Evaluación de desempeño de servicio de voz en redes MANET

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(1)Universidad Central Marta Abreu de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA. “Evaluación de desempeño de servicio de voz en. redes MANET”. Autor: Patricia Sing Borrajo Tutor: MsC. Carlos Rodríguez López. Santa Clara. 2012 "Año 54 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA “Evaluación de desempeño de servicio de voz en redes MANET”.. Autor: Patricia Sing Borrajo [email protected]. Tutor: Msc. Carlos A. Rodríguez López Profesor Auxiliar, Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica, Facultad de Ingeniería Eléctrica, UCLV. [email protected]. Santa Clara 2012 "Año 54 de la Revolución".

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor. Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Autor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) PENSAMIENTO. Ningún hombre, no importa a que se dedique, puede alcanzar un triunfo verdadero, si no hace sacrificios para lograrlo. Nada que valga la pena puede obtenerse de balde. Lo que logramos sin esfuerzo nunca nos satisface. Para conquistar los triunfos que nos dejan realmente satisfechos, es necesario llegar a ellos por medio de TRABAJO, ESFUERZO, ESTUDIO Y SACRIFICIO. Daniel Cuggehel.. La gloria del mundo es transitoria, y no es ella la que nos da la dimensión de nuestra vida, sino la elección que hacemos de seguir nuestra leyenda personal, tener fe en nuestras utopías y luchar por nuestros sueños. Paulo Coelho.

(5) DEDICATORIA. A mis padres, por apoyarme en cada paso que he dado, A mi abuela; que ve realizado su sueño A Giancarlos, por su amor y apoyo incondicional..

(6) AGRADECIMIENTOS. A mi mamá, por brindarme tanto cariño y ayuda invaluable durante toda mi vida, por haber contribuido de manera encomiable en mi madurez psíquica e intelectual. A mi papá, por ser mi ejemplo y guía. Por su disposición incondicional en todo momento. A mis abuelos, en especial a mi abuela, por siempre pensar en mí y estar ahí cada vez que la necesité. Por haber contribuido a la formación de la persona que soy. A Giancarlos por estar siempre conmigo en cualquier situación, soportar mis momentos de estrés, y siempre brindarme su amor, su apoyo, su comprensión, sus consejos. A mis tíos por ayudarme en todo lo que necesité, en especial a Faustico por ser como un padre para mí. A mi tutor Carlos, por su ayuda y disposición incondicional, su sacrificio, sus consejos y su oportuno consuelo. A todos los profesores que han influido en mi formación profesional, proporcionándome el logro de ser ingeniera. A las hermanas sanguíneas que nunca tuve y la amistad me las ofreció: a Rosmary, por enseñarme muchas cosas, por sus consejos imparciales, por demostrarme que la amistad tiene sus altos y bajos pero siempre permanece, por su confianza, y a Yanet, por ser muy leal, por enseñarme a perdonar, nunca olvidarme y siempre estar ahí para escucharme, ayudarme y apoyarme. A las muchachitas que sé que siempre serán mis amigas, a Naivi, que es una de las mejores personas que conozco, por compartir tantos momentos de ayuda, tantas horas de estudio, por ser mi consuelo en las horas finales de la tesis; a Daily, por tanto cariño, relajación, desinterés y hacerme reír muchas veces; a Meyli, por ser tan buena persona, tan sincera y nunca enfadarse; a Ana, que llegó a nuestro grupo y supo convertirse en parte fundamental, por tantos momentos de alegría, de sueño, por su apoyo, por su cariño, por escucharme. A Miriam y Amed sin los que hubiera sido imposible la terminación de este proyecto..

(7) TAREA TÉCNICA. Para cumplir con los objetivos propuestos en el presente proyecto se llevaron a cabo las tareas siguientes: 1. Efectuar una revisión de la bibliografía técnica especializada relacionada con el estándar 802.11 y las redes MANET. 2. Profundizar en el conocimiento de las herramientas de simulación, atendiendo a las características y potencialidades que poseen. 3. Elegir el simulador de red adecuado para la evaluación de calidad en aplicaciones de VoIP sobre redes MANET. 4. Investigar características y protocolos de enrutamiento fundamentales de las redes MANET, enfatizando en los parámetros que ejercen efecto en el desempeño de las aplicaciones de VoIP sobre dichas redes. 5. Definir cuáles son los parámetros a emplear en el modelo de simulación. 6. Diseñar escenarios de simulación. 7. Ejecutar los experimentos. 8. Evaluar y discutir los resultados. 9. Elaboración del informe final del trabajo de diploma.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) RESUMEN Las redes MANET constituyen una opción atractiva para soluciones de VoIP en escenarios que se caracterizan por la movilidad de los nodos y donde no exista una infraestructura previamente creada. Sin embargo, el soporte de servicios de voz enfrenta desafíos más rigurosos en redes MANET que los que aparecen en otras redes. La dinámica con que cambia la topología causa que algunos parámetros importantes para medir la calidad como la demora, la pérdida de paquetes y la variación de la demora se vean muy afectados. En este trabajo se mide mediante simulación el impacto que tiene un conjunto de métricas en el desempeño de aplicaciones de VoIP en redes MANET; dichas simulaciones han permitido comparar el comportamiento de tres importantes protocolos de enrutamiento. Las métricas estudiadas son: el número de saltos, la carga de tráfico, la densidad de los nodos y el número de interrupciones de ruta, las cuales han sido cuidadosamente seleccionadas..

(9) Índice de Contenido. PENSAMIENTO .................................................................................................................. I DEDICATORIA ................................................................................................................... II AGRADECIMIENTOS ....................................................................................................... III TAREA TÉCNICA .............................................................................................................IV RESUMEN .........................................................................................................................V INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 1 CAPÍTULO 1 ...................................................................................................................... 4 1.1. Estándar IEEE 802.11 .......................................................................................... 4. 1.1.1. Capa Física ................................................................................................... 6. 1.1.2. Capa MAC .................................................................................................... 6. 1.1.3. Tipos de Tramas ........................................................................................... 9. 1.1.4. Unión de una estación a una celda existente .............................................. 11. 1.1.5. Modos de Conexión .................................................................................... 12. 1.2. Redes móviles Ad hoc........................................................................................ 12. 1.2.1. Principales características de las MANETs ................................................. 14. 1.2.2. Aplicaciones de las redes MANETs ............................................................ 15. 1.2.3. Reseña histórica ......................................................................................... 16. 1.2.4. Capa Física ................................................................................................. 17. 1.2.5. Capa MAC .................................................................................................. 18. 1.2.6. Capa de red ................................................................................................ 19. 1.2.7. Protocolos reactivos .................................................................................... 20. 1.2.8. Protocolos proactivos .................................................................................. 23. 1.3. Aplicaciones de Voz en redes MANET ............................................................... 26. CAPÍTULO 2 ................................................................................................................... 30 2.1. Investigación y análisis de los simuladores de red existentes ............................ 30.

(10) 2.2. Requisitos del Simulador ................................................................................... 31. 2.3. Evaluación de los simuladores ........................................................................... 32. 2.3.1. OMNeT++ ................................................................................................... 32. 2.3.2. Network Simulator 2 .................................................................................... 33. 2.3.3. Network Simulator-3 ..................................................................................... 34. 2.4. Introducción al ns3 ............................................................................................. 35. 2.4.1. Instalación de ns3 ......................................................................................... 35. 2.4.3. Clase Node ................................................................................................... 36. 2.4.5. Clase Application........................................................................................... 36. 2.4.6. Clase Channel ............................................................................................... 36. 2.4.7. NetDevice...................................................................................................... 37. 2.4.8. Topologías de Ayuda..................................................................................... 37. 2.5. Módulos y clases de ns3 utilizados en el proyecto .............................................. 38. 2.5.1. Modelos de pérdidas de propagación y retardo utilizados ............................ 39. 2.5.2. Posicionamiento de los nodos ...................................................................... 41. 2.5.3. Modelos de movilidad ................................................................................... 44. 2.6. Montaje y configuración de la red móvil Ad hoc .................................................. 49. 2.6.1 2.7. Aplicación instalada ..................................................................................... 50. Parámetros fundamentales que influyen en el desempeño de las aplicaciones de. voz................................................................................................................................ 51 2.7.1. Códec.......................................................................................................... 53. 2.7.2. Retardo ...................................................................................................... 54. 2.7.3. Variación del retardo .................................................................................. 55. 2.7.4. Pérdida de Paquetes .................................................................................. 56. 2.8. Simulación .......................................................................................................... 56. 2.8.1. Objetivos de la simulación ........................................................................... 56. 2.8.2. Diseño de los escenarios de Simulación ..................................................... 56.

(11) 2.9. Archivos de trazas .............................................................................................. 57. 2.9.1. Parseo de los datos. Análisis en MATLAB y Wireshark .............................. 58. CAPÍTULO 3 .................................................................................................................... 77 3.1. Experimento 1..................................................................................................... 77. 3.1.1. Presentación del experimento ...................................................................... 77. 3.1.2. Resultados y discusión del experimento 1. ................................................... 78. 3.2. Experimento 2..................................................................................................... 81. 3.2.1. Presentación del experimento ...................................................................... 81. 3.2.2. Resultados y discusión del experimento 2. ................................................... 82. 3.3. Experimento 3..................................................................................................... 84. 3.3.1. Presentación del experimento ...................................................................... 84. 3.3.2. Resultados y discusión del experimento 3. ................................................... 86. 3.4. Experimento 4..................................................................................................... 88. 3.4.1. Presentación del experimento ...................................................................... 88. 3.4.2. Resultados y discusión del experimento 4. ................................................... 89. 3.5. Consideraciones finales del capítulo ................................................................... 91. CONCLUSIONES ............................................................................................................ 93 RECOMENDACIONES .................................................................................................... 79 BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................ 80 ANEXOS .......................................................................................................................... 90.

(12) INTRODUCCIÓN. INTRODUCCIÓN. Los últimos años se han caracterizado por un rápido crecimiento del mercado de voz sobre IP (VoIP), gracias al bajo costo de esta tecnología basada en paquetes y la fiabilidad de las redes IP actuales. Se cree según (Atziori et al., 2008) que ocurra un suceso similar en las Redes Móviles Ad hoc (MANET), las cuales ofrecen una plataforma adecuada para el desarrollo de aplicaciones de voz. La voz sobre IP es un servicio en tiempo real en el que el retardo y las pérdidas influyen directamente en la calidad de las llamadas, y los usuarios requieren una Calidad de Servicio (QoS) similar a la que proporciona la Red Telefónica Conmutada. La provisión efectiva de conversaciones de voz basadas en paquetes en tiempo real sobre redes MANET enfrenta varios inconvenientes no encontrados en las redes de paquetes convencionales, el aspecto de calidad en las MANET es mucho más crítico; ya que es difícil garantizar niveles o límites de demora entre redes, variación de la demora o probabilidad de pérdida de paquetes, entre otros, cuando se opera en un entorno altamente dinámico y cuyos enlaces de comunicación inalámbricos son vulnerables a diferentes efectos de propagación, niveles elevados de potencia de los nodos, condiciones del entorno, etc. Por lo que se ha considerado conveniente proponer un mecanismo para evaluar el desempeño de aplicaciones de voz sobre redes MANET mediante simulación. Hay que tener en cuenta que existe un conjunto de simuladores que se pueden emplear, los cuales están divididos en dos grandes grupos: software libre y software propietarios; pero la mayoría se ejecutan sobre computadoras de propósito general que no salen del marco de las posibilidades que se tienen; por lo que la investigación es viable, ya que se dispone de los recursos necesarios para llevarla a cabo. Si se considera que las publicaciones procedentes de fuentes arbitradas sobre aplicaciones de voz en redes MANET usan diversos métodos y métricas de Página | 1.

(13) INTRODUCCIÓN. evaluación, resulta difícil establecer comparaciones entre los resultados. Por ello este trabajo se plantea la siguiente interrogante ¿Cómo contribuir a la evaluación de aplicaciones de voz sobre IP en redes MANET mediante simulación, teniendo en cuenta una amplia gama de parámetros? Otras interrogantes científicas son: ¿Qué herramientas y métodos permiten la evaluación del desempeño de aplicaciones de voz sobre redes MANET mediante simulación? ¿Cuáles serían las herramientas de simulación apropiadas para evaluar las aplicaciones de voz sobre redes MANET? ¿Cuáles son los parámetros fundamentales a tener en cuenta en la evaluación de la calidad de las aplicaciones de voz sobre redes MANET? ¿Cuáles son los parámetros que se van a emplear en el modelo de simulación? ¿Cuál es el escenario de simulación apropiado para variar parámetros significativos permitiendo llegar a conclusiones? Para dar respuesta al problema científico planteado, se propone como objetivo general: . Contribuir a la evaluación de aplicaciones de voz sobre IP en redes MANET mediante simulación.. Los objetivos específicos del trabajo son: 1.. Investigar antecedentes y características principales de las redes MANET.. 2.. Investigar las principales herramientas y métodos que permitan la evaluación de la calidad de voz sobre redes MANET.. 3.. Elegir las herramientas precisas mediante las cuales se desarrollan los mecanismos de evaluación propuestos.. 4.. Determinar los parámetros fundamentales que influyen en el desempeño de las aplicaciones de voz.. 5.. Diseñar escenarios de simulación.. 6.. Evaluar mediante los experimentos diseñados el desempeño de servicios de voz en redes MANET.. Página | 2.

(14) INTRODUCCIÓN. Con aras de satisfacer los objetivos planteados se ha decidido dividir el trabajo en introducción, capitulario, conclusiones y recomendaciones. En la introducción se realiza una reseña donde se define la necesidad, actualidad e importancia del tema que se aborda. El capítulo 1 muestra un análisis del estándar 802.11, particularizando en las redes móviles Ad hoc, así como los principales conceptos de las redes MANETs y los protocolos de enrutamiento utilizados en este proyecto. En el capítulo 2 se hace referencia a varios simuladores de red existentes, particularizando en el elegido para realizar este proyecto, se describen sus características fundamentales y lo necesario para realizar los experimentos propuestos. El capítulo 3 se enfoca fundamentalmente en la presentación y discusión de los experimentos realizados. En las conclusiones se realiza una síntesis final de los resultados alcanzados en la investigación y en las recomendaciones, se plantea una posible continuidad a través de futuras investigaciones. Se incluyen las referencias bibliográficas conformando un listado de toda la bibliografía consultada según la norma Harvard.. Página | 3.

(15) CAPÍTULO 1. CAPÍTULO 1. Hoy día es difícil entender la sociedad sin computadoras e Internet, pues se encuentran en todas partes y a diario, en una carrera desenfrenada por satisfacer las crecientes necesidades de los usuarios, se revolucionan, permitiendo más posibilidades y servicios para cada uno de los beneficiarios. Sin duda, una de las facilidades más solicitadas en la actualidad en el ámbito de la tecnología y las comunicaciones, es la capacidad de poder comunicarse en cualquier momento, desde cualquier lugar y con cualquier tipo de terminal. Esta facilidad está disponible hoy gracias a un conjunto de aportes, entre los que se encuentran las Redes Inalámbricas de Área Local (Wireless Local Area Networks, WLAN). Unido al desarrollo de estas y a los avances de la tecnología, el consumo de energía de los terminales móviles se ha reducido considerablemente, y esto hace que las comunicaciones inalámbricas sean cada vez menos limitadas tanto en tiempo (duración de la comunicación) como en distancia. Se añade a todo esto el hecho de que la velocidad en la transmisión de los datos cada vez es mayor y las facilidades de movilidad y portabilidad indican que la evolución de las WLAN puede llegar hasta un límite que todavía está por descubrir. En este capítulo se realiza una revisión bibliográfica que comprende las principales características del estándar IEEE 802.11. Se pone un interés especial en las redes móviles Ad hoc, exponiendo sus particularidades y aplicaciones. Se enfatiza en los principales conceptos de las redes MANETs y los protocolos de enrutamiento utilizados en este proyecto. 1.1 Estándar IEEE 802.11 El protocolo IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) 802.11 es un estándar de protocolo de comunicaciones que define el uso de los dos niveles más bajos de la arquitectura OSI (Open Systems Interconnection) en las capas física y de enlace de datos, especificando sus normas de funcionamiento en una red Página | 4.

(16) CAPÍTULO 1. inalámbrica. A partir de este organismo, se han creado algunas variantes de 802.11 como es el caso del 802.11a, 802.11b y 802.11g. Los sistemas 802.11 se denominan de forma genérica “Wi-Fi”, siendo la alianza Wi-Fi el organismo responsable de la concesión del logotipo de certificación Wi-Fi, que garantiza la compatibilidad con 802.11 y la interoperabilidad de equipos de distintos fabricantes. La arquitectura IEEE 802.11 consiste de varios componentes que interactúan para proporcionar una LAN inalámbrica que soporta estaciones móviles transparentes para las capas superiores. Una LAN (Local Area Network, Red de Área Local) 802.11 está basada en la arquitectura celular, donde el sistema se divide en celdas y cada una de ellas es llamada Set de Servicio Básico (BSS); estas son controladas por una estación base, nombrada Punto de Acceso (AP). Aunque las LAN inalámbricas pueden estar formadas por una sola celda con un solo Punto de Acceso (como se describirá después, también pueden trabajar sin punto de acceso) la mayoría de las instalaciones está formada por varias celdas conectadas a través de un backbone llamado Sistema de Distribución (DS), el cual es típicamente Ethernet. Toda la interconexión de la LAN inalámbrica, incluyendo diferentes celdas, puntos de acceso y sistema de distribución, es vista desde las capas superiores del modelo OSI como una simple red 802 y es llamado en el estándar Set de Servicio Extendido (ESS). La figura 1.1 muestra una LAN 802.11 típica, con los componentes descritos anteriormente:. Fig. 1.1 LAN 802.11 (Brenner, 2007). Página | 5.

(17) CAPÍTULO 1. 1.1.1 Capa Física Según (IEEE, 2007) el protocolo 802.11 abarca las capas física PHY y MAC como se muestra en la figura 1.2, el estándar actualmente define una sola capa MAC que interactúa con varias PHY (todas corriendo a 1 y 2 Mbps):. Fig. 1.2 Capas Física y de Enlace de Datos de 802.11 (IEEE, 2007).. La capa física se ocupa de definir los mecanismos por donde se difunde la señal. En el caso de 802.11, se divide en dos subcapas: PLCP y PMD como se observa en la figura 1.2. . Subcapa de Procedimiento de Convergencia de la Capa Física (PLCP). La subcapa PLCP es la que se encarga de adaptar las capacidades del sistema físico dependiente del medio. La trama PLCP siempre se transmite a 1 Mbps, con lo cual, se consigue tener confiabilidad y solidez al transmitir la señal. . Subcapa Dependiente del Medio Físico (PMD). La Subcapa PMD tiene la función de definir las características de transmisión y recepción a través de un medio radioeléctrico entre dos o más terminales. 1.1.2 Capa MAC En la capa MAC el estándar 802.11 permite dos formas de acceso al medio, conocidos como Función de Coordinación Distribuida (DCF) y Función de Coordinación Punto (PCF) como se ilustra en la figura 1.3. DCF es un protocolo obligatorio dentro de las especificaciones de 802.11, en tanto que PCF es un protocolo opcional.. Página | 6.

(18) CAPÍTULO 1. Fig. 1.3 Arquitectura MAC (IEEE, 2007).. El trabajo de DCF es determinar dentro de un conjunto básico de servicios (IBSS), el momento en que una estación puede transmitir y/o recibir unidades de datos de protocolo a nivel MAC a través del medio inalámbrico. DCF se encuentra en el nivel inferior de la subcapa MAC, y su funcionamiento se basa en técnicas de acceso aleatorias. En el modo DCF todas las estaciones compiten por el acceso al canal simultáneamente. Para eso DCF define mecanismos que les permiten a las estaciones negociar el acceso al medio físico, así como los mecanismos que aseguran la entrega de los datos a las estaciones. La función DCF se encuentra con varios problemas a diferencia de los medios cableados, ya que en los medios inalámbricos es mucho más complicado detectar las colisiones. Es así que dos estaciones que no se ven entre sí, pueden iniciar una comunicación simultáneamente sin percatarse de la colisión. DCF dispone de una función para impedir la colisión, y evitar este problema: el método CSMA/CA. Los mecanismos CSMA/CA de detección de la colisión, consisten en comprobar si el medio está en uso antes de empezar a transmitir. Si el medio está en uso, se espera un tiempo antes de volver a hacer de nuevo la comprobación. El tiempo de espera de cada estación, tiene una duración aleatoria (generada por cada estación entre un tiempo mínimo y un máximo), para evitar que haya colisiones sucesivas indefinidas.. Página | 7.

(19) CAPÍTULO 1. El intervalo de tiempo entre tramas es llamado IFS (Inter Frames Spaces). Son definidos cinco IFSs para proporcionar niveles de prioridad en el acceso al medio inalámbrico (IEEE, 2007) : 1. SIFS: Espacio intertrama corto. 2. PIFS: Espacio intertrama PCF. 3. DIFS: Espacio intertrama DCF. 4. AIFS: Espacio intertrama arbitrario (usado por la facilidad QoS). 5. EIFS: Espacio intertrama extendido. Los tiempos IFS son definidos como intervalos de tiempo en el medio; todos son fijados por la capa PHY excepto el AIFS. La función DCF contempla un mecanismo físico y otro lógico de detección de colisión. Al mecanismo físico se le conoce como CCA (Clear Channel Assessment, Valoración de la Disponibilidad del Canal). Por ejemplo, al hablar de un medio radioeléctrico, este mecanismo puede consistir en comprobar si en el medio existe cualquier señal DSSS u otra señal con un nivel de energía superior a un umbral. El mecanismo físico de detección es muy eficiente, pero no eficaz cuando dos estaciones de una misma red que no se ven entre ellas, transmiten al mismo tiempo. A este hecho se lo conoce con el nombre de problema del nodo oculto/expuesto. Para evitar estos tipos de problemas, se dispone del sistema lógico de detección de colisión. Este sistema consiste en intercambiar la información del uso del medio a través de tramas de control. A estas tramas de control se las conoce como RTS (Request to Send, Solicitud para Enviar) y CTS (Clear to Send, Listo para Enviar).. Fig. 1.4 Intercambio de tramas DCF (Medina, 2006). Página | 8.

(20) CAPÍTULO 1. En la figura 1.4 se puede ver un ejemplo del intercambio de tramas que intervienen en una transmisión del tipo DCF. En este escenario existen cuatro estaciones, las cuales quieren empezar una transmisión. La estación A, empieza a transmitir luego de haber detectado el canal libre, al menos por un período DIFS, y además debe haber también concluido su período de backoff que es menor que el de la estación C. La estación A envía primero una trama RTS a la estación de destino B, donde facilita información del remitente y el tiempo que ocupará dicha transmisión. La estación B responde con una trama CTS. En esta trama CTS se incluye el tiempo de ocupación del medio, por tanto el resto de estaciones C y D saben el tiempo que estará ocupado el medio y no intentarán hacer ninguna transmisión hasta que dicho tiempo no haya pasado. Una vez establecida la comunicación entre las dos estaciones, la estación A empieza a ocupar el canal transmitiendo datos a la estación B, mientras la estación receptora le envía los acuses de recibo ACK (acknowledgment, reconocimiento) para indicarle al emisor que todo está bien. Si el emisor no recibe la trama ACK, aguardará un tiempo antes de dar la transmisión por errónea y repetir el envío. Al terminarse el diálogo entre las estaciones A y B, el resto de estaciones que quieren acceder al medio esperan de igual forma un tiempo DIFS para empezar nuevamente un ciclo de transmisión (Medina, 2006).. 1.1.3 Tipos de Tramas Según (IEEE, 2007) existen tres tipos principales de tramas: 1. Tramas de datos: son usadas para transmisión de datos. 2. Tramas de Control: son usadas para controlar el acceso al medio (ej. RTS, CTS y ACK). 3. Tramas de administración: son tramas que se transmiten de la misma manera que las tramas de datos y son usadas para información de administración, pero no son reenviadas a las capas superiores. Cada uno de estos tipos de tramas está dividido en diferentes subtipos de acuerdo con su función específica.. Página | 9.

(21) CAPÍTULO 1. Formato de Trama Todas las tramas 802.11 están formadas por los siguientes componentes: Preamble. PLCP Header. MAC Data. CRC. El preámbulo es dependiente de la capa PHY e incluye: . Synch: Una secuencia de 80 bits alternados de ceros y unos, los cuales son usados por la capa PHY para seleccionar la antena apropiada, corregir la frecuencia y sincronizar el tiempo con el paquete recibido.. . SFD: Un delimitador de comienzo de trama el cual consiste en un patrón binario de 16 bits 0000 1100 1011 1101, y es usado para definir el tiempo de la trama.. El preámbulo puede ser largo (144 bits) o corto (72 bits); este último se usa para transmisión de video y voz sobre IP. El encabezado PLCP se transmite a 1 Mbps y contiene información lógica que será usada por la capa física para decodificar la trama; consiste en: . PLCP_PDU Length Word: representa el número de bytes contenidos en un paquete, esto es útil para la capa PHY, en aras de detectar correctamente el fin de un paquete.. . PLCP Signaling Field: contiene sólo la información de razón.. . Header Error Check Field: Es un campo de detección de error de 16 bits.. La figura 1.5 muestra el formato general de la trama MAC:. Fig. 1.5 Formato de la trama MAC (IEEE, 2007).. Campos de la trama MAC: . Control de tramas (Frame Control): indica el tipo de trama, si es beacon, control, datos o administración.. . Duration/ID: en las tramas del tipo ahorro de energía (Power-Save, PS) para dispositivos con limitaciones de potencia, contiene el identificador de la Página | 10.

(22) CAPÍTULO 1. estación. En el resto se utiliza para indicar la duración del período que ha reservado una estación. . Direcciones (Address): Existen cuatro campos de direcciones en el formato de la trama MAC, los cuales son utilizados para identificar el set de servicio básico (BSSID), la dirección fuente, la dirección destino, la dirección de la estación transmisora y de la receptora. Ciertas tramas pueden no contener todos los campos de direcciones.. . Control de secuencia (Sequence Control): Este campo contiene el número de secuencia y los subcampos del número de fragmento. Las estaciones receptoras usan este campo para volver a ensamblar correctamente las tramas y para identificar y desechar fragmentos duplicados de la trama.. . CRC: Este campo contiene un código de chequeo de redundancia cíclica de 32 bits.. 1.1.4 Unión de una estación a una celda existente Cuando una estación desea acceder a un BSS, la estación necesita obtener información de sincronización desde el Punto de Acceso o desde otra estación, en dependencia de la topología. Según (Brenner, 2007) la estación obtiene esta información de dos modos diferentes: 1. Escaneo Pasivo: En este caso la estación espera recibir una trama Beacon (la trama Beacon es una trama periódica enviada desde el Punto de Acceso con información de sincronización). 2. Escaneo Activo: En este caso la estación trata de encontrar un Punto de Acceso. transmitiendo. tramas. ProbeRequest. y. esperando. tramas. ProbeResponse desde el Punto de Acceso. Los dos métodos son válidos, y cada uno puede ser elegido según una relación de compromiso entre consumo de potencia y desempeño. Una estación que ha encontrado un punto de acceso y decide unirse al BSS, pasará por un proceso de autenticación, el cual es un intercambio de información. Página | 11.

(23) CAPÍTULO 1. entre el punto de acceso y la estación, donde el AP proporciona el reconocimiento para un password dado por la estación. Cuando la estación es autenticada comienza el proceso de asociación, que es un intercambio de información entre la estación y las capacidades del BSS, permite además que el punto de acceso conozca la posición de la estación. Solo después de que el proceso de asociación es completado, la estación es capaz de transmitir y recibir tramas de datos.. 1.1.5 Modos de Conexión Según (Varela, 2002) existen dos modos de operación básicos en las redes inalámbricas, como se muestra en la figura 1.6: el modo infraestructura, en el que las estaciones acceden a la red a través de uno o varios puntos de acceso y el modo ad-hoc, en el que las estaciones se comunican entre sí directamente.. Fig. 1.6 Modos de operación en redes inalámbricas (Varela, 2002).. 1.2. Redes móviles Ad hoc. Las redes Ad hoc consisten en un conjunto de nodos que se comunican mediante enlaces inalámbricos, estas redes según (Calderón y Quintero, 2004) surgen bajo el concepto de autonomía e independencia, al no requerir el uso de infraestructura preexistente ni la necesidad de soportar su administración en esquemas centralizados (Holland, 2004), por lo tanto son flexibles y fácilmente desplegables. Dentro de las redes Ad hoc existen varios tipos: las redes de sensores, las redes mesh, las redes vehiculares (VANET, Vehicular Ad Hoc Network) y las redes móviles Ad hoc (MANET, Mobile Ad Hoc Network). Página | 12.

(24) CAPÍTULO 1. Este proyecto de tesis se centrará básicamente en el último de los tipos mencionados, las MANETs. En redes IEEE 802.11 el modo Ad hoc se denota como Conjunto de Servicios Básicos Independientes o IBSS (CHAKRABARTI, 2011), la arquitectura se muestra en la figura 1.7.. Fig. 1.7 Arquitectura lógica del IBSS (IEEE, 2007).. Las MANETs, como su nombre indica, poseen la característica de movilidad de los nodos, lo cual conlleva que los enlaces entre nodos se rompan y que haya enlaces que se incorporen o abandonen la red continuamente, por lo tanto la topología de la red es altamente cambiante y aleatoria. Todos los nodos pueden actuar como transmisores, receptores y routers, esto es necesario ya que las rutas para llegar a un destino pueden tener varios saltos. Los nodos, como se observa en la figura 1.8, pueden ser dispositivos tales como. ordenadores. portátiles,. PDAs. (Personal Digital Assistant), teléfonos. móviles, etc.. Fig. 1.8 Ejemplo de una red MANET (Chalmeta, 2009). Página | 13.

(25) CAPÍTULO 1. La forma básica como opera una red móvil Ad hoc se ilustra mediante la figura 1.9. El nodo B se puede comunicar directamente a través de un solo salto con el nodo A, el nodo C y el nodo E. Para que B pueda comunicarse con el nodo D, el nodo C debe actuar como intermediario entre B y D, transmitiendo la información entre ellos.. Por lo tanto la comunicación entre los nodos B y D se. basa en una comunicación de múltiples saltos.. B. E C. A. D. Fig. 1.9 Comunicación en una red móvil Ad hoc.. 1.2.1 Principales características de las MANETs El propósito de las redes móviles Ad hoc es el de apoyar operaciones robustas y eficientes, incorporando un enrutamiento funcional en los nodos móviles. Debido a que las MANETs se pueden construir espontáneamente sin necesidad de una infraestructura existente, estas redes presentan restricciones especiales que se deben considerar para el diseño de soluciones. A continuación se describen algunas características: . Topología dinámica: Debido a que los nodos de una red móvil Ad hoc son libres de moverse arbitrariamente, la topología de la red (la cual es típicamente multi-hop) puede cambiar rápida y aleatoriamente en tiempos impredecibles. Este comportamiento dinámico dificulta el establecimiento de la conectividad en la red, la cual se debe mantener para permitir que los servicios de comunicación operen sin interrupciones. Dicho aspecto es de gran influencia para el diseño de los protocolos de enrutamiento. Página | 14.

(26) CAPÍTULO 1. . Ancho de banda limitado: El ancho de banda disponible en MANET es menor, comparado con el ancho de banda disponible en las redes de infraestructura preestablecida.. . Fluctuación de los enlaces: El efecto de una alta razón de error de bits, es decir, la transmisión de información errada, es más significativo en una red móvil Ad hoc de múltiples saltos, ya que el agregado de todos los errores en los enlaces afecta significativamente la calidad de la información recibida.. . Operación de energía limitada: Los nodos en una MANET requieren de una batería para obtener la energía que asegure su funcionamiento. Por lo tanto, la energía es uno de los recursos que se busca optimizar con el fin de limitar el consumo de la potencia.. . Terminales autónomos: Cada terminal se comporta como un nodo autónomo que puede funcionar como transmisor, receptor o router.. . Conexiones inalámbricas: No existe ningún tipo de infraestructura fija, los terminales usan el aire como canal de comunicación.. . Funcionamiento distribuido: No existe ningún elemento central que se encargue de la gestión y el control de la red; todos los nodos son iguales y por lo tanto la gestión está distribuida.. . Capacidad variable de los enlaces: Al tratarse de un medio de transmisión compartido el canal de transmisión cambia constantemente los niveles de ruido, atenuación e interferencias. Además, en una transmisión extremo a extremo pueden participar varios enlaces distintos y la ruta puede cambiar varias veces en una misma transmisión.. 1.2.2 Aplicaciones de las redes MANETs Las MANETs constituyen una tecnología ideal para el establecimiento instantáneo de la comunicación entre nodos que son móviles y en lugares en donde no es posible construir un backbone de comunicaciones debido a inconvenientes económicos o a la falta de tiempo para la construcción de la infraestructura. Página | 15.

(27) CAPÍTULO 1. requerida. Algunas de las aplicaciones que pueden tener las redes MANET son las siguientes: . Entornos militares: En muchos avances tecnológicos las aplicaciones militares son de las primeras en aparecer y las redes MANET no son una excepción. En entornos militares las redes MANET permiten establecer comunicación entre distintas unidades, vehículos o centros de mando sin necesidad de establecer una infraestructura fija, lo cual puede ser muy difícil o imposible.. . Situaciones de emergencia: Ya sea por desastres naturales o por otras razones, cuando los equipos de emergencia, rescate o salvamento tienen que actuar rápidamente no existe la posibilidad de instalar una infraestructura fija si es que no existe ninguna previamente o la que existe ha quedado inutilizada. Desplegar una red MANET es una solución rápida y eficaz para muchas situaciones de emergencia.. . Entornos civiles: Las posibles aplicaciones en entornos civiles son muy amplias. Se pueden crear redes de sensores por ejemplo en entornos agrícolas, lo cual resulta más económico que instalar una infraestructura. Pero también se pueden crear redes MANET para compartir información entre los participantes en un congreso, una conferencia, una clase, etc. Otros ejemplos donde existen muchas aplicaciones son en estadios deportivos, en aeropuertos, cafeterías, museos, centros comerciales, etc.. . Redes de área personal: Conocidas como PAN (Personal Area Network) se tratan de redes formadas por dispositivos de uso personal como un ordenador portátil, un teléfono móvil, una PDA, etc. Usar una red MANET permite comunicar estos dispositivos entre ellos fácilmente.. 1.2.3 Reseña histórica Como punto de inicio de la investigación de las redes Ad hoc se puede establecer el año 1995, concretamente en una conferencia de la IETF (Internet Engineering Task Force). Estas primeras discusiones se centraron en redes inalámbricas satelitales, redes gubernamentales y redes autoconfigurables. La idea principal fue Página | 16.

(28) CAPÍTULO 1. la de adaptar los protocolos existentes en Internet a las redes inalámbricas y altamente dinámicas. Posteriormente, en el año 1997, se creó el grupo de trabajo sobre MANETs de la IETF: el MANET-WG (MANET Work Group). Las principales tareas de este grupo de trabajo consisten en especificar interfaces y protocolos que soporten Internet basados en IP sobre las MANET. La mayor parte de las investigaciones y avances que se han realizado sobre estos temas lo ha hecho este grupo de trabajo, que además actúa como principal organismo de normalización. Además del MANET-WG se han creado otros grupos de investigación, como por ejemplo el creado en Japón en 2003 denominado Ad hoc Consortium. El objetivo de este grupo de investigación es el de unir intereses y esfuerzos de la industria, el mundo académico y el gobierno para usar la tecnología de las redes Ad hoc en todo tipo de aplicaciones. En la actualidad el tema de proporcionar QoS (Quality of Service) en Internet tiene una gran importancia y crecimiento; es por ello que hay mucho trabajo realizado en esta área. Pero estos mecanismos desarrollados para Internet no son aplicables directamente a las MANETs debido a las diferencias considerables entre ambas tecnologías. Por lo tanto, uno de los desafíos más importantes actualmente en las MANETs es el de dotar de QoS a unas redes que son altamente dinámicas, no disponen de infraestructura fija y tienen unos recursos muy limitados. A continuación se conocerá más detalladamente el funcionamiento de las redes MANET y los principales protocolos que se usan en dichas redes.. 1.2.4 Capa Física En las redes MANET los nodos se comunican entre ellos usando como medio de transmisión el espacio libre. Lo pueden hacer a través de canales de radiofrecuencia (RF) o a través de rayos infrarrojos (IR). Aunque realmente las redes basadas en rayos infrarrojos se usan muy poco y sólo en aplicaciones muy concretas. Esto se debe a que los rayos infrarrojos tienen muchas desventajas respecto a los canales de radiofrecuencia; las principales serían que no pueden atravesar paredes ni otros obstáculos, y que requieren más potencia. Página | 17.

(29) CAPÍTULO 1. Existen estándares del IEEE 802.11X que definen interfaces para los canales de RF en las bandas de 2.4 GHz y de 5 GHz. En los canales de RF las señales se comportan de manera dispersa, esto permite que se usen antenas omnidireccionales, las cuales son muy económicas y permiten que los dispositivos móviles se comuniquen con cualquier otro nodo que se encuentre lo suficientemente cerca en cualquier dirección. Esto es una gran ventaja, pero implica otro inconveniente, y es que dos nodos distintos pueden estar transmitiendo al mismo tiempo usando el mismo canal de RF, por eso hace falta que el protocolo MAC (Medium Access Control) se encargue de evitarlo. Al no poder transmitir libremente, aunque las velocidades de transmisión teóricas pueden alcanzar hasta los 54 Mbps en los estándares IEEE 802.11a y 802.11g, éstas no se reflejan en la velocidad efectiva de transmisión vista desde las capas superiores de la red. Además, los mecanismos usados por la capa MAC para controlar el acceso a los canales de RF compartidos y maximizar su utilización, evitando colisiones, impiden que se logre una utilización del 100 % de los recursos de la red. Existen posibles soluciones a este problema como se puede ver en (Ramanathan, 2001), de las cuales la mayoría proponen usar antenas direccionales; esto no permite que los nodos sean móviles ya que al moverse la antena dejaría de apuntar al siguiente nodo. Como conclusión se puede decir que el problema principal de la capa física de las redes MANET se debe al medio de transmisión utilizado: los canales de RF. Éstos son limitados y deben ser compartidos por varios nodos, lo cual conlleva a que se reduzca la capacidad. Además, las señales de RF al ser transmitidas por el espacio libre sufren atenuaciones debidas a distintos fenómenos como la distorsión, el multitrayecto, etc. Por lo tanto, hay que enfrentarse a un canal de transmisión dinámico y poco fiable.. 1.2.5 Capa MAC Existen dos familias principales de protocolos de control de acceso al medio (MAC): protocolos de acceso aleatorio y protocolos de acceso controlado. En los protocolos de acceso aleatorio los nodos compiten entre ellos para conseguir el Página | 18.

(30) CAPÍTULO 1. canal de transmisión, mientras que en los de acceso controlado existe un dispositivo que decide cuál de los nodos puede acceder al medio en cada momento. Como se ha explicado anteriormente, las redes MANET no cuentan con una infraestructura fija y todos los nodos son iguales; por lo que, en general, no se pueden usar protocolos de acceso controlado. Por lo tanto, las redes MANET usan protocolos MAC de acceso aleatorio. Concretamente, el protocolo estandarizado por el comité IEEE 802.11 fue el CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) debido a su inherente flexibilidad y porque resuelve el problema de los terminales ocultos a través del sencillo mecanismo de paquetes de control RTS/CTS DATA/ACK (Xu y Saadawi, 2002). 1.2.6 Capa de red Es en esta capa donde más se distinguen las redes MANET de las redes más conocidas. A este nivel es necesario que los protocolos de enrutamiento para las redes MANET se adapten rápidamente a los cambios constantes de la topología de la red con el fin de mantener una ruta para la comunicación entre los nodos. Existe una gran cantidad de protocolos de enrutamiento para las redes Ad hoc, los cuales pueden ser más o menos adecuados en cada escenario en concreto. Estos protocolos se pueden dividir en tres grandes grupos (Scholten et al., 2004), (Iglesias, 2007), (Boi, 2008), en función del método que utilizan para determinar las rutas: . Protocolos reactivos. . Protocolos proactivos. . Protocolos híbridos. Aparte de estos tres grandes grupos también existe un pequeño conjunto que además de realizar la función de enrutamiento, intenta proporcionar mecanismos necesarios para garantizar QoS en las comunicaciones. En la figura 1.10 se pueden ver algunos protocolos de enrutamiento ya clasificados según las categorías anteriormente mencionadas: Página | 19.

(31) CAPÍTULO 1. Fig. 1.10 Protocolos de enrutamiento en redes Ad hoc.. La función principal de un protocolo de ruteo en una red es detectar y mantener la ruta óptima para el envío de paquetes de datos entre la fuente y el destino a través de nodos intermedios (Izuan et al., 2009). 1.2.7 Protocolos reactivos Los protocolos de encaminamiento reactivo o bajo demanda son aquellos en los cuales se hallan las rutas entre un nodo origen y un nodo destino bajo demanda de la fuente. Es decir, que sólo cuando sea necesario iniciar una transmisión se buscará una ruta para realizarla. Una vez establecida la ruta, los nodos que participen en la transmisión se encargarán de su mantenimiento. Las ventajas de este tipo de protocolos es que no necesitan demasiada señalización, lo cual reduce el overhead y optimiza el uso de las baterías, al contrario de lo que sucede con los protocolos proactivos. Sin embargo, el tiempo de establecimiento de las rutas es mayor, ya que cuando se necesita la ruta, se inicia el mecanismo de descubrimiento de ruta y hasta que éste no termina no se puede iniciar la transmisión. Hay una gran cantidad de protocolos de enrutamiento reactivos, las diferencias entre ellos se encuentran en la implementación del mecanismo de descubrimiento de ruta y en las optimizaciones del mismo. Los protocolos reactivos más importantes son los siguientes: Página | 20.

(32) CAPÍTULO 1. . Ad hoc On Demand Distance Vector Routing (AODV), 2003. . Associativity-Based Routing (ABR), 1996. . Cluster-Based Routing Protocol (CBRP), 1999. . Dynamic MANET On demand (DYMO), 2005. . Dynamic Source Routing (DSR), 2004. . Location-Aided Routing (LAR), 1998. . Temporally Ordered Routing Algorithm (TORA), 2001. De ellos los protocolos AODV y DSR han sido presentados como RFC (Request for Coments) experimentales, mientras que del resto se han presentado como Draft por el IETF (Internet Engineering Task Force).. AODV El protocolo AODV es un protocolo de enrutamiento de tipo reactivo basado en el algoritmo de Vector Distancia. Una característica fundamental del protocolo es que los nodos destino de un trayecto, antes de proporcionar información de direccionamiento, crean un número de secuencia de destino (destination sequence number), que proporciona a los nodos un instrumento para evaluar cuánto se ha actualizado un determinado recorrido evitando la formación de lazos (loop) en el camino de enrutamiento (Perkins et al., 2003). Un terminal que deba elegir entre varios caminos hacia un cierto destino, elegirá aquel caracterizado por el número de secuencia mayor, correspondiente a una información de routing más reciente. Además, el protocolo soporta el enrutamiento multidifusión (multicast). Este protocolo al ser reactivo lleva a cabo los mecanismos de Descubrimiento y Mantenimiento de Ruta. . Descubrimiento de Ruta: Este procedimiento comienza con el envío de un paquete llamado petición de ruta RREQ (Route Request), que es enviado de modo broadcast a toda la red (Figura 1.11). En el caso de que un nodo recibiera este paquete y sea el destino o conozca la ruta hacia él, este enviará un paquete denominado respuesta de ruta RREP (Route Reply) al nodo fuente con la información de ruta requerida (Figura 1.12).. Página | 21.

(33) CAPÍTULO 1. Fig. 1.11 Transmisión broadcast de RREQ.. . Fig. 1.12 Transmisión unicast de RREP.. Mantenimiento de Ruta: Este proceso únicamente se da durante el envío de datos, y se origina cuando un nodo que se encuentra involucrado en la transmisión detecta la pérdida del enlace, emitiendo un mensaje denominado error de ruta RERR (Route Error) al nodo que está originando la transmisión (nodo fuente), el cual al recibir este mensaje buscará una ruta alterna que pueda tener almacenada o comenzará un nuevo proceso de descubrimiento de ruta. Los nodos intermedios que reciban el mensaje RERR eliminan la ruta con problemas de su registro o tabla de enrutamiento según sea el caso.. Además, cada cierto intervalo de tiempo se envían paquetes Hello a los vecinos para informarles que el nodo sigue activo, de esta forma los vecinos actualizan los temporizadores asociados a dicho nodo o en su defecto, deshabilitan las rutas que utilicen el nodo suprimido. Una particularidad de AODV es la reparación a nivel local de un enlace caído que forma parte de una ruta activa. En este caso, el nodo que detecta la caída de un enlace que está siendo utilizado, procede a intentar repararlo para lo cual comienza un proceso de descubrimiento de ruta hacia el destino y encola los paquetes de datos recibidos para el mismo, hasta localizar una nueva ruta. En el caso de que este intento resulte fallido, se dará lugar al proceso normalmente establecido, con el envío de un mensaje de error RERR hacia el nodo origen.. Página | 22.

(34) CAPÍTULO 1. AODV mejora a DSDV en el sentido de que minimiza el número de broadcast requeridos ya que crea rutas bajo demanda; por el contrario DSDV mantiene una lista completa de las rutas. El protocolo de ruteo AODV tiene un alto retardo de transmisión a causa de que solo determina la tabla de rutas si hay tráfico en la red (Atziori et al., 2008). 1.2.8. Protocolos proactivos. Los protocolos de encaminamiento proactivos intentan mantener tablas de las rutas actualizadas constantemente. Eso significa que cada nodo debe mantener actualizada una tabla con todas las rutas hacia los otros nodos. La información que contienen las tablas debe actualizarse periódicamente y ante cualquier cambio de la topología de red. Esta actualización constante provoca que estos protocolos generen una gran cantidad de paquetes de señalización (overhead) lo cual afecta a la utilización del ancho de banda, el throughput y el consumo de energía. La ventaja principal que aportan estos protocolos es que el establecimiento de una nueva ruta para iniciar una transmisión precisa de un tiempo muy pequeño al tener todos los nodos las tablas de rutas actualizadas. El principal problema con el que se encuentran estos protocolos es cuando las redes son muy densas y los nodos tienen una movilidad alta, ya que en estos casos el overhead crece muy rápidamente y las tablas pueden llegar a ser demasiado grandes. Los distintos protocolos de encaminamiento proactivos se distinguen entre ellos por el número de tablas, la información que contienen las tablas y en cómo se actualizan éstas. Los protocolos proactivos más destacables son los siguientes: . Destination-Sequenced Distance Vector (DSDV), 1994. . Hierarchical State Routing (HSR), 2000. . Multimedia support in Mobile Wireless Networks (MMWN), 1998. . Optimized Link State Routing (OLSR), 2003. . Source-Tree Adaptive Routing (STAR), 1999. . Topology Dissemination Based on Reverse-Path Forwarding (TBRPF), 2004 Página | 23.

(35) CAPÍTULO 1. DSDV El DSDV es un protocolo de tipo proactivo que pertenece a la familia de los algoritmos de Vector Distancia. Cada nodo perteneciente a la red tiene una tabla de enrutamiento que indica para cada destino cuántos saltos (hop) hace falta atravesar y cuál es el sucesivo. Derivando del Vector Distancia, la actualización de las tablas de enrutamiento se produce mediante el intercambio de información entre nodos cercanos y aplicando los algoritmos de camino mínimo a menor costo. Cada camino viene etiquetado con un número de secuencia (sequence number), que da una indicación temporal sobre la validez de aquel camino: a números de secuencia más altos corresponden caminos más fiables. Cuando dos caminos tienen el mismo número de secuencia viene elegido aquel que tiene el menor costo (por ejemplo el que menor número de saltos tenga que atravesar). En caso de que un nodo notase que un trayecto hacia un destino no funciona, asigna al número de salto un valor alto (que significa infinito) y al número de secuencia un número impar. Un número de secuencia identificado con un número impar señala que aquel camino es inalcanzable mientras que, por el contrario, un número par indica que el destino sí es alcanzable. En este protocolo los paquetes de señalización son intercambiados entre nodos vecinos a intervalos regulares de tiempo o emitidos por eventos (Rodríguez et al., 2007). DSDV proporciona básicamente la obtención de rutas sin bucles gracias a la introducción de números de secuencia, suministrando una sola ruta para cada destino, siendo esta la ruta con la trayectoria más corta posible. Este protocolo utiliza dos tipos de mensajes de señalización. . Fulldump: Este tipo de mensajes envía toda la información contenida en la tabla de enrutamiento de cada nodo. El uso de este tipo de mensajes es reducido y se da cuando existen grandes cambios en la topología de red.. . Incremental: Este tipo de mensaje es enviado con mayor frecuencia debido a que transporta únicamente la información contenida en la tabla de enrutamiento de un nodo que ha variado desde que el último paquete fulldump fue enviado. Este tipo de mensaje optimiza el uso de ancho de Página | 24.

(36) CAPÍTULO 1. banda debido a que no es enviado de forma periódica con información de las tablas de enrutamiento enteras.. OLSR OLSR es un protocolo de encaminamiento proactivo diseñado expresamente para redes móviles Ad hoc altamente dinámicas y con un ancho de banda limitado (Toutouh et al., 2009). La diseminación directa de información por toda la red (flooding) es ineficiente y muy costosa en una red inalámbrica móvil, debido a las limitaciones de ancho de banda y la escasa calidad del canal radio. Por ello OLSR provee un mecanismo eficiente de diseminación de información basado en el esquema de los Multipoint Relays (MPR). En lugar de permitir que cada nodo retransmita cualquier mensaje que reciba (flooding clásico), todos los nodos de la red. seleccionan. entre. sus. vecinos. un. conjunto. de. multipoint. relays. (retransmisores), encargados de retransmitir los mensajes que envía el nodo en cuestión. Los demás vecinos del nodo no pueden retransmitir, lo que reduce el tráfico generado por una operación de flooding. Hay varias formas de escoger los multipoint relays de un nodo, pero independientemente de la forma de elección, el conjunto de MPRs de un nodo debe verificar que son capaces de alcanzar a todos los vecinos situados a una distancia de 2 saltos del nodo que los calcula (criterio de cobertura de MPR) (Calusen y Jacquet, 2003). Una red enrutada con OLSR utiliza básicamente dos tipos de mensajes de control: . Los mensajes HELLO son enviados periódicamente por cada nodo de la red a sus nodos vecinos, pero nunca son retransmitidos más allá del primer salto (1 hop) desde su emisor (alcance local). Estos mensajes contienen la lista de vecinos conocidos por el nodo emisor, así como la identidad de los multipoint relays seleccionados por el transmisor. Su intercambio permite a cada nodo de la red conocer los nodos situados a 1 y 2 saltos de distancia (es decir, aquellos a los que se puede hacer llegar un mensaje con una transmisión directa o con una transmisión y una retransmisión) y saber si ha sido seleccionado como MPR por alguno de sus vecinos. Página | 25.

(37) CAPÍTULO 1. . Los mensajes TC (Topology Control) son enviados periódicamente y de forma asíncrona. A través de ellos los nodos informan al conjunto de la red sobre su topología cercana. Al contrario que los HELLO, los mensajes TC son de alcance global y deben llegar a todos los nodos de la red. El conjunto de los mensajes TC recibidos por un nodo inalámbrico le permite reconstruir su base de datos topológica, computar el árbol de caminos mínimos (mediante el algoritmo de Dijkstra) y calcular así la tabla de enrutamiento hacia todos los posibles destinos. La diseminación de mensajes TC se hace de acuerdo con el mecanismo de flooding basado en MPR.. 1.3. Aplicaciones de voz en redes MANET. Las redes inalámbricas han tenido un gran impacto en la industria y en los ámbitos académicos. Las MANET agregan las características de movilidad, debido a esto mantener la QoS en este tipo de redes se hace difícil mediante la aplicación de los mecanismos de control tradicionales. Una característica fundamental de MANET son los protocolos de enrutamiento los cuales hacen que estas redes. sean una alternativa interesante para su. investigación y desarrollo unido al hecho de que los servicios de telefonía IP representan actualmente una solución interesante para las empresas no solo porque generan ahorro, sino también disponibilidad y seguridad. VoIP es un servicio en tiempo real en el que el retardo y las pérdidas influyen directamente en la calidad de las llamadas, y los usuarios requieren una QoS similar a la que proporciona la Red Telefónica Conmutada, por lo que se han llevado a cabo muchos estudios para evaluar el desempeño y la calidad de aplicaciones de voz en redes MANET. La evaluación de estas aplicaciones en redes MANET sigue tres caminos fundamentales: la experimentación, los testbed y la simulación. Un testbed es una plataforma para experimentación de proyectos en desarrollo, que permite rigor, transparencia y pruebas de teorías científicas, herramientas computacionales y nuevas tecnologías. La mayoría de los testbed citados en las. Página | 26.

(38) CAPÍTULO 1. bibliografías científicas tienen un acceso difícil, limitado a las entidades que patrocinan esos proyectos. En lo que se refiere a la experimentación muchos diseños según (Azarang y García, 2008) han sido criticados por ser demasiado caros, complicados y requerir de mucho tiempo. Además, experimentar en una red implica que la necesidad de cambiar un elemento requiera un trabajo físico, lo que no sucede en ambientes simulados. A través de la simulación se recrea un sistema o imita una realidad con el fin de estimar cuál sería el desempeño real. Simular proporciona un método más simple de solución cuando los procedimientos matemáticos son complejos y difíciles, además se posee un control total sobre el tiempo, no interfiere en el mundo real y generalmente es menos costoso mejorar el sistema vía simulación que hacerlo en el sistema real; ya que una vez construido el modelo se puede modificar de una manera rápida con el fin de analizar diferentes políticas o escenarios, incluso en algunos casos la simulación es el único medio para lograr una solución. En los últimos años solo aparecen unos pocos trabajos que abordan el análisis de los problemas de calidad en la transmisión de tráfico en tiempo real a través de redes MANET (Atziori et al., 2008). El estudio realizado en (Murazzo et al., 2009) plantea la evaluación de la calidad mediante el uso de dos protocolos de ruteo y el cálculo del retardo en ambos protocolos. Eligen el simulador ns2, queda especificado el escenario y el modelo de movilidad pero no se proporciona información suficiente para obtener los resultados por lo que se hace difícil la reproducibilidad del experimento. En (Armenia et al., 2005), los autores han analizado el rendimiento de los sistemas de VoIP en una red Ad hoc con nodos estacionarios cuando se utilizan dos protocolos de ruteo: AODV y OLSR. En otros (Atziori et al., 2008), (Thibodeau et al., 2006), y (Brak et al., 2011) los autores han examinado el rendimiento de los sistemas de voz, midiendo parámetros importantes que afectan la QoS como retardo, variación del retardo, ancho de banda, pérdida de paquetes y frecuencia de interrupción del servicio. Estos trabajos han puesto de manifiesto que todavía es necesario mejorar los algoritmos de enrutamiento disponibles para apoyar los servicios de Página | 27.

(39) CAPÍTULO 1. telefonía sobre redes móviles Ad hoc con una calidad satisfactoria, y que los códec de audio empleados afectan el desempeño de tales protocolos de ruteo. Hay que tener en cuenta que las investigaciones realizadas son muy diversas y que las conclusiones a las que llegan están condicionadas a particularidades específicas de la arquitectura de red en la que se llevan a cabo los experimentos, las cuales podrían cambiar en otras condiciones. El hecho de poder ofrecer ciertos niveles de calidad de servicio en redes MANET sigue siendo un tema abierto para la comunidad investigadora, y supone un reto muy interesante dadas las dificultades que conlleva. Mucho esfuerzo se necesita aún con vistas a hacer esta tecnología viable para aplicaciones multimedia con requerimientos de QoS, en términos de pérdidas de paquetes, retardo y variación del retardo (Atziori et al., 2008). Atendiendo a que muchos de los trabajos previos y de las publicaciones registradas con respecto a la evaluación de desempeño de las aplicaciones de voz usan experimentos y mecanismos con formas de evaluación diversa, se hace difícil establecer un nivel de comparación equivalente. Este trabajo pretende contribuir con mecanismos de evaluación de la calidad lo cual tiene un impacto directo en el uso que se les puede dar para medir y probar diversos factores que influyen en el desempeño de las aplicaciones de voz en condiciones uniformes.. Página | 28.

(40) CAPÍTULO 2. CAPÍTULO 2 En este capítulo se detallan los aspectos del entorno de simulación. Primeramente se da una breve descripción de los simuladores de red existentes, profundizando en. el. simulador. elegido.. Posteriormente. características y módulos utilizados.. se. mencionan. las. principales. Más adelante se presenta el montaje y. configuración de la red, así como parámetros fundamentales de la simulación y factores que afectan el desempeño de las aplicaciones de voz. Culmina el capítulo mostrando el formato del archivo de traza que se genera cuando concluye la corrida y se realiza una breve descripción de las herramientas utilizadas para procesar y analizar los datos.. 2.1 Investigación y análisis de los simuladores de red existentes No todos los simuladores tienen las mismas características o ventajas, pero es innegable que tienen un rol muy importante dentro del estudio de las redes de telecomunicaciones.. Actualmente. muchos. centros. de. investigación. han. desarrollado diversos simuladores de acuerdo con sus necesidades, o sea, los han diseñado específicamente para la simulación de un protocolo o un problema en particular; sin embargo, también existe una gran cantidad de simuladores de uso general para el montaje y diseño de varias redes. A raíz de esto se ha demostrado la importancia de los mismos por lo que se han diseñado versiones con fines académicos, investigativos y de desarrollo. Existe un gran número de simuladores de red disponibles. Dentro de ellos se describirán los que son de uso libre y gratuito (al menos para fines académicos), con una especial atención a los tres que se ajustan mejor a las características del proyecto (OMNeT++, ns2 y ns3). En este estudio no se tomarán en consideración programas privativos (como OPNET), puesto que el código fuente no está disponible y es imposible tanto la validación de sus modelos como la creación y modificación del código (Azpiroz, 2010).. Página | 30.

(41) CAPÍTULO 2. Las aplicaciones que se evalúan son todas simuladores de eventos discretos que representan a un sistema como una secuencia cronológica de eventos. Cada uno de estos eventos, que sucede en un momento determinado, marca un cambio de estado en el sistema, un ejemplo de evento, es el envío de un paquete (Azpiroz, 2010). Durante la simulación se genera un conjunto de ficheros que una vez procesados permiten extraer parámetros para estimar las prestaciones de la red; tales como el retardo, la pérdida de paquetes, etc.. 2.2 Requisitos del Simulador El software de simulación de red que se requiere debe cumplir la mayoría de los siguientes requisitos. Si alguna de las características no está disponible, se discutirá la posibilidad de implementarla. . Debe ser software libre para facilitar su adquisición.. . Debe soportar los protocolos WiFi más comunes (802.11 a/b/g), protocolos de enrutamiento para redes MANET (AODV, OLSR, DSDV etc.), así como la pila de protocolos TCP/IP..  El simulador debe contemplar la pérdida de paquetes, el retardo, la variación del retardo. . Debe tener un módulo para aplicaciones de voz o la posibilidad de realizarlo.. . Facilidad de configurar modelos de propagación, modelos de movilidad, posicionamiento de nodos, potencia de los nodos, extensión del área de movilidad.. . Un proyecto de software se valora, además de por sus características objetivas, por su nivel de actividad, esto es, por la existencia de una comunidad de usuarios y desarrolladores que a su alrededor creen nuevos módulos, tutoriales, reportes de problemas, propuestas de mejora, etc. Por lo que se valorará también que el simulador se haya estudiado o utilizado en artículos de revistas científicas como por ejemplo de IEEE.. Página | 31.

(42) CAPÍTULO 2. 2.3 Evaluación de los simuladores A continuación se evalúan diferentes simuladores de red en función de los requisitos previamente mencionados. Los simuladores seleccionados son los siguientes: OMNeT++, ns-2 y ns-3. 2.3.1 OMNeT++ Es un simulador modular de eventos discretos de redes orientado a objetos, usado habitualmente para modelar el tráfico de redes de telecomunicaciones, protocolos, validación de arquitecturas de hardware, evaluación del rendimiento de sistemas de software y, en general, modelar cualquier sistema que pueda simularse con eventos discretos. Un modelo en OMNeT++ consiste básicamente de la descripción de la topología del modelo en el lenguaje NED (Network Description), la definición de mensajes y el código de los módulos simples. OMNeT++ no proporciona componentes específicos para la simulación de redes, aunque. existen. entornos. especializados. (frameworks). desarrollados. independientemente del núcleo y con sus propios ciclos de publicación. Como sucede con otros simuladores libres, los esfuerzos no están del todo coordinados y dichos frameworks tienen código repetido o reimplementado. OMNeT++ tiene una licencia propia a la que denomina Academic Public License, libre sólo para usos académicos. Los protocolos inalámbricos están implementados por entornos (frameworks) especializados, por ejemplo INETMANET soporta los protocolos 802.11a/b/g en modos Ad hoc e infraestructura, con algunas limitaciones: no hay soporte para fragmentación, control de potencia, ni PCF (Point Coordination Function). INETMANET implementa los protocolos de encaminamiento dinámico AODV, DSDV, DYMO y OLSR. El único modelo de propagación implementado es el de espacio libre. Después de años de desarrollo (el proyecto se inició en 1992) OMNeT++ sigue mostrando una gran vitalidad y cuenta con una comunidad importante a su alrededor, siendo bastante popular en el mundo académico debido a su Página | 32.