Nodos de radio organizados en una topología de malla.
Diagrama que muestra una posible configuración para una red en malla cableada e inalámbrica, conectada en sentido ascendente a través de un enlace VSAT (haga clic para ampliar)
Una malla se refiere a una rica interconexión entre dispositivos o nodos. Las redes de malla inalámbricas 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 constante o frecuentemente, 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, de modo que el cálculo de las rutas puede converger y puede ocurrir la entrega de datos a sus destinos. Por lo tanto, se trata de una forma centralizada de red ad hoc inalámbrica de baja movilidad. Además, debido a que a veces depende de nodos estáticos para actuar como puertas de enlace, no es una red ad hoc verdaderamente inalámbrica. [ cita necesaria ]
Los clientes Mesh suelen ser portátiles, teléfonos móviles y otros dispositivos inalámbricos. Los enrutadores de malla reenvían el tráfico hacia y desde las puertas de enlace, que pueden estar conectadas o no a Internet. 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 en malla es confiable y ofrece redundancia. Cuando un nodo ya no puede operar, el resto de nodos aún pueden comunicarse entre sí, directamente o a través de uno o más nodos intermedios. Las redes de malla inalámbricas pueden autoformarse y autocurarse. Las redes de malla inalámbrica funcionan con diferentes tecnologías inalámbricas, incluidas 802.11 , 802.15 , 802.16 , tecnologías celulares y no necesitan estar restringidas a ninguna tecnología o protocolo en particular.
Historia
Las redes de radio inalámbricas en malla se desarrollaron originalmente para aplicaciones militares, de modo que cada nodo pudiera servir dinámicamente como enrutador para todos los demás nodos. De esa manera, incluso en caso de falla de algunos nodos, los nodos restantes podrían continuar comunicándose entre sí y, si fuera necesario, servir como enlaces ascendentes para los otros nodos.
Los primeros nodos de la red inalámbrica en malla tenían una única radio semidúplex que, en cualquier instante, podía transmitir o recibir, pero no ambas cosas al mismo tiempo. Esto fue acompañado por el desarrollo de redes de malla compartidas . Posteriormente, esto fue reemplazado por hardware de radio más complejo que podía recibir paquetes de un nodo ascendente y transmitir paquetes a un nodo descendente simultáneamente (en una frecuencia diferente o 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 acceso de clientes y otra para 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. [2] [3] [4]
Características
Arquitectura
La arquitectura de malla inalámbrica es un primer paso para proporcionar una movilidad baja y rentable en un área de cobertura específica. La infraestructura de malla inalámbrica es, de hecho, una red de enrutadores menos el cableado entre nodos. Está construido con dispositivos de radio pares que no necesitan 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 sólo aumentan la señal, sino que también pasan datos de manera cooperativa desde el 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 redes de "topología relativamente estable", excepto por fallas ocasionales de nodos o la adición de nuevos nodos. La ruta del tráfico, que proviene de 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 inalámbricas ad hoc o en las redes de malla de clientes el tráfico fluye entre pares arbitrarios de nodos. [5]
Si la tasa de movilidad entre los nodos es alta, es decir, las interrupciones de los enlaces ocurren con frecuencia, las redes de malla inalámbrica comienzan a fallar y tienen un bajo rendimiento de comunicación. [6]
Gestión
Este tipo de infraestructura puede ser descentralizada (sin servidor central) o administrada de forma centralizada (con un servidor central). [7] 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 mayores. La topología de una red en malla debe ser relativamente estable, es decir, sin demasiada movilidad. Si un nodo se sale de la red debido a una falla de hardware o cualquier otro motivo, sus vecinos pueden encontrar rápidamente otra ruta utilizando 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 campos de batalla, aplicaciones de vídeo móvil de alta velocidad a bordo del transporte público, telemetría en tiempo real para coches de carreras o autocontrol. organizar el acceso a Internet para las comunidades. [8] Una posible aplicación importante para las redes de malla inalámbricas es VoIP. Al utilizar un esquema de calidad de servicio, la malla inalámbrica puede soportar el enrutamiento de llamadas telefónicas locales a través de la malla. La mayoría de las aplicaciones de las redes de malla inalámbricas 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 robustas, en operaciones de campo. [ cita necesaria ]
Los medidores eléctricos inteligentes que ahora se implementan en las residencias transfieren sus lecturas de una a otra y, eventualmente, a la oficina central para su facturación, sin necesidad de lectores de medidores humanos ni de conectar los medidores con cables. [9]
Las computadoras portátiles del programa Una computadora portátil por niño utilizan redes de malla inalámbricas para permitir a los estudiantes intercambiar archivos y conectarse 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 admiten redes Wi-Fi mesh (es decir, Wi-Fi ad hoc) . [10] Varios fabricantes de enrutadores Wi-Fi comenzaron a ofrecer enrutadores de malla para uso doméstico a mediados de la década de 2010. [11]
Algunas constelaciones de satélites de comunicaciones funcionan 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, reduce la latencia y también permite que la constelación funcione con muchas menos estaciones terrenas de las que serían necesarias para un número igual de satélites de comunicaciones tradicionales. La constelación de satélites Iridium , consta de 66 satélites activos en una órbita polar y opera como una red en malla que brinda cobertura global. [12]
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: 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 multiradio
La malla de radio múltiple se refiere a tener diferentes radios operando a diferentes frecuencias para interconectar nodos en una malla. Esto significa que se utiliza una frecuencia única para cada salto inalámbrico y, por lo 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 de malla inalámbricas identificó las siguientes áreas como problemas de investigación abiertos en 2005:
Nuevos esquemas de modulación.
Para lograr una mayor velocidad de transmisión se requieren nuevos esquemas de transmisión de banda ancha distintos de OFDM y UWB .
Procesamiento avanzado de antena
Se investiga más a fondo el procesamiento avanzado de antenas, incluidas tecnologías de antenas direccionales , inteligentes y múltiples , ya que su complejidad y costo siguen siendo demasiado altos para una comercialización amplia.
La investigación entre capas es un tema de investigación actual popular en el que se comparte información 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 diversos problemas de diseño (enrutamiento, programación, asignación de canales, etc.) puede lograr un mayor rendimiento ya que estos problemas están fuertemente correlacionados. [13] Tenga en cuenta que el diseño entre capas descuidado puede generar un código difícil de mantener y ampliar. [14]
Redes inalámbricas definidas por software
¿Centralizado, distribuido o híbrido? - En [15] se explora una nueva arquitectura SDN para WMN que elimina la necesidad de inundación de múltiples saltos de información de ruta y, por lo tanto, permite que las WMN se expandan fácilmente. La idea clave es dividir el control de la red y el envío de datos mediante el uso de dos bandas de frecuencia separadas. Los nodos de reenvío y el controlador SDN intercambian información sobre el estado del enlace y otras señales 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 abierta de este tipo, en la que los clientes actúan como enrutadores para reenviar paquetes de datos, está expuesta a muchos tipos de ataques que pueden interrumpir toda la red y provocar denegación de servicio (DoS) o denegación de servicio distribuido (DDoS). [dieciséis]
Otros proyectos, a menudo propios o vinculados a una sola institución, son:
ALOHAnet se utilizó por primera vez en Hawaii en 1971 para conectar las islas.
Los radioaficionados comenzaron a experimentar con redes de comunicaciones digitales VHF y posteriormente UHF en Canadá en 1978 y en Estados Unidos en 1980. En 1984, la Red de Radioaficionados por Paquetes (AMPRNet), operada por voluntarios, de 'digipeaters' se extendía por la mayor parte de América del Norte. La red emergente permitió a un operador con licencia utilizar simplemente una de las primeras computadoras portátiles, como TRS-80 Modelo 100 , y un transceptor de FM portátil compatible que operaba en la banda de 1,25 metros o en la banda de 2 metros para lograr comunicaciones digitales transcontinentales inalámbricas. Con el desarrollo de Internet, los portales de entrada y salida de otras redes IP facilitaron "túneles" para llegar a redes de paquetes en otras partes del mundo.
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 de 2,4 GHz en varias computadoras portátiles. [17] Se realizaron varias aplicaciones reales, movilidad y transmisión de datos. [18]
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 integradas en el hardware. Este enfoque permitiría al Departamento de Defensa construir una familia de radios con un núcleo de software común, capaz de manejar funciones que anteriormente estaban divididas entre radios basadas en hardware separadas: radios de voz VHF para unidades de infantería; radios de voz UHF para comunicaciones aire-aire y tierra-aire; radios 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 [19] en 2012 por el ejército de EE. UU. porque las radios fabricadas por Boeing tenían una tasa de falla del 75%.
Google Home, Google Wi-Fi y Google OnHub admiten redes de malla Wi-Fi. [20]
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 sólo la mitad de una red totalmente conectada , pero tras un acuerdo entre pares siguió siendo una red abierta, libre y neutral con una amplia redundancia.
En 2004, los ingenieros de TRW Inc. de Carson, California, probaron con éxito una red inalámbrica en malla de múltiples nodos utilizando radios 802.11a/b/g en varias computadoras portátiles de alta velocidad que ejecutaban Linux, con nuevas características como precedencia de ruta y capacidad de preferencia, agregando diferentes prioridades para la clase de servicio de tráfico durante la programación y enrutamiento de paquetes, y la calidad del servicio. [21] Su trabajo concluyó que la velocidad de datos se puede mejorar enormemente utilizando la tecnología MIMO en el extremo frontal de la radio para proporcionar múltiples rutas espaciales.
Las radios digitales Zigbee están incorporadas en algunos aparatos de consumo, incluidos los 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 así conservar energía. Zigbee es para escenarios de aplicaciones de bajo consumo y bajo ancho de banda.
Thread es un protocolo de red inalámbrica para consumidores basado en estándares abiertos y protocolos IPv6/6LoWPAN. Las características de Thread incluyen una red de malla segura y confiable sin un único 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 tipo bancario 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 empresa estadounidense Meraki lanzó un mini enrutador de malla inalámbrico. [22] La radio 802.11 del Meraki Mini ha sido optimizada para comunicaciones de larga distancia, proporcionando una cobertura de más de 250 metros. A diferencia de las redes de malla de largo alcance multiradio con topologías basadas en árboles y sus ventajas en el enrutamiento O(n), Maraki tenía una sola radio, que utilizaba tanto para el acceso de clientes como para el tráfico de retorno. [23] En 2012, Meraki fue adquirida por Cisco.
La Escuela Naval de Postgrado de Monterey, CA, demostró este tipo de redes de malla inalámbricas para la seguridad fronteriza. [24] En un sistema piloto, cámaras aéreas mantenidas en el aire mediante globos transmitían vídeo 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 tolerante a las interrupciones, segura y escalable [25] 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 del MIT Media Lab ha desarrollado la computadora portátil XO-1 u "OLPC" ( One Laptop per Child ), 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. [26] El proyecto afirma que las conexiones instantáneas realizadas por las computadoras portátiles reducen 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 ha implementado un concepto similar con su aplicación llamada SONbuddy. [27]
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. [28]
Broadband-Hamnet, [29] un proyecto de red en malla utilizado en radioaficionados, es "una red informática inalámbrica de alta velocidad, autodescubrimiento, autoconfiguración, tolerante a fallas" con muy bajo consumo de energía y un enfoque en comunicaciones de emergencia. . [30]
El proyecto Champaign-Urbana Community Wireless Network (CUWiN) está desarrollando 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 transmisión esperado . Además, el Wireless Networking Group [31] de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign está desarrollando un banco de pruebas de malla inalámbrica multicanal y multiradio, llamado Net-X, como prueba de implementación de concepto de algunos de los protocolos multicanal que se están desarrollando en ese país. 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. [32]
FabFi es un sistema de red de malla inalámbrica, de código abierto y a escala urbana, 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 desde un proveedor central en un pueblo o ciudad. Un año después se realizó una segunda implementación más amplia 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.
Muchas redes en 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 comunicar 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 en malla basadas en 802.11 utilizando energía solar y baterías recargables. [34] Se encontró que los puntos de acceso 802.11 heredados eran inadecuados debido al requisito de que estuvieran continuamente encendidos. [35] Los esfuerzos de estandarización de IEEE 802.11 están considerando opciones de ahorro de energía, pero las aplicaciones con energía solar pueden involucrar nodos de radio únicos donde el ahorro de energía del enlace de retransmisión no será aplicable.
El proyecto WING [36] (patrocinado por el Ministerio italiano de Universidad e Investigación y dirigido por CREATE-NET y Technion) desarrolló un conjunto de algoritmos y protocolos novedosos para habilitar redes de malla inalámbricas como arquitectura de acceso estándar para Internet de próxima generación. Se ha prestado especial atención a la interferencia y la asignación de canales conscientes del tráfico, el soporte de múltiples radios/multiinterfaces 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. Alimentadas por células solares y diseñadas para soportar todas las tecnologías inalámbricas existentes, las redes se desplegarán en varios países del África subsahariana en el verano de 2012. [37]
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 las 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
Existen más de 70 esquemas competitivos para enrutar paquetes a través de redes en malla. Algunos de estos incluyen:
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enlaces externos
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Arquitecturas Mesh de Primera, Segunda y Tercera Generación Historia y evolución de las Arquitecturas de Redes Mesh Inalámbricas
El programa ITMANET de DARPA y el proyecto FLoWS que investigan los límites fundamentales de rendimiento de MANETS
Robin Chase habla sobre Zipcar y las redes Mesh Robin Chase habla en la conferencia Ted sobre el futuro de las redes Mesh y la ecotecnología
irdest Comunicación de malla inalámbrica ad-hoc descentralizada
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Grupo de Investigación en Redes Mesh Recopilación de proyectos y tutoriales relacionados con las Redes Mesh Inalámbricas
Proyecto Qaul: mensajería de texto, intercambio de archivos y llamadas de voz independientes de Internet y redes celulares
Broadband-Hamnet: aplicación de red en malla en el espectro de 2,4 GHz para radioaficionados
AREDN: red de datos de emergencia de radioaficionados, una aplicación de red en malla utilizada para el manejo de información y datos de emergencia
Informe técnico sobre malla de LAN inalámbrica
Cómo funcionan las redes de malla inalámbricas en HowStuffWorks
Arquitecturas Mesh de Primera, Segunda y Tercera Generación Historia y evolución de las Arquitecturas de Redes Mesh
Los mineros dan un guiño a los nodos Reimpresión del artículo de la revista Mission Critical sobre malla en la minería subterránea
IET De puntos de acceso a mantas
Akyildiz, Ian. F.; Xudong Wang (septiembre de 2005). "Una encuesta sobre redes de malla inalámbricas". Revista de comunicaciones IEEE . 43 (9): s23-s30. CiteSeerX 10.1.1.133.5446 . doi :10.1109/MCOM.2005.1509968. S2CID 815769.
Grupo de Investigación en Redes Mesh Recopilación de proyectos y tutoriales relacionados con las Redes Mesh Inalámbricas
Subsistema inalámbrico Linux (80211) por Rami Rosen
