CAPÍTULO 3 REDES WIRELESS AD-HOC

Capítulo 3. Redes Wireless Ad-hoc
CAPÍTULO 3
REDES WIRELESS AD-HOC
3.1 Ad-hoc Network y Mobile Ad-hoc Network (MANET)
La reciente proliferación de los dispositivos portátiles y la difusión de la
tecnología sin cables han permitido prosperar a las denominadas redes wireless ad-hoc.
Últimamente el interés por la comunicación a través de las redes inalámbricas
ad-hoc ha aumentado en modo consistente [10]. La atención por parte de la comunidad
científica es evidente, por las múltiples publicaciones ya presentes al cuidado de las
instituciones de numerosos grupos de trabajo, como el IETF (Internet Engineering Task
Force) y el IRTF (Internet Research Task Force), en torno a los cuales se centra la
actividad de investigación.
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Capítulo 3. Redes Wireless Ad-hoc
Figura 3.1: Ejemplo de red wireless ad hoc.
En aquellos casos en los que no es posible servirse de una infraestructura de
comunicación fija, o como en el caso de conferencias en salas desprovistas de una
infraestructura de red, o para compartir información, es posible utilizar la “ad-hoc
network (red de comunicación ad-hoc)”. Las redes ad-hoc son un tipo particular de
redes sin control central y sin conexión con el “mundo externo”: pertenecen a la
tipología de las redes de comunicaciones sin infraestructuras (infrastructurless
networks), a diferencia de las WLAN, que son de tipo fiable (reliabile infrastructured).
En este caso, la única infraestructura consentida es aquella formada por los nodos que
participan en la red (figura 3.1). Una red ad-hoc puede ser formada cuando se quieren
intercambiar datos en ausencia de un punto de acceso (Access Point) centralizado: la red
se forma “espontáneamente”; simplemente porque los dispositivos móviles se
encuentran cercanos entre ellos, necesitan comunicarse, y no existen infraestructuras de
red preexistente en la sede [10]. La ventaja de estar libre en cualquier infraestructura
implica para estas redes una intrínseca facilidad y velocidad de instalación que la hace
muy versátil.
Cada nodo perteneciente a la red ad-hoc tiene la capacidad de un router, por lo
tanto, no es necesario que dos nodos deban tener visibilidad radio para comunicarse
entre ellos (se piensa, por ejemplo, en la presencia de un obstáculo o si están a una
excesiva distancia entre ellos). Basta que un nodo, en lugar de enviar directamente los
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paquetes al nodo destinatario, pueda encaminar los paquetes hacia otro nodo con los
cuales está en visibilidad radio y este último se encargue de retransmitir los paquetes
hacia el destino [18]. Se puede tener de esta manera caminos a saltos múltiples
(multihop) y ampliar notablemente el área geográfica en la cual puede operar una red
ad-hoc. Tal sistema se revela particularmente útil para las operaciones de protección
civil y en campos militares [24].
Las tecnologías utilizadas a nivel físico por las redes de comunicación ad-hoc no
se diferencian de aquellas usadas en las redes WLAN. Esencialmente se utilizan las
siguientes tres técnicas [1]:
¾ Spread Spectrum
¾ Infrarrojos
¾ OFDM
Si a estas características se le añade la funcionalidad de movilidad de los nodos,
obtenemos una Mobile Ad-hoc Network (MANET) [20]. Resulta evidente que en este
caso los nodos están conectados mediante enlaces (links) altamente inestables: los
servidores móviles pueden aislarse completamente formando grupos de servidores que
evolucionan independientemente organizándose en células (cluster), como viene
mostrado en la figura 3.2, que pueden sucesivamente unirse.
Figura 3.2: Móvil ad-hoc network consituida por 3células.
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Considerando que los nodos móviles tienen un rango de transmisión limitado,
los nodos puestos a grandes distancias se comunican a través de caminos a saltos
múltiples, es decir, a través de más nodos antes de alcanzar al destinatario. Su facilidad
de instalación convierte a la MANET, y a la ad-hoc en general, en una elección idónea
para muchas variedades de aplicaciones [19].
Con la utilización de MANET se puede, sin embargo, encontrar algunos
inconvenientes: el medio de propagación inalámbrico, el aire, goza de características
variables e impredecibles; la potencia de la señal y el tiempo de propagación varían en
el tiempo y en base al ambiente. Considerando que, tanto la duración de las baterías de
los dispositivos portátiles como la disponibilidad de banda, tienen recursos limitados, es
necesario que todos los protocolos no consuman excesivamente tales recursos. La
movilidad de los nodos, creando un continuo cambio en la topología, requiere
protocolos en grado de crear caminos de enrutamiento a modo dinámico y eficiente para
evitar incurrir en el típico problema del link failure (fallos de enlaces). Este se verifica
cuando no se le señala oportunamente a un nodo que otro no está en su radio de
visibilidad.
Al interno del IETF, en el 1997, fue constituido un grupo de trabajo llamado
MANET Working Group, con la finalidad de estudiar y desarrollar los protocolos de
enrutamientos estándares para las redes sin cables basadas en el protocolo IP, adaptadas
a topologías tanto estáticas como dinámicas [18]. Además, este grupo de trabajo, junto
con el que se ocupa de MANET del IRTF, estudia cuestiones relativas a los problemas
de ejecución y seguridad en las redes móviles ad-hoc [20] [18].
3.2 Principios generales sobre el enrutamiento
Como se observa al interno de una red de computadoras, para transferir
informaciones desde un servidor a otro, son necesarios algoritmos de enrutamiento
(algoritmos de routing).
En el caso de la arquitectura TCP/IP, esta tarea está confiada al nivel Internet, en
el cual se implementan los denominados algoritmos de enrutamiento, responsables de la
determinación del camino seguido por cada paquete hasta alcanzar al destinatario.
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Igualmente,
la
responsabilidad
de
la
red
de
conexión
de
internet
(internetworking) es delegada al protocolo IP. En Internet cada nodo es individualizado
mediante una dirección IP, única en toda la red. Las direcciones IP se generan bajo la
autoridad de la Internet Coorporation for Assigned Names and Numbers (ICANN), en
base a las directivas impuestas por la RFC (Request for Comments) 2050 [25], que se
organizan en muchas clases jerárquicas.
En particular, en Internet, cada datagrama IP transmitido lleva al interno la
dirección IP del servidor remitente y del receptor: es, pues, tarea de los encaminadores
(routers) hacer llegar el paquete al terminal de destino. La operación de tramitación de
cada paquete viene llevada a cabo consultando la llamada tabla de routing. Una tabla de
routing puede verse como una lista en la cual, a cada dirección de destinatario, le
corresponde una puerta de salida hacia la que se transmite las informaciones. Tal lista se
construye y se actualiza mediante un algoritmo de enrutamiento que implica el uso de
protocolos y algoritmos entre más encaminadores [22].
De los algoritmos de direccionamiento dependen determinadas propiedades de
las redes. En primer lugar, la robusteza, o la capacidad de tolerar los daños del router. A
continuación, la imparcialidad, que atañe a la posibilidad de que todas las conexiones
vean igualmente digeridos su tráfico. Y, finalmente, la optimización, que prevé que el
algoritmo busque optimizar un parámetro de la red [26].
La elección del parámetro a optimizar depende de las exigencias del usuario y
varía de algoritmo a algoritmo. Este parámetro puede consistir o, en el retardo medio de
los paquetes a lo largo de la red o, en el volumen de datos transmitidos a lo largo de la
red o, incluso, en el número de saltos (hop) que el paquete debe atravesar para alcanzar
el destino. Según el tipo de parámetro, a cada enlace de la red, se le atribuye un costo: el
algoritmo de enrutamiento buscará elegir, para cada paquete, el camino a “menor
costo”.
Existen diversas tipologías de algoritmo de enrutamiento; aquellas más usadas en
las redes cableadas tradicionales son [10]: Link State, Distance Vector, Source Routing,
Random e Flooding.
• Con el Link State se asigna un costo a cada link o conexión. Cada nodo
administra un mapa completo de la topología de la red. Periódicamente cada
nodo manda en broadcast (difusión) el costo de los enlaces a los cuales está
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conectado, y los restantes actualizan el mapa de la red y la tabla de enrutamiento
aplicando un algoritmo que tiene en cuenta el camino a menor costo.
• En el Distance Vector cada nodo conoce ya el costo de los enlaces a los
que está conectado. Cada nodo comunica con su vecino a que otros nodos puede
alcanzar y a qué costo. Así cada nodo recalcula la propia tabla de enrutamiento
siguiendo las informaciones que ha recibido, y usando un algoritmo que tiene en
cuenta, por ejemplo, el camino a menor costo.
• Con el Source Routing, las decisiones pertinentes al router vienen tomadas
de la fuente y los paquetes de información siguen un camino ya establecido.
• El direccionamiento Random es de tipo casual ya que la rama de salida del
nodo, a menos que el servidor destinatario del paquete no esté directamente
conectado al nodo en cuestión, viene elegida casualmente. De este modo, sin
embargo, el algoritmo garantiza una utilización óptima de los recursos de la red,
ya que goza de la simplicidad de implementación y gestión [4].
• Finalmente, en el Flooding sucede que cada paquete de información
recibido viene transmitido y replicado sobre todos los enlaces salientes, a menos
que la dirección de destino no sea un servidor directamente conectado al mismo
nodo.
Obtenemos una red muy robusta, utilizable en particular, en las aplicaciones
militares; aunque sea necesario adoptar destreza para limitar el tráfico interno a la red
poco a poco, mientras los paquetes atraviesan los nodos de tránsito [4].
3.3 Protocolos de enrutamiento en las redes wireless ad-hoc.
En el caso en el que se encuentren redes no dotadas de una infraestructura como
por ejemplo, las redes ad-hoc, de las cuales hemos hablado, se hace necesario los
algoritmos de enrutamiento adecuados en los que hay que tener en cuenta la
característica dinámica de tales sistemas (en las redes inalámbricas ad-hoc, los nodos
podrían moverse modificando así la topología de la red). En este tipo de redes, por otro
lado, cada nodo debe tener la capacidad de un router.
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Los algoritmos de direccionamiento existentes para las redes wireless ad-hoc
pueden clasificarse en tres categorías: proactive, reactive e hybrid [21], como viene
representado en la figura siguiente:
Figura 3.3: Clasificación de los protocolos de enrutamiento ad-hoc.
Aquellas de tipo proactive mantienen constantemente actualizados la
información de direccionamiento a través de intercambios de paquetes a intervalos
temporales fijos. Esto permite tener un direccionamiento disponible a cada petición de
enrutamiento, pero está la desventaja de producir tráfico de señalización incluso cuando
no se transmite ningún paquete de datos; esto puede provocar sobrecarga en la red.
En los protocolos de tipo reactive viene invocado un procedimiento para
determinar el correcto direccionamiento sólo en el momento en el que el paquete deba
efectivamente transmitirse. De este modo, se reduce el tráfico de señalización en
detrimento de un aumento de los tiempos de entrega.
El tercer tipo de protocolos, hybrid, busca, como dice su nombre, de unir las
ventajas de ambos protocolos precedentes, limitando la aplicación de algoritmos
proactive sólo a los nodos adyacentes del que quiere transmitir.
A continuación se describen algunos de los algoritmos de direccionamiento más
usados en las redes wireless ad-hoc:
¾ AODV (Ad-hoc On Demand Vector),
¾ DSDV (Destination Sequenced Distance Vector),
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¾ DSR (Dynamic Source Routing),
¾ TORA (Temporally Ordered Routing Algorithm).
3.3.1 AODV (Ad-hoc On Demand Vector)
El protocolo AODV [27] es un protocolo de enrutamiento de tipo reactive basado
en el algoritmo Distance Vector.
Una característica fundamental del protocolo es que los nodos destino de un
trayecto, antes de proporcionar información de direccionamiento, crean un número de
secuencia de destino (destination sequence number), que proporciona a los nodos un
instrumento para evaluar cuanto se ha actualizado un determinado recorrido evitando la
formación de lazos (loop) en el camino de enrutamiento. Un terminal que deba elegir
entre varios caminos hacia un cierto destino, elegirá aquel caracterizado por el número
de secuencia mayor, correspondiente a una información de routing mas reciente.
Además, el protocolo soporta el enrutamiento multidifusión (multicast) [22].
Este protocolo usa mensajes particulares llamados RREQ (Route Request), RREP
(Route Replies) y RERR (Route Errors) que son enviados y recibidos mediante el
protocolo UDP.
Cuando un nodo quiere encontrar un camino hacia otro nodo de la red:
1) envía en broadcast un mensaje del tipo RREQ (figura 3.4);
2) atiende una respuesta del destinatario o, de otro nodo, que posee un camino de
enrutamiento bastante reciente hacia aquel destino. Esta respuesta llegará con un
mensaje de tipo RREP (figura 3.5) confirmando incluso que el camino buscado está
disponible.
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Figura 3.4: Transmisión broadcast de RREQ.
Figura 3.5: Transmisión unicast de RREP.
Por nodo que posea un camino de direccionamiento bastante reciente se entiende
un nodo que conozca un trayecto asociado a un número de secuencia destino que sea de
grande, al menos, como aquel contenido en el mensaje RREQ [23].
Además, los nodos de la red que forman parte de trayectos activos pueden
transmitir periódicamente mensajes especiales de RREP, llamados mensajes “Hello”, a
sus nodos más cercanos. La falta de mensajes “Hello” por parte de los nodos vecinos
viene interpretada como pérdida de la conexión con ese nodo y hace que el nodo que
debería haber recibido tal mensaje proceda a corregir su tabla de enrutamiento,
eliminando aquel trayecto [23].
En la fase de extracción de la tabla de enrutamiento de una puerta de acceso a un
nodo vecino, con motivo de que ya no es alcanzable, el nodo se preocupa de mandar un
mensaje RERR a los nodos adyacentes que usaban el trayecto, informándoles del
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acontecimiento. Todo esto sucede sin dificultad en cuanto a que cada nodo conserva una
lista de los nodos cercanos que están activos en cualquier comunicación [23].
El procedimiento del mensaje RERR viene, por tanto, repetido por los nodos
intermedios determinando así la actualización de las tablas de direccionamiento de
todos los nodos de la red [23].
3.3.2 DSDV (Destination Sequenced Distance Vector)
El DSDV [23] es un protocolo de direccionamiento de tipo proactive que
pertenece a la familia de los algoritmos Distance Vector.
Cada nodo perteneciente a la red tiene una tabla de enrutamiento que indica para
cada destino cuantos saltos (hop) hacen falta atravesar y cual es el sucesivo. Derivando
del Distance Vector, la actualización de las tablas de enrutamiento se producen
mediante el intercambio de información entre nodos cercanos y reaplicando los
algoritmos de camino mínimo a menor costo. Cada camino viene etiquetado con un
número de secuencia (sequence number), que da una indicación temporal sobre la
validez de aquel camino: a números de secuencia más altos corresponden caminos más
fiables. Cuando dos caminos tienen el mismo número de secuencia viene elegido aquel
que tiene el menor costo (por ejemplo el que menor número de saltos tenga que
atravesar). En caso de que un nodo notase que un trayecto hacia un destino no funciona,
asigna al número de salto un valor alto (que significa infinito) y al número de secuencia
un número impar. Un número de secuencia identificado con un número impar señala
que aquel camino es inalcanzable mientras que, por el contrario, un número par indica
que el destino sí es alcanzable [28].
3.3.3 DSR (Dynamic Source Routing)
El protocolo DSR [29], de tipo reactive, se caracteriza por el uso del Source
Routing y del mecanismo de tipo “On Demand” [27]. En tal sistema el source routing
hace que los nodos fuente conozcan “paso a paso” (hop by hop) el camino que deben
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efectuar para alcanzar al destinatario. Esto se lleva a cabo gracias a una memoria de
enrutamiento (route cache) que memoriza todos los caminos a efectuar.
Si el nodo que quiere enviar un paquete informativo pertenece a una red
inalámbrica ad-hoc, se inicia un proceso de Routing Discovery. Tal proceso consiste en
el envío, por parte del nodo, de mensajes RREQ en Flooding sobre la red, mensajes que
todos los otros nodos receptores enviarán a su vez en Flooding. En cambio, en el caso
en el que el nodo sea el nodo destinatario o son nodos que tienen, en la propia memoria
de enrutamiento, un trayecto válido, responden al mensaje RREQ, transmitiendo al
nodo solicitante un paquete RREP. Habitualmente, este último sigue un camino inverso
respecto al del RREQ y mantendrá toda la información de direccionamiento que se
memorizará desde el nodo solicitante [27].
Por último, si una conexión se interrumpe, vienen notificados una serie de
paquetes RERR de modo que todos los nodos actualicen su memoria de
direccionamiento y no usen más ese enlace. El protocolo DSR hace un uso intenso de la
memoria de direccionamiento y de la fuente de direccionamiento para evitar los lazos
(loop) [27].
3.3.4 TORA (Temporally Ordered Routing Algorithm)
El protocolo TORA [23], de tipo reactive, se caracteriza por proporcionar al nodo
remitente, no sólo uno, sino múltiples trayectos para hacerle llegar al destino. El
procedimiento es el siguiente: cada nodo realiza una copia de TORA para cada destino y
el protocolo crea, mantiene y cancela los trayectos de enrutamiento. El TORA asocia un
peso a cada nodo de la red respecto a un destino, y los mensajes se desplazan desde un
nodo con mayor peso hacia uno con peso menor; mientras los caminos descubiertos con
paquetes de tipo QRY (Query) vienen actualizados con aquellos de tipo UPD (Update).
Si un nodo necesita conocer un trayecto hacia un destino manda en difusión
(broadcast) un paquete QRY que se propaga, hasta que no alcanza el nodo destinatario o
a un nodo que posea un trayecto válido hacia el destino. El nodo que responda se
servirá a su vez de un paquete UPD que agregará también su peso. Los paquetes UPD se
enviarán en difusión de modo que permitan a todos los nodos intermedios modificar su
peso convenientemente. Se deriva, por tanto, que los nodos que quieran alcanzar
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destinos lejanos o directamente inalcanzables, aumentan su peso local hasta el máximo
valor consentido, mientras que el nodo que encuentre un nodo cercano con un peso que
tienda a infinito, cambiará el trayecto.
El paquete de tipo CLR (Clear) interviene en algunos casos para resetear todos
los estados de direccionamiento de una porción de red cuando el destino sea
completamente inalcanzable [23].
El protocolo TORA se apoya en el protocolo para redes MANET llamado IMEP
(Internet MANET Encapsulation Protocol) que proporciona un servicio de expedición
fiable para protocolos de enrutamiento [30].
La agregación en un único bloque de los mensajes IMEP y TORA reduce el
overhead de la red y prueban el estado de los nodos vecinos. Para obtener tal agregación
se utiliza periódicamente un intercambio de mensajes llamados BEACON y HELLO.
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