Redes mesh o redes malladas

RESUMEN

Uno de los temas que siempre se discuten es por ejemplo
sobre los derechos de los ciudadanos, derechos inalienables,
derechos que todo Ser debe poseer desde su nacimiento, derechos
que en realidad son necesidades, actualmente el uso de internet y
de telefonía se ha vuelto una necesidad y por tal un
derecho que quizás no se vea como tal aunque se ha vuelto
parte fundamental de nuestra vida. Por esta razón es que
pequeñas y medianas organizaciones buscan llevar estos
servicios mediante de redes sencillas a colegios, comunas y
empresas. Redes como las de tipo malla o redes mesh son las
más optimas cuando hablamos de lugares pequeños y
medianos por esta razón es que se esta se está
haciendo el presente estudio para identificar los factores
importantes que intervienen en su implementación y luego
en su mantenimiento y su respectiva
capacitación.

FINALIDAD:

El presente trabajo monográfico tiene por
finalidad plasmar un estudio básico de lo que son las
redes de computadoras malladas o redes mesh, este trabajo
monográfico presentara las bases y metodologías
para desarrollar e implementar una red mesh.

INTRODUCCIÓN

El presente trabajo monográfico se basa en una de
las topologías de redes llamadas mesh o enmalladas o tipo
malla, estas redes tiene muchos beneficios cuando se habla de
conectividad en ciudades donde existe una alta densidad de
población; esta topología de red se caracteriza por
manejar conexiones de tipo todos contra todos, capaces de
actualizar y optimizar dinámicamente estas
conexiones.

Un escenario típico MESH en una zona urbana
debería estar conectada mayormente antenas en techos, pero
podría incluir muchas otras ubicaciones, como torres de
antenas, árboles, nodos móviles (vehículos,
laptops y celulares). En un futuro muy cercano estas redes
formarían parte de nuestras ciudades pudiendo solucionar
los problemas que las redes WiFi convencionales
presentan.

En el capítulo I "Red inalámbrica Mallada
o Red Mesh" es importante porque se detalla los conceptos
básicos sobre el tipo de red inalámbrica mallada,
sus beneficios de utilizar esta topología, además
de cómo está estructurada, de su estabilidad como
red.

Además podremos detallar las aplicaciones que se
basan en este tipo de red, por ejemplo la empresa Motorola ofrece
una aplicación a sus clientes que se denomina "soluciones
mesh". Esta también la aplicación "Serval Mesh" y
"Lugro mesh".

Los protocolos también están descritos en
este capítulo, protocolos como AODV AODV (Ad-hoc On Demand
Distance Vector) Protocolo de enrutamiento a demanda,
B.A.T.M.A.N, BMX, BATMAN-ADV, PWRP, DSR, OLSR, TORA. HSLS y por
ultimo Babel.

Se explica además el funcionamiento de este tipo
de red mallada y del hardware necesario para la
implementación de nodos dobles. Y está por
demás no detallar las ventajas y desventajas que esta red
presenta.

En el capítulo II "Aplicaciones de Redes mesh en
el mundo" se ejemplifica del uso de estas redes alrededor del
mundo, por ejemplo en el caso de España se utilizan en
pequeños municipios de 3000 habitantes y en grandes
ciudades como Madrid o Barcelona.

También se muestra el desarrollo de
este tipo de red en el país de Alemania,
Illinois-Estados Unidos, Dharamsala-India y en
Sudáfrica.

PROBLEMÁTICA

Uno de los azotes de la sociedad es la inseguridad
ciudadana, asunto que hasta el día de hoy no se ha podido
dar solución total y quizás por la falta cultura en
tecnologías de la Información por ejemplo el
implementar una red que interconecte a toda la región,
tanto municipios, gobiernos regionales y comisarias brindado
así un fácil monitoreo y puesta en marcha de las
actividades preventivas y ejecutoras por parte de la
Policía Nacional. La implementación de estas redes
podría ayudar a las autoridades para que tomen cartas
sobre el asunto y así beneficiar a la
población.

El uso de este tipo de redes mesh o redes malladas
facilitan en el control de vigilancia actividades delictivas por
parte de la Policía Nacional. Además sobre estas
redes se podría implementar un sistema de ayuda al usuario
en donde el usuario podría dar su ubicación actual
para que la Policía lo ayude así el usuario
desconozca su paradero exacto.

La implementación de esta red es muy interesante
ya que ciudadanos y autoridades podrán trabajar sobre una
red conjuntamente para el bienestar en común.

I. Red
Inalámbrica Mallada o Red Mesh

1.1 Conceptos
básicos

Las redes inalámbricas malladas, redes acopladas,
o redes de malla inalámbricas de infraestructura, para
definirlas de una forma sencilla, son aquellas redes en las que
se mezclan las dos topologías de las redes
inalámbricas, la topología Ad-hoc y la
topología infraestructura. Básicamente son redes
con topología de infraestructura pero que permiten unirse
a la red a dispositivos que a pesar de estar fuera del rango de
cobertura de los puntos de acceso están dentro del rango
de cobertura de alguna tarjeta de red (TR) que directamente o
indirectamente está dentro del rango de cobertura de un
punto de acceso (PA).

Permiten que las tarjetas de red se comuniquen entre
sí, independientemente del punto de acceso. Esto quiere
decir que los dispositivos que actúan como tarjeta de red
pueden no mandar directamente sus paquetes al punto de acceso
sino que pueden pasárselos a otras tarjetas de red para
que lleguen a su destino.

Para que esto sea posible es necesario el contar con un
protocolo de enrutamiento que permita transmitir la
información hasta su destino con el mínimo
número de saltos (Hops en inglés) o con un
número que aun no siendo el mínimo sea
suficientemente bueno. Es resistente a fallos, pues la
caída de un solo nodo no implica la caída de toda
la red.

La tecnología mallada siempre depende de otras
tecnologías complementarias, para el establecimiento de
backhaul debido a que los saltos entre nodos, provoca retardos
que se van añadiendo uno tras otro, de forma que los
servicios sensibles al retardo, como la telefonía IP, no
sean viables.

La utilización de Wimax 5,4 GHz puede ser una
solución de backhaul, aceptable para fortalecer el alcance
de la red mallada, pero en muchos casos supone la renuncia a la
banda 5,4 Ghz, para dar accesos a usuarios.

Utilizando tecnologías licenciadas
(por ejemplo 802.16, en la banda de 3,5Ghz), para la
creación del backhaul, es posible ofrecer accesos a los
usuarios en 2,4 Ghz y en 5,4Ghz. Esto posibilita que los usuarios
dispongan del 80% más de canales libres,
aumentando el número de usuarios concurrentes en un
60-80%.

A modo de ejemplo podemos ver la estructura
de una red inalámbrica mallada formada por ocho nodos. Se
puede ver que cada nodo establece una comunicación con
todos los demás nodos.

1.2 Arquitectura

La arquitectura de una red inalámbrica es el
primer paso para llegar a proporcionar redes con un gran ancho de
banda, de forma eficaz y dinámica sobre los costos en un
área de cobertura específica. Las infraestructuras
de una arquitectura de malla inalámbrica es en efecto un
router de la red menos el cableado entre los nodos. Está
construido por pares de dispositivos de radio que no tienen que
estar cableados a un puerto como los puntos de acceso WLAN
tradicionales (AP) lo hacen. La arquitectura de malla sostiene la
intensidad de la señal mediante las largas rupturas a
distancias, en una serie de saltos más cortos. Los nodos
intermedios no sólo aumentan la señal,
también hacen cooperativamente decisiones de envío
en base a su conocimiento de la red, es decir, realizan un
enrutamiento. Tal arquitectura con un diseño cuidadoso
puede proporcionar un gran ancho de banda, eficiencia espectral y
una ventaja económica sobre el área de
cobertura.

Las redes de mallas inalámbricas tienen una
topología relativamente estable a excepción a la
falta ocasional de los ganglios o la adición de nuevos
nodos. La ruta de acceso de tráfico, que se agregan a
partir de un gran número de usuarios finales, no cambia
con frecuencia. Prácticamente todo el tráfico en
una infraestructura de red de malla es transmitida hacia o desde
una puerta de enlace, mientras que en las redes ad hoc o redes de
malla cliente el tráfico fluye a través de unos
pares de nodos arbitrarios.

1.3 Aplicaciones

Las redes Mesh facilitan la comunicación
inalámbrica, brindando así soluciones a las
necesidades que afrontan las comunicaciones ofreciendo una amplia
flexibilidad en los enlaces ya que los mismos pueden punto a
punto, punto a multipunto, multipunto a multipunto.

1.4 Aplicaciones actuales

• MOTOROLA: La compañía Motorola
utiliza las redes inalámbricas en todas sus aplicaciones
de datos, voz y vídeo. Ofrece también a sus
clientes "soluciones mesh" que brindan acceso a una red de banda
ancha destinada a los servicios de seguridad en las empresas
públicas y privadas.

• SERVAL MESH: La malla Serval o (Serval Mesh) es
una aplicación para teléfonos androides la cual
consiste en convertir a cada móvil en un servidor que
permita la comunicación entre los teléfonos
inteligentes, incluso cuando no cuenten con una red de celulares.
Funciona mediante el WI-FI o por la formación de redes
espontaneas formada por los móviles, permitiendo realizar
llamadas privadas, enviar mensajes de texto y archivos de manera
segura y privada desde lugares donde las redes de celulares
fallan o no están disponibles.

• LUGRO MESH: Red comunitaria y libre que brinda
acceso a Internet de forma gratis a los habitantes de Rosario
(Argentina).

1.5 Protocolos

Hay más de 60 esquemas competentes para el
encaminamiento de paquetes a través de redes malladas.
Algunos de éstos incluyen:

AODV (Ad-hoc On Demand Distance Vector)
Protocolo de enrutamiento a demanda.

B.A.T.M.A.N. (Better Approach To Mobile
Adhoc Networking) BMX (BatMan eXperimental)

BATMAN-ADV (Batman Advance (capa2)) PWRP
(Predictive Wireless Routing Protocol) DSR (Dynamic Source
Routing)

OLSR (Optimized Link State Routing
protocol) protocolo de enrutamiento por optimización del
estado del enlace), OLSREXT, QOLSR.

TORA (Temporally-Ordered Routing
Algorithm)

HSLS (Hazy-Sighted Link State) protocolo de
enrutamiento basado en desechar los enlaces de baja
calidad.

Babel (a loop-free distance-vector routing
protocol)

El IEEE está desarrollando un
conjunto de estándares bajo el título
802.11s para definir una arquitectura y un protocolo para
la red mallada ESS.

1.6 Funcionamiento

Las redes inalámbricas malladas se caracterizan
porque no necesitan de un (mini-router) o nodo central, de manera
que si en alguna ocasión uno de los nodos sufre un
desperfecto, no se cae toda la red, dado que el resto de los
nodos de la red no pasan por el nodo dañado.
Permitiéndole a quien le utiliza un nivel elevado de
confianza. Cada uno de los nodos que conforman esta red son
compatibles con el estándar IEEE 802.11 y configurada en
modo ad-hoc, esto quiere decir que puede operar como una
estación cliente o como un enrutador.

1.7 Hardware para MESH

Prácticamente cualquier nodo inalámbrico
puede convertirse en un nodo mesh simplemente mediante
modificaciones de software.

Cualquier computador con Linux y un dispositivo
inalámbrico puede utilizarse para este fin, y
próximamente inclusive los PDA (Personal Digital
Assistant) podrán formar una Mesh y hasta los celulares de
nueva generación.

Cualquier laptop o PC de escritorio con una tarjeta
inalámbrica puede servir como un nodo MESH.

Las posibles configuraciones son muchas, sin embargo
podemos mencionar algunos sistemas operativos tales como, Pebble
Linux, MeshLinux, Locustworld, FreifunkFirmware,
CUWin.

Muchas de estas soluciones están disponibles en
un "Live CD", es decir un CD que contiene el sistema operativo y
el protocolo de enrutamiento, de tal modo que el usuario
sólo tiene que arrancar la máquina desde el CD y
tener un nodo MESH listo para su configuración.

Para el armado físico de nodos dobles
continuación se muestra los materiales
necesarios:

1.8 Ventajas

Es una red confiable dado que si uno de sus nodos sufre
daños, la posibilidad de que intervenga con las acciones
de los demás nodos es casi nula.

Fácil instalación, cuando un nodo
encuentra a otro, está listo para brindar
servicio.

Todos los servidores se comunican entre
sí. Se puede enviar información entre nodos
Facilidad de crecimiento y de mantenimiento. Mitigación de
la interferencia.

Entornos urbanos y rurales.

1.9 Desventajas

La latencia (retardo de propagación de los
paquetes), obviamente tiene que crecer con el número de
saltos. Los efectos del retardo son dependientes de la
aplicación; los correos electrónicos por ej. no
sufren ni con grandes latencias, mientras que servicios de voz es
muy sensible.

La latencia se empieza a sentir desde los 170 ms en
adelante, pero a veces un retraso de 5 s en una
conversación mediante walkie talkie es mejor que no tener
conexión.

Rendimiento: El tema de la disminución del
rendimiento (througput) existe en todas las redes multisalto. El
rendimiento disminuye con el número de saltos de acuerdo a
1/n o 1/n2 o 1/n1/2, dependiendo del modelo ("n" es el
número de saltos) que se utilice. Fig.02

Escalabilidad: Todavía son limitadas las
aplicaciones de mesh en términos de número de
nodos, pero algunas de las conocidas son las
siguientes:

o Rooftop de MIT: 4050

o Berlín OLSR: cerca de
4000

o CUWin: cerca de 500

o Dharamsala: > 50

Seguridad: Las redes ad hoc por definición
necesitan hablar con los clientes antes de autenticarlos, esto
constituye un reto en la seguridad de Internet. Las redes Mesh
son por diseño muy vulnerables a ataques de
negación de servicio (Denial of service –
DOS).

Distribución de las direcciones IP: La
distribución de las direcciones IP en una red Mesh no es
trivial. Mientras que la asignación automática
vía DHCP en rangos de IP privado no es
problemática, las redes Mesh podrían en principio
interactuar con redes vecinas en cualquier momento y el peligro
de direcciones duplicadas y conflictos de red es obvio.
IPv6 podría traer una solución a esto,
pero todavía faltan algunos años para su despliegue
a gran escala.

II. APLICACIONES
DE REDES MESH EN EL MUNDO

2.1 Redes malladas en
España

Son muchas las ciudades españolas que ya disponen
de redes malladas. Desde pequeños municipios de 3.000
habitantes a grandes ciudades como Madrid o Barcelona, las
pequeñas redes malladas se están extendiendo
progresivamente en otras ciudades. Sin embargo sólo en
Avilés, en 2007, y en Zaragoza, en 2008, se han
desarrollado grandes redes malladas municipales con soporte para
ToIP, VoIP y movilidad gracias al impulso de ambos
ayuntamientos.

Generalmente se les dan unos usos internos, bien para
servicios de tráfico y movilidad, comunicaciones,
informática o seguridad ciudadana. Otra forma de realizar
despliegues es a base de servicios al ciudadano, con las llamadas
Wireless Cities: acceso a la web municipal, a Internet, o a
servicios en local (juegos en red, p2p, etc) suele ser la otra
forma de empezar los despliegues.

La CMT establece unos claros criterios sobre cómo
prestar servicios al ciudadano y que no entren en competencia
desleal con el sector privado, por lo que las denuncias a Atarfe,
Barcelona o Ponteareas son cosa del pasado. En 2007
multitud de ayuntamientos iniciaron sus trámites y ofertan
sus servicios de una manera eficaz cumpliendo con la
legislación vigente.

2.2 Redes Mesh en Alemania: Freifunk
OLSR Mesh, Berlín

Esta red experimental de comunidad urbana actualmente
está conformada por unos 200 nodos basados en OLSR
FirmwareFreifunk. A este software se le han dado muchos usos en
proyectoscomunitarios y de desarrollo.Fig.03

2.3 CUWiN–Champaign-Urbana
Community Wireless Network

Red inalámbrica comunitaria de
Champaign-Urbana, Illinois Estados Unidos

CUWiN es una iniciativa de desarrollo e
investigación con una implementación de
código abierto del protocolo de enrutamiento HSLS,
apostando a una red AdHoc inalámbrica escalable y
altamente robusta. Fig.04

2.4 Red comunitaria de MESH
inalámbrica en Dharamsala India

La red comunitaria de Dharamsala, se fundó luego
de la aprobación del uso del WiFi en exteriores en la
India (28 de Enero de 2005).Para finales de Febrero la MESH ya
tenía conectados 8 campus. Pruebas extensivas durante
Febrero mostraron que los terrenos montañosos abruptos se
ajustan más a las MESH que las redes convencionales punto
– multipunto. Fig.05 y Fig.06

2.5 Red MESH en el Instituto Meraka en
Mpumalanga Sudáfrica: CSIR

La primera antena del Instituto Meraka está hecha
con una lata de metal y un trozo de rayo de bicicleta soldado a
un conector especial que se puede conectar con una antena similar
en otro punto a 5 kilómetros. Fig.07

CONCLUSIONES

Esta unidad presenta las bases de una red
Mesh, enfocándose en redes comunitarias e implementaciones
de software libre. Los aspectos fundamentales son:

Las redes Mesh manejan conexiones de "todos contra
todos" (Many-to- many) y son capaces de actualizarse
dinámicamente optimizando estas conexiones.

Principales ventajas y limitaciones de las redes
Mesh.

Comprender los elementos de enrutamiento
Mesh y el hardware que puede ser utilizado para construir redes
Mesh.

LINKOGRAFIA

Redes Mesh (topología malla).
http://eslared.net/walcs/walc2011/material/track1/redes_mesh_presentac
ion_es.pdf

Redes Mesh en Alemania: Freifunk OLSR Mesh,
Berlín. http://www.freifunk.net

CUWiN–Champaign-Urbana Community
Wireless Network. http://cuwireless.net/whatiscuwin

Red MESH en el Instituto Meraka en
Mpumalanga Sudáfrica: CSIR.
http://wirelessafrica.meraka.org.za

ANEXOS

Fig. 01

Fig. 02

Fig.03

Fig.04

Fig.05

Fig.06

Fig.07

Armado Físico de Nodos
Dobles

Lista de materiales:

Caja Estanca IP-65:

Placa Router

Antena Externa:

Tornillos y Accesorios

Cantidad de tornillos y accesorios por
placa:

• 4-tornillos 4 mm

• 12-arandelas de metal de 1,2cm
diámetro

• 12-tuercas 4 mm

• 4-arandelas glober de 0.6cm
diámetro

• 8-arandelas de goma de 1.2cm
diámetro

1-tubo hembra 2 x 1/2" F

1-abrazadera alambre 32 a 28 mm UN Roseta
RJ45

Accesorios:

• 2 Leds de 3mm color verde o rojo (a
elección)

• 2 Resistencias de 1K 1/4w

Construcción

Como agujerear el gabinete:

Armado del conector de la extensión
de antena superior:

Armado de la extensión de antena
superior:

Armado del conector de la antena
inferior:

Cómo agujerear chapa interna para
colocar las placas de los routers:

Pasos para la colocación de los
routers en la chapa interna:

Puesta del RJ45 en el gabinete:

Se coloca el conector y los leds y se pega
por dentro por los bordes usando un pegamento.

Pasos para el armado final del
nodo:

Dedicatoria:

A mis familiares que me apoyaron y confiaron en
mí, a mis maestros universitarios que me motivaron y me
supieron guiar en este proyecto y amigos que sin su apoyo no
hubiese alcanzado todo esto.

Agradecimientos:

Agradezco ante todo a Dios por haberme dado salud,
inteligencia y ganas de seguir adelante para ser alguien en la
vida

Agradezco a mis hermanos que me apoyaron e indicaron
como desempeñarme en temas de
investigación.

Finalmente agradezco a mis docentes que sin sus
consejos no hubiese llegado tan lejos en esta
investigación

Autor:

Montes Torres kenmy Isrrael

Coautora:

Ing. Lizana Puelles Yolanda

"Año de la Promoción de la Industria
Responsable y Compromiso Climático"

UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA

FACULTAD DE INGENIERIA INDUSTRIAL ESCUELA PROFESIONAL DE
INGENIERIA INFORMÁTICA

PIURA – PERÚ

2014