puede admitir el enrutamiento de llamadas telefónicas locales a través de la malla. La mayoría de las aplicaciones en redes inalámbricas de malla son similares a las de las redes inalámbricas ad hoc .

Algunas aplicaciones actuales:

  • Las fuerzas militares estadounidenses ahora están utilizando redes de malla inalámbricas para conectar sus computadoras, principalmente computadoras portátiles reforzadas, en operaciones de campo.
  • Los medidores inteligentes eléctricos que ahora se implementan en residencias, transfieren sus lecturas de una a otra y, finalmente, a la oficina central para la facturación, sin la necesidad de lectores de medidores humanos o la necesidad de conectar los medidores con cables.
  • Las computadoras portátiles del programa Una computadora portátil por niño utilizan una red de malla inalámbrica para permitir que los estudiantes intercambien archivos y accedan a Internet aunque no tengan conexiones por cable o de teléfono celular u otras conexiones físicas en su área.
  • Los dispositivos domésticos inteligentes como Google Wi-Fi , Google Nest Wi-Fi y Google OnHub son compatibles con redes Wi-Fi mesh (es decir, Wi-Fi ad hoc) . Varios fabricantes de enrutadores Wi-Fi comenzaron a ofrecer enrutadores de malla para uso doméstico a mediados de la década de 2010.
  • La constelación Iridium de 66 satélites funciona como una red en malla, con enlaces inalámbricos entre satélites adyacentes. Las llamadas entre dos teléfonos satelitales se enrutan a través de la malla, de un satélite a otro a través de la constelación, sin tener que pasar por una estación terrena . Esto reduce la distancia de viaje de la señal, lo que reduce la latencia y también permite que la constelación funcione con muchas menos estaciones terrestres de las que se requerirían para 66 satélites de comunicaciones tradicionales.

Operación

El principio es similar a la forma en que los paquetes viajan por Internet por cable: los datos saltan de un dispositivo a otro hasta que finalmente llegan a su destino. Los algoritmos de enrutamiento dinámico implementados en cada dispositivo permiten que esto suceda. Para implementar dichos protocolos de enrutamiento dinámico, cada dispositivo necesita comunicar información de enrutamiento a otros dispositivos en la red. Luego, cada dispositivo determina qué hacer con los datos que recibe, ya sea pasarlos al siguiente dispositivo o conservarlos, según el protocolo. El algoritmo de enrutamiento utilizado debe intentar garantizar siempre que los datos tomen la ruta más adecuada (más rápida) hacia su destino.

Malla multirradio

La malla de múltiples radios se refiere a tener diferentes radios que operan a diferentes frecuencias para interconectar nodos en una malla. Esto significa que se utiliza una frecuencia única para cada salto inalámbrico y, por tanto, un dominio de colisión CSMA dedicado . Con más bandas de radio, es probable que el rendimiento de las comunicaciones aumente como resultado de más canales de comunicación disponibles. Esto es similar a proporcionar rutas de radio duales o múltiples para transmitir y recibir datos.

Tópicos de investigación

Uno de los artículos más citados sobre redes inalámbricas en malla identificó las siguientes áreas como problemas de investigación abiertos en 2005

  • Nuevo esquema de modulación
    • Para lograr una mayor velocidad de transmisión se requieren nuevos esquemas de transmisión de banda ancha distintos de OFDM y UWB .
  • Procesamiento de antena avanzado
    • El procesamiento avanzado de antenas, incluidas las tecnologías direccionales , inteligentes y de antenas múltiples , se investiga más a fondo, ya que su complejidad y costo aún son demasiado altos para una amplia comercialización.
  • Gestión flexible del espectro
    • Se están realizando enormes esfuerzos en la investigación de técnicas de frecuencia ágil para aumentar la eficiencia.
  • Optimización entre capas
    • La investigación entre capas es un tema de investigación actual muy popular en el que la información se comparte entre diferentes capas de comunicaciones para aumentar el conocimiento y el estado actual de la red. Esto podría facilitar el desarrollo de protocolos nuevos y más eficientes. Un protocolo conjunto que aborde varios problemas de diseño (enrutamiento, programación, asignación de canales, etc.) puede lograr un mayor rendimiento ya que estos problemas están estrechamente relacionados. Tenga en cuenta que un diseño descuidado entre capas puede generar un código difícil de mantener y ampliar.
  • Redes inalámbricas definidas por software
    • ¿Centralizado, distribuido o híbrido? - Se explora una nueva arquitectura SDN para WDN que elimina la necesidad de una inundación de múltiples saltos de información de ruta y, por lo tanto, permite que las WDN se expandan fácilmente. La idea clave es dividir el control de la red y el reenvío de datos utilizando dos bandas de frecuencia separadas. Los nodos de reenvío y el controlador SDN intercambian información de estado de enlace y otra señalización de control de red en una de las bandas, mientras que el reenvío de datos real tiene lugar en la otra banda.
  • Seguridad
    • Una WMN puede verse como un grupo de nodos (clientes o enrutadores) que cooperan para proporcionar conectividad. Una arquitectura tan abierta , donde los clientes sirven como enrutadores para reenviar paquetes de datos, está expuesta a muchos tipos de ataques que pueden interrumpir toda la red y causar denegación de servicio (DoS) o denegación de servicio distribuida (DDoS).

Ejemplos de

  • Las redes de paquetes de radio o redes ALOHA se utilizaron por primera vez en Hawái para conectar las islas. Dadas las radios voluminosas y la baja velocidad de datos, la red es menos útil de lo que se imaginó.
  • En 1998–1999, se completó con éxito una implementación de campo de una red inalámbrica en todo el campus utilizando una interfaz inalámbrica 802.11 WaveLAN 2.4 GHz en varias computadoras portátiles. Se realizaron varias aplicaciones reales, movilidad y transmisiones de datos.
  • Las redes de malla fueron útiles para el mercado militar debido a la capacidad de radio y porque no todas las misiones militares tienen nodos que se mueven con frecuencia. El Pentágono lanzó el programa DoD JTRS en 1997, con la ambición de utilizar software para controlar funciones de radio, como frecuencia, ancho de banda, modulación y seguridad previamente incorporadas al hardware. Este enfoque permitiría al Departamento de Defensa construir una familia de radios con un núcleo de software común, capaz de manejar funciones que antes estaban divididas entre radios independientes basadas en hardware: radios de voz VHF para unidades de infantería; Radios de voz UHF para comunicaciones aire-aire y tierra-aire; radios de HF de largo alcance para barcos y tropas terrestres; y una radio de banda ancha capaz de transmitir datos a velocidades de megabits en un campo de batalla. Sin embargo, el programa JTRS fue cerrado en 2012 por el Ejército de los EE. UU. Porque las radios fabricadas por Boeing tenían una tasa de fallas del 75%.
  • Google Home, Google Wi-Fi y Google OnHub son compatibles con la red de malla Wi-Fi.
  • En la Cataluña rural , Guifi.net se desarrolló en 2004 como respuesta a la falta de Internet de banda ancha, donde los proveedores comerciales de Internet no proporcionaban una conexión o ésta era muy deficiente. Hoy en día, con más de 30.000 nodos, es solo la mitad de una red completamente conectada , pero después de un acuerdo de igual a igual, siguió siendo una red abierta, libre y neutral con una extensa redundancia.
  • En 2004, los ingenieros de TRW Inc. de Carson, California, probaron con éxito una red inalámbrica de malla de múltiples nodos utilizando radios 802.11a / b / g en varias computadoras portátiles de alta velocidad que ejecutan Linux, con nuevas características como la precedencia de rutas y la capacidad de preferencia, agregando diferentes prioridades para traficar la clase de servicio durante la programación y el enrutamiento de paquetes, y la calidad del servicio. Su trabajo concluyó que la velocidad de datos se puede mejorar en gran medida utilizando la tecnología MIMO en la interfaz de radio para proporcionar múltiples rutas espaciales.
  • Las radios digitales ZigBee se incorporan en algunos electrodomésticos de consumo, incluidos los electrodomésticos que funcionan con baterías. Las radios ZigBee organizan espontáneamente una red en malla, utilizando algoritmos de enrutamiento específicos; la transmisión y la recepción están sincronizadas. Esto significa que las radios pueden estar apagadas la mayor parte del tiempo y, por lo tanto, ahorrar energía. ZigBee es para escenarios de aplicación de bajo ancho de banda y bajo consumo.
  • Thread es un protocolo de red inalámbrica para consumidores construido sobre estándares abiertos y protocolos IPv6 / 6LoWPAN. Las características de Thread incluyen una red de malla segura y confiable sin un solo punto de falla, conectividad simple y bajo consumo de energía. Las redes de subprocesos son fáciles de configurar y seguras de usar con cifrado de clase bancaria para cerrar los agujeros de seguridad que existen en otros protocolos inalámbricos. En 2014, Nest Labs de Google Inc. anunció un grupo de trabajo con las empresas Samsung , ARM Holdings , Freescale , Silicon Labs , Big Ass Fans y la empresa de cerraduras Yale para promover Thread.
  • A principios de 2007, la firma estadounidense Meraki lanzó un mini enrutador de malla inalámbrico. La radio 802.11 dentro del Meraki Mini se ha optimizado para la comunicación a larga distancia, proporcionando una cobertura de más de 250 metros. En contraste con las redes de malla de largo alcance de múltiples radios con topologías basadas en árboles y sus ventajas en el enrutamiento O (n), el Maraki solo tenía una radio, que usaba tanto para el acceso de clientes como para el tráfico de backhaul.
  • La Escuela de Postgrado Naval , Monterey CA, demostró este tipo de redes de malla inalámbricas para la seguridad fronteriza. En un sistema piloto, las cámaras aéreas mantenidas en el aire mediante globos transmitían video de alta resolución en tiempo real al personal de tierra a través de una red de malla.
  • SPAWAR , una división de la Marina de los EE. UU., Está creando prototipos y probando una red de malla escalable, segura y tolerante a interrupciones para proteger activos militares estratégicos, tanto estacionarios como móviles. Las aplicaciones de control de máquinas, que se ejecutan en los nodos de malla, "toman el control" cuando se pierde la conectividad a Internet. Los casos de uso incluyen Internet de las cosas, por ejemplo, enjambres de drones inteligentes.
  • Un proyecto de MIT Media Lab ha desarrollado la computadora portátil XO-1 u "OLPC" ( Una computadora portátil por niño ), que está destinada a escuelas desfavorecidas en países en desarrollo y utiliza redes de malla (basadas en el estándar IEEE 802.11s ) para crear una computadora robusta y económica. infraestructura. Las conexiones instantáneas realizadas por las computadoras portátiles son reclamadas por el proyecto para reducir la necesidad de una infraestructura externa como Internet para llegar a todas las áreas, porque un nodo conectado podría compartir la conexión con nodos cercanos. Greenpacket también implementó un concepto similar con su aplicación llamada SONbuddy.
  • En Cambridge, Reino Unido, el 3 de junio de 2006, se utilizaron redes de malla en la “ Feria de la fresa ” para ofrecer servicios móviles de televisión, radio e Internet en directo a unas 80.000 personas.
  • Broadband-Hamnet, un proyecto de red en malla utilizado en radioaficionados, es "una red informática inalámbrica de alta velocidad, autodescubrimiento, autoconfigurable, tolerante a fallas" con un consumo de energía muy bajo y un enfoque en la comunicación de emergencia.
  • El proyecto Champaign-Urbana Community Wireless Network (CUWiN) está desarrollando un software de red en malla basado en implementaciones de código abierto del protocolo de enrutamiento de estado de enlace Hazy-Sighted y la métrica de recuento de transmisiones esperadas . Además, el Wireless Networking Group de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign está desarrollando un banco de pruebas de malla inalámbrica multicanal y multirradio, llamado Net-X como prueba de implementación de concepto de algunos de los protocolos multicanal que se están desarrollando en ese grupo. Las implementaciones se basan en una arquitectura que permite que algunas de las radios cambien de canal para mantener la conectividad de la red e incluye protocolos para la asignación y el enrutamiento de canales.
  • FabFi es un sistema de red de malla inalámbrica de código abierto a escala de ciudad desarrollado originalmente en 2009 en Jalalabad, Afganistán, para proporcionar Internet de alta velocidad a partes de la ciudad y diseñado para un alto rendimiento en múltiples saltos. Es un marco económico para compartir Internet inalámbrico de un proveedor central en un pueblo o ciudad. Una segunda implementación más grande siguió un año después cerca de Nairobi, Kenia, con un modelo de pago freemium para respaldar el crecimiento de la red. Ambos proyectos fueron realizados por los usuarios de Fablab de las respectivas ciudades.
  • SMesh es una red de malla inalámbrica de múltiples saltos 802.11 desarrollada por el Laboratorio de Redes y Sistemas Distribuidos de la Universidad Johns Hopkins . Un esquema de transferencia rápida permite a los clientes móviles moverse en la red sin interrumpir la conectividad, una característica adecuada para aplicaciones en tiempo real, como VoIP .
  • Muchas redes de malla operan en múltiples bandas de radio. Por ejemplo, las redes de malla Firetide y Wave Relay tienen la opción de comunicarse de nodo a nodo en 5.2 GHz o 5.8 GHz, pero comunicarse de nodo a cliente en 2.4 GHz (802.11). Esto se logra utilizando radio definida por software (SDR).
  • El proyecto SolarMESH examinó el potencial de alimentar redes de malla basadas en 802.11 utilizando energía solar y baterías recargables. Se descubrió que los puntos de acceso 802.11 heredados eran inadecuados debido al requisito de que estuvieran alimentados de forma continua. Los esfuerzos de estandarización de IEEE 802.11s están considerando opciones de ahorro de energía, pero las aplicaciones que funcionan con energía solar pueden involucrar nodos de radio individuales donde el ahorro de energía del enlace de retransmisión será inaplicable.
  • El proyecto WING (patrocinado por el Ministerio de Universidad e Investigación italiano y dirigido por CREATE-NET y Technion) desarrolló un conjunto de algoritmos y protocolos novedosos para habilitar redes inalámbricas en malla como arquitectura de acceso estándar para Internet de próxima generación. Se ha prestado especial atención a la asignación de canales con reconocimiento de interferencias y tráfico, el soporte de múltiples radios / interfaces múltiples y la programación oportunista y la agregación de tráfico en entornos altamente volátiles.
  • La tecnología WiBACK Wireless Backhaul ha sido desarrollada por el Instituto Fraunhofer de Sistemas de Comunicación Abiertos (FOKUS) en Berlín. Alimentado por células solares y diseñado para admitir todas las tecnologías inalámbricas existentes, las redes se desplegarán en varios países del África subsahariana en el verano de 2012.
  • Los estándares recientes para comunicaciones por cable también han incorporado conceptos de Mesh Networking. Un ejemplo es ITU-T G.hn , un estándar que especifica una red de área local de alta velocidad (hasta 1 Gbit / s) utilizando cableado doméstico existente ( líneas eléctricas , líneas telefónicas y cables coaxiales ). En entornos ruidosos, como líneas eléctricas (donde las señales pueden verse muy atenuadas y corrompidas por el ruido), es común que la visibilidad mutua entre los dispositivos de una red no sea completa. En esas situaciones, uno de los nodos tiene que actuar como retransmisor y reenviar mensajes entre aquellos nodos que no pueden comunicarse directamente, creando efectivamente una red de "retransmisión". En G.hn, la retransmisión se realiza en la capa de enlace de datos .

Protocolos

Protocolos de enrutamiento

Hay más de 70 esquemas en competencia para enrutar paquetes a través de redes de malla. Algunos de estos incluyen:

  • Enrutamiento basado en asociatividad (ABR)
  • AODV (Vector de distancia bajo demanda ad hoc)
  • BATMAN (Mejor enfoque para redes móviles ad hoc)
  • Babel (protocolo) (un protocolo de enrutamiento por vector de distancia para IPv6 e IPv4 con propiedades de convergencia rápida)
  • Enrutamiento dinámico NIx-Vector | DNVR
  • DSDV (Enrutamiento por vector de distancia secuenciado por destino)
  • DSR (enrutamiento de origen dinámico)
  • HSLS (estado de enlace con visión borrosa)
  • HWMP (Protocolo de malla inalámbrica híbrida, el protocolo de enrutamiento obligatorio predeterminado de IEEE 802.11s )
  • Protocolo de malla inalámbrica de infraestructura (IWMP) para redes de malla de infraestructura de GRECO UFPB-Brasil
  • OLSR (protocolo de enrutamiento de estado de enlace optimizado)
  • OORP (Protocolo de enrutamiento OrderOne) (Protocolo de enrutamiento de redes OrderOne)
  • OSPF (Primero enrutamiento de la ruta más corta abierta)
  • Protocolo de enrutamiento para redes de baja potencia y con pérdidas (protocolo IETF ROLL RPL, RFC  6550 )
  • PWRP (Protocolo de enrutamiento inalámbrico predictivo)
  • TORA (algoritmo de enrutamiento ordenado temporalmente)
  • ZRP (Protocolo de enrutamiento de zona)

El IEEE ha desarrollado un conjunto de estándares bajo el título 802.11s .

Puede encontrar una lista menos completa en Lista de protocolos de enrutamiento ad hoc .

Protocolos de autoconfiguración

Los protocolos de autoconfiguración estándar, como DHCP o la autoconfiguración sin estado IPv6, se pueden utilizar en redes de malla.

Los protocolos de configuración automática específicos de la red de malla incluyen:

  • Protocolo de configuración ad hoc (AHCP)
  • Autoconfiguración proactiva (Protocolo de configuración automática proactiva)
  • Protocolo de configuración dinámica de WMN (DWCP)

Comunidades y proveedores

Ver también

Referencias

enlaces externos