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 red en malla se refiere a una interconexión enriquecida entre dispositivos o nodos. Las redes en malla inalámbricas suelen estar formadas por clientes en malla, enrutadores en malla y puertas de enlace. La movilidad de los nodos es menos frecuente. Si los nodos se mueven de forma constante o frecuente, la red en malla pasa más tiempo actualizando rutas que entregando datos. En una red en malla inalámbrica, la topología tiende a ser más estática, de modo que el cálculo de las rutas puede converger y puede producirse 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 que actúen como puertas de enlace, no es una red ad hoc verdaderamente totalmente inalámbrica. [ cita requerida ]
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 o no. 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 funcionar, el resto de los nodos aún pueden comunicarse entre sí, directamente o a través de uno o más nodos intermedios. Las redes de malla inalámbricas pueden autoformarse y autorrepararse. Las redes de malla inalámbricas funcionan con diferentes tecnologías inalámbricas, incluidas 802.11 , 802.15 , 802.16 y 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 funcionar 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 redes inalámbricas en malla tenían una única radio semidúplex que, en cualquier momento, podía transmitir o recibir, pero no ambas cosas al mismo tiempo. Esto fue acompañado por el desarrollo de redes en malla compartidas . Esto fue reemplazado posteriormente 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 en malla conmutadas . A medida que el tamaño, el costo y los requisitos de energía de las radios disminuyeron aún más, los nodos pudieron 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 facilitado por el uso de métodos de teoría de juegos para analizar estrategias de asignación de recursos y enrutamiento de paquetes. [2] [3] [4]
Características
Arquitectura
La arquitectura de malla inalámbrica es un primer paso hacia la provisión de una movilidad baja y rentable en un área de cobertura específica. La infraestructura de malla inalámbrica es, en efecto, una red de enrutadores sin el cableado entre nodos. Está formada por 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 amplifican la señal, sino que pasan datos de manera 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 redes de "topología relativamente estable", salvo por fallas ocasionales de nodos o la incorporación de nuevos nodos. La ruta del tráfico, que se genera a partir de una gran cantidad 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 redes de malla de cliente el tráfico fluye entre pares arbitrarios de nodos. [5]
Si la tasa de movilidad entre nodos es alta, es decir, las interrupciones de enlaces ocurren con frecuencia, las redes de malla inalámbricas comienzan a fallar y tienen un bajo rendimiento de comunicación. [6]
Gestión
Este tipo de infraestructura puede ser descentralizada (sin un servidor central) o administrada de forma centralizada (con un servidor central). [7] Ambas son relativamente económicas 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, no debe tener demasiada movilidad. Si un nodo se sale de la red, debido a una falla de hardware o cualquier otra razón, sus vecinos pueden encontrar rápidamente otra ruta utilizando un protocolo de enrutamiento.
Aplicaciones
Las redes en 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 del campo de batalla, aplicaciones de video móvil de alta velocidad a bordo del transporte público, telemetría de autos de carrera en tiempo real o acceso a Internet autoorganizado para comunidades. [8] Una posible aplicación importante para las redes en 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 en redes en malla inalámbricas son similares a las de las redes ad hoc inalámbricas .
Algunas aplicaciones actuales:
Las fuerzas militares de Estados Unidos ahora están utilizando redes de malla inalámbricas para conectar sus computadoras, principalmente portátiles reforzados, en operaciones de campo. [ cita requerida ]
Los medidores eléctricos inteligentes que ahora se están implementando en las residencias transfieren sus lecturas de uno a otro y eventualmente a la oficina central para la facturación, sin la necesidad de lectores de medidores humanos o la necesidad de conectar los medidores con cables. [9]
Las computadoras portátiles del programa Una Computadora Portátil por Niño utilizan redes de malla inalámbricas para permitir que los estudiantes intercambien archivos y accedan a Internet incluso cuando no tengan cables, teléfonos celulares 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 en malla (es decir, Wi-Fi ad hoc) . [10] Varios fabricantes de enrutadores Wi-Fi comenzaron a ofrecer enrutadores en 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 terrestre . Esto hace que la distancia de viaje de la señal sea más corta, lo que reduce la latencia, y también permite que la constelación funcione con muchas menos estaciones terrestres de las que se requerirían para un número igual de satélites de comunicaciones tradicionales. La constelación de satélites Iridium consta de 66 satélites activos en una órbita polar y funciona como una red en malla que proporciona cobertura global. [12]
Operación
El principio es similar a la forma en que viajan los paquetes a través de 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 debe comunicar información de enrutamiento a otros dispositivos de 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 siempre garantizar que los datos tomen la ruta más adecuada (más rápida) hasta su destino.
Malla multiradio
La malla multiradio se refiere a tener diferentes radios que operan en diferentes frecuencias para interconectar nodos en una malla. Esto significa que hay una frecuencia única utilizada 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 la comunicación 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.
Temas de investigación
Uno de los artículos sobre redes inalámbricas en malla más citados identificó las siguientes áreas como problemas de investigación abiertos en 2005:
Nuevos esquemas de modulación
Para lograr una mayor tasa de transmisión se requieren nuevos esquemas de transmisión de banda ancha distintos de OFDM y UWB .
La investigación entre capas es un tema de investigación actual muy 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 varios problemas de diseño (enrutamiento, programación, asignación de canales, etc.) puede lograr un mayor rendimiento, ya que estos problemas están estrechamente relacionados. [13] Cabe señalar que un diseño entre capas descuidado puede dar lugar a un código que sea difícil de mantener y ampliar. [14]
Redes inalámbricas definidas por software
Centralizada, distribuida o híbrida? - En [15] se explora una nueva arquitectura SDN para WMN que elimina la necesidad de inundación de información de ruta de múltiples saltos y, por lo tanto, permite que las WMN se expandan fácilmente. La idea clave es dividir el control de red y el reenvío de datos mediante el uso de 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 considerarse 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 provocar denegación de servicio (DoS) o denegación de servicio distribuida (DDoS). [16]
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 transmisiones de datos. [18]
Las redes en malla resultaron útiles para el mercado militar debido a la capacidad de transmisión por radio y porque no todas las misiones militares tienen nodos que se desplazan con frecuencia. El Pentágono lanzó el programa JTRS del Departamento de Defensa en 1997, con la ambición de utilizar software para controlar funciones de radio (como frecuencia, ancho de banda, modulación y seguridad, que antes estaban 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 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 HF de largo alcance para barcos y tropas terrestres; y una radio de banda ancha capaz de transmitir datos a velocidades de megabits a través de un campo de batalla. Sin embargo, el programa JTRS fue cerrado [19] en 2012 por el Ejército de los 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 conexión o la misma 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 se mantuvo como una red abierta, libre y neutral con 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 preempción, agregando diferentes prioridades a la clase de servicio de tráfico durante la programación y el enrutamiento de paquetes, y calidad de servicio. [21] Su trabajo concluyó que la velocidad de datos se puede mejorar en gran medida utilizando tecnología MIMO en el front-end de radio para proporcionar múltiples rutas espaciales.
Las radios digitales Zigbee están incorporadas en algunos electrodomésticos, 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, por lo tanto, ahorrar energía. Zigbee está destinado a escenarios de aplicaciones de bajo ancho de banda y bajo consumo de energía.
Thread es un protocolo de red inalámbrica para consumidores basado en estándares abiertos y protocolos IPv6/6LoWPAN. Las características de Thread incluyen una red en malla segura y confiable sin un solo punto de falla, conectividad simple y bajo consumo de energía. Las redes Thread 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 empresa estadounidense Meraki lanzó un mini enrutador inalámbrico en malla. [22] La radio 802.11 del Meraki Mini ha sido optimizada para comunicaciones de larga distancia, brindando cobertura a más de 250 metros. A diferencia de las redes en malla de largo alcance con múltiples radios y topologías basadas en árboles y sus ventajas en el enrutamiento O(n), el Maraki tenía solo una radio, que usaba 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, California, 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 video de alta resolución en tiempo real al personal de tierra a través de una red de malla.
SPAWAR , una división de la Armada de los EE. UU., está creando prototipos y probando una red en malla tolerante a interrupciones, escalable y segura [25] para proteger activos militares estratégicos, tanto fijos como móviles. Las aplicaciones de control de máquinas, que se ejecutan en los nodos en 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 el ordenador portátil XO-1 u "OLPC" ( One Laptop per Child ), destinado a escuelas desfavorecidas en países en desarrollo, que utiliza redes en malla (basadas en el estándar IEEE 802.11s ) para crear una infraestructura robusta y económica. [26] El proyecto afirma que las conexiones instantáneas realizadas por los ordenadores portátiles reducen la necesidad de una infraestructura externa como Internet para llegar a todas las áreas, ya que un nodo conectado podría compartir la conexión con nodos cercanos. Greenpacket también ha implementado un concepto similar con su aplicación llamada SONbuddy. [27]
El 3 de junio de 2006, en Cambridge (Reino Unido), se utilizó una red en 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, autodescubierta, autoconfigurable, tolerante a fallos" con un consumo de energía muy bajo y un enfoque en la comunicación de emergencia. [30]
El proyecto Champaign-Urbana Community Wireless Network (CUWiN) está desarrollando software de redes en malla basado en implementaciones de código abierto del protocolo de enrutamiento de estado de enlace Hazy-Sighted y la métrica Expected Transmission Count . Además, el Wireless Networking Group [31] de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign está desarrollando un banco de pruebas de redes en malla inalámbricas multicanal y multiradio, llamado Net-X, como una implementación de prueba 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. [32]
FabFi es un sistema de red inalámbrica en malla de código abierto y 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 una ciudad o pueblo. Una segunda implementación más grande se realizó un año después cerca de Nairobi, Kenia, con un modelo de pago freemium para respaldar el crecimiento de la red. Ambos proyectos fueron llevados a cabo por los usuarios de Fablab de las respectivas ciudades.
Muchas redes en malla operan en múltiples bandas de radio. Por ejemplo, las redes en malla Firetide y Wave Relay tienen la opción de comunicarse de nodo a nodo en 5,2 GHz o 5,8 GHz, pero de nodo a cliente en 2,4 GHz (802.11). Esto se logra mediante 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. [34] Se descubrió que los puntos de acceso 802.11 heredados eran inadecuados debido al requisito de que estuvieran alimentados continuamente. [35] Los esfuerzos de estandarización de IEEE 802.11 están considerando opciones de ahorro de energía, pero las aplicaciones alimentadas con energía solar podrían involucrar nodos de radio individuales donde el ahorro de energía del enlace de retransmisión no será aplicable.
El proyecto WING [36] (patrocinado por el Ministerio de Universidad e Investigación de Italia y dirigido por CREATE-NET y Technion) desarrolló un conjunto de nuevos algoritmos y protocolos para permitir que las redes de malla inalámbricas se conviertan en la arquitectura de acceso estándar para Internet de próxima generación. Se ha prestado especial atención a la asignación de canales que tienen en cuenta las interferencias y el tráfico, el soporte multiradio/multiinterfaz y la programación oportunista y la agregación de tráfico en entornos altamente volátiles.
La tecnología de transmisión inalámbrica WiBACK ha sido desarrollada por el Instituto Fraunhofer para Sistemas de Comunicación Abiertos (FOKUS) de Berlín. Está previsto que en el verano de 2012 se desplieguen redes en varios países del África subsahariana, alimentadas por células solares y diseñadas para soportar todas las tecnologías inalámbricas existentes. [37]
Los estándares recientes para comunicaciones por cable también han incorporado conceptos de redes en malla. Un ejemplo es ITU-T G.hn , un estándar que especifica una red de área local de alta velocidad (hasta 1 Gbit/s) que utiliza el 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 habitual que la visibilidad mutua entre los dispositivos de una red no sea completa. En esas situaciones, uno de los nodos tiene que actuar como relé 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 que compiten entre sí para enrutar paquetes a través de redes en malla. Algunos de ellos son:
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Enlaces externos
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Distribución de la red de malla inalámbrica del proyecto WING basada en el código fuente de Roofnet
Arquitecturas de malla de primera, segunda y tercera generación Historia y evolución de las arquitecturas de redes inalámbricas en malla
El programa ITMANET de DARPA y el proyecto FLoWS investigan los límites fundamentales de rendimiento de las MANETS
Robin Chase habla sobre Zipcar y las redes en malla Robin Chase habla en la conferencia TED sobre el futuro de las redes en malla y la ecotecnología
irdest Comunicación en malla inalámbrica ad-hoc descentralizada
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Recopilación de proyectos y tutoriales del Grupo de Investigación en Redes Mesh 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 redes 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 datos e información de emergencia.
Documento técnico sobre redes LAN inalámbricas en malla
Cómo funcionan las redes de malla inalámbricas en HowStuffWorks
Arquitecturas de malla de primera, segunda y tercera generación Historia y evolución de las arquitecturas de redes en malla
Los mineros dan el visto bueno a los nodos Reimpresión de artículo de Mission Critical Magazine sobre Mesh en minería subterránea
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Subsistema inalámbrico Linux (80211) de Rami Rosen
