Redes Inalámbricas Ad Hoc

Abstract


El principal objetivo de la computación ubicua es el establecimiento de entornos donde los dispositivos con Capacidades de procesamiento y comunicaciones (teléfonos móviles, PDA, dispositivos sensores, electro domésticos, libros electrónicos, etc.) puedan cooperar y comunicarse de forma inteligente y conscientes del entorno que les rodea de forma transparente al usuario. Los sistemas de comunicaciones juegan un papel fundamental en el área de la computación ubicua. En concreto, las redes inalámbricas ad hoc también conocidas como MANETs (Mobile adhoc Networks) se presentan como una tecnología de comunicación ideal en este tipo de entornos y aplicaciones.

En este trabajo, se presenta una aplicación experimental como ejemplo de utilización de las tecnólogas Inalámbricas Bluetooth e IEEE 802.11 en el área de la computación ubicua.


INTRODUCCION


El termino computación ubicua hace referencia a poder aprovechar la información ofrecida por dispositivos de computación distribuidos en el entorno, de una forma transparente al usuario.

Los continuos avances tecnológicos han incentivado el desarrollo de dispositivos con capacidades de comunicación inalámbrica cada vez más pequeños, más potentes y con un consumo de batería más eficiente que hacen que cada día sea más realista el concepto de computación ubicua. Fuertemente ligado al concepto de computación ubicua, encontramos las aplicaciones dependientes del entorno también conocidas comoAplicaciones context-aware. Dichas aplicaciones se caracterizan por ser capaces de adaptar sus funciones de forma transparente en función del contexto, del tipo de usuario y del dispositivo utilizado. En el área de la computación ubicua las comunicaciones juegan un papel fundamental. En concreto, las características de las redes inalámbricas ad hoc pueden ofrecen una gran flexibilidad al sistema de comunicaciones.

Las redes ad hoc también conocidas como MANETs, son redes inalámbricas que no requieren ningún tipo de infraestructura fija ni administración centralizada, donde las estaciones, además de ofrecer funcionalidades de estación final deben proporcionar también servicios de encaminamiento, retransmitiendo paquetes entre aquellas estaciones que no tienen conexión inalámbrica directa.

Las redes ad hoc pueden desplegarse de forma completamente autónoma o combinarse con las redes locales inalámbricas para conectarse a Internet utilizando puntos de acceso inalámbricos. Dichas redes deben poder adaptarse dinámicamente ante los cambios continuos de las características de la red, tales como la posición de las estaciones, la potencia de la señal, el tráfico de la red y la distribución de la carga. De entre estas características, el principal reto de las redes ad hoc estriba en los continuos e Impredecibles cambios de la topología de la red.

Se hacen necesarios nuevos algoritmos, protocolos y middleware, que superen las limitaciones anteriormente presentadas y permitan establecer redes independientes y descentralizadas. Dichos protocolos deberían ser completamente adaptativos, anticipando el comportamiento futuro de la red a partir de parámetros tales como el nivel de congestión, la tasa de errores, los cambios de rutas utilizadas, etc.

Además, los recursos de la red deben poder ser localizados y utilizados de forma automática sin necesidad de una configuración manual previamente establecida. Aspectos relacionados con la seguridad y la privacidad de la información deberían ser considerados de cara a proporcionar un acceso que permita asegurar la privacidad de los dispositivos y usuarios. Finalmente, se deben incorporar técnicas orientadas a ofrecer calidad de servicio (Quality of Service, QoS) que permitan, por ejemplo, ofrecer garantías deservicio sobre determinado tráfico de red.

Numerosos grupos, centros de investigación y empresas de comunicaciones están trabajando de forma activa en proyectos relacionadas con el campo de la computación ubicua y las aplicaciones contextaware[3]. Investigaciones relacionadas con entornos inteligentes y espacios domoticos son cada vez más comunes en universidades y centros de investigación corporativos.


Las aplicaciones context-aware requieren necesariamente algún tipo de tecnología de comunicación inalámbrica que proporcione conexión inalámbrica entre los diferentes dispositivos de la red. Dicha tecnología inalámbrica, junto con dispositivos sensores tales como sensores de movimiento y etiquetas electrónicas son la base que deben permitir el establecimiento de nuevos entornos inteligentes donde las aplicaciones de computación ubicua sean capaces de interactuar con el entorno de forma transparente sinNecesidad de configuraciones preestablecidas ni intervención del usuario.


Se dispone de varias tecnologías de comunicación inalámbrica, desde tecnologías inalámbricas de área amplia de tercera generación (3G), las redes inalámbricas de ´área local (Wireless LANs) o las redes de área personal (Personal Área Networks, PANs) Basamos nuestra propuesta en la tecnología Bluetooth. Bluetooth es una tecnología de red inalámbrica flexible y versátil de corto alcance y bajo consumo [9]. Bluetooth ha sido especialmente diseñada para tener un tamaño y coste reducido, con el propósito de poder incorporarse en prácticamente cualquier objeto cotidiano.


Este trabajo describe una aplicación context-aware experimental llamada UbiqMuseum, la cual proporciona información dependiente del entorno a los visitantes de un museo. La aplicación ofrece en cada momento información personalizada referente a la obra de arte que el visitante está observando. Dicha información se adapta de forma automática en función del idioma seleccionado, el nivel de conocimientos, y el tipo de dispositivo que utilice el usuario. Como dispositivos, la aplicación permite teléfonos móviles, Ordenadores portátiles y PDAs. La aplicación también puede ser utilizada por los administradores del museo de cara a reducir costes derivados de las consultas de los usuarios, así como para otros propósitos tales como identificar las piezas del museo más visitadas, obtener patrones de comportamiento de los usuarios etc.


El resto del trabajo se estructura como sigue. La Sección II resume el estado del arte de las redes adhoc. La Sección III introduce brevemente la tecnología Bluetooth. La Sección IV describe la aplicación desarrollada presentando la arquitectura de la misma. La Sección V presenta detalles relacionados con la implementación realizada.



REDES INAL AMBRICAS AD HOC


La investigación en el campo de las comunicaciones inalámbricas se remonta a los años 70 y su interés se ha visto progresivamente incrementado desde entonces, aumentando notablemente en la ´ultima década debido al éxito de Internet. Los ´últimos avances se han centrado en las redes sin infraestructura, comúnmente conocidas como redes ad hoc. El termino ad hoc, aunque podrá ser interpretado con connotaciones negativas tales como “improvisado” o “desorganizado”, en el contexto de las redes inalámbricas Hace referencia a redes flexibles, en las cuales todas las estaciones ofrecen servicios de encaminamiento para permitir la comunicación de estaciones que no tienen conexión inalámbrica directa.


En relación a las redes cableadas, las redes ad hoc presentan cambios de topología frecuentes e impredecibles debido a la movilidad de sus estaciones. Estas características impiden la utilización de protocolos de encaminamiento desarrollados para redes cableadas y crean nuevos retos de investigación que permitan ofrecer soluciones de encaminamiento eficientes que superen problemas tales como topología dinámica, recursos de ancho de banda y batería limitada y seguridad reducida.


Los protocolos de encaminamiento desarrollados para redes cableadas no se adaptan al entorno altamente dinámico de las redes ad hoc. Dichos protocolos hacen uso de mensajes de actualización de rutas periodicos Que ofrecen una elevada sobrecarga incluso en redes con tráfico reducido. Esta metodóloga de diseño hace que en entornos dinámicos con cambios de topología frecuente dichas aproximaciones ofrezcan una sobrecarga excesiva. Recientemente, dado el interés suscitado por las redes ad hoc se ha establecido dentro del Internet Engineering Task Force (IETF), un nuevo grupo de trabajo denominado Mobile Adhoc Networking group (MANET) [10], cuyo principal objetivo es estimular la investigación en el área de las redes ad hoc.


Hace un par de a˜nos se estaban evaluando entre la comunidad investigadora cerca de 60 propuestas de encaminamiento diferentes. Sin embargo, hoy dıa solamente cuatro de estas propuestas han resistido la fuerte competencia. Estas propuestas son las siguientes: el protocolo “Ad hoc On Demand Distance Vector” (AODV) [11], el protocolo “Dynamic Source Routing for Protocol Mobile Ad hoc Networks”(DSR) , el protocolo “Optimized Link State Routing Protocol” (OLSR) , y el protocolo “TopologyBroadcast based on Reverse-Path Forwarding” (TBRPF) . De estos cuatro, los protocolos AODV yOLSR han alcanzado el nivel de RFC (Request for Comment).


AODV y DSR utilizan encaminamiento reactivo también conocido como encaminamiento bajo demanda, en el cual las rutas a utilizar para un determinado destino solamente se calculan cuando ´estas son necesarias.


Estos protocolos, intentan reducir así la sobrecarga generada por los mensajes de actualización de rutas periódicos. El principal inconveniente de los protocolos reactivos es el retardo inicial que introducen y que puede representar una seria limitación en aplicaciones interactivas que requieren asegurar determinada calidad de servicio (ej. audio y video interactivo). Por su parte, OLSR y TBRPF utilizan encaminamiento proactivo en los cuales todas las rutas a todos los posibles destinos se calculan a prioridad, y además, estas se mantienen actualizadas en todo momento utilizando para ello mensajes de actualización periódicos. Estos protocolos introducen cierto nivel de sobrecarga, sin embargo, presenta la ventaja de poder seleccionar rutas validas de forma prácticamente inmediata.


Los protocolos anteriormente citados ofrecen soluciones de encaminamiento en el nivel de enlace. Sin embargo, para optimizar su funcionamiento en entornos de computación ubicua todavía resta una gran cantidad de trabajo por hacer. Las características que se deben abordar de forma inmediata, son aquellas relacionadas con la posibilidad de ofrecer configuraciones automáticas. Los autores creen que ´estas sonde especial interés para que el usuario pueda beneficiarse del amplio abanico de posibilidades que ofrece la computación ubicua.


LA TECNOLOGIA BLUETOOTH EN LAS REDES AD HOC


Recientemente, la tecnología Bluetooth se ha mostrado como una plataforma de soporte prometedora en las redes ad hoc. Las redes ad hoc que utilizan Bluetooth como tecnología base ofrecen ventajas considerables en el campo de la computación ubicua debido a la habilidad de Bluetooth para localizar de forma transparente tanto dispositivos cercanos como los servicios que estos ofrecen.


Bluetooth es un estándar inalámbrico de corto alcance y bajo precio, especialmente dirigido para conectar dispositivo tal como PDAs, ordenadores portátiles y teléfonos móviles sin necesidad de cableado adicional. Opera en la banda de frecuencias ISM y es la tecnología utilizada por el grupo de trabajo IEEE 802.15.1 dedicado a las redes inalámbricas de área personal (WPAN).

Las especificaciones de Bluetooth y su arquitectura se definen en Bluetooth utiliza un esquema de funcionamiento orientado a conexión y basado en una configuración maestro-esclavo en el cual, un único maestro coordina el acceso al medio de hasta 7 dispositivos esclavos mediante turnos de pregunta periódicos. Esta configuración básica se conoce en el estándar como una piconet. Bluetooth define dos tipos de enlaces diferentes denominados SCO (Synchronous Connection-Oriented) y ACL (Asynchronous Connection-Less), los cuales dan soporte a aplicaciones con necesidades de tiempo real tales como envío de video y audio y aplicaciones de datos respectivamente.


Bluetooth se adapta a los requerimientos de las aplicaciones context-aware no solamente debido a su habilidad para agrupar las estaciones de la red en piconets, sino ademas por su habilidad para descubrir servicios de forma transparente. Así, las estaciones cercanas entre sí pueden localizar estaciones vecinas4utilizando un procedimiento conocido como inquiry. Una vez que una estación descubre a una estación vecina, puede utilizar un procedimiento conocido como page como paso previo a establecer la conexión.


Una vez establecida la conexión, se puede utilizar el protocolo denominado Service Discovery Protocol (SDP) para intercambiar información relativa a los servicios que cada una de las estaciones ofrece.


En un trabajo previo, se diseño y se implemento un prototipo del protocolo OLSR que permitía la integración de dispositivos que utilizaban diferentes tecnologías de acceso y sistema operativo en una única red. Utilizando una interfaz de programación especialmente diseñada y denominada PICA , se estudio la problemática de implementar un mismo protocolo en un entorno de red heterogéneo y con diferentes plataformas de trabajo. Se adaptó el protocolo OLSR para permitir tanto dispositivos con tecnología de red IEEE 802.11 como dispositivos Bluetooth, proponiendo un diseño que se adaptaba a un entorno heterogéneo y al mismo tiempo prestaba especial atención a preservar el escaso ancho de banda de la red Bluetooth. Para conseguir este doble objetivo se utilizo una aproximación que consideraba cada una de las piconets como una estación para OLSR representada por su estación maestro. Además, estas piconets no requieren paquetes del protocolo OLSR para los flujos de datos de los canales Bluetooth.


La propuesta integra los dispositivos Bluetooth en la red ad hoc mediante una topología en estrella, donde el elemento central actúa como puente entre ambas tecnologías utilizando tarjetas IEEE 802.11 y Bluettooth. Finalmente, los dispositivos Bluetooth se conectan con la topolog´ıa en estrella utilizando el concepto de piconet pero permaneciendo al margen de los paquetes OLSR.
En este trabajo, la aplicación Ubiq Museum extiende el concepto de estación Bluetooth anteriormente presentado, permitiendo que las diferentes piconets se conecten estableciendo lo que el estándar denomina como una scatternet. Se presenta un protocolo de creación de scatternet, que extiende la flexibilidad de la topología de la red.