UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS

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UNIVERSIDAD CENTRAL “MARTA ABREU” DE LAS VILLAS

FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA

DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES

Evaluación de Parámetros de Calidad de VoIP en Redes MANET

Tesis presentada en opción al Título Académico de Máster en Telemática

Maestría en Telemática

Autor: Ing. Patricia Sing Borrajo

Tutores: MSc. Carlos Rodríguez López Dra. C. Ileana Moreno Campdesuñer

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RESUMEN

Actualmente las Redes Ad Hoc Móviles, también conocidas como MANET, son una de las topologías de red de acceso inalámbrico que más atención reciben por parte de la comunidad investigadora. Este tipo de redes ofrece una arquitectura completamente descentralizada, atractiva para propósitos móviles y muy adecuada para situaciones donde no es posible desplegar una infraestructura de red. Por otro lado, no existen dudas sobre el actual crecimiento de los servicios multimedia, el uso de Voz sobre IP (VoIP) se ha convertido en una práctica común entre los usuarios de Internet. Los niveles de calidad alcanzados, el bajo costo de las llamadas y la posibilidad de comunicación independientemente de la ubicación geográfica, son las características más apreciadas. Sin embargo, la naturaleza dinámica de MANET 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 definen cuáles son los parámetros que influyen de forma determinante en la calidad percibida por el usuario, posteriormente se diseñan experimentos de evaluación para aplicaciones de voz sobre IP en escenarios concretos teniendo en cuenta los parámetros definidos. Con los resultados obtenidos se ha podido comprobar que los parámetros estudiados tienen un comportamiento variable en MANET, no obstante existen grandes perspectivas con la posibilidad de utilizar estas tecnologías (VoIP y MANET) para ofrecer telefonía móvil de bajo costo gracias a la facilidad de despliegue y a la sencillez de su infraestructura.

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ÍNDICE

INTRODUCCIÓN ... 1 

CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LAS REDES AD HOC MÓVILES ... 5 

1.1  Redes WLAN. IEEE 802.11 ... 5 

1.2  Redes Ad Hoc ... 7 

1.2.1  Redes Mesh ... 8 

1.2.2  Redes de Sensores ... 9 

1.2.3  Redes VANET (Vehicular Ad Hoc Network) ... 10 

1.3  Redes MANET ... 11 

1.3.1  Características de las redes MANET ... 12 

1.3.2  Aplicaciones de las redes MANET ... 13 

1.4  Funcionamiento en la capa de red de las redes MANET ... 14 

1.4.1  Protocolos de Enrutamiento Reactivo ... 15 

1.4.2  Protocolos de Enrutamiento Proactivo ... 17 

1.5  Capa de Aplicación de las redes MANET ... 20 

1.6  Consideraciones finales del Capítulo 1 ... 21 

CAPÍTULO 2. IDENTIFICACIÓN DE PARÁMETROS DE CALIDAD Y ENTORNO DE SIMULACIÓN ... 22 

2.1  Calidad de Servicio en Redes MANET ... 22 

2.2  Aplicaciones de Voz sobre IP en Redes MANET ... 23 

2.3  Parámetros fundamentales que influyen en el desempeño de las aplicaciones de voz ... 24 

2.3.1  Pérdida de paquetes ... 25 

2.3.2  Retardo ... 25 

2.3.3  Variación del retardo ... 26 

2.3.4  Codec ... 27 

2.4  Requisitos del simulador a utilizar ... 27 

2.5  Network Simulator 3 ... 28 

2.6  Introducción al ns3 ... 29 

2.6.1  Instalación de ns3 ... 29 

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2.6.3  Topologías de Ayuda ... 30 

2.7  Clases y módulos del simulador utilizados ... 31 

2.8  Montaje y configuración de la Red Ad Hoc Móvil ... 35 

2.9  Consideraciones finales del Capítulo 2 ... 37 

CAPÍTULO 3. DISEÑO Y EVALUACIÓN DE LOS EXPERIMENTOS ... 38 

3.1  Simulación de los experimentos ... 38 

3.1.1  Objetivos de la simulación ... 38 

3.1.2  Diseño de los escenarios de simulación ... 38 

3.2  Archivos de trazas ... 39 

3.2.1  Análisis de los datos ... 39 

3.3  Primer Experimento ... 41 

3.3.1  Descripción del primer experimento ... 41 

3.3.2  Resultados y discusión del primer experimento ... 42 

3.4  Segundo Experimento ... 45 

3.4.1  Descripción del segundo experimento ... 45 

3.4.2  Resultados y discusión del segundo experimento ... 46 

3.5  Tercer Experimento ... 49 

3.5.1  Descripción del tercer experimento ... 49 

3.5.2  Resultados y discusión del tercer experimento ... 50 

3.6  Cuarto Experimento ... 52 

3.6.1  Descripción del cuarto experimento ... 52 

3.6.2  Resultados y discusión del cuarto experimento ... 53 

3.7  Consideraciones finales del Capítulo 3 ... 55 

CONCLUSIONES ... 56 

RECOMENDACIONES ... 58 

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 59 

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1 | P á g i n a Hoy en día las Redes Ad Hoc Móviles son una de las redes inalámbricas que más atención reciben por la comunidad investigadora [1], [2] Este tipo de redes ofrece una arquitectura completamente descentralizada, atractiva para propósitos móviles y muy adecuada para situaciones dónde no es posible desplegar una infraestructura de red, tales como, desastres naturales o configurar redes temporales [1], [3-5]. MANET puede ser utilizada en cualquier lugar, en un corto período de tiempo, proporcionando acceso a la información y los servicios. Debido a su naturaleza dinámica, MANET, tiene que ser capaz de formar una red auto configurable en la cual todos los nodos colaboren en las tareas de enrutamiento, consecuentemente, los nodos en la red pueden desempeñarse como hosts y como enrutadores. Usando protocolos de ruteo adecuados, todas estas tareas son transparentes al usuario, lo que facilita la utilización de estos sistemas [1], [3], [4].

Por otro lado, no existen dudas sobre el actual crecimiento de los servicios multimedia, los cuales representan más del 50% del tráfico de Internet actual [6]. Por ejemplo, el uso del servicio de Voz sobre IP (VoIP), se ha convertido en una práctica común entre los usuarios de Internet. Los niveles de calidad alcanzados, el bajo costo de las llamadas y la posibilidad de comunicación con cualquier lugar independientemente de la ubicación geográfica son las características más apreciadas por los usuarios [2].

Sin embargo, la transmisión de VoIP 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 [5] 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, así como, niveles elevados de potencia de los nodos y condiciones del entorno, retos no triviales si se desea proporcionar un servicio de VoIP con niveles aceptables de calidad [2].

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; siendo necesario el uso de protocolos de enrutamiento eficientes para satisfacer la alta calidad que demandan los servicios de comunicación multimedia.

El desempeño de los servicios de VoIP sobre escenarios MANET no ha sido investigado con la misma intensidad que en las redes de infraestructura [2]. No obstante, se pueden encontrar algunas publicaciones que estudian ambientes Ad Hoc que soportan tráfico de Voz sobre IP [4], [7-12].

Anand et. al analiza en [10] el comportamiento de diferentes codecs y de esquemas WLAN transportando tráfico VoIP y arriba a conclusiones sobre el desempeño de la red, basado en diferentes parámetros de QoS, tales como, throughput, retardo y jitter. Además evalúa

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2 | P á g i n a diferentes protocolos de ruteo para tráfico VoIP hallando que el protocolo OLSR alcanza un alto nivel de calidad en términos de throughput y retardo, comparado con otros protocolos como AODV y DSR.

El estudio realizado en [13] plantea la evaluación de la calidad mediante el uso de tres protocolos de ruteo y tráfico VoIP. Eligen el simulador Opnet Modeler, que es software propietario, por lo que se hace difícil la reproducibilidad del experimento.

Shin y Schulzrinne [14] han medido la capacidad para tráfico VoIP en una IEEE 802.11 mediante un testbed y han determinado la capacidad teórica para una WLAN soportando llamadas VoIP.

En [4] miden mediante simulación el impacto que tienen las métricas: número de saltos, carga de tráfico, densidad de los nodos y número de interrupciones de ruta; en el desempeño de aplicaciones de VoIP en redes MANET. Comprueban que las métricas estudiadas tienen un comportamiento inconsistente en MANET.

Vanhatupa et. al en [12] realizan una evaluación de desempeño de MANET soportando trafico VoIP. Investigan el efecto del tamaño del paquete VoIP en redes WLAN multisaltos. Los autores obtienen que el número de saltos junto a tamaños pequeños de paquetes causan bajo throughput y largos retardos, condiciones inaceptables para aplicaciones VoIP. En [15] y [16] afirman que el número de nodos es un factor determinante en el desempeño de MANET soportando tráfico multimedia, lo que determina la carga de la red.

En [17] 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 [5], [18] y [19] 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 telefonía sobre redes Ad Hoc móviles con una calidad satisfactoria, que los codec de audio empleados afectan el desempeño de tales protocolos de ruteo y que las evaluaciones realizadas aún son insuficientes.

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 [4].

En la actualidad el tema de proporcionar QoS en Internet tiene gran importancia; es por ello que hay mucho trabajo realizado en esta área. Pero los mecanismos desarrollados para redes cableadas no son aplicables directamente a las MANET debido a las diferencias considerables entre ambas tecnologías. Por lo tanto, uno de los desafíos más importantes actualmente en las MANET es el de dotar de QoS a unas redes que son altamente dinámicas, no disponen de infraestructura fija y tienen unos recursos muy limitados.

En el marco de las observaciones anteriores, cabe agregar que, el hecho de poder ofrecer ciertos niveles de calidad de servicio en redes MANET sigue siendo un tema abierto para la

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3 | P á g i n a comunidad investigadora, y supone un reto muy interesante dadas las dificultades que conlleva [18].

Por ello este trabajo se plantea el siguiente problema científico:

¿Cómo afectan los parámetros de calidad el desempeño de las aplicaciones de voz sobre IP en redes MANET?

De acuerdo con los razonamientos que se han venido realizando el objeto de investigación son las Redes Ad Hoc y el campo de acción las Redes Ad Hoc Móviles.

En ese mismo sentido el objetivo general de la investigación es:

 Evaluar parámetros de calidad de servicio en aplicaciones de Voz sobre IP en redes MANET.

Para dar cumplimiento al objetivo general se plantean como objetivos específicos: 1. Caracterizar las redes Ad Hoc particularizando en las redes MANET.

2. Identificar los parámetros que influyen de forma determinante en la calidad percibida por el usuario.

3. Diseñar experimentos de evaluación para aplicaciones de voz sobre IP en escenarios concretos.

4. Simular los experimentos diseñados atendiendo a los parámetros de calidad definidos. Para organizar la investigación, en este trabajo se plantean como tareas científicas:

1. Revisión de la bibliografía técnica especializada del estándar 802.11, particularizando en las redes Ad Hoc y dentro de estas, en las redes MANET.

2. Determinación de los referentes teóricos y metodológicos que sustentan el desarrollo de MANET.

3. Investigación de los protocolos de enrutamiento fundamentales de las redes MANET. 4. Identificación de los parámetros fundamentales a tener en cuenta en la evaluación de la

calidad de las aplicaciones de voz sobre redes MANET

5. Profundización en el conocimiento de las herramientas de simulación, atendiendo a las características y potencialidades que poseen.

6. Elección del simulador de red adecuado para la evaluación de calidad en aplicaciones de VoIP sobre redes MANET.

7. Definición de los parámetros a emplear en el modelo de simulación.

8. Diseño de los escenarios de simulación para evaluar aplicaciones de voz sobre IP. 9. Ejecución de los experimentos.

10. Evaluación y discusión de los resultados.

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4 | P á g i n a Histórico-lógico: Se utilizó para indagar en el desarrollo histórico del tema, su génesis y su evolución.

Analítico-Sintético: Permitió analizar detalladamente la documentación relacionada con el tema desde su nacimiento hasta su desarrollo actual. Dio la posibilidad de llegar a conclusiones de las teorías y las metodologías estudiadas sobre el tema y de los principales software existentes para la simulación.

Inductivo-Deductivo: Posibilitó establecer generalidades en cuanto al diseño de experimentos que permitieron la evaluación de aplicaciones de voz sobre IP en escenarios concretos. Sistémico-Estructural: Permitió construir un sistema de contenido que va de lo general a lo particular. Se utilizó para la concepción sistémica de la modelación mediante la cual se crean abstracciones con vistas a explicar la realidad. El modelo sustituyendo al objeto de investigación. Opera en forma práctica o teórica con un objeto, no directamente, sino utilizando un sistema intermedio, en este caso, la simulación.

En aras de satisfacer los objetivos planteados se ha decidido estructurar el trabajo en introducción, capitulario, conclusiones, recomendaciones y anexos.

En la introducción se realiza una reseña donde se define la necesidad, actualidad e importancia del tema que se aborda.

En el capítulo 1 se exponen las principales características de las redes inalámbricas. Se destacan las redes Ad Hoc, particularizando en las Redes Ad Hoc Móviles. Se enfatiza en los principales conceptos de las redes MANET y los protocolos de enrutamiento utilizados en este proyecto.

En el capítulo 2 se identifican los parámetros que influyen de forma determinante en la calidad percibida por el usuario y se detallan los aspectos del entorno de simulación, imprescindibles para los experimentos que se diseñan.

En el capítulo 3 se diseñan los experimentos de evaluación para aplicaciones de voz sobre IP en escenarios concretos, se describe el procedimiento de análisis de los datos y se evalúa cómo los parámetros definidos afectan la calidad de servicio en Redes Ad Hoc Móviles. 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 IEEE.

En los anexos se muestran las clases y módulos fundamentales del simulador utilizados en el proyecto.

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5 | P á g i n a

MÓVILES

El nivel tecnológico alcanzado en la sociedad actual ha hecho que sea prácticamente imposible el desarrollo sin computadoras e Internet. El auge de los dispositivos móviles y los nuevos servicios, que surgen casi diariamente, reclaman la facilidad de comunicación inalámbrica; la cual 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). En este capítulo se exponen las principales características de las redes inalámbricas, se destacan las redes Ad Hoc, particularizando en las Redes Ad Hoc Móviles. Se enfatiza en los principales conceptos de las redes MANET y los protocolos de enrutamiento utilizados en este proyecto.

1.1 Redes WLAN. IEEE 802.11

Una WLAN (Wireless Local Area Network) es una red inalámbrica de dispositivos que se rige por el 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 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.

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 Red de Área Local (Local Area Network, LAN) 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 (Basic Service Set, BSS); estas son controladas por una estación base, nombrada Punto de Acceso (Access Point, AP); como se muestra en la figura 1.1.

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6 | P á g i n a Figura 1.1: IEEE 802.11 Set de Servicio Básico

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 (Distribution System, DS), el cual es típicamente Ethernet.

Figura 1.2: IEEE 802.11 Set de Servicio Extendido

Toda la interconexión de la LAN inalámbrica como se muestra en la figura 1.2, 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 (Extended Service Set, ESS) [20].

Según [21] existen dos modos de operación básicos en las redes inalámbricas, como se muestra en la figura 1.3: 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.

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7 | P á g i n a Figura 1.3: Modos de Operación en Redes Inalámbricas [21]

En el modo Ad Hoc, la WLAN está formada solamente por estaciones. Es decir, no necesitamos un Punto de Acceso central que conforme el BSS, las estaciones se conectan entre ellas, punto a punto, para formar una WLAN.

Figura 1.4: Set de Servicio Básico Independiente

Cada estación actúa como emisor, receptor y router, por lo que se hacen necesarios protocolos de enrutamiento específicos que permitan a los nodos reenviar paquetes.

Un conjunto de estaciones que forman una red Ad Hoc se denomina IBSS (Independent Basic Service Set), como se ilustra en la figura 1.4.

La reputación de las redes 802.11 ha venido conducida de una diversificación de los servicios, entre ellos, la comunicación de voz. Sin embargo, las redes inalámbricas presentan nuevos inconvenientes para la comunicación de voz en términos de la Calidad de Servicio.

1.2 Redes Ad Hoc

Las primeras redes Ad Hoc fueron las redes packetradio de los años 70. Se trataba de redes conmutadas para el intercambio de datos por radiofrecuencia. Una de las primeras de estas

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8 | P á g i n a redes fue ALOHAnet, desarrollada por el profesor Norman Abramson, de la Universidad de Hawai, con financiación de la agencia DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) [22].

Lo nuevo en ALOHAnet y diferente a otras redes de ese tiempo; como ARPANET, era su carácter inalámbrico. Al usar un medio compartido para la comunicación se necesitaba un mecanismo que regulase el acceso de los nodos al medio. Entonces, ALOHAnet introdujo un nuevo protocolo: el Acceso Múltiple por Detección de Portadora (CSMA). El siguiente reto era lograr que los nodos pudieran moverse, entrar y salir de la red sin perder la conectividad. Este tipo de red se definió como MANET [22].

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 Ad Hoc Móviles (MANET, Mobile Ad Hoc Network).

1.2.1 Redes Mesh

Las redes inalámbricas malladas, son aquellas redes en las que se mezclan las dos topologías de redes inalámbricas, la topología Ad Hoc y la topología infraestructura.

Una red de malla inalámbrica (Wireless Mesh Network, WMN) como se muestra en la figura 1.5 es una red inalámbrica multi salto, en la que los routers WMN transmiten el tráfico en nombre de otros routers de malla o estaciones cliente y por lo tanto forman una red troncal inalámbrica. Para permitir a los clientes móviles (laptops, smartphones, tablets) conectarse a la malla, los puntos de acceso mesh proporcionan una interfaz WLAN estándar y actúan como routers de malla que reenvían tráfico hacia el destino a través de otros routers de malla o la puerta de entrada, la cual conecta la malla a Internet [23].

Figura 1.5: Arquitectura inalámbrica Mesh (Routers Mesh, Clientes Mesh y Puerta de Enlace Mesh) [23]

Estas redes 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 que directamente o indirectamente está dentro del rango de cobertura de un punto de acceso.

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9 | P á g i n a Las redes inalámbricas malladas se caracterizan porque no necesitan de un enrutador o nodo central, de modo que si algún nodo abandona la red, el protocolo de ruteo redirige la información hacia otros nodos. Cada uno de los nodos que conforman esta red son compatibles con el estándar IEEE 802.11 y configurado en modo Ad Hoc, por lo que pueden operar como clientes o como enrutadores [24].

Durante la última década, el paradigma de la red de malla inalámbrica ha madurado razonablemente, y se ha producido una amplia investigación sobre diversas áreas relacionadas con WMN como el diseño, la implementación, protocolos y rendimiento [25].

1.2.2 Redes de Sensores

Las redes inalámbricas de sensores (WSN, Wireless Sensor Network), se basan en dispositivos de bajo coste y consumo que son capaces de obtener información de su entorno, procesarla localmente, y comunicarla a través de enlaces inalámbricos hasta un nodo central de coordinación. La posibilidad de implementar estos dispositivos ofrece posibilidades asombrosas en multitud de aplicaciones. Los nodos actúan como elementos de la infraestructura de comunicaciones al reenviar los mensajes transmitidos por nodos más lejanos hacia al centro de coordinación.

La red de sensores inalámbricos está formada por numerosos dispositivos distribuidos espacialmente, que utilizan sensores para controlar diversas condiciones en distintos puntos, entre ellas la temperatura, el sonido, la vibración, la presión y movimiento. Los sensores pueden ser fijos o móviles [26].

Los dispositivos son unidades autónomas que constan de un microcontrolador, una fuente de energía (usualmente una batería), un radiotransceptor (RF) y un elemento sensor.

Las WSN actuales están basadas en el estándar IEEE 802.15.4. ZigBee [27] con el protocolo subyacente 802.15.4. Incluye multi salto, lo que implica que un mensaje puede utilizar varios saltos en las ondas de radio para llegar a su destino.

Existen varias topologías para el despliegue de una red de sensores, además de la clásica topología de red mallada de WSN, como se observa en la figura 1.6. En la topología de redes en estrella los nodos inalámbricos se comunican con un dispositivo de pasarela (gateway) que hace de puente de comunicación con una red cableada.

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10 | P á g i n a La característica principal de las redes de sensores es su capacidad de organización automática. Así, es posible realizar despliegues de sensores en lugares de difícil acceso, o incluso en el interior de zonas afectadas por catástrofes, mediante medios aéreos. Gracias a esta característica es posible mantener la red en funcionamiento incluso cuando algunos nodos se encuentran fuera de servicio, debido a fallos, agotamiento de baterías o de modo bajo consumo. En estos casos la red es capaz de reorganizarse y continuar funcionando [29].

Las redes de sensores tienen una amplia variedad de aplicaciones [30]:

 Monitorización de un hábitat (para determinar la población y comportamiento de animales y plantas, observación del suelo o agua)

 Mantenimiento de ciertas condiciones físicas (temperatura, luz)  Detección de incendios, terremotos o inundaciones

 Sensorización de edificios “inteligentes”

 Control médico, de tráfico, de inventario, de parámetros en la agricultura,

Como se puede apreciar las redes de sensores inalámbricas tienen el potencial de revolucionar los complejos sistemas de control u observación, tal y como hoy los entendemos.

1.2.3 Redes VANET (Vehicular Ad Hoc Network)

Las dos últimas décadas hemos sido testigos de la integración de las tecnologías informáticas y las comunicaciones [31]. Las nuevas tecnologías han encontrado su camino a la ingeniería automotriz, desde el control del motor, control de movimiento, información y entretenimiento hasta las comunicaciones. Dado que existen muchas unidades de procesamiento en un vehículo moderno ordinario, fácilmente podríamos decir que el coche es básicamente una "red de ordenadores sobre ruedas" [32]. Dicha red se conecta a través de una unidad a bordo (OBU, On Board Unit) a una red VANET (Vehicular Ad Hoc Network) y, finalmente, a Internet a través de las unidades de tierra (RSU, Roadside Units).

Una red Ad Hoc vehicular, es un tipo de red de comunicación que utiliza a los vehículos como nodos de la red.

Las comunicaciones inalámbricas entre vehículos, vehículo a vehículo (V2V) y vehículo a infraestructura (V2I) son dos subsistemas principales de una red VANET, así como el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) el cual juega un papel esencial en esta red. La figura 1.7 muestra estos componentes VANET incluyendo los satélites para el posicionamiento GPS [33].

Los componentes de la infraestructura son parte de una estructura de red fija, definida por varios estándares IEEE 802 para redes cableadas e inalámbricas [34].

En una red VANET, como se observa en la figura 1.7, el dispositivo de comunicación asociado a cada vehículo no solo desempeña el papel de nodo de la red, sino también, de router y switch.

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11 | P á g i n a Figura 1.7: Red VANET

La topología de la red cambia rápidamente; dos nodos pueden comunicarse directamente si están dentro del alcance de comunicación, si no, pueden establecer una comunicación multi salto [35].

La utilidad de este tipo de redes radica en la provisión de una serie de nuevos servicios, por ejemplo, los vehículos disponen de más información sobre el estado del tráfico, pueden acceder a servicios y datos que mejoran la comodidad del viaje para los pasajeros tales como VoIP y vídeo bajo demanda [33] y es posible obtener información enriquecida de localización, con lo que los sistemas de navegación basados en GPS pueden mejorar su eficacia [36].

Las comunicaciones vehiculares se están convirtiendo en uno de los aspectos más importantes del futuro vehículo y son consideradas parte fundamental del sistema de transporte inteligente [41].

1.3 Redes MANET

Las redes Ad Hoc móviles consisten en un conjunto de nodos que se comunican mediante enlaces inalámbricos, estas redes según [37] 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 [38], por lo tanto son flexibles y fácilmente desplegables.

Como punto de inicio de la investigación de las redes Ad Hoc Móviles se puede establecer la mitad de la década del 90, estas primeras discusiones se centraron en redes inalámbricas satelitales, redes gubernamentales y redes autoconfigurables. La idea principal fue la de adaptar los protocolos existentes en Internet a redes inalámbricas y altamente dinámicas. Posteriormente, se creó el grupo de trabajo sobre MANET 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

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12 | P á g i n a 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. Las MANET, 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 smartphones pero pueden incluir laptops, tablets y cualquier dispositivo que posea una interfaz inalámbrica.

Figura 1.8: Ejemplo de una red MANET

La forma básica de operación de una Red Ad Hoc Móvil 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.

Figura 1.9: Comunicación en una Red Ad Hoc Móvil

1.3.1 Características de las redes MANET

Debido a que las MANET se pueden construir espontáneamente, sin necesidad de una infraestructura existente, estas redes presentan restricciones especiales que se deben

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13 | P á g i n a considerar para el diseño de soluciones. A continuación se describen algunas características:

 Topología dinámica: Debido a que los nodos de una Red Ad Hoc Móvil son libres de moverse arbitrariamente, la topología de la red (la cual es típicamente multi salto) 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.  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 Ad Hoc Móvil 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.

1.3.2 Aplicaciones de las redes MANET

Las MANET 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 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,

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14 | P á g i n a 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 MANET para compartir información entre los participantes en un congreso, una conferencia o una clase. Otros ejemplos donde existen muchas aplicaciones son en estadios deportivos, en aeropuertos, cafeterías, museos, centros comerciales.

1.4 Funcionamiento en la capa de red de las redes MANET

Es en esta capa donde más se distinguen las redes MANET de las redes cableadas. 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 [18], [39-42], en función del método que utilizan para determinar las rutas:

 Protocolos reactivos  Protocolos proactivos  Protocolos híbridos

Además de estos tres grandes grupos también existe un pequeño conjunto que además de realizar la función de enrutamiento, intenta proporcionar mecanismos necesarios para garantizar protocolos con QoS en las comunicaciones.

En la figura 1.10 se pueden ver algunos protocolos de enrutamiento ya clasificados según las categorías anteriormente mencionadas:

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15 | P á g i n a Figura 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 [43].

1.4.1 Protocolos de Enrutamiento Reactivo

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:  Dynamic MANET On demand (DYMO), 2005

Dynamic Source Routing (DSR), 2004

Ad Hoc On Demand Distance Vector Routing (AODV), 2003 Temporally Ordered Routing Algorithm (TORA), 2001 Cluster-Based Routing Protocol (CBRP), 1999

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16 | P á g i n a  Associativity-Based Routing (ABR), 1996

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 [44]. 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, como se observa en la 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, este proceso se observa en la figura 1.12.

        Figura 1.11: Transmisión broadcast de RREQ Figura 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.

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17 | P á g i n a 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.

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 [13].

1.4.2 Protocolos de Enrutamiento Proactivo

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:

Topology Dissemination Based on Reverse-Path Forwarding (TBRPF), 2004 Optimized Link State Routing (OLSR), 2003

Hierarchical State Routing (HSR), 2000 Source-Tree Adaptive Routing (STAR), 1999

Multimedia support in Mobile Wireless Networks (MMWN), 1998 Destination-Sequenced Distance Vector (DSDV), 1994

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DSDV

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 [45].

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 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 Ad Hoc Móviles altamente dinámicas y con un ancho de banda limitado [46]. 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 de radio. Por ello OLSR provee un mecanismo eficiente de diseminación de información basado en el esquema de los retransmisores (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, 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.

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19 | P á g i n a Hay varias formas de escoger los multipoint relays de un nodo, pero independientemente de la forma de elección, el conjunto de MPR 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) [47].

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.

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.

BATMAN

BATMAN (Better Approach To Mobile Adhoc Networking) es un protocolo de enrutamiento proactivo para redes Ad Hoc móviles. La motivación para su desarrollo fue reemplazar el protocolo OLSR, debido a dificultades que este presentaba. BATMAN tiene su punto crucial en los conocimientos sobre la descentralización de la mejor ruta a través de la red, no permitiendo que un solo nodo tenga todos los datos. Esta técnica elimina la necesidad de difundir información relativa de los cambios de red a todos los nodos de la misma. El nodo individual sólo guarda información sobre la "dirección" si recibió datos de ésta, y envía sus datos en consecuencia. Por este medio los datos se transmiten de un nodo a otro y obtiene paquetes de rutas individuales, creados de forma dinámica. Así se crea una red de inteligencia colectiva [48].

Los mensajes de enrutamiento que se envían en el protocolo BATMAN se denominan Originator Messages (OGM), y son paquetes UDP (User Datagram Protocol) de 52 bytes de longitud. El campo más importante de estos mensajes es el campo Originator Address, que contiene la dirección de host del nodo emisor. Cuando otro nodo recibe este mensaje, comprueba si la dirección del originador y la dirección fuente de la cabecera IP coinciden, y en caso afirmativo los dos nodos son vecinos directos [49]. Todos los OGM dentro de la red BATMAN son difundidos y re difundidos por los nodos de la red hasta que el valor del campo TTL (Time To Live) sea cero, hasta que se hayan perdido los paquetes, o hasta que el nodo recibe un OGM que él mismo ha enviado previamente [50]. Todos los nodos conocerán de la existencia de los demás y qué nodos constituyen el primer salto entre ellos y el resto de los

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20 | P á g i n a nodos de la red, es decir, el primer salto de la ruta. Los nodos y los primeros saltos en sus trayectos se almacenan en una lista llamada Originator List [51]. Existen dos versiones completamente diferentes del protocolo de enrutamiento BATMAN, y el descrito anteriormente es el BATMANDaemon o BATMANd [49].

A principios de 2007, los desarrolladores de BATMAN comenzaron a experimentar con la idea de enrutamiento en la capa 2 en lugar de la capa 3; surgiendo una versión más reciente del protocolo denominada BATMAN Advanced o BATMAN-adv.

BATMAN Advanced es una implementación de BATMAN en forma de módulo del kernel de Linux que opera en capa 2 (capa de enlace). En este la información de enrutamiento es transportada utilizando las tramas (Ethernet, Wi-Fi, entre otras variantes en dependencia de la tecnología que se emplee), y además el tráfico de datos es manejado por BATMAN-adv. BATMAN-adv encapsula y envía todo el tráfico hasta que este arribe al destino, emulando el funcionamiento de un switch de red virtual de los nodos participantes. De esta forma todos los nodos aparentan ser de enlace local y desconocen la topología de la red, además de no verse afectados por algún cambio en esta [49]. Entre las principales ventajas de BATMAN Advanced pudieran mencionarse que sobre él puede ejecutarse cualquier protocolo (IPv4, IPv6, DHCP Dynamic Host Configuration Protocol, entre otros), y que los nodos pueden formar parte de la Red Ad Hoc Móvil aún sin tener dirección IP [50].

BATMAN no fue diseñado para operar en medios estables y confiables, como las redes cableadas, sino más bien en función de medios poco fiables que si experimentan altos niveles de inestabilidad y de pérdida de datos. El protocolo fue concebido para contrarrestar los efectos de las fluctuaciones de una red y compensar su inestabilidad, permitiendo así un alto nivel de robustez. También incorpora como se mencionó la idea de Inteligencia Colectiva opuesta a la idea de enrutamiento de estado de enlace. La información topográfica no es manejada por un solo nodo, pero si se propaga a través de toda la red. No hay entidad central que conozca todas las posibles vías a través de la red. Los nodos solo determinan el dato para elegir el próximo salto, haciendo al protocolo muy liviano y rápidamente adaptable a fluctuaciones de la topología de red [52].

1.5 Capa de Aplicación de las redes MANET

Uno de los objetivos a lograr es que las mismas aplicaciones diseñadas para la Internet actual puedan funcionar en las redes MANET. Esto es válido actualmente para las aplicaciones de transmisión de datos que poseen una entrega de datos sin grandes requerimientos de ancho de banda ni restricciones en cuanto al tiempo de entrega de los paquetes. Sin embargo, Internet también se utiliza actualmente para otros tipos de aplicaciones, como aquellas que permiten el acceso en tiempo real a contenidos de audio y vídeo que producen flujos continuos de datos (streams), así como aplicaciones multimedia interactivas de tiempo real, como la voz sobre IP (Video over Internet Protocol, VoIP), la vídeo conferencia y la vídeo telefonía, que demandan a la red de transporte ciertas garantías mínimas de retardo en la entrega de paquetes, de variación de este retardo y de ancho de banda, pero que por otro lado pueden soportar cierto nivel de pérdida de paquetes, sin que la información se vuelva inútil. Debido a que el ancho de banda y la fiabilidad de los enlaces de

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21 | P á g i n a las redes Ad Hoc es mucho menor que en las redes cableadas, hay muchos retos por resolver para que este tipo de aplicaciones puedan ser soportadas de manera adecuada en los entornos Ad Hoc [53].

1.6 Consideraciones finales del Capítulo 1

En el presente capítulo se establecen los fundamentos teóricos sobre las redes MANET, arribándose a las siguientes conclusiones:

 Ofrecen una arquitectura completamente descentralizada, atractiva para propósitos móviles y muy adecuada para situaciones dónde no es posible desplegar una infraestructura de red, tales como, desastres naturales o configurar redes temporales en congresos, conferencias, clases, estadios deportivos, aeropuertos.

Debido a su naturaleza dinámica, MANET, tiene que ser capaz de formar una red auto configurable en la cual todos los nodos colaboren en las tareas de enrutamiento, consecuentemente, los nodos en la red pueden desempeñarse como transmisores, receptores y routers, esto es necesario ya que las rutas para llegar a un destino pueden tener varios saltos.

 La función principal de un protocolo de enrutamiento 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. Los protocolos de ruteo para redes Ad Hoc se pueden dividir en: reactivos, proactivos o híbridos, en función del método que utilizan para determinar las rutas. Los más utilizados por la comunidad científica son: AODV, OLSR y BATMAN. Sobre la base de las consideraciones anteriores, es evidente la necesidad de usar protocolos de enrutamiento eficientes para satisfacer la alta calidad que demandan los servicios de comunicación multimedia.

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.

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ENTORNO DE SIMULACIÓN

La transmisión de VoIP sobre Redes Ad Hoc Móviles 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 adecuados de los parámetros fundamentales que afectan el desempeño de las aplicaciones de voz.

En este capítulo se identifican los parámetros que influyen de forma determinante en la calidad percibida por el usuario. Posteriormente se detallan los aspectos del entorno de simulación, imprescindibles para los experimentos que se diseñan. Primero se describen los parámetros fundamentales que influyen en el desempeño de las aplicaciones de voz. Seguidamente se da una breve descripción de los requisitos que debe cumplir el simulador a utilizar y se profundiza en el simulador elegido; del mismo se mencionan las principales características y módulos utilizados. Culmina el capítulo presentando el montaje y configuración de la red, así como parámetros fundamentales de la simulación y de la aplicación utilizada.

2.1 Calidad de Servicio en Redes MANET

El surgimiento de nuevas aplicaciones multimedia, y aplicaciones de gestión con ciertos requisitos en cuanto a ancho de banda o retardo, han conseguido que desde hace algunos años la provisión de cierto nivel de calidad de servicio en la red sea un objetivo de vital importancia.

La topología de las MANET, como se ha mencionado, es dinámica y aleatoria; por esta razón, las condiciones de tráfico son altamente variables, haciendo extremadamente complicado proveer buena QoS (Quality of Service) a las aplicaciones que la requieran, además, las variaciones en el canal de radio y las limitaciones de energía de los nodos pueden producir frecuentes cambios en la topología y en la conectividad. Por tanto, las MANET deben adaptarse dinámicamente para ser capaces de mantener las conexiones activas a pesar de estos cambios [54].

El término QoS se refiere a la garantía de proveer un servicio con cierto grado de fiabilidad en la transmisión de información, a través de una red. Los principales parámetros que se utilizan para medir la misma son: la disponibilidad de la red, el ancho de banda, el retardo de los paquetes, la variación del retardo, la tasa de errores y la tasa de pérdida de paquetes. En función de los requisitos de las aplicaciones, algunos parámetros serán más importantes que otros en el momento de definirla [55].

En una MANET la implementación de una solución de QoS permite un comportamiento determinístico de la misma, el cual se puede traducir en una priorización de cierto tipo de tráfico [54]. Una adecuada implementación de un ambiente de provisión de QoS es

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23 | P á g i n a necesaria para lograr eficiencia en el uso y la asignación de los recursos de la red, mediante la identificación del tráfico con características críticas y restrictivas [56].

Si bien la administración de QoS está prácticamente resuelta en redes fijas, las características de las redes MANET hacen necesario un nuevo estudio para afrontar este problema [57].

A la hora de proveer calidad de servicio en redes Ad Hoc es necesario tener en cuenta las principales características que presentan. Principalmente la topología dinámica y el estado de los enlaces, que modifica los nodos vecinos y el ancho de banda disponibles respectivamente, así como el retardo presente, lo que conduce a que la provisión de QoS sea difícil de garantizar en este tipo de redes y sea un campo en el que aún se desarrollan muchas investigaciones.

2.2 Aplicaciones de Voz sobre IP en Redes MANET

En los últimos años, se ha producido un notable aumento en la demanda de aplicaciones multimedia sobre medios inalámbricos y específicamente sobre MANET, tales como: Voz sobre IP (VoIP), audio conferencia, video conferencia [54].

La tecnología de Voz sobre IP hace posible que la señal de voz viaje a través de la red empleando el protocolo IP, o sea, se envía la señal de voz en forma digital, en paquetes de datos, en lugar de enviarla en forma analógica a través de circuitos utilizables sólo por telefonía convencional como las redes PSTN (Public Switched Telephone Network).

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 PSTN.

Los problemas de la calidad del servicio en VoIP vienen derivados de dos factores principalmente; Internet es un sistema basado en conmutación de paquetes y por tanto la información no viaja siempre por el mismo camino. Esto produce efectos como la pérdida de paquetes o la variación del retardo.

Otro factor determinante es que las comunicaciones VoIP son en tiempo real lo que produce que efectos como el eco, y los anteriormente mencionados sean muy molestos y perjudiciales y deban ser evitados.

La evaluación de aplicaciones VoIP 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 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 [58] 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.

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24 | P á g i n a 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.

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 [13].

2.3 Parámetros fundamentales que influyen en el desempeño de las

aplicaciones de voz

El primer paso para elegir los parámetros más importantes con el fin de evaluar el comportamiento real en un red Ad Hoc en un contexto VoIP, es definir las diferentes situaciones que el usuario puede experimentar.

El usuario puede percibir una conversación normal, sentir pausas muy largas, pérdida de su interlocutor o puede simplemente apreciar que está teniendo una comunicación distante [5]. Todas esas situaciones pueden ser trasladadas dentro de dos escenarios diferentes para protocolos de ruteo Ad Hoc:

 Existe una ruta entre los dos usuarios.  No hay una ruta válida entre los usuarios.

En el primero de los dos casos la red está transmitiendo datos normalmente; puede que exista una pequeña pérdida de paquetes, que si se convierte en muy grande el protocolo de ruteo invalidará la ruta y dejará este modo. Por lo tanto la razón de pérdida de paquetes puede ser un parámetro estudiado cuando la red está en este modo pero puede que no sea necesario ya que VoIP es tolerante a una pequeña pérdida.

La preocupación principal cuando la red tiene una ruta válida entre dos usuarios es el retardo. Este es un asunto crítico en VoIP. Este parámetro está bien descrito en muchas publicaciones de fuentes arbitradas y es usado en la evaluación de redes Ad Hoc.

Enlazado al retardo está el jitter que es una medida de la variación del retardo. VoIP usa buffers para minimizar el efecto del jitter, pero esto añade cierto retardo, lo cual deja menos margen para el retardo de transmisión en una red. Este parámetro de red debe ser absolutamente minimizado para optimizar el retardo percibido por el usuario.

Cuando la red no tiene una ruta válida entre la fuente y el destino, se pueden enfrentar dos casos. En el primero, un usuario está tratando de establecer la comunicación con otro usuario; el tiempo en el cual la búsqueda de la primera ruta es completada, no es crítico, ya

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25 | P á g i n a que el usuario está esperando gastar algún tiempo para establecer la comunicación. Esto puede ser medido, pero es bastante obvio que la mayoría de los protocolos de ruteo Ad Hoc concuerdan con este requerimiento.

Por otro lado, si se posee una ruta que se ha convertido en inválida cuando la comunicación se ha establecido, se debe reparar la ruta en un rango de 150 ms a 200 ms para cumplir las necesidades de VoIP. Para este intervalo el usuario puede escuchar tiempos de pausa incómodos.

De acuerdo con los razonamientos que se han venido realizando estos eventos pueden ser usados para definir los parámetros de desempeño expuestos.

También es necesario mencionar que la QoS en una red VoIP depende en parte del tipo de codec de voz usado

[3].

Por tanto, con los parámetros que se han definido, es posible evaluar el desempeño de MANET en un contexto VoIP apropiado. A continuación se describen algunos parámetros individualmente.

2.3.1 Pérdida de paquetes

La pérdida de paquetes es un factor preponderante en lo que refiere a servicios en tiempo real, es medida como el por ciento de paquetes descartados en el receptor previo a la reproducción del flujo de datos [3].

Dado que el tráfico VoIP se implementa sobre UDP (Real Time Protocolo sobre UDP) y dadas las características de este protocolo, la recuperación de paquetes perdidos es imposible, así que los codec implementan técnicas de corrección de errores para hacerlos transparentes al usuario, utilizando algoritmos de interpolación sobre los datos recibidos para generar la información perdida.

Sin embargo, cuando las pérdidas superan cierto umbral (del orden del 3 %) o cuando se dan en ráfagas ya dejan de ser útiles las técnicas mencionadas [3].

2.3.2 Retardo

El retardo es medido desde el instante en que el paquete deja la NIC (Network Interface Card) del transmisor hasta que es recibido por la NIC del receptor [3]. De acuerdo con la Recomendación G.114 de la UIT, el retardo en aplicaciones de VoIP nunca debe exceder los 400 ms, sino la calidad del flujo VoIP será significativamente degradado. Sin embargo, el retardo promedio para un flujo VoIP debe ser menor que 150 ms para tener una percepción aceptable de la calidad [17]. Para valores mayores de retardo la comunicación se vuelve molesta por la pérdida de interactividad: la persona que habla al percibir que su interlocutor tarda en contestar, repite sus palabras, a la vez que recibe la respuesta procedente del otro extremo . En la figura 2.1 se muestran distintos componentes que contribuyen al retardo de extremo a extremo [59].

Los retardos introducidos en cada instancia pueden a su vez ser clasificados en retardos fijos y variables. Por ejemplo, el retardo introducido por la red puede considerarse un retardo de

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