Formación de redes inalámbricas ad hoc—El arte de la

Formación de redes inalámbricas ad hoc—El arte
de la formación de redes sin red
Magnus Frodigh, Per Johansson y Peter Larsson
Hoy día, mucha gente lleva numerosos dispositivos portátiles, tales como
ordenadores, teléfonos móviles, PDA y reproductores mp3, para usarlos en
sus vidas profesionales y privadas. Para la mayoría, estos dispositivos se
usan por separado—esto es, sus aplicaciones no interactúan. Imagínese, sin
embargo, que pudiesen interactuar directamente: los participantes de una
reunión podrían compartir documentos o presentaciones; las tarjetas de visita
irían a parar automáticamente al registro de direcciones en un ordenador portátil y el número se registraría en un teléfono móvil; a medida que los viajeros
salen de un tren de cercanías, sus ordenadores portátiles podrían permanecer en línea; de la misma manera, ahora el correo electrónico entrante podría
ser derivado a sus PDA; finalmente, al entrar en la oficina, toda la comunicación podría ser encaminada automáticamente a través de la red inalámbrica
corporativa.
Estos ejemplos de comunicación inalámbrica espontánea ad hoc entre dispositivos podrían ser definidos de manera informal como un esquema, al que
a menudo se denomina formación de redes ad hoc, que permite a los dispositivos establecer la comunicación, en cualquier momento y en cualquier lugar,
sin la ayuda de una infraestructura central. En realidad, la formación de redes
ad hoc como tal no es nueva, sino la configuración, el uso y los participantes.
En el pasado, la noción de redes ad hoc se asociaba con frecuencia con la
comunicación en los campos de combate y en los emplazamientos de zonas
desastrosas; ahora, al materializarse nuevas tecnologías tales como
Bluetooth, es probable que cambie el escenario de la formación de redes ad
hoc, así como su importancia.
En este artículo, los autores describen el concepto de la formación de
redes ad hoc dando sus antecedentes y presentando algunos de los retos
técnicos que plantea. Los autores indican también algunas de las aplicaciones que se pueden contemplar para la formación de redes ad hoc.
CUADRO A, ACRONIMOS
AODV
AP
ARQ
BGP
CSMA/CA
Ad hoc on-demand distance vector
Access point
Automatic repeat request
Border gateway protocol
Carrier sense multiple access with
collision avoidance
DARPA
Defense Advanced Research
Projects Agency
DSDV
Destination-sequenced distance
vector
DSR
Dynamic source routing
DSSS
Direct-sequence spread spectrum
FA
Foreign agent
FEC
Forward error correction
FHSS
Frequency-hopping spread
spectrum
FTP
File transfer protocol
GPRS
General packet radio service
H2
See HiperLAN/2
HA
Home agent
HiperLAN/2 High-performance radio LAN type 2
IEEE
Institute of Electrical and Electronic
Engineering
IETF
Internet Engineering Task Force
IP
Internet protocol
248
ISM
Industrial Scientific Medical band
(2.4 GHz)
LAN
Local area network
LAP
LAN access point
MAC
Media access control
MANET
Mobile ad hoc network
MIPMANET Mobile IP MANET
MT
Mobile terminal
NC
Notebook computer
OSPF
Open shortest path first
PAN
Personal area network
PDA
Personal digital assistant
PRnet
Packet radio network
QoS
Quality of service
RIP
Routing information protocol
RREP
Route reply
RREQ
Route request
RTS
Request to send
SIG
Special interest group
TDD
Time-division duplex
UMTS
Universal mobile
telecommunications system
WCDMA
Wideband code-division multiple
access
WLAN
Wireless LAN
Introducción
Numerosos factores asociados con la tecnología,
los negocios, las regulaciones y el comportamiento social hablan, de manera natural y lógica, en favor de la formación de redes inalámbricas ad hoc. La comunicación móvil inalámbrica
de datos, que está avanzando tanto en términos
de tecnología como de uso y penetración, es una
fuerza impulsora, gracias a Internet y al éxito de
los sistemas celulares de segunda generación. Al
mirar hacia el horizonte, finalmente podemos
vislumbrar una vista de una computación y una
comunicación verdaderamente ubícuas. En un
futuro próximo, se espera que crezcan el papel
y las posibilidades de las transacciones de datos
a corto plazo, sirviendo como complemento a la
comunicación a gran escala tradicional: la mayor
parte de las comunicaciones hombre - máquina
así como una comunicación oral entre seres humanos se produce a distancias de menos de 10
metros; además, como resultado de esta comunicación, las dos partes que se comunican tienen
con frecuencia necesidad de intercambiar datos.
Como factor de apoyo, las bandas de frecuencias
exentas de licencia invitan al uso de tecnologías de radio en desarrollo (tales como Bluetooth)
que admiten un despliegue barato y sin esfuerzo de la comunicación inalámbrica.
En términos de precio, de portabilidad y de
usabilidad y en el contexto de una red ad hoc,
muchos dispositivos de computación y comunicación, tales como los PDA y los teléfonos móviles, ya poseen los atributos que son deseables.
A medida que continúen los avances de la tecnología, estos atributos serán mejorados todavía
más.
Finalmente, observamos que muchos teléfonos móviles y otros dispositivos electrónicos ya
están habilitados para Bluetooth, o lo estarán
pronto. Por consiguiente, están sentadas las
bases para construir redes ad hoc más complejas.
En términos de aceptación de mercado, la comprensión de una masa crítica es ciertamente positiva. Pero tal vez aún más positivo—en lo relativo al usuario final—es que los consumidores
de dispositivos habilitados para Bluetooth obtienen muchas funciones ad hoc aun no evidentes con un coste virtual cero.
¿Qué es una red ad hoc?
Tal vez la noción más extendida de una red móvil
ad hoc es una red formada sin ninguna administración central, que consta de nodos móviles que
usan una interfaz inalámbrica para enviar paquetes de datos. Dado que los nodos de una red
de este tipo pueden servir de encaminadores y
de anfitriones, pueden enviar paquetes en nombre de otros nodos y ejecutar las aplicaciones del
usuario.
Las raíces de la formación de redes ad hoc se
pueden seguir hasta 1968, cuando se iniciaron
los trabajos en la red ALOHA (el objetivo de
Ericsson Review No. 4, 2000
esta red era conectar centros educativos en
Hawai).1 Aunque se emplearon estaciones fijas,
el protocolo ALOHA se prestaba a la gestión distribuida de acceso a canales, y de aquí que sentase las bases para el posterior desarrollo de esquemas de acceso distribuido a canales que eran
adecuados para la formación de redes ad hoc. El
protocolo ALOHA propiamente dicho era un
protocolo de salto simple (single-hop)—esto es,
no soportaba el encaminamiento de manera inherente. En lugar de ello, cada nodo tenía que
estar al alcance de todos los demás nodos participantes.
Inspirada por la red ALOHA y el anterior desarrollo de conmutación de paquetes en redes
fijas, DARPA comenzó a trabajar, en 1973, en
la PRnet (packet radio network - red de paquetes de radio)—una multi red de salto múltiple.2
En este contexto, salto múltiple significa que los
nodos cooperaban en la retransmisión del tráfico en beneficio mutuo para llegar a estaciones
distantes que de otra manera habrían estado
fuera de su alcance. PRnet proporcionó mecanismos para gestionar la operación de forma centralizada, así como en régimen distribuido.
Como beneficio adicional, se pudo observar que
las técnicas de salto múltiple incrementaban la
capacidad de la red, ya que el dominio espacial
podía ser reutilizado para sesiones de salto múltiple concurrentes pero físicamente separadas
Aunque posteriormente se desarrollaron mu-
Estaci n base
WCDMA de
interior
chas redes de paquetes de radio experimentales,
estos sistemas inalámbricos nunca despegaron
realmente en el segmento de los consumidores.
Cuando se estaba desarrollando IEEE 802.11—
un estándar para redes de área local inalámbricas (wireless local area network - WLAN)—el
Instituto de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
(Institute for Electrical and Electronic Engineering - IEEE) sustituyó el término red de paquetes de radio por el de red ad hoc. Las redes de
paquetes de radio habían llegado a ser asociadas
con las redes salto múltiple de las operaciones
militares o de rescate a gran escala y, mediante
la adopción de un nuevo nombre, el IEEE esperaba indicar un escenario de desarrollo enteramente nuevo.
Hoy día, nuestra visión de la formación de
redes ad hoc incluye escenarios tales como los que
se representan en la Figura 1, donde las personas llevan dispositivos que pueden conectarse en
red en régimen ad hoc. Los dispositivos de un
usuario pueden tanto interconectarse entre sí
como conectarse a puntos de información
local—por ejemplo, para consultar actualizaciones de salidas de vuelos, cambios de puerta,
etc. Los dispositivos ad hoc pueden también retransmitir tráfico entre dispositivos que estén
fuera de su alcance. Por lo tanto, el escenario del
aeropuerto contiene una mezcla de saltos de
radio simples y múltiples.
Para poner la formación de redes ad hoc en su
Punto de acceso
a HiperLAN/2
MT
Figura 1.
En un aeropuerto, donde la gente puede
acceder a redes de área local y ampliada, se
usan conexiones Bluetooth ad hoc para
interconectar los dispositivos transportados,
tales como PDA, teléfonos móviles WCDMA
y ordenadores portátiles. Por ejemplo, un
usuario podría recoger el correo electrónico
mediante una interfaz HiperLAN/2 a un ordenador portátil en un maletín, pero leer mensajes y contestarlos mediante su PDA.
Su PAN
Su PAN
PDA
Su PAN
Bluetooth
MT
PDA
MT
NC
NC
Ericsson Review No. 4, 2000
PDA
249
perspectiva correcta, hagamos algunas observaciones acerca de la comunicación inalámbrica,
empezando por los sistemas celulares del día presente, que se apoyan fuertemente en la infraestructura: la cobertura está dada por estaciones
base, los recursos de radio se gestionan desde una
ubicación central, y los servicios están integrados en el sistema. Esto conduce a los buenos y
predecibles servicios de los sistemas celulares del
presente. La Figura 2 representa este aspecto bidimensional en lo que se relaciona con la formación de redes ad hoc.
A medida que disminuimos la gestión centralizada, o nos alejamos de ella, nos encontramos moviéndonos en la dirección de una operación ad hoc pura, que también puede ser clasificada en términos de saltos simples o múltiples.
Sin haber cedido el control totalmente, pero
dado el modo directo de comunicación en HiperLAN/2, los terminales adyacentes se pueden
comunicar directamente entre sí. Por lo tanto,
el transporte de tráfico no es enteramente dependiente de la cobertura proporcionada por los
puntos de acceso.
La dependencia de una cobertura administrada de forma central se reduce aún más cuando
los terminales de usuario final retransmiten tráfico mediante múltiples saltos entre otros terminales y la estación base (salto celular múltiple).3 Un procedimiento similar es aplicable a
los sistemas de acceso de salto múltiple de bucle
local inalámbrico (wireless local loop - WLL) comercial o residencial, primordialmente concebidos para el acceso a Internet (Figura 2, abajo
a la izquierda y centro).
Cobert
u
Contro ra de BS
l
Servicio de BS de BS
GSM
IEEE
Celular 802.11*
UMTS
WCDMA
Nodo directo
de HIPERLAN/2
IEEE
802.11**
Sal
to
mú
ltip
le
Sal
to s
imp
le
Figura 2
Diversas redes inalámbricas asociadas funcionalmente a dos aspectos independientes de formación de redes ad hoc: el nivel de control centralizado (horizontal), y el uso de múltiples saltos
de radio (vertical).
PAN
Salto múltiple
celular
Internet residencial
(WLL)
* Modo de infraestructura
** Modo ad hoc
250
Pico red
Bluetooth
Red dispersa
MANET
PAN
PAN
PRnet
Las tecnologías de radio, de acceso, y de encaminamiento completamente descentralizadas—habilitadas por Bluetooth, el modo ad hoc
IEEE 802.11, el modo sin estación PRnet, la red
móvil ad hoc (MANET), y los conceptos tales
como la red de área personal (personal area network - PAN) o la comunicación PAN a PAN—
se adaptan más o menos enteramente al dominio ad hoc. La iniciativa MANET del Grupo de
Ingeniería de Internet (Internet Engineering
Task Force - IETF) tiene también el objetivo de
proporcionar servicios a través de infraestructura fija conectada a Internet.4 Los desarrollos recientes y las características existentes dentro de
este género son el enfoque de este artículo (Figura 2, abajo a la derecha).
Aplicaciones típicas
Las redes móviles ad hoc han sido el centro de
atención de muchas investigaciones y trabajos
de desarrollo recientes. Hasta la fecha, las redes
de paquetes de radio ad hoc han sido tomadas en
consideración principalmente para aplicaciones
militares, donde una configuración de red descentralizada es una ventaja operativa o incluso
una necesidad.
En el sector comercial, los equipos para informática inalámbrica móvil no han estado disponibles a un precio atractivo para los grandes
mercados. Sin embargo, a medida que aumenta
la capacidad de ordenadores móviles de manera
uniforme, también se espera que crezca la necesidad de formación de redes ilimitada. Las redes
comerciales ad hoc se podrían usar en situaciones allí donde no se dispone de ninguna infraestructura (fija o celular). Ejemplos de ésto son
las operaciones de rescate en zonas remotas, o
cuando la cobertura local debe ser desplegada
rápidamente en un sitio de construcción. La formación de redes ad hoc podría también servir
como acceso inalámbrico público en zonas urbanas, proporcionando un rápido despliegue y
una extensión de la cobertura. Los puntos de acceso en redes de este tipo podrían servir como
estaciones radio relé estacionarias que llevan a
cabo encaminamiento ad hoc entre ellas mismas
y entre nodos de usuario. Algunos de los puntos de acceso proporcionarían también pasarelas
a través de las cuales los usuarios se podrían conectar a una arteria principal fija.5
Al nivel local, las redes ad hoc que enlazan ordenadores portátiles o de mano (palmtop) podrían ser usadas para difundir y compartir información entre los participantes de una conferencia. También podrían ser apropiados para la
aplicación en redes domésticas, donde los dispositivos pueden comunicarse directamente
para intercambiar información, tal como
audio/vídeo, alarmas, y actualizaciones de configuración. Tal vez, las aplicaciones de mayor alcance en este contexto son las redes más o menos
autónomas de robots domésticos interconectados que limpian, lavan los platos, cortan el césEricsson Review No. 4, 2000
ped, realizan vigilancia de seguridad, y otras labores parecidas. Algunas personas han propuesto incluso redes de salto múltiple ad hoc (denominadas redes sensoras)—por ejemplo, para monitorización mediambiental, donde las redes se
podrían usar para predecir la polución del agua
o para alertar con tiempo de la aproximación de
un tsunami.6
Las redes ad hoc de corto alcance pueden simplificar la intercomunicación entre diversos dispositivos móviles (tales como un teléfono celular y un PDA) formando una PAN, y por lo tanto
eliminando la tediosa necesidad de cables. Esto
podría extender también la movilidad proporcionada por la red fija (o sea, la IP móvil) a los
nodos más alejados en un dominio de red ad hoc.
El sistema Bluetooth es tal vez la tecnología más
prometedora en el contexto de formación de
redes de área personal.
PAN—una extensión de red
Contemplado desde el punto de vista de la red
móvil tradicional, una PAN basada en Bluetooth abre un nuevo camino para extender las redes
móviles al domino del usuario. Alguien que esté
de viaje y tenga acceso a una PAN Bluetooth
podría usar el teléfono móvil GPRS/UMTS
como pasarela a Internet ó a una red IP corporativa. En términos de carga de tráfico en la red,
el tráfico agregado de la PAN típicamente excedería el del teléfono móvil. Además, si la PAN
Bluetooth pudiera ser interconectada con redes
dispersas (scatternets), esta capacidad aumentaría. La Figura 3 muestra un escenario en el que
se usan cuatro PAN Bluetooth. Las PAN se interconectan a través de ordenadores portátiles
con enlaces Bluetooth. Además, dos de las PAN
están conectadas a una red arterial IP, una a través de un punto de acceso a LAN y la otra a través de un simple teléfono GPRS/UMTS.
Una PAN puede también comprender varias
tecnologías de acceso diferentes—distribuidas
entre sus dispositivos miembros—que explotan
las funciones ad hoc de la PAN. Por ejemplo, un
ordenador portátil podría tener una interfaz de
red inalámbrica (wireless LAN - WLAN) (tal
como IEEE 802.11 o una HiperLAN/2) que proporciona acceso a la red cuando el ordenador se
usa en interiores. Por lo tanto, la PAN se beneficiaría del agregado total de todas las tecnologías de acceso que residan en los dispositivos
PAN. A medida que madure el concepto de
PAN, permitirá que se incorporen nuevos dispositivos y tecnologías de acceso también nuevas en el marco de las PAN. También debe eliminar la necesidad de crear dispositivos híbridos, tales como combinaciones de PDA - teléfono móvil, porque en lugar de ello la red PAN
permitirá la integración inalámbrica. En otras
palabras, no será necesario llegar a compromisos entre forma y función.
En todos los escenarios discutidos anteriormente, se debe poner énfasis en que la tecnoloEricsson Review No. 4, 2000
LAN
Encami-
nador
Red Internet
o
IP corporativa
Encami-
nador
GPRS
Figura 3
Escenario PAN con cuatro PAN interconectadas, dos de las cuales tienen una conexión de
Internet a través de un punto de acceso a LAN Bluetooth y un teléfono GPRS/UMTS.
gía de corta distancia, tal como Bluetooth, es un
elemento clave que permite la introducción de
la flexibilidad representada por el concepto
PAN.
Características y requerimientos
En contraste con las redes tradicionales de cable
o inalámbricas, se podría esperar que una red ad
hoc operase en un entorno de red en el que algunos de los nodos, o todos ellos, fuesen móviles. En este entorno dinámico, las funciones de
la red deben ejecutarse de manera distribuida,
ya que los nodos podría desaparecer de la red, o
aparecer en ella, repentinamente. Sin embargo,
en general, los mismos requisitos básicos de
usuario para conectividad y envío de tráfico que
son de aplicación a las redes tradicionales serán
también de aplicación a las redes ad hoc.
Más abajo discutimos algunas características
operacionales típicas y cómo afectan a los requerimientos para funciones de formación de
redes relacionadas con ellas. Para limitar el alcance de la discusión, examinaremos el caso de
una red ad hoc orientada a PAN que comprende
una mezcla de ordenadores portátiles, teléfonos
celulares y PDA.
• Operación distribuida: un nodo de una red ad
hoc no puede confiar en que una red en segundo plano soporte las funciones de seguridad y encaminamiento. En vez de ello estas
251
G1
B
A
H
G
G3
Figura 4
Esta red ad hoc tiene tres grupos de confianza separados: G1, G2 y G3. En esta
etapa, no se puede producir un intercambio
de datos seguro entre los nodos—excepto
con el nodo C, que pertenece a G1 y G2.
Figura 5
El nodo C envía las claves públicas firmadas
que recibió desde los nodos D, E y F al nodo
A del servidor. Además, el nodo A establece
una nueva relación de confianza al nodo G.
G1
B
A
H
G
G3
E
C
F
D
D, E, F
OK!
252
G2
E
C
F
D
G2
funciones deben estar diseñadas de manera
que puedan operar eficientemente bajo condiciones distribuidas.
• Topología dinámica de red: en general, los
nodos serán móviles, lo que antes o después
resultará en una topología de red con variaciones. No obstante, la conectividad de la red
se debe mantener para permitir que las aplicaciones y servicios funcionen sin interrupción. En particular, esto influirá en el diseño
de los protocolos de encaminamiento. Es más,
un usuario de la red ad hoc necesitará también
acceso a una red fija (tal como Internet) incluso en el caso de que los nodos se estén moviendo. Esto conlleva la necesidad de funciones de gestión de la movilidad que permitan
el acceso a al red para dispositivos localizados
varios saltos de radio más allá del punto de
acceso a la red.
• Capacidad de enlace fluctuante: los efectos de
altas tasas de errores de bits podría ser más
profundo en una red salto múltiple ad hoc, ya
que lo que afecta a un camino de salto múltiple es la suma de los valores de todos los errores de los enlaces. Además, más de un camino de extremo a extremo puede usar un enlace dado que, si se rompiese, podría interrumpir varias sesiones durante periodos de transmisión con altas tasas de errores de bits. Aquí,
también, la función de encaminamiento resulta afectada, pero unas funciones eficientes
para protección de la capa de enlace (tales
como corrección de error hacia delante - forward error correction - FEC), y la petición de
repetición automática - automatic repeat request - ARQ) pueden mejorar de manera sustancial la calidad del enlace.
• Dispositivos de baja potencia: en muchos
casos, los nodos de la red estarán alimentados
por baterías, lo que hará que el presupuesto
de energía sea muy ajustado para todos los
componentes que consuman energía en un
dispositivo. Esto afectará, por ejemplo, al proceso de la CPU, al uso y tamaño de la memoria, al procesamiento de la señal, y a la potencia de salida /entrada del transductor. Las
funciones relacionadas con la comunicación
(básicamente la totalidad de la pila de protocolo que hay bajo las aplicaciones) cargan directamente la aplicación y los servicios que se
ejecutan el dispositivo. Por lo tanto, los al-
goritmos y mecanismos que implementan las
funciones de formación de redes deben ser optimizados para un bajo consumo de energía,
para ahorrar capacidad para las aplicaciones
mientras siguen proporcionando buenas prestaciones en la comunicación. Además de lograr una razonable conectividad en la red, la
introducción de múltiples saltos de radio podría también mejorar las prestaciones de conjunto, dado un presupuesto de energía restringido. Hoy día, sin embargo, esto solamente se puede realizar al precio de un encaminamiento más complejo.
Dadas las operaciones de funcionamiento relacionadas más arriba, ¿qué puede esperar el usuario de una red PAN ad hoc? Con toda probabilidad, será necesario el soporte de servicios multimedia dentro de la PAN ad hoc y a lo largo de
toda ella. Como ejemplo, las siguientes cuatro
clase de calidad de servicio (quality-of-service QoS) facilitarían el uso de aplicaciones multimedia incluyendo
• conversacional (voz);
• flujo (vídeo/audio);
• interactivo (Web); y
• de segundo plano (FTP, etc.).
Estas clases de servicio han sido identificadas
para el soporte de QoS en la red UMTS y deben
ser también soportadas en el entorno PAN. Sin
embargo, la calidad estocástica inherente de las
comunicaciones en una red inalámbrica ad hoc,
como se discutió anteriormente, hace que sea difícil dar garantías fijas en los servicios ofrecidos
a un dispositivo. En redes de este tipo, las garantías fijas darían como resultado requisitos en
la manera como se mueven los nodos, así como
requisitos de densidad de nodos, lo que inherentemente inhibiría la noción de operación ad
hoc. No obstante, cuando las condiciones de la
comunicación son estables, la infraestructura de
la PAN debe proporcionar la misma QoS que ha
sido definida para la red de acceso. Para mejorar aún más la percepción del servicio por parte
del usuario, se podría hacer que las aplicaciones
de usuario que se ejecutan sobre una red ad hoc
se adaptasen a cambios repentinos en la calidad
de la transmisión.
El soporte QoS en una red ad hoc afectará a la
mayoría de las funciones de formación de redes
discutidas anteriormente, especialmente al encaminamiento y a la movilidad. Además, deben
ser instalados en los dispositivos la gestión de la
memoria tampón local y los mecanismos de prioridad para manejar flujos de tráfico diferenciados.
En la siguiente sección damos una descripción
más elaborada de tres de las funciones mencionadas brevemente más arriba, a saber, seguridad, encaminamiento, y movilidad. Creemos
que estas funciones son buenos puntos de partida para una discusión de las implicaciones que
tendrá la operación ad hoc en la funcionalidad de
la red.
Ericsson Review No. 4, 2000
Funciones típicas de la red
ad hoc
¡H OK!
G1
Seguridad
Obviamente, la seguridad es un motivo de preocupación en una red ad hoc, en particular si se
emplean saltos múltiples. ¿Cómo puede estar seguro un usuario de que nadie está curioseando
en el tráfico mediante un nodo de reenvío? ¿Es
el usuario del otro extremo realmente la persona que dice ser? Desde un punto de vista puramente criptográfico, los servicios ad hoc no implican muchos problemas “nuevos”. Los requisitos relativos a la autentificación, la confidencialidad, y la integridad o no repudio son los
mismos que para otras muchas redes de comunicaciones públicas. Sin embargo, en una red
inalámbrica ad hoc, la confianza es un problema
fundamental. Ya que no podemos confiar en el
medio, la única elección que nos queda es usar
la criptografía, lo que nos fuerza a confiar en las
claves criptográficas usadas. Por lo tanto, el reto
básico es crear relaciones de confianza entre claves sin la ayuda de una certificación de confianza de terceros.
Toda vez que las redes ad hoc se crean espontáneamente entre entidades que da la coincidencia que están en la misma ubicación, no hay
ninguna garantía de que cada nodo tenga las claves públicas de confianza a otros nodos o que
puedan presentar certificados en los que confíen otras partes. Sin embargo, si permitimos que
se delegue la confianza entre nodos, aquellos
nodos que ya hayan establecido relaciones de
confianza puedan extender sus privilegios a otros
miembros del grupo.
El método que se describe más abajo se puede
usar para distribuir relaciones de confianza a
toda una red ad hoc. El método se basa en un procedimiento de clave pública y como ejemplo se
usa una pequeña red ad hoc (Figuras 4-7). Se supone que existe conectividad entre todos los
nodos de la red, y que ésta puede ser mantenida por, digamos, un protocolo de encaminamiento reactivo ad hoc.
• Inicialmente, el nodo A se hace cargo del
papel de nodo servidor en el procedimiento
de la delegación de confianza. A dispara el
procedimiento haciendo circular un mensaje
de comienzo por toda la red. Cada nodo que
recibe este mensaje hace circular por la red ad
hoc un mensaje que contiene las claves públicas de confianza. A puede entonces establecer
un “mapa” de relaciones de confianza e identificarlas en la red ad hoc. En el ejemplo mostrado (Figura 4), tres grupos diferentes (G1,
G2, y G3) comparten una cadena de confianza.
• Todos los nodos de G2 comparten una relación de confianza indirecta con A (a través del
nodo C). De esta manera, el nodo A puede recopilar las claves firmadas que recibió de G2
Ericsson Review No. 4, 2000
B
A
H
G
G3
E
C
F
D
G2
Figura 6
El nodo G envía la clave pública firmada que
recibió desde el nodo H al nodo A.
a través de C (como se ilustra en la Figura 5).
Por contraste, los nodos de G3 no tienen una
relación de confianza con A. Sin embargo, se
puede crear una relación de confianza entre,
digamos, el nodo G en G3 y A intercambiando manualmente claves de confianza.
• Ahora el nodo A puede recopilar las claves firmadas recibidas desde G3 a través de G (Figura 6). A puede entonces hacer circular por
la red ad hoc todas las claves firmadas recopiladas. Este procedimiento crea relaciones de
confianza entre cada nodo en G1, G2 y G3, y
forma un nuevo grupo de confianza, G1’ (Figura 7).
Este ejemplo se puede generalizar en un protocolo que gestione la distribución de confianza
en una red ad hoc arbitraria.7
Encaminamiento en redes ad hoc
Para las redes móviles ad hoc, la cuestión del encaminamiento de paquetes entre cualquier par
de nodos llega a convertirse en una tarea comprometida, porque los nodos se pueden mover
de manera aleatoria dentro de la red. Un camino que se consideraba óptimo en un punto dado
del tiempo podría no funcionar en absoluto unos
pocos momentos después. Además, las propiedades estocásticas de los canales inalámbricos se
añaden a la incertidumbre de la calidad del camino. El entorno operativo como tal podría también causar problemas para escenarios bajo
techo—el cierre de una puerta podría ser causa
de que se interrumpiese un camino.
Los protocolos de encaminamiento tradicionales son proactivos, dado que mantienen rutas
a todos los nodos, incluyendo nodos a los cuales
no se están enviando paquetes. Reaccionan a
cualquier cambio en la topología incluso aunque no resulte afectado ningún tráfico por el
cambio, y requieren mensajes periódicos de control para mantener rutas a todos y cada uno de
los nodos de la red. El ritmo al que se envían
estos mensajes de control debe reflejar la dinámica de la red a fin de mantener rutas válidas.
Por lo tanto, los recursos escasos, tales como la
energía y el ancho de banda del enlace, serán usados más frecuentemente para tráfico de control
a medida que aumente la movilidad del nodo.
Un procedimiento alternativo comprende el
Figura 7
El nodo A hacer circular por la red ad hoc
todas las claves firmadas. De esta forma se
crea una nueva cadena de confianza en un
nuevo y seguro grupo de confianza, G1', que
comprende todos los nodos de la red.
G1'
¡Todos OK!
B
A
H
G
E
C
F
D
253
establecimiento de rutas reactivas, lo que dicta
que las rutas entre nodos se determinen solamente cuando se necesiten de forma explícita
para encaminar paquetes. Esto evita que los
nodos actualicen cada ruta posible de la red, y
en vez de ello los permite concentrarse o bien en
las rutas que se están usando, o bien en las rutas
que están en el proceso de ser establecidas.
En un estudio de simulación, SwitchLab8
(Ericsson Research) comparaba dos algoritmos
de encaminamiento reactivos (vector de distancia bajo demanda ad hoc (ad hoc on demand distance vector - AODV9) y encaminamiento dinámico de fuente (dynamic source routing DSR10) y un algoritmo de encaminamiento proactivo (vector de distancia por secuencia de destino (destination-sequenced distance vector DSDV11) (Cuadro B). En cada caso probado, los
algoritmos reactivos superaron en prestaciones
CUADRO B, TRES PROTOCOLOS DE ENCAMINAMIENTO MOVIL PARA REDES AD HOC
Vector de distancia por secuencia de destino
DSDV es un protocolo de encaminamiento proactivo de vector de distancia salto a salto. Cada
nodo de la red mantiene una tabla de encaminamiento que contiene el próximo salto a cualquier
destino al que se pueda llegar, así como el número de saltos que serán necesarios. Se usan difusiones periódicas de actualizaciones de encaminamiento para mantener la tabla de
encaminamiento completamente actualizada en
todo momento. Para garantizar la libertad de
bucle, DSDV usa un concepto que está basado
en números de secuencia para indicar el grado
de novedad o actualización de una ruta dada. La
ruta R, por ejemplo, será considerada más favorable que R' si R tiene un número de secuencia
más alto; en tanto que si las rutas tienen el
mismo número de secuencia, R tendrá la menor,
o más reciente cuenta de saltos.
Nota: en un algoritmo de vector de distancia (o
Bellman-Ford), los nodos de la red intercambian
información de encaminamiento con sus vecinos.
La tabla de encaminamiento de un nodo contiene
el siguiente salto para cada destino en la red, y
está asociada con una métrica de “distancia”—
por ejemplo, el número de saltos. Basándose en
la información de distancia de las tablas de encaminamiento del vecino, es posible calcular las
rutas de camino más corto (o coste mínimo) a
cada destino en un tiempo finito para una red sin
ningún cambio de topología.
Vector de distancia bajo demanda ad hoc
Al igual que DSDV, AODV es un protocolo de
encaminamiento por vector de distancia, pero es
reactivo. Esto significa que AODV solamente pide
una ruta cuando la necesita, y no requiere que
los nodos mantengan rutas a destinos que no se
estén comunicando. AODV usa números de
secuencia de manera similar a DSDV para evitar
bucles de encaminamiento y para indicar el
grado de actualización de una ruta.
Cuando un nodo necesita encontrar una ruta a
otro nodo, envía un mensaje de petición de ruta
(route request - RREQ) a todos sus vecinos. El
mensaje RREQ circula por toda la red hasta que
254
llega a su destino o a un nodo que tenga una ruta
actualizada al destino. En su recorrido por la red,
el mensaje RREQ inicia la creación de entradas
temporales en la tabla de ruta para la ruta inversa
en los nodos por los que pasa. Si se encuentra el
destino—o una ruta a él—, su disponibilidad
estará indicada por un mensaje de respuesta de
ruta (route reply - RREP) que es enviado de vuelta tan solo a la fuente por el camino inverso temporal del mensaje RREQ recibido. En su camino
de vuelta a la fuente, el mensaje RREP inicia, en
los modos intermedios, las entradas de la tabla
de encaminamiento para el destino. Las entradas
de la tabla de encaminamiento expiran después
de un cierto periodo de tiempo de espera.
Encaminamiento dinámico de fuente
El encaminamiento dinámico de fuente es un protocolo de encaminamiento reactivo que usa el
encaminamiento de fuente para enviar paquetes
de datos. Las cabeceras de los paquetes de
datos llevan las direcciones de los nodos a través
de los que debe pasar el paquete. Esto significa
que los nodos intermedios necesitan solamente
mantener la pista de sus vecinos inmediatos para
remitir los paquetes de datos. La fuente, por otra
parte, debe saber la secuencia de saltos completa al destino.
Al igual que en AODV, el procedimiento de
adquisición de la ruta en DSR pide una ruta
haciendo circular por el sistema un paquete
RREQ. Un nodo que recibe un paquete RREQ
busca en el caché de su ruta, donde se almacenan todas sus rutas conocidas, una ruta al destino pedido. Si no se encuentra ninguna ruta, remite el paquete RREQ después de haber añadido
primero su propia dirección a la secuencia de
salto almacenada en el paquete. El paquete se
propaga a través de la red hasta que llega o bien
a su destino, o bien a un nodo con una ruta al
dicho destino. Si se encuentra una ruta, se
devuelve únicamente al nodo fuente un paquete
RREP que contiene la secuencia de saltos apropiada para llegar al destino. Otra característica
del protocolo DSR es que puede aprender rutas
de las rutas fuentes de los paquetes que recibe.
a los proactivos en términos de caudal y de retardo. Además, los protocolos reactivos se comportaron de manera similar en la mayoría de los
casos simulados. La principal conclusión que se
sacó de este estudio es que un procedimiento reactivo podría ser necesario en un entorno móvil
con capacidad limitada de ancho de banda. El
procedimiento proactivo consume demasiados
recursos actualizando caminos (si se quiere que
los periodos de actualización de ruta se adapten
a la movilidad de los nodos). Si el intervalo de
actualización es demasiado largo, la red simplemente contendrá una gran cantidad de rutas estancadas en los nodos, lo que resulta en una pérdida significativa de paquetes.
Funciones de movilidad
En las redes celulares de hoy, la movilidad del
nodo y del usuario se gestionan principalmente
por medio del reenvío. Así, cuando un usuario
circula fuera de su red de origen, todas las llamadas dirigidas a él son reenviadas a través de
ésta a la red que visita. Este mismo principio de
reenvío se aplica a la IP móvil.12, 13 Un usuario,
o en realidad el nodo con la interfaz IP, puede
también seguir usando una dirección IP fuera de
la subred a la que pertenece. Un nodo itinerante que entra en una red forastera se asocia a una
dirección c/o (a la atención de) proporcionada
por un agente foráneo (foreign agent - FA). En
la red de origen, un agente de origen (home
agent - HA) establece un túnel IP al FA usando la dirección c/o. Cualquier paquete enviado
a la dirección del nodo itinerante se envía primero al agente de origen, quien lo reenvía al FA
a través de la dirección c/o (tunelado). Entonces
el FA desencapsula el paquete y lo envía al nodo
itinerante usando la dirección IP original
(home). El encaminamiento real en la red fija no
resulta afectado por el método de tunelado y
puede usar protocolos de encaminamiento tradicionales, tales como abrir primero el camino
más corto (open shortest path first - OSPF), el
protocolo de información de encaminamiento
(routing information protocol - RIP), y el protocolo de pasarela de lindero (border gateway
protocol - BGP). Este procedimiento de reenvío
es apropiado en casos en los que solamente se
están moviendo los nodos (terminales) en los
mismos bordes de redes (fijas).
Sin embargo, en una red ad hoc, este no es el
caso, ya que también se pueden mover los nodos
del centro de la red—o más bien, la totalidad de
la red está basada en la idea de dispositivos que
sirven al mismo tiempo tanto de encaminadores como de anfitriones. Por ello, en una red ad
hoc, la movilidad es gestionada directamente por
el algoritmo de encaminamiento. Si un nodo se
mueve, forzando el tráfico por otro camino, el
protocolo de encaminamiento se ocupa de los
cambios de la tabla de encaminamiento del
nodo.
En muchos casos, se puede esperar un interEricsson Review No. 4, 2000
funcionamiento entre las redes ad hoc y las fijas.
El interfuncionamiento haría posible que un
usuario que está de viaje y que toma parte en
una conferencia mediante un ordenador portátil, pero quiere movilidad, esté localizable a través de la red IP fija. Además, toda vez que el
usuario quiere estar localizable a través de la red
fija, la IP móvil sería una manera conveniente
de hacer que lo estuviese a través de la red IP
fija. Si el usuario está situado a varios saltos de
radio del punto de acceso, la IP móvil y el protocolo de encaminamiento de la red ad hoc deben
interfuncionar para proporcionar conectividad
entre el usuario viajero y el nodo correspondiente
de su unidad, que está ubicado en la red fija o
en otra red ad hoc.
Nodo visitante
Nodos correspondientes
Transporte
Agente foráneo
Agente
propio
IP móvil
IP
MIPMANET
La IP móvil para redes móviles ad hoc (Mobile
IP for mobile ad hoc networks - MIPMANET)14
está diseñada para dar a los nodos de las redes ad
hoc
• acceso a Internet; y
• los servicios de la IP móvil.
La solución usa agentes foráneos de IP móviles
como puntos de acceso a Internet para mantener el seguimiento de la red ad hoc en la que está
ubicado cualquier nodo dado, y para dirigir paquetes al borde de esta red ad hoc.
El protocolo de encaminamiento ad hoc se usa
para enviar paquetes entre el agente foráneo y el
nodo visitante. Un procedimiento de capas que
emplea tunelado se aplica al caudal de datos saliente, para separar las funciones de la IP móvil
del protocolo de encaminamiento ad hoc—la Figura 8 ilustra cómo están distribuidas las capas
de la IP móvil y de las funciones de encaminamiento ad hoc. Esto hace posible que MIPMANET proporcione acceso a Internet permitiendo a los nodos seleccionar múltiples puntos de
acceso y realizar una conmutación inconsútil
entre ellas. En pocas palabras, MIPMANET funciona como sigue:
• Los nodos de una red ad hoc que quieren acceso a Internet usan sus direcciones IP de origen para todas las comunicaciones, y se registran con un agente foráneo.
• Para enviar un paquete a un anfitrión en Internet, el nodo de la red ad hoc envía el paquete por el túnel al agente foráneo.
• Para recibir paquetes desde anfitriones en Internet, los paquetes se encaminan al agente
foráneo mediante mecanismos ordinarios de
IP móvil. El agente foráneo envía entonces los
paquetes al nodo en la red ad hoc.
• Los nodos que no requieren acceso a Internet
interactúan con la red ad hoc como si fuese una
red autónoma—o sea, no requieren datos relativos a las rutas para destinos fuera de la red
ad hoc.
• Si un nodo no puede determinar a partir de la
dirección IP si el destino está o no está ubicado dentro de la red ad hoc, buscará primero
Ericsson Review No. 4, 2000
Red ad hoc
Red IP
Figura 8
Una perspectiva general de la arquitectura MIPMANET.
el nodo visitante dentro de la red ad hoc antes
de enviar el paquete por el túnel.
Usando el tunelado, MIPMANET puede incorporar el concepto de ruta por omisión en los protocolos de encaminamiento ad hoc bajo demanda, tales como AODV y DSR, sin requerir ninguna modificación importante. Los paquetes dirigidos a destinos que no se encuentran dentro
de la red ad hoc son enviados por el túnel a los
agentes foráneos. En MIPMANET, solamente
se da acceso de Internet a los nodos visitantes registrados, por lo tanto el único tráfico que entrará en la red ad hoc desde Internet es el tráfico
que se envía por el túnel al agente foráneo desde
el agente de origen de un nodo registrado. De
la misma forma, el tráfico que sale de la red ad
hoc se envía por el túnel al agente foráneo desde
un nodo registrado. Esto resulta en una separación, y de aquí en la capacidad de controlar, entre
el tráfico que es local en la red ad hoc y el tráfico que entra en dicha red ad hoc.
Implicaciones de la capa de
radio
¿Porqué múltiples saltos?
Al tratar con un medio de radiodifusión inalámbrico poco fiable, se deben adoptar especiales consideraciones de “radio” en el sistema de
comunicación de una red ad hoc, para garantizar
una operación fiable y eficiente. Una manera de
hacer esto es emplear múltiples saltos, lo que facilita la reutilización de recursos tanto en el dominio espacial como en el temporal, siempre y
cuando los nodos que participan en la red estén
255
Salto simple
Salto múltiple
Ejemplo de alcance
de transmisión
controlado por energía
Figura 9
Comparación de formación de redes de saltos múltiples con formación de redes de un
solo salto. Ambos ejemplos tienen una distribución idéntica de nodos de red.
Fuente
Destino
Relé
Otro nodo
razonablemente bien distribuidos en el espacio.15 En contraste con esto, las redes de salto
simple comparten fundamentalmente los recursos de canal en el dominio del tiempo. La Figura 9 muestra una representación esquemática de
la interferencia espacial en escenarios de salto
múltiple y de salto simple. Cada caso considera
una situación idéntica con respecto a la distribución de nodos, fuentes, y destinos. En el escenario de salto múltiple, los paquetes son encaminados por relés intermedios. Sin embargo,
la red de salto simple envía los datos directamente desde la fuente al destino. Los círculos de
la figura indican un alcance controlado en potencia de los nodos que transmiten. La figura representa también los nodos inactivos—estos
nodos no están involucrados como fuentes, como
destinos, ni como relés intermedios. De esta figura sacamos la sensación de que el escenario
multi salto proporciona mayor eficiencia espectral (bit/s/Hz/m2).
Comparación de saltos múltiples y saltos
simples
Si el salto múltiple es necesario, adecuado o incluso posible depende de factores tales como el
número y la distribución de terminales en la red,
la densidad relativa del tráfico, las características del canal de radio, las limitaciones prácticas
de la comunicación, y las razones para la optimización de determinados parámetros. Bajo algunas circunstancias, una red de salto múltiple
podría, en la realidad, degenerar para convertirse en una de salto simple. Una razón obvia para
256
emplear los saltos múltiples es proporcionar conectividad, ya que algunos terminales podrían
estar fuera del alcance de los demás, y por lo
tanto no podrían formar una red de salto simple.
Características del salto múltiple—reenvío
En un escenario de salto múltiple, tiene sentido
no desperdiciar más energía de la que cada salto
requiere. En esencia, la clave de la conservación
de la energía es controlar la potencia de transmisión, a fin de compensar las pérdidas del camino que se producen cuando se envía un mensaje entre nodos adyacentes.
En un escenario de red con poco tráfico de
datos, el consumo total de energía puede ser reducido en un factor aproximado de Nα-1, donde
N es el número de saltos equidistantes entre la
fuente y el destino, y α es la constante de propagación. En teoría, α es igual a 2 para la propagación libre en el espacio. Pero para entornos
realistas, a menudo se le asigna un valor de 3 ó
4. Para derivar la relación Nα-1, primero describimos la pérdida por propagación (L) en términos de su relación con la distancia (R):
L=Const ⋅ R α
Para una correcta recepción a un nivel dado de
ruido en el receptor, se requiere una mínima potencia de recepción PRX_min. De acuerdo con
esto, la potencia de transmisión para un salto
sobre una distancia R es (puesto de manera algo
simplista):
PTX_1=PRX_min ⋅ Const ⋅ R α
Ericsson Review No. 4, 2000
Si la distancia (R) se divide en N saltos, cada
salto individual requiere
PTX_N=PRX_min ⋅ Const ⋅ (R/N) α
Esto es un factor Nα menor que un salto simple. Por lo tanto, la reducción total de la potencia de transmisión de extremo a extremo es
N α α−1
=N
N
En este análisis, hemos excluido muchos factores perjudiciales, tales como distancias de salto
desiguales, retransmisiones, y las características
de los canales con desvanecimiento de la señal.
Además, hemos supuesto un modelo muy simple de pérdida por propagación. No obstante,
los resultados apuntan a un potencial ahorro de
energía. Por ejemplo, comparado con el caso del
salto simple, dados α = 3,5 y N = 16, la energía teórica total de extremo a extremo por paquete se reduce 1.000 veces, ó 30 dB. Las malas
noticias son que en una red ad hoc móvil
• por lo general, tiene que ser mantenida la conectividad entre vecinos; y
• la información de encaminamiento tiene que
ser distribuida.
Por lo tanto, en situaciones de gran movilidad,
el tráfico de control requerido en una red de salto
múltiple podría consumir una notable cantidad
de energía, incluso en ausencia de tráfico de
datos.
Un beneficio directo de controlar la energía
en las transmisiones de corto alcance es que ello
puede reducir el nivel total de interferencia en
una red de salto múltiple homogénea con múltiples nodos en comunicación y tráfico fijo. En
una primera aproximación—sin considerar la
ubicación de la interferencia específica—el nivel
medio de interferencia se reduce en la misma
cantidad que la energía de transmisión; esto es,
en Nα-1. Además, menos interferencia implica
mayor capacidad del enlace. Dada una aplicación un poco cruda de la relación de Shannon de
la capacidad de canal con ancho de banda limitado, y suponiendo que la interferencia esté bien
modelada con ruido gausiano complejo, la capacidad individual del enlace aumenta para valores altos de N: log(N). Esto se muestra más
abajo, donde B es el ancho de banda y SIR1 es la
relación señal - interferencia para un enlace en
un sistema de salto simple de referencia que ha
sido sustituido por un sistema de salto múltiple:
Clink=B.lg2(1+SIR1.Nα–1) ≈ Const1.lg2(N)+Const2
El retardo de extremo a extremo depende del
nivel al que se mida la latencia y del principio
de reenvío aplicado. Un mensaje de tamaño razonable que se vaya a reenviar bajo la modalidad de almacenar y enviar (store and forward)
experimentará un retardo que es proporcional al
número de saltos. No obstante, este retardo está
compensado en parte por un incremento en la
tasa de datos del enlace.
Ericsson Review No. 4, 2000
La segmentación de mensajes grandes en múltiples paquetes afecta también al retardo de extremo a extremo. Mediante la segmentación del
mensaje, varios paquetes pueden ser transferidos concurrentemente en saltos consecutivos.
Bajo esas suposiciones, el retardo impuesto por
múltiples saltos es pequeño en comparación con
el retardo resultante de la velocidad del enlace
y del tamaño del mensaje. De hecho, el retardo
de extremo a extremo podría en realidad beneficiarse de múltiples saltos. Debido a que el tráfico puede ser encaminado concurrentemente
por múltiples enlaces en una “cadena multi
salto,” el reto es aliviar la interferencia asociada.
Obviamente, cuando la potencia de transmisión es limitada, podría no ser posible llegar a
la estación deseada sin múltiples saltos. Por otra
parte, debido a que el tamaño máximo de los
mensajes es fijo, demasiados saltos aumentarán
el retardo. Esto implica que un número dado de
saltos, N, puede proporcionar un retardo mínimo bajo restricciones de potencia de transmisión y un tamaño de mensaje dado.
En resumen, el salto múltiple es beneficioso,
ya que
• conserva los recursos de energía de transmisión;
• reduce la interferencia; y
• aumenta el caudal total de la red.
El salto múltiple podría ser también una necesidad, para proporcionar algún tipo de conectividad entre terminales muy distantes.
Formación de redes
Bluetooth
En todo el mundo, la industria ha mostrado un
tremendo interés en técnicas que proporcionen
conectividad inalámbrica de corto alcance. En
este contexto, la tecnología Bluetooth se ve
como el componente clave.16-18 Sin embargo, la
tecnología Bluetooth debe ser capaz de operar
en redes ad hoc que puedan ser autónomas, o parte
del mundo “de la red IP”, o una combinación de
las dos cosas.
El principal propósito de Bluetooth es sustituir los cables entre los dispositivos electrónicos, tales como los teléfonos, los PDA, los ordenadores portátiles, las cámaras digitales, las impresoras, y las máquinas de fax, usando un chip
de radio de bajo coste. La conectividad de corto
alcance también encaja muy bien en el contexto del área amplia, en que puede extender la formación de redes IP al dominio de la red de área
personal, como se discutió con anterioridad.
Bluetooth debe ser capaz de transportar IP eficientemente en una PAN, ya que las PAN estarán conectadas a Internet a través de UMTS o
LAN corporativas, y contendrán anfitriones con
capacidad para IP. Hablando en términos generales, una buena capacidad para transportar IP
daría a las redes Bluetooth una interfaz más amplia y más abierta, lo que con toda certeza im257
Pico red 1
Pico red 3
Pico red 2
Unidad Bluetooth (maestra)
Figura 10
Ejemplos de pico redes Bluetooth.
Unidad Bluetooth (esclava)
pulsaría el desarrollo de nuevas aplicaciones para
Bluetooth.
Principios básicos de Bluetooth
Bluetooth es una tecnología de comunicación
inalámbrica que usa un esquema de saltos de frecuencia una banda Industrial - Científica - Médica (Industrial-Scientífic-Medical - ISM) a 2,4
GHz que no necesita licencia. Dos o más unidades Bluetooth que comparten el mismo canal
forman una pico red (Figura 10). Dentro de una
pico red, una unidad Bluetooth puede representar uno de dos papeles: maestro o esclavo.
Cada pico red solamente puede contener un maestro (y siempre debe haber uno) y hasta siete
esclavos activos. Cualquier unidad Bluetooth
puede llegar a ser maestra en una pico red.
Figura 11
Una red dispersa Bluetooth.
Pico red 9
Pico red 11
Pico red 12
Pico red 1
Pico red 10
Pico red 8
Pico red
Pico red 4
Pico red 7
Pico red 3
Pico red 5
Unidad Bluetooth (maestra)
Unidad Bluetooth (esclava)
258
Unidad Bluetooth - maestra en
una pico red, esclava en otra
Unidad Bluetooth - maestra en
una pico red, esclava en dos
Unidad Bluetooth - esclava
en dos pico redes
Unidad Bluetooth - esclava
en tres pico redes
Pico red 6
Además, dos o más pico redes pueden ser interconectadas, formando lo que se denomina una
red dispersa (scatternet) (Figura 11). El punto
de conexión entre dos pico redes consta de una
unidad Bluetooth que es miembro de ambas pico
redes. Una unidad Bluetooth puede ser simultáneamente un miembro esclavo de múltiples
pico redes, pero solamente maestra en una. Además, debido a que una unidad Bluetooth solamente puede transmitir y recibir datos en una
pico red a la vez, su participación en múltiples
pico redes ha de ser en régimen de multiplexación por división de tiempo.
El sistema Bluetooth proporciona transmisión dúplex basada en duplicación por división
de tiempo (time-division duplex - TDD) con intervalos, donde la duración de cada intervalo es
de 0,625 ms. No hay transmisión directa entre
esclavos en una pico red Bluetooth, solamente
de maestro a esclavo y viceversa.
La comunicación en una pico red está organizada de manera que el maestro interroga a cada
esclavo de acuerdo con un esquema. Un esclavo
solo tiene permiso para transmitir después de
haber sido interrogado por el maestro. El esclavo comenzará su transmisión en el intervalo de
tiempo esclavo-a-maestro inmediatamente después de haber recibido un paquete del maestro.
El maestro puede o puedo no incluir datos en el
paquete usado para interrogar a un esclavo. Sin
embargo, es posible enviar paquetes que cubran
múltiples intervalos. Estos paquetes multi intervalo pueden tener una longitud de o bien tres
o bien cuatro intervalos.
PAN basadas en redes dispersas
Lo más probable será que las redes Bluetooth se
usen para interconectar dispositivos tales como
teléfonos celulares, PDA, y ordenadores portátiles—en otras palabras, a través de una PAN.
La PAN propiamente dicha puede ser una red
IP basada en Bluetooth—con toda probabilidad
estará basada en una topología de una pico red
simple. Sin embargo, cuando un usuario de una
PAN quiera conectarse a una o más PAN, la capacidad de la red dispersa Bluetooth servirá de
cimientos para la red IP. De manera similar, si
una o más PAN se conectan a un punto de acceso a Internet en una LAN (LAN access point,
LAP) una red dispersa proporcionará la infraestructura subyacente en Bluetooth (Figura 12).
Podemos esperar ver una combinación de interconexión PAN y acceso a Internet. Además,
el acceso de Internet a una PAN o a varias PAN
interconectadas puede ser proporcionado mediante el uso de un teléfono celular (por ejemplo, a través de GPRS/UMTS) como pasarela
puente/encaminador (Figura 13).19
Las redes dispersas pueden ser reorganizadas
para que den unas mejores prestaciones totales.
Por ejemplo, si dos nodos esclavos necesitan comunicarse, podría ser más inteligente crear una
nueva pico red que solamente contenga estos dos
Ericsson Review No. 4, 2000
Red arterial IP
LAN
PAN 1
Punto de acceso
a LAN Bluetooth
S
S
M
M
PAN 2
S
Figura 12
Una red dispersa con tres pico redes interconectadas, en la que dos son PAN y una se
usa para proporcionar acceso de red a las
dos PAN a través de un punto de acceso a
LAN Bluetooth. En este escenario, las letras
M y S indican la distribución de unidades
maestras y esclavas.
S
M
nodos. Los nodos pueden seguir formando parte
de sus pico redes originales si hay tráfico que
entre o salga de ellas, o si necesitan recibir información de control, toda vez que el sistema de
extensión de espectro de salto de frecuencia (frequency-hopping spread-spectrum - FHSS) hace
a Bluetooth muy robusto contra la interferencia, las nuevas pico redes ganan substancialmente más capacidad que la que pierden como
resultado de un aumento de la interferencia entre
ellas.
S
Idealmente, estas funciones deben ser mantenidas en segundo plano para evitar que molesten
al usuario de la red Bluetooth y para facilitar el
desarrollo de aplicaciones. Las funciones de formación de redes de Bluetooth caen en tres áreas
principales:
• formación y mantenimiento de redes dispersas;
• envío de paquetes por toda la red dispersa; y
• programación de intra e inter pico red.
Formación de redes dispersas
Funcionalidad de la red dispersa
El concepto de las redes dispersas ofrece una manera flexible de crear redes Bluetooth e introduce varias funciones específicas de Bluetooth.
Para tener una infraestructura eficiente para la
formación de redes IP en Bluetooth, las pico
redes y las redes dispersas deben ser capaces de
adaptarse a la conectividad, la distribución del
Figura 13
Una red dispersa con tres pico redes interconectadas. A través de un teléfono celular
GPRS/UMTS, una pico red proporciona acceso a red IP a las otras dos pico redes.
Red arterial IP
GPRS
PAN 1
S
S
M
S
M
PAN 2
S
M
Ericsson Review No. 4, 2000
S
259
tráfico, y la movilidad de nodos de la red. Esto
se logra fundamentalmente formando nuevas
pico redes o terminando otras, a fin de llegar a
una topología de red dispersa óptima. En este
contexto, óptima se refiere a una red dispersa
que, por ejemplo, dé un mínimo retardo o un
máximo caudal. Pero también podría significar
minimizar el consumo de energía en los nodos
de la red. Para garantizar la operación ad hoc, la
función para la formación y el mantenimiento
de redes dispersas debe estar distribuida.
Envío de paquetes en la red dispersa
El reenvío—o el encaminamiento—se hace necesario cuando los paquetes deben efectuar múltiples saltos entre los nodos fuente y destino.
Dado que IP será un lugar común en los contextos de las redes dispersas, se podría concluir
que el encaminamiento en la red dispersa debería ser gestionado dentro de la capa IP (Figura
14). Sin embargo, hay buenos argumentos para
tomar otro rumbo.
• Los actuales protocolos de configuración dinámica del anfitrión IP20 (dynamic host configuration protocols - DHCP) y los métodos
emergentes de configuración cero21, 22 (IETF
Zero Configuration Networking Working
Group, zeroconfig) se apoyan en la conectividad de la capa de enlace. Estos protocolos se
usan típicamente para obtener una dirección
IP dinámica para un anfitrión IP o para seleccionar una dirección IP aleatoria. Por lo general, los protocolos no funcionarán más allá
de un encaminador IP, lo que significa que no
llegarán a nodos situados a más de un salto
Bluetooth en una red dispersa encaminada por
IP. Una red dispersa que proporcionase conectividad similar al segmento de radiodifu-
sión permitiría que estos protocolos funcionasen para anfitriones IP basados en Bluetooth que estuviesen separados por múltiples
saltos.
• Para que funcione eficientemente, la función
de encaminamiento se debe unir con la función para formar redes dispersas. Por lo tanto,
una función de encaminamiento en la capa IP
tendría que ser adaptada a, o interactuar muy
estrechamente con, la capa Bluetooth subyacente, lo que viola la idea de mantener la capa
IP independiente de la tecnología de la capa
de enlace.
• El encaminamiento IP se lleva a cabo típicamente entre redes con diferentes tecnologías
de capa de enlace o para separar diferentes dominios de red. Las redes dispersas usan solamente una tecnología—Bluetooth—y típicamente pertenecen solamente a un dominio de
red.
En resumen, la mejor manera de proporcionar
formación de redes en una red dispersa Bluetooth es llevar a cabo el encaminamiento en una
capa d red que resida debajo de IP (Figura 15).
Esta capa
• podrá interactuar estrechamente con las funciones de banda base de Bluetooth durante el
establecimiento o desmontaje de una pico red
específica de Bluetooth; y
• proporcionará una interfaz similar al segmento de radiodifusión a IP.
Programación de intra e inter pico redes
La unidad maestra de una pico red controla el
tráfico dentro de la pico red por medio de interrogaciones. Un algoritmo de interrogación determina cómo se debe distribuir la capacidad del
ancho de banda entre las unidades esclavas. El
Figura 14
Una red dispersa Bluetooth donde las funciones de formación de redes se gestionan
dentro de la capa IP (o sea, mediante encaminamiento IP).
Anfitriones y
encaminadores de IP
Esclavo 3
Esclavo 1
Enlace Bluetooth y
capa de banda base
Esclavo 4
Maestro
Esclavo 5
Maestro
Esclavo 2
260
Ericsson Review No. 4, 2000
algoritmo de interrogación evalúa las necesidades de capacidad de las unidades en la red dispersa y garantiza que dicha capacidad se comparta de una manera equitativa, o de acuerdo con
una norma de compartición de capacidad ponderada.
En una red dispersa, al menos una unidad
Bluetooth es miembro de más de una pico red.
Estos nodos de inter pico red podrían tener un
papel de esclavos en numerosas pico redes, pero
solamente pueden tener el papel de maestros en
una de ellas. El principal reto es programar la
presencia del nodo inter pico red en sus diferentes pico redes, a fin de facilitar el flujo de tráfico tanto dentro de las pico redes como entre
ellas. Dado que el nodo inter pico red es una sola
unidad transceptora, solamente una de sus entidades (maestra o esclava) puede estar activa en
un momento dado.
Para gestionar el tráfico en la red dispersa eficientemente, el programador de la intra pico red
debe tomar en consideración al programador de
la inter pico red cuando interroga a los esclavos
de una pico red. Por ejemplo, el programador
de la intra pico red en una unidad maestra podría no programar un nodo inter pico red cuando el último está activo en otra pico red. Sin embargo, el programador de la inter pico red podría programar este nodo con más frecuencia,
después de que esté de nuevo activo en la pico
red.
El SIG de Bluetooth
El Grupo de Interés Especial (Special Interest
Group - SIG) de Bluetooth, que comprende a
los líderes de las telecomunicaciones, la informática y las industrias de redes, conduce el desarrollo de la tecnología Bluetooth y su presen-
cia en el mercado. El SIG de Bluetooth incluye
empresas promotoras (3Com, Ericsson, IBM,
Intel, Lucent, Microsoft, Motorola, Nokia y
Toshiba) y más de 2000 otras empresas que han
adoptado Bluetooth.
El trabajo de especificar el próximo paso en el
desarrollo de la tecnología Bluetooth ha sido delegado a un conjunto de grupos de trabajo. Entre
ellos, el Grupo de Trabajo de Redes de Área Personal (Personal Area Networking Working
Group - PAN WG) es responsable del desarrollo de funciones y protocolos que permitirán que
las aplicaciones basadas en IP sean implementadas en los dispositivos Bluetooth. El actual soporte proporcionado para IP en la especificación
Bluetooth tiene que ser mejorado para facilitar
futuras aplicaciones de IP—a fin de facilitar
unas mejores prestaciones y funcionalidad.
Otras tecnologías ad hoc
IEEE 802.11
La especificación IEEE 802.1123 es un estándar
de LAN inalámbrica que especifica una interfaz
inalámbrica entre un cliente y una estación base
punto de acceso, así como entre clientes inalámbricos.
IEEE 802.11 define dos características físicas
para redes de área local inalámbricas basadas en
radio: extensión de espectro de secuencia directa (direct-sequence spread spectrum - DSSS), y
extensión de espectro de salto de frecuencia (frequency-hopping spread spectrum - FHSS), los
cuales operan en la banda ISM de 2,4 GHz .
Se han definido dos modos de arquitectura de
red en el estándar IEEE 802.11, a saber, el modo
de función de coordinación de punto (point coordination function - PCF) y el modo de función
Figura 15
Una red dispersa Bluetooth donde la formación de redes se gestiona dentro de una
capa de formación de redes de Bluetooth,
que proporciona un segmento de difusión a
los anfitriones IP.
Anfitriones IP
Capa de formación
de red Bluetooth
Esclavo 3
Esclavo 1
Enlace Bluetooth y
capa de banda base
Esclavo 4
Maestro
Esclavo 5
Maestro
Esclavo 2
Ericsson Review No. 4, 2000
261
de coordinación distribuida (distributed coordination function - DCF). El primero usa un procedimiento centralizado en el que un punto de
acceso a la red controla todo el tráfico de la red,
incluyendo el tráfico local entre clientes inalámbricos en la red. El modo soporta la comunicación directa entre clientes inalámbricos.
La capa de control de acceso a medios (media
access control - MAC) usa el algoritmo de acceso múltiple de detección de portadora con evitación de colisiones (carrier-sense multiple-access-with-collision-avoidance - CSMA/CA). Un
terminal funcionando en modo DCF que quiera enviar datos: escucha para asegurarse de que
el canal está libre y después espera durante un
periodo determinado al azar (backoff). Si ninguna otra estación intenta obtener acceso después de ese periodo de espera, el terminal puede
obtener dicho acceso de acuerdo con uno de dos
modos:
• Intercambio en cuatro vías—el nodo emisor
envía un paquete de solicitud de envío (request-to-send - RTS) al terminal receptor. Si
el receptor acepta la solicitud, contesta con un
paquete listo para envío (clear-to-send - CTS).
Si no se ha producido ninguna colisión, el
emisor empieza a transmitir sus datos.
• Inmediatamente el emisor empieza a transmitir sus datos. Este modo se usa cuando el
paquete de datos es corto.
En los dos modos, el receptor responde con un
paquete de confirmación (acknowledgement ACK) si el paquete fue recibido con éxito. El
mecanismo CSMA/CA está también activo para
el modo PCF. Sin embargo, debido a que el
punto de acceso tiene mayor prioridad que los
terminales, tiene el control total del canal.
El estándar IEEE 802.11 no especifica un método para formación de redes ad hoc de salto múltiple. Sin embargo, en varias redes experimentales, se ha usado encaminamiento IP basado en
MANET. No obstante, los experimentos no emplearon configuración automatizada del anfitrión—esto es, se supusieron direcciones IP estáticas.
HiperLAN/2
Como norma, una red HiperLAN/2 (H2) tiene
un modo centralizado (centralized mode - CM)
en el que los terminales móviles se comunican
con los puntos de acceso (access points - AP) por
una interfaz aérea como se define en el estándar
HiperLAN/2. El usuario de un terminal móvil
puede moverse libremente en la red HiperLAN/2, lo que garantiza que el terminal, y con
ello el usuario, obtiene las mejores prestaciones
de transmisión posibles.
El desarrollo de un entorno de transmisión de
alta velocidad con QoS controlada ha sido el
principal enfoque en lo relativo a las elecciones
de diseño para la red H2. La velocidad de la red
H2 dará hasta 54 Mbit/s en la capa 3 y operará
en la banda de frecuencia de 5 GHz.
262
La naturaleza orientada a la conexión de H2
hace fácil implementar soporte para QoS. Cada
conexión puede ser asignada a una QoS específica, por ejemplo en términos de ancho de banda,
retardo y tasa de errores de bits. También es posible usar un procedimiento más simple, en el
que se puede asignar a cada conexión un nivel
de prioridad con relación a otras conexiones. Este
tipo de soporte de QoS combinado con la alta
velocidad de transmisión facilitará la transmisión simultánea de muchos tipos diferentes de
datos, tales como vídeo y voz.
H2 proporciona también un modo directo (direct mode - DM) de comunicación entre terminales móviles, lo que significa que tiene algunas de las propiedades que entran en la categoría de la red ad hoc. Sin embargo, el AP necesita controlar la comunicación entre terminales
móviles incluso aunque el enlace de radio entre
los nodos sea directo. Por lo tanto, cualesquiera
dos terminales móviles de H2 dados no se pueden comunicar en régimen ad hoc sin tener un
punto de acceso al alcance. Esto difiere de la
forma de gestionar la comunicación ad hoc de
IEEE 802.11. No obstante, el modo de operación ad hoc de H2 está todavía en su fase inicial
de desarrollo y el diseño definitivo podría desviarse de esta descripción.24
Conclusión
En este artículo hemos intentado hacer un estudio de la formación de redes ad hoc principalmente desde el punto de vista técnico. También
hemos hecho un intento de clarificar lo que realmente es una red ad hoc y hemos visto que las
definiciones varían. Sin embargo, partiendo de
arquitecturas familiares de redes inalámbricas,
hemos permitido que el nivel de operación independiente de la red defina la noción de la formación de redes ad hoc. Típicamente, estas redes
operan con funciones distribuidas y permiten
que el tráfico pase por múltiples saltos de radio
entre la fuente y el destino.
Además, hemos discutido algunas de las propiedades típicas de las redes ad hoc, tales como
los algoritmos de encaminamiento y las implicaciones de las capas de radio. La inherente impredecibilidad en una red cuyos nodos se mueven plantea un reto a las funciones de encaminamiento y movilidad, si se trata de que envíen
datos de manera consistente entre los nodos de
la red. No obstante, los sistemas de radio de salto
múltiple también hacen posible ahorrar capacidad de batería en tanto que retienen, o incluso
mejoran, las prestaciones. En cualquier caso, la
propiedad más atractiva de un modelo de formación de redes ad hoc es tal vez su independencia del control centralizado y, por lo tanto,
el aumento de libertad y de flexibilidad que da
al usuario.
Las redes ad hoc han sido mayormente usadas
en el sector militar, donde poder establecer una
Ericsson Review No. 4, 2000
comunicación ad hoc es a menudo una necesidad.
Por otra parte, en el sector comercial, los ejemplos exitosos de redes de radio ad hoc son pocos
hasta ahora, si es que los hay. Sin embargo, en
vez de poner la vista en redes a gran escala nos
volvimos a las redes de área personal a pequeña
escala que están surgiendo en respuesta a la introducción de tecnologías de radio de corto alcance, tales como Bluetooth. Aquí, la facilidad
de uso y la flexibilidad están estimulando la demanda de la operación ad hoc. Además, una arquitectura de red centralizada tendría serios problemas para intentar controlar todos los dispositivos PAN. En particular, las redes ad hoc Bluetooth—redes dispersas—harán surgir todo un
nuevo conjunto de aplicaciones empresariales y
de consumo para pequeños dispositivos de usuario a baterías, tales como teléfonos móviles,
PDA, y ordenadores portátiles. La combinación
del acceso a la conectividad IP de área amplia a
través de UMTS (teléfono móvil), y la conectividad de área personal en la PAN presenta nuevas oportunidades para el usuario que va de un
lado a otro. La formación de redes IP de extremo a extremo es un componente clave a este res-
pecto, proporcionando las bases sobre las que desarrollar aplicaciones para productos PAN. Por
lo tanto, el actual desarrollo de soporte de IP en
las redes Bluetooth es crucial.
Debido a su inherente flexibilidad, la formación de redes ad hoc es fácil de desplegar y se adaptaría estupendamente a, digamos, un entorno de
oficina, donde los usuarios podrían configurar
grupos de redes ad hoc usando menos puntos de
acceso a LAN y potencialmente menos energía
de transmisión. Sin embargo, los productos que
aplican los conceptos de formación de redes ad
hoc verá su luz con toda probabilidad en el alcance corto de área personal. Estos productos se
centrarán principalmente en facilitar la comunicación entre los dispositivos personales de un
usuario—bien para tráfico local o bien como pasarela a Internet. Las funciones de la red ad hoc
permitirán también la interconexión de diferentes dispositivos de usuario—por ejemplo, para
facilitar grupos de trabajo ad hoc más grandes. La
capacidad intrínseca de crear redes ad hoc genéricas a pequeña escala, en dispositivos portátiles
representa un área enteramente nueva para futuras aplicaciones basadas en ad hoc.
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