Diseño de un hotspot para los parques de la ciudad de San Gabriel – cantón Montúfar

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(1)ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL. FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. DISEÑO DE UN HOTSPOT PARA LOS PARQUES DE LA CIUDAD DE SAN GABRIEL – CANTÓN MONTÚFAR. PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y REDES DE INFORMACIÓN. CARLOS EFRÉN HERNÁNDEZ CHULDE [email protected]. DIRECTORA: MSc. Soraya Sinche [email protected]. Quito, Junio 2015.

(2) i. DECLARACIÓN. Yo, Carlos Efrén Hernández Chulde, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. A través de la presente declaración cedo mis derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.. _____________________________ Carlos Efrén Hernández Chulde.

(3) ii. CERTIFICACIÓN. Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por el señor Carlos Efrén Hernández Chulde, bajo mi supervisión.. ________________________ MSc. Soraya Sinche DIRECTORA DEL PROYECTO.

(4) iii. CONTENIDO DECLARACIÓN .....................................................................................................i CERTIFICACIÓN ................................................................................................... ii CONTENIDO ........................................................................................................ iii ÍNDICE DE TABLAS ........................................................................................... vii ÍNDICE DE FIGURAS ........................................................................................... ix RESUMEN………... ............................................................................................. xii PRESENTACIÓN ............................................................................................... xiii CAPÍTULO 1.......................................................................................................... 1 REDES INALÁMBRICAS MESH ........................................................................... 1 1.1 INTRODUCCIÓN ..................................................................................... 1 1.1.1 REDES AD HOC Y WMNs ................................................................... 2 1.2 ARQUITECTURA DE RED ...................................................................... 3 1.2.1 WMN DE CLIENTE O PLANA .............................................................. 3 1.2.2 WMN DE BACKBONE O JERÁRQUICA .............................................. 4 1.2.3 WMN HÍBRIDA ..................................................................................... 4 1.3 CARACTERÍSTICAS ............................................................................... 5 1.4 ESCENARIOS DE APLICACIÓN ............................................................. 6 1.5 FACTORES CRÍTICOS DE DISEÑO ....................................................... 8 1.6 PROTOCOLOS Y TECNOLOGÍAS PARA WMNs.................................... 9 1.6.1 CAPA FÍSICA ....................................................................................... 9 1.6.1.1 MIMO (Multiple Input Multiple Output) ........................................... 9 1.6.1.2 Uso de Antenas Direccionales..................................................... 10 1.6.1.3 Uso de Antenas Inteligentes ........................................................ 10 1.6.1.4 Sistemas Multicanal .................................................................... 10 1.6.2 CAPA MAC ........................................................................................ 11 1.6.2.1 Protocolos MAC para Interfaces de Radio con un Solo Canal ..... 12 1.6.2.2 Protocolos MAC Multicanal de una Sola Interfaz de Radio .......... 14 1.6.2.3 Protocolos MAC Multiradio .......................................................... 16 1.6.3 CAPA DE RED ................................................................................... 17 1.6.3.1 Métricas de Enrutamiento ............................................................ 18 1.6.3.2 Protocolos de Enrutamiento ........................................................ 19 1.6.4 CAPA DE TRANSPORTE .................................................................. 21 1.7 SEGURIDAD EN WMN .......................................................................... 23 1.7.1 ATAQUES DE SEGURIDAD EN WMNs ............................................. 23 1.7.2 CONTRAMEDIDAS A LOS ATAQUES ............................................... 24 1.7.3 CARACTERÍSTICAS DE LAS SOLUCIONES DE SEGURIDAD PARA WMNs ...................................................................................... 25 1.7.4 MECANISMOS DE SEGURIDAD PARA WMNs ................................. 26 1.7.4.1 Autenticación ............................................................................... 26 1.7.4.2 MAC Seguro ................................................................................ 26 1.7.4.3 Enrutamiento Seguro .................................................................. 27.

(5) iv. 1.7.4.4 Administración de Llaves............................................................. 27 1.7.4.5 Detección de Intrusos .................................................................. 27 1.8 REDES INALÁMBRICAS MESH EN IEEE 802.11-2012 ........................ 27 1.8.1 CAPA FÍSICA ..................................................................................... 28 1.8.2 COMPONENTES DE UN MESH BSS ................................................ 29 1.8.3 PROCEDIMIENTOS MESH MLME .................................................... 31 1.8.3.1 Descubrimiento ........................................................................... 31 1.8.3.2 Peering con otras Estaciones ...................................................... 31 1.8.3.3 Seguridad .................................................................................... 33 1.8.3.4 Selección de Ruta Mesh .............................................................. 37 1.8.3.5 Costo de Tiempo en Aire ............................................................. 37 1.8.3.6 HWMP (Hybrid Wireless Mesh Protocol) ..................................... 38 1.8.3.7 Sincronización ............................................................................. 40 1.8.3.8 MBCA (Mesh Beacon Collision Avoidance) ................................. 41 1.8.4 SUBCAPA MAC ................................................................................. 42 1.8.4.1 Función de Coordinación Mesh (MCF) ........................................ 42 1.8.4.2 Formato de Trama ....................................................................... 44 1.8.5 INTEROPERABILIDAD CON OTRAS REDES ................................... 46 CAPÍTULO 2........................................................................................................ 50 DISEÑO DE LA WMN.......................................................................................... 50 2.1 INTRODUCCIÓN ................................................................................... 50 2.1.1 GENERALIDADES DEL CANTON MONTÚFAR ................................ 51 2.1.2 TURISMO EN EL ECUADOR ............................................................. 55 2.2 DETERMINACIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS .................................. 56 2.2.1 VISIÓN GENERAL DE LA PROPUESTA DE DISEÑO DE LA RED ... 56 2.2.2 ÁREA DE COBERTURA .................................................................... 57 2.2.3 REQUERIMIENTOS DE ANCHO DE BANDA DE LA RED WMN ....... 60 2.2.3.1 Encuesta aplicada a los habitantes de la ciudad de San Gabriel . 62 2.2.3.2 Estadísticas del Ministerio de Turismo ........................................ 70 2.2.3.3 Requerimientos de Ancho de Banda para cada Aplicación ......... 71 2.2.3.4 Dimensionamiento del Ancho de Banda Total ............................. 74 2.2.4 REQUISITOS DE DISEÑO DE LA WMN ............................................ 75 2.2.4.1 Requisitos Generales .................................................................. 75 2.2.4.2 Requisitos Específicos ................................................................ 76 2.2.5 PLANIFICACIÓN DE FRECUENCIAS DE LA RED WMN .................. 78 2.2.6 COMPONENTES DE LA WMN .......................................................... 80 2.2.6.1 Nodos de la WMN ....................................................................... 80 2.2.6.2 Portal Cautivo .............................................................................. 80 2.2.6.3 Equipo para Filtrado de Contenido Web ...................................... 81 2.2.6.4 Página Web................................................................................. 81 2.3 DIMENSIONAMIENTO DE LOS ENLACES ........................................... 82 2.3.1 LÍNEA DE VISTA................................................................................ 82.

(6) v. 2.3.1.1 Zonas de Fresnel ........................................................................ 83 2.3.2 CÁLCULO DEL PRESUPUESTO DE POTENCIA .............................. 84 2.3.2.1 Potencia de Transmisión ............................................................. 85 2.3.2.2 Pérdidas en los Cables................................................................ 85 2.3.2.3 Pérdidas en los Conectores ........................................................ 86 2.3.2.4 Ganancia de las Antenas ............................................................ 86 2.3.2.5 Pérdidas en el Espacio Libre ....................................................... 86 2.3.2.6 Margen de Umbral ....................................................................... 87 2.3.2.7 Margen de Desvanecimiento ....................................................... 87 2.3.3 TOPOLOGÍA DE LA RED .................................................................. 88 2.3.3.1 Cálculo de la primera Zona de Fresnel ........................................ 91 2.3.3.2 Cálculo del Presupuesto de Potencia .......................................... 91 2.3.3.3 Direccionamiento IP .................................................................... 94 2.4 SELECCIÓN DE EQUIPOS ................................................................... 94 2.4.1 NODOS DE LA WMN ......................................................................... 95 2.4.1.1 Alternativa Mikrotik ...................................................................... 95 2.4.1.2 Alternativa Motorola .................................................................. 100 2.4.1.3 Selección de la mejor alternativa ............................................... 101 2.4.1.4 Antenas ..................................................................................... 102 2.4.2 PORTAL CAUTIVO .......................................................................... 105 2.4.3 EQUIPO PARA FILTRADO DE CONTENIDO WEB ......................... 105 2.4.3.1 Alternativa Fortinet .................................................................... 105 2.4.3.2 Alternativa Palo Alto Networks .................................................. 106 2.4.3.3 Selección de la mejor alternativa ............................................... 107 2.4.4 PÁGINA WEB................................................................................... 108 2.5 REVISIÓN DE LA NORMATIVA LEGAL PARA LA IMPLEMENTACIÓN ............................................................................. 109 2.5.1 PRESTACIÓN DEL SERVICIO DE VALOR AGREGADO DE ACCESO A INTERNET .................................................................... 112 2.5.1.1 Reglamento para la Prestación de Servicios de Valor Agregado................................................................................... 112 2.5.1.2 Parámetros de Calidad para la Provisión del Servicio de Valor Agregado de Internet ................................................................. 114 2.5.2 REDES DE ACCESO UNIVERSAL DE INTERNET ......................... 115 2.5.3 SISTEMAS DE MODULACIÓN DIGITAL DE BANDA ANCHA ......... 117 2.5.3.1 Norma para la Implementación y Operación de Sistemas de Modulación Digital de Banda Ancha .......................................... 117 2.5.3.2 Reglamento de Derechos por Concesión y Tarifas por Uso de Frecuencias del Espectro Radioeléctrico ................................... 121 2.6 COSTO REFERENCIAL DE LA SOLUCIÓN ........................................ 124 2.6.1 INVERSIÓN INICIAL ........................................................................ 124 2.6.2 COSTOS DE OPERACIÓN .............................................................. 125.

(7) vi. 2.6.2.1 Tarifa del Permiso para la Prestación del Servicio de Valor Agregado de Internet ................................................................. 125 2.6.2.2 Tarifas por el Uso de Frecuencias del Espectro Radioeléctrico . 126 2.6.2.3 Tarifa Mensual del Enlace de Internet al ISP ............................. 127 2.6.2.4 Costos de Administración y Mantenimiento ............................... 127 CAPÍTULO 3...................................................................................................... 128 IMPLEMENTACIÓN DEL PROTOTIPO Y PRUEBAS ....................................... 128 3.1 IMPLEMENTACIÓN DEL PORTAL WEB ............................................. 130 3.1.1 SISTEMA DE GESTIÓN DE CONTENIDOS JOOMLA ..................... 130 3.1.2 DISEÑO DE LA PÁGINA WEB ......................................................... 130 3.2 INSTALACIÓN Y CONFIGURACIÓN DEL PORTAL CAUTIVO ........... 135 3.2.1 CONFIGURACIÓN DE EQUIPO DE FILTRADO DE CONTENIDO WEB ................................................................................................. 135 3.2.2 CONFIGURACIÓN DE HOTSPOT ................................................... 143 3.3 CONFIGURACIÓN DE EQUIPOS INALÁMBRICOS ............................ 155 3.3.1 CONFIGURACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS ........................ 155 3.3.2 CONFIGURACIÓN MESH ................................................................ 157 3.4 RESULTADOS DE LAS PRUEBAS REALIZADAS .............................. 161 3.4.1 PRUEBAS DEL HOTSPOT .............................................................. 161 3.4.2 PRUEBAS DE LA RED MESH ......................................................... 165 3.5 COSTOS DEL PROTOTIPO ................................................................ 168 CAPÍTULO 4...................................................................................................... 169 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ..................................................... 169 4.1 CONCLUSIONES ................................................................................ 169 4.2 RECOMENDACIONES ........................................................................ 171 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................. 173 ANEXOS ............................................................................................................ 177 ANEXO 1: ENCUESTA INTERNET GRATUITO EN LOS PARQUES DE SAN GABRIEL ANEXO 2: USO DE FRECUENCIAS ANEXO 3: PERFILES TOPOGRÁFICOS DE LOS ENLACES ANEXO 4: ESPECIFICACIONES TÉCNICAS (DATASHEET) DE LOS EQUIPOS SELECCIONADOS ANEXO 5: ESPECIFICACIONES TÉCNICAS (DATASHEET) DE LOS EQUIPOS DEL PROTOTIPO ANEXO 6: INSTALACIÓN DE JOOMLA.

(8) vii. ÍNDICE DE TABLAS CAPÍTULO 1.......................................................................................................... 1 REDES INALÁMBRICAS MESH ........................................................................... 1 Tabla 1.1: Diferencias entre redes Ad Hoc y WMNs .......................................... 2 Tabla 1.2: Constantes para la métrica de costo de tiempo en aire ................... 37 Tabla 1.3: Uso de los campo de dirección para tramas de datos mesh ........... 45 CAPÍTULO 2........................................................................................................ 50 DISEÑO DE LA WMN.......................................................................................... 50 Tabla 2.1: Población urbana y rural del cantón Montúfar ................................. 62 Tabla 2.2: Población urbana por grupos de edad del cantón Montúfar ............ 63 Tabla 2.3: Entradas de extranjeros por motivo de viaje ................................... 70 Tabla 2.4: Entradas de extranjeros, según jefaturas de migración ................... 71 Tabla 2.5: Tamaño de páginas web más usadas en Ecuador .......................... 72 Tabla 2.6: Ancho de banda requerido por Skype para llamadas de voz .......... 73 Tabla 2.7: Ancho de banda requerido por Skype para videoconferencia ......... 74 Tabla 2.8: Ancho de banda y porcentaje de uso de cada aplicación ................ 74 Tabla 2.9: Ancho de banda y número de usuarios soportados por la WMN ..... 75 Tabla 2.10: Canales disponibles en la banda de 2,4 GHz.................................. 79 Tabla 2.11: Canales disponibles en la banda de 5 GHz .................................... 79 Tabla 2.12: Pérdidas en los cables coaxiales .................................................... 85 Tabla 2.13: Factor de rugosidad del tipo de terreno........................................... 88 Tabla 2.14: Factor climático ............................................................................... 88 Tabla 2.15: Ubicación de los parques y plazas de la ciudad de San Gabriel ..... 89 Tabla 2.16: Enlaces y distancias entre los parques que tienen línea de vista .... 89 Tabla 2.17: Cálculo para la primera zona de Fresnel para los enlaces .............. 91 Tabla 2.18: Cálculo de pérdidas en el espacio libre ........................................... 91 Tabla 2.19: Cálculo de la potencia recibida ....................................................... 92 Tabla 2.20: Cálculo del margen de umbral ........................................................ 93 Tabla 2.21: Cálculo del margen de desvanecimiento......................................... 93 Tabla 2.22: Comparación del margen de umbral con el margen de desvanecimiento ............................................................................. 94 Tabla 2.23: Direccionamiento IP para la WMN .................................................. 94 Tabla 2.24: Licenciamiento RouterOS ............................................................... 96 Tabla 2.25: Costo alternativa Mikrotik ................................................................ 99 Tabla 2.26: Costo alternativa Motorola ............................................................ 101 Tabla 2.27: Comparación de las alternativas para los nodos de la WMN ........ 101 Tabla 2.28: Antenas requeridas por la topología de la WMN propuesta .......... 103 Tabla 2.29: Costos de las antenas .................................................................. 105 Tabla 2.30: Costo de alternativa Fortinet ......................................................... 106 Tabla 2.31: Costo de alternativa Palo Alto Networks ....................................... 107 Tabla 2.32: Comparación de las alternativas para equipos de filtrado web ...... 107.

(9) viii. Tabla 2.33: Tabla 2.34: Tabla 2.35: Tabla 2.36: Tabla 2.37: Tabla 2.38: Tabla 2.39: Tabla 2.40: Tabla 2.41: Tabla 2.42: Tabla 2.43: Tabla 2.44: Tabla 2.45: Tabla 2.46: Tabla 2.47: Tabla 2.48: Tabla 2.49: Tabla 2.50: Tabla 2.51:. Parámetros de calidad para SVA de Internet ................................ 115 Índices de calidad para redes de acceso universal ....................... 117 Bandas de frecuencia para sistemas de modulación de banda ancha ............................................................................................ 117 Límites de potencia para sistemas de modulación digital de banda ancha ................................................................................. 118 Límites de densidad de PIRE ........................................................ 120 Antenas y áreas para equipos que emplean modulación digital de banda ancha ............................................................................ 120 Límites de potencia fuera de las bandas de frecuencia en 5 GHz . 121 Coeficiente de valoración del espectro ࢻ૟ para sistemas que operen en bandas de modulación digital de banda ancha............. 122 Valor de la constante B para los sistemas que operen en bandas de modulación digital de banda ancha .......................................... 122 Coeficiente de valoración del espectro ࢻ૝ y radio de cobertura de la estación base o fija, para el servicio fijo y móvil (multiacceso) .. 123 Coeficiente de valoración del espectro ࢻ૞ por estaciones de abonado móviles y fijas para el servicio fijo y móvil (multiacceso). 124 Factor de capacidad sistemas de modulación digital de banda ancha ............................................................................................ 124 Costo de la inversión inicial del proyecto ...................................... 125 Costo del permiso de SVA de Internet .......................................... 125 Tarifa mensual para enlaces punto - punto ................................... 126 Tarifa mensual por cada estación fija ............................................ 126 Tarifa mensual por número de usuarios ........................................ 127 Costo del enlace de Internet ......................................................... 127 Costo mensual de operación del proyecto .................................... 127. CAPÍTULO 3...................................................................................................... 128 IMPLEMENTACIÓN DEL PROTOTIPO Y PRUEBAS ....................................... 128 Tabla 3.1: Direccionamiento IP para los nodos del prototipo ......................... 130 Tabla 3.2: Frecuencias para los enlaces mesh del prototipo ......................... 130 Tabla 3.3: Costo referencial del prototipo ...................................................... 168.

(10) ix. ÍNDICE DE FIGURAS CAPÍTULO 1.......................................................................................................... 1 REDES INALÁMBRICAS MESH ........................................................................... 1 Figura 1.1: WMN de cliente ................................................................................ 3 Figura 1.2: WMN de backbone ........................................................................... 4 Figura 1.3: WMN híbrida ..................................................................................... 4 Figura 1.4: Negociación del canal e intercambio de datos en MMAC ............... 15 Figura 1.5: Arquitectura del MUP ...................................................................... 16 Figura 1.6: Protocolo multiradio de dos fases, SynTX y SYnRx ........................ 17 Figura 1.7: Arquitectura lógica la capa física y subcapa MAC de IEEE 802.11 . 28 Figura 1.8: Ejemplo de MBSS que contiene mesh STAs, mesh gates, APs y portales ........................................................................................... 30 Figura 1.9: Diagrama de flujo de seguridad y peering mesh ............................. 36 Figura 1.10: Ilustración de definiciones en HWMP .............................................. 38 Figura 1.11: Arquitectura MAC de IEEE 802.11 .................................................. 42 Figura 1.12: Trama de datos mesh ..................................................................... 44 Figura 1.13: Ejemplo de direccionamiento para una trama de datos mesh ......... 46 CAPÍTULO 2........................................................................................................ 50 DISEÑO DE LA WMN.......................................................................................... 50 Figura 2.1: Ubicación del cantón Montúfar ........................................................ 51 Figura 2.2: División política del cantón Montúfar ............................................... 52 Figura 2.3: Parque Principal ............................................................................. 57 Figura 2.4: Parque de la Amistad ...................................................................... 58 Figura 2.5: Parque de la Madre ........................................................................ 58 Figura 2.6: Parque Carlos Montúfar .................................................................. 59 Figura 2.7: Plaza José Peralta .......................................................................... 59 Figura 2.8: Mirador ........................................................................................... 60 Figura 2.9: Ubicación de parques y plazas de San Gabriel ............................... 61 Figura 2.10: Resultados de la encuesta – Pregunta 1......................................... 64 Figura 2.11: Resultados de la encuesta – Pregunta 2......................................... 65 Figura 2.12: Resultados de la encuesta – Pregunta 3......................................... 65 Figura 2.13: Resultados de la encuesta – Pregunta 4......................................... 66 Figura 2.14: Resultados de la encuesta – Pregunta 5......................................... 66 Figura 2.15: Resultados de la encuesta – Pregunta 6......................................... 67 Figura 2.16: Resultados de la encuesta – Pregunta 7......................................... 67 Figura 2.17: Resultados de la encuesta – Pregunta 8......................................... 68 Figura 2.18: Resultados de la encuesta – Pregunta 9......................................... 68 Figura 2.19: Tamaño de correos electrónicos ..................................................... 73 Figura 2.20: Diagrama de la solución propuesta ................................................. 81 Figura 2.21: Trayectoria completa de transmisión .............................................. 82 Figura 2.22: Primera zona de Fresnel ................................................................. 83.

(11) x. Figura 2.23: Figura 2.24: Figura 2.25: Figura 2.26: Figura 2.27: Figura 2.28: Figura 2.29: Figura 2.30: Figura 2.31: Figura 2.32: Figura 2.33: Figura 2.34:. Diagrama de la WMN propuesta ..................................................... 90 RouterBoard RB433AH ................................................................... 97 Tarjeta miniPCI R52Hn ................................................................... 98 Pigtail MMCX a N-hembra .............................................................. 99 Caja de aluminio para exteriores para RouterBoard RB433 ............ 99 Motorola AP 6562 ......................................................................... 100 Antena Ubiquiti AMO-2G10 ........................................................... 102 Antena ARC-ID5820B88 ............................................................... 103 Antena Ubiquiti AM-M-V5G-Ti....................................................... 104 Fortigate 60D ................................................................................ 105 Palo Alto PA-500 .......................................................................... 106 Cuadrante de Gartner para UTM .................................................. 108. CAPÍTULO 3...................................................................................................... 128 IMPLEMENTACIÓN DEL PROTOTIPO Y PRUEBAS ....................................... 128 Figura 3.1: Diagrama del prototipo .................................................................. 129 Figura 3.2: Mapa de navegación de la página web ......................................... 132 Figura 3.3: Página principal del sitio web turístico .......................................... 133 Figura 3.4: Modelo de página de cada sitio turístico ....................................... 134 Figura 3.5: Interfaz web de acceso a la configuración de FortiGate 60C ........ 136 Figura 3.6: Página principal de configuración de FortiGate 60C ..................... 136 Figura 3.7: Interfaces en FortiGate 60C .......................................................... 137 Figura 3.8: Configuración IP de la interfaz Internal de FortiGate 60C ............. 137 Figura 3.9: Configuración IP de la interfaz WAN1 de FortiGate 60C ............... 138 Figura 3.10: Interfaces en FortiGate 60C .......................................................... 138 Figura 3.11: Perfiles de navegación en FortiGate 60C ...................................... 139 Figura 3.12: Creación de perfil de navegación .................................................. 139 Figura 3.13: Políticas de seguridad en FortiGate 60C....................................... 140 Figura 3.14: Creación de política de seguridad ................................................. 140 Figura 3.15: Personalización de mensajes en FortiGate 60C ........................... 141 Figura 3.16: Página de bloqueo web personalizada.......................................... 141 Figura 3.17: Servidor DNS en FortiGate 60C .................................................... 142 Figura 3.18: Creación de servidor DNS ............................................................ 142 Figura 3.19: Creación de registro DNS ............................................................. 143 Figura 3.20: Habilitación de servidor DNS ........................................................ 143 Figura 3.21: Servidor DNS configurado en FortiGate 60C ................................ 143 Figura 3.22: Pantalla de acceso por Winbox ..................................................... 144 Figura 3.23: Pantalla de inicio de Winbox ......................................................... 144 Figura 3.24: Configuración de la interfaz inalámbrica R52Hn ........................... 148 Figura 3.25: Configuración IP para una interfaz con WinBox ............................ 149 Figura 3.26: Hotspot en Mikrotik ....................................................................... 149 Figura 3.27: Selección de interfaz para hotspot ................................................ 149 Figura 3.28: Dirección IP para la interfaz hotspot ............................................. 150.

(12) xi. Figura 3.29: Figura 3.30: Figura 3.31: Figura 3.32: Figura 3.33: Figura 3.34: Figura 3.35: Figura 3.36: Figura 3.37: Figura 3.38: Figura 3.39: Figura 3.40: Figura 3.41: Figura 3.42: Figura 3.43: Figura 3.44: Figura 3.45: Figura 3.46: Figura 3.47: Figura 3.48: Figura 3.49: Figura 3.50: Figura 3.51: Figura 3.52: Figura 3.53: Figura 3.54: Figura 3.55: Figura 3.56: Figura 3.57: Figura 3.58: Figura 3.59: Figura 3.60: Figura 3.61: Figura 3.62: Figura 3.63: Figura 3.64: Figura 3.65: Figura 3.66: Figura 3.67: Figura 3.68:. Rango de direcciones para hotspot ............................................... 150 Certificado digital y servidor SMTP para hotspot ........................... 150 Servidores DNS para hotspot ....................................................... 151 Nombre DNS del hotspot .............................................................. 151 Usuario para el hotspot ................................................................. 151 Finalización de la configuración del hotspot .................................. 152 Perfil de usuario para hotspot ....................................................... 152 Perfil de servidor hotspot .............................................................. 153 Directorio de archivos de RouterOS .............................................. 153 Secciones a modificar en archivo alogin.html ............................... 154 Página de inicio de sesión personalizada ..................................... 154 Configuración de perfil de seguridad ............................................. 155 Configuración de la interfaz inalámbrica R52H ............................. 156 Conexiones inalámbricas en el nodo 1.......................................... 156 Conexiones inalámbricas en el nodo 2.......................................... 156 Conexiones inalámbricas en el nodo 3.......................................... 157 Creación de interfaz mesh ............................................................ 158 Configuración de parámetros HWMP ............................................ 158 Configuración de puertos en la interfaz mesh ............................... 159 Configuración WDS mesh en la interfaz inalámbrica ..................... 159 Interfaces WDS mesh ................................................................... 160 Puertos de la interfaz mesh .......................................................... 160 Base de datos de reenvío mesh.................................................... 161 Conexión de usuario al hotspot ..................................................... 161 Página de inicio de sesión ............................................................ 162 Página web turística...................................................................... 162 Usuarios del hotspot ..................................................................... 163 Usuarios activos del hotspot ......................................................... 163 Colas creadas para los usuarios del hotspot ................................. 163 Comprobación de la limitación del ancho de banda ...................... 163 Comprobación de servidor DNS.................................................... 164 Comprobación de filtrado web ...................................................... 164 Página mostrada al expirar el tiempo de conexión ........................ 164 Usuarios del hotspot ..................................................................... 165 Mesh traceroute hacia FortiGate 60C ........................................... 165 Base de datos de reenvío del nodo 2 ............................................ 166 Interfaces inalámbricas en el nodo 2 ............................................. 166 Ping extendido hacia FortiGate 60C con cambio de topología ...... 166 Mesh traceroute hacia FortiGate 60C con cambio de topología .... 167 Base de datos de reenvío con cambio de topología ...................... 167.

(13) xii. RESUMEN Este proyecto se enfoca en el diseño de una red inalámbrica mesh robusta y confiable, que permite el acceso inalámbrico gratuito a Internet en los parques y plazas de la ciudad de San Gabriel mediante cualquier dispositivo equipado con una interfaz de red IEEE 802.11b/g/n. En el primer capítulo se hace una revisión general de las redes inalámbricas mesh. Se presentan conceptos, arquitectura de red, características, escenarios de aplicación, consideraciones de seguridad y una descripción de los protocolos y algoritmos para la capa física, capa MAC (control de acceso al medio), capa de red y capa de transporte. Además se describe el estándar para redes mesh IEEE 802.11s™-2011. En el segundo capítulo se realiza el diseño de la red inalámbrica mesh. El diseño contempla el dimensionamiento de los enlaces y la selección de los equipos en base a los requerimientos determinados. También se hace una revisión de la normativa legal que corresponde a la implementación de este tipo de redes y se presenta el costo referencial de la solución. En el tercer capítulo se expone la implementación de un prototipo de la solución, que incluye el diseño de una página web con información turística del cantón Montúfar, y la configuración de los nodos mesh y el equipo que realiza el filtrado de contenido. Se presenta los resultados de las pruebas de funcionamiento del prototipo elaborado y su costo. En el cuarto capítulo se presentan las conclusiones y recomendaciones que se han obtenido con la elaboración de este proyecto..

(14) xiii. PRESENTACIÓN En los últimos años han surgido numerosos proyectos de implantación de redes inalámbricas mesh en algunos países. El nicho en el que esta tecnología parece haberse desarrollado de forma más espectacular es el de las redes Wi-Fi municipales, promovidas y financiadas por las municipalidades. Inicialmente estos sistemas se concibieron como una forma económica de satisfacer las necesidades de comunicaciones de las entidades municipales, pero últimamente la utilización de Wi-Fi se está planteando como una alternativa de bajo costo para proporcionar servicios de banda ancha gratuitos. Las WMNs incluso se pueden utilizar para video vigilancia, lectura automática de servicios públicos como parquímetros, vigilancia de instalaciones, la prestación de servicios de recuperación de desastres, y más. Una WMN es una red que tiene la capacidad formarse y recuperarse automáticamente, que se instala de forma rápida y sencilla, y requiere una administración mínima. La topología de la WMN crea automáticamente múltiples rutas inalámbricas, lo que permite a la red para superar los obstáculos, ampliar fácilmente su cobertura y ofrecer confiabilidad. Antes de la llegada de las WMNs, los hotspots debían estar conectados a Internet mediante cable. El pago de tarifas mensuales por estos servicios, hacía difícil o imposible justificar el costo de la inversión para la mayoría de gobiernos municipales. Mediante la implementación de una WMN, el despliegue de redes inalámbricas públicas para acceso a Internet es asequible, y se pueden ofrecer de manera gratuita. Dentro de este contexto, este proyecto proporciona una solución para proveer de acceso inalámbrico gratuito a Internet en los parques y plazas de la ciudad de San Gabriel del cantón Montúfar, los cuales estarán interconectados a través de un backhaul inalámbrico mesh robusto, confiable y tolerante a fallos..

(15) REDES INALÁMBRICAS MESH. CAPÍTULO 1 1 REDES INALÁMBRICAS MESH 1.1. INTRODUCCIÓN. Hoy en día gracias a su desempeño, bajo consumo de energía, bajo costo de los equipos y los avances en técnicas de comunicación sobre el espectro de radio frecuencia, las redes inalámbricas han llegado a ser una de las tecnologías de comunicación de consumo masivo. En los últimos años se ha dado una explosión en el desarrollo e investigación de nuevas tecnologías para redes inalámbricas, una de ellas son las Redes Inalámbricas Mesh, WMN (Wireless Mesh Network). Generalmente al hablar de una WMN, se dice que es un grupo de routers mesh y clientes mesh auto organizados y auto configurados, interconectados a través de enlaces inalámbricos [1]. En las WMNs, los nodos pueden ser routers mesh o clientes mesh, cada nodo opera no solo como un host sino también como un router, reenviando paquetes de otros nodos que no están directamente dentro de la cobertura inalámbrica de sus destinatarios [3]. Una WMN está dinámicamente auto organizada, con nodos que automáticamente establecen y mantienen una conectividad tipo malla entre ellos, esta característica le da muchas ventajas a las WMNs como bajos costos de instalación, fácil mantenimiento de red, robustez, y confiabilidad. El concepto de redes inalámbricas mesh puede ser usado para diferentes tecnologías de acceso inalámbrico como IEEE 802.11, IEEE 802.15, IEEE 802.16. ·. IEEE 802.11s - Estándar para WLAN malladas: Describe los protocolos para estaciones IEEE 802.11 para formar redes de multisalto auto configurables que soportan entrega de datos broadcast/multicast y unicast. Este estándar está consolidado en el estándar IEEE 802.11-2012 .[2]. ·. IEEE 802.15.5 - Estándar para WPAN malladas: Proporciona una práctica recomendada para proveer una infraestructura arquitectónica que permite a. 1.

(16) REDES INALÁMBRICAS MESH. dispositivos WPAN promover una topología de red inalámbrica mesh interoperable, estable, y escalable. [2] ·. IEEE 802.16a - Estándar para WMAN malladas: Especifica la capa física y la capa de control de acceso al medio de una interfaz de aire. Soporta topologías punto-multipunto y una topología opcional mesh. Es aplicable a sistemas operando entre 2–11 GHz. Este estándar está consolidado en el estándar IEEE 802.16-2004 reemplazado actualmente por el estándar IEEE 802.16-2012. [2]. 1.1.1. REDES AD HOC1 Y WMNs. Generalmente, las WMNs son consideradas como un tipo de red Ad Hoc. Más que ser un tipo de red Ad Hoc, las WMNs mejoran y diversifican las capacidades de las redes Ad Hoc [3], por lo que se puede considerar a las redes Ad Hoc como un subgrupo de las WMNs. En la tabla 1.1 se muestra las diferencias entre estos dos tipos de redes. WMN. AD HOC Infraestructura. Sin infraestructura, depende de los usuarios finales. Infraestructura parcial o totalmente fija, provee un backbone inalámbrico confiable con routers mesh. Movilidad. Media – alta. Baja. Topología. Altamente dinámica. Relativamente estática. Implementación. Fácil. Requiere una planificación. Limitaciones de energía. Alta, los nodos deben realizar funciones de enrutamiento y configuración. Baja, los encargados de realizar las funciones de enrutamiento y configuración son los routers mesh. Tráfico característico. De usuario. De usuarios y de control. Integración. Ninguna. Se pueden integrar con otras redes existentes.. Tabla 1.1: Diferencias entre redes Ad Hoc y WMNs [26]. 1 Las redes Ad Hoc son redes inalámbricas en las que los nodos se comunican directamente sin necesidad de un punto acceso. 2.

(17) REDES INALÁMBRICAS MESH. 1.2. ARQUITECTURA DE RED. Las WMNs consisten de dos tipos de nodos: routers mesh y clientes mesh. Los routers mesh a más de las funciones de gateway y/o repetidor, tiene funciones adicionales para soportar una interconexión multisalto mesh. Generalmente están equipados con múltiples interfaces inalámbricas. Además, las funciones de gateway y/o bridge permiten la integración de las WMNs con varias redes existentes. Los clientes mesh pueden ser diferentes tipos de dispositivos de usuario con una interfaz de red inalámbrica, tales como PCs, laptops, teléfonos móviles, entre otros. Además, los clientes mesh pueden soportar funciones necesarias para soportar una interconexión mesh y trabajar como un router mesh. Generalmente tienen una sola interfaz inalámbrica. La arquitectura de las WMNs puede ser clasificada en tres grupos, según la funcionalidad de los nodos: 1.2.1. WMN DE CLIENTE O PLANA. Formada por dispositivos de usuario que actúan como hosts y routers, los nodos realizan funciones de enrutamiento y configuración así como la provisión de servicios al usuario final. Esta arquitectura es muy simple pero no es escalable y tiene altas limitaciones de recursos debido a las funciones adicionales que deber realizar los nodos. Esta arquitectura es la más parecida a una red Ad Hoc.. Figura 1.1: WMN de cliente [11]. 3.

(18) REDES INALÁMBRICAS MESH. 1.2.2. WMN DE BACKBONE O JERÁRQUICA. En este tipo de arquitectura los routers mesh forman un backbone al que se conectan los clientes. Los routers mesh se encargan de auto organizarse y mantener el backbone. Algunos routers mesh se conectan a Internet gracias a su función de gateway, y otros proveen la interconexión con otras redes con la función de gateway/bridge. Esta tipo de arquitectura es la más usada y es escalable. Internet. Router Mesh Router Mesh Gateway. Cliente cableado. Cliente Inalámbrico Router Mesh Gateway/Bridge Backbone Inalámbrico Mesh Red Wi-Fi Red de Sensores Enlace Cableado Enlace Inalámbrico. Red Celular Red WiMAX. Figura 1.2: WMN de backbone [11]. 1.2.3. WMN HÍBRIDA Internet. Backbone Inalámbrico Mesh Router Mesh Router Mesh Gateway. Cliente cableado. Router Mesh Gateway/Bridge Cliente Inalámbrico Redes Wi-Fi, WiMAX, de Sensores, Celular, etc. Router Mesh. Enlace Cableado Enlace Inalámbrico Red Mesh de Clientes. Figura 1.3: WMN híbrida [11]. 4.

(19) REDES INALÁMBRICAS MESH. Es la combinación de las dos arquitecturas anteriores, donde los clientes pueden acceder a la red conectándose al backbone mesh y también conectándose directamente a otro cliente. Mientras que el backbone mesh permite conectarse a otros tipos de redes, las funciones adicionales de enrutamiento presentes en los clientes mesh permiten ampliar la cobertura y mejorar la conectividad de la red. Este tipo de arquitectura es escalable, reduce los costos de infraestructura, pero depende de la movilidad de los clientes mesh.. 1.3. CARACTERÍSTICAS. Algunas de las características de las WMNs son: ·. Red Inalámbrica Multisalto: Los principales objetivos de las WMNs son extender la cobertura de una red y proveer conectividad sin línea de vista (NLOS), mediante una red multisalto; con lo que se puede lograr un mayor rendimiento con enlaces de corta distancia, menor interferencia entre nodos y un reuso eficiente de frecuencia.. ·. Conectividad Automática: Las WMNs son capaces de auto formarse, auto organizarse y auto configurarse; los clientes y routers mesh establecen y mantienen la conectividad automáticamente.. ·. La movilidad depende del tipo de nodo: Por lo general los router mesh están fijos o tienen una movilidad mínima, mientras que los clientes mesh pueden estar fijos o en movimiento.. ·. Múltiples tipos de acceso a la red: Las WMNs soportan tanto el acceso a Internet a través de un backhaul1, como comunicaciones punto – punto.. ·. Las limitaciones de energía dependen del tipo de nodo: Los routers mesh no tienen limitaciones en el consumo de energía, sin embargo los clientes mesh requieren de protocolos eficientes energéticamente.. ·. Compatibilidad e interoperabilidad con redes inalámbricas existentes: Los routers mesh permiten conectar clientes mesh y clientes convencionales, además permiten la interconexión con otras redes.. 1 El backhaul es una parte de la red que comprende los enlaces intermedios entre el núcleo de la red y subredes en las que se conectan los usuarios finales. 5.

(20) REDES INALÁMBRICAS MESH. Debido a estas características las WMNs brindan algunos beneficios: ·. Mayor Confiabilidad: Los routers mesh proveen rutas redundantes, resultando en una red más confiable.. ·. Bajos Costos de Instalación: Implementar y configurar una WMNs son tareas relativamente rápidas y fáciles, requiere muy pocos puntos de conexión a la red cableada.. ·. Amplias Áreas de Cobertura: Las WMNs al ser una red multisalto hacen posible una comunicación de larga distancia sin sufrir una degradación significativa en su rendimiento.. 1.4. ESCENARIOS DE APLICACIÓN. La investigación y el desarrollo de las WMNs están motivados por sus aplicaciones en escenarios donde hay un mercado prometedor o en aplicaciones que no son soportadas directamente por redes inalámbricas existentes. A continuación se describen algunas aplicaciones: ·. Redes para el hogar: A menudo las redes inalámbricas en el hogar se implementan a través de WLANs IEEE 802.11 en modo infraestructura, por lo que cada punto de acceso (AP) necesita una conexión cableada. Las WMNs reducen el costo de implementación, reemplazando los APs por routers mesh, de esta forma los nodos se comunican inalámbricamente y se requiere una sola conexión cableada hacia Internet. Por las mismas razones las WMNs son un aplicación muy conveniente para redes inalámbricas en campus ya sean estos universitarios o empresariales.. ·. Redes para vecindarios o comunidades: Las WMNs son una manera eficiente de compartir el acceso a Internet y la tarifa de conexión en conjuntos residenciales, además permiten compartir información dentro del vecindario o comunidad. Las WMNs también son la solución en zonas rurales donde la infraestructura cableada no llega, y se requiere de acceso a Internet con una inversión mínima.. ·. Redes empresariales: Algunas empresas tienen varias oficinas dentro de un mismo edificio o en diferentes edificios, cada una con una red independiente.. 6.

(21) REDES INALÁMBRICAS MESH. Las WMNs son una alternativa de bajo costo para la interconexión de redes empresariales mejorando la tolerancia a fallos y la congestión de la red. ·. Redes metropolitanas: Las WMNs tienen varias ventajas en un área metropolitana, la tasa de transmisión es alta y tienen un bajo costo de implementación comparado con redes cableadas. Las WMAN mesh son una alternativa económica especialmente en la implementación de las llamadas wireless cities1.. ·. Sistema de transporte inteligentes: Las WMNs permiten extender al acceso dentro de buses o trenes, para esto se necesita un gateway inalámbrico que tenga acceso a Internet a través de redes celulares o WiMAX.. ·. Automatización de edificios: La mayoría de redes domóticas están implementadas sobre redes cableadas, en las que su implementación y mantenimiento son costosos. El uso de una WMN simplifica la implementación y mantenimiento de una red domótica y reduce los costos.. ·. Sistemas médicos y de salud: En un hospital los datos de monitoreo y diagnóstico de un paciente debe ser procesados y transmitidos a diferentes áreas. Una WMN ayuda en estos casos, elimina las zonas no cubiertas y reduce los costos de cableado que conlleva la implementación de una red Wi-Fi convencional.. ·. Sistemas de vigilancia y seguridad pública: Para estos sistemas en los que se necesita confiabilidad y un alto ancho de banda, las WMNs son una solución más viable que las redes cableadas.. ·. Redes de emergencia o desastres: Las WMNs también son aplicadas a redes espontáneas, estas son redes temporales sin un control centralizado ni infraestructura planificada, implementadas en situaciones de desastre o emergencia durante las cuales las redes existentes están colapsadas. En estos casos los routers pueden ubicarse en puntos estratégicos creando un backbone inalámbrico para dispositivos de comunicación móviles.. 1. Ciudad donde las conexiones a Internet inalámbrico son de uso público y gratuito. 7.

(22) REDES INALÁMBRICAS MESH. 1.5. FACTORES CRÍTICOS DE DISEÑO. En el diseño de una WMN se deben tomar en cuenta varios factores que inciden en el rendimiento de la red. ·. Técnicas de radio frecuencia: Últimamente la tecnología en radio frecuencia ha experimentado una revolución, incrementando la capacidad y flexibilidad de los sistemas inalámbricos. Por ejemplo se tiene disponible antenas direccionales e inteligentes, sistemas MIMO (Multiple Input Multiple Output), sistemas multicanal y multiradio, y tecnologías más recientes y avanzadas como radio reconfigurable (reconfigurable radio), radio cognitivo (cognitive radio), radio definido por software (software defined radio).. ·. Escalabilidad: En las WMNs es común que las comunicaciones sean multisalto. En redes multisalto los protocolos sufren problemas de escalabilidad, cuando el tamaño de la red aumenta su rendimiento se degrada significativamente.. ·. Conectividad tipo malla: Algunos algoritmos de auto organización de red y control de topología son necesarios para mejorar significativamente el rendimiento de las WMNs. ·. QoS y banda ancha: La mayoría de las aplicaciones de las WMNs son servicios de banda ancha que requieren QoS.. ·. Compatibilidad e interoperabilidad: Las WMNs deben soportar el acceso a la red de clientes convencionales y clientes mesh, además deben proveer la capacidad de intercomunicarse con otros tipos de redes inalámbricas existentes.. ·. Seguridad: Las WMNs deben contar con una sólida solución de seguridad, los clientes esperan conectarse a una red que ofrezca un servicio confiable.. ·. Facilidad de uso: Una WMN debe ser lo más autónoma posible, debe ser capaz de organizarse y configurarse automáticamente. Además las herramientas de administración de red deben proveer una forma eficiente de configurar, operar y mantener una WMN.. 8.

(23) REDES INALÁMBRICAS MESH. 1.6. PROTOCOLOS Y TECNOLOGÍAS PARA WMNs. Para describir las tecnologías y protocolos usados en las WMNs se va a considerar las capas: física, control acceso al medio, red y transporte. A continuación se describen algunos protocolos y algoritmos existentes para las WMNs. 1.6.1. CAPA FÍSICA. La capacidad de una red principalmente depende de la técnica usada en la capa física. Varias técnicas de alta velocidad para la capa física se han desarrollado para incrementar la capacidad de las redes inalámbricas como OFDM o MIMO. Para mejorar la resistencia a errores, se han desarrollado algunos esquemas de codificación de canal adaptivo, por ejemplo los esquemas de codificación y modulación (MCS) de IEEE 802.11n que pueden cambiar de acuerdo a las condiciones del canal. Las técnicas que permiten controlar los radios por software traen muchas ventajas para las comunicaciones inalámbricas, por ejemplo el uso de radio cognitivo permite usar de mejor manera el espectro inalámbrico. Algunas técnicas que tienen gran potencial para las WMNs, y que pueden mejorar la capacidad de estas redes son descritas a continuación. 1.6.1.1 MIMO (Multiple Input Multiple Output) Un sistema MIMO es aquel que tiene múltiples antenas en el lado del transmisor y del receptor con la finalidad de minimizar los errores y optimizar la velocidad de transferencia, explotando el fenómeno de propagación multi-trayectoria. MIMO aumenta significativamente el rendimiento y el alcance con el mismo ancho de banda y potencia de transmisión. El estándar IEEE 802.11n utiliza esta tecnología para lograr velocidades hipotéticas de hasta 600 Mbit/s. En WMNs, es posible aplicar sistemas MIMO para comunicaciones entre routers mesh, y comunicaciones entre routers y clientes mesh.. 9.

(24) REDES INALÁMBRICAS MESH. 1.6.1.2 Uso de Antenas Direccionales Una antena direccional concentra la energía radiada en una dirección deseada. Este tipo de antenas tiene algunas ventajas como: mejor eficiencia en el reuso espacial, menor interferencia, menor consumo de energía y mejor seguridad. Las WMNs pueden conseguir muchos beneficios de las antenas direccionales. En una arquitectura mesh y multisalto la competencia por los recursos de red es más alta; el uso de antenas direccionales reduce el conflicto de compartir los recursos. En las WMNs, es común que los nodos tengan múltiples interfaces de radio, esto combinado con antenas direccionales hace que la capacidad de la red pueda ser aún mayor. Para aprovechar totalmente las ventajas de las antenas direccionales, en las WMNs, los protocolos de las capas superiores deben ser modificados especialmente los protocolos MAC y de enrutamiento. 1.6.1.3 Uso de Antenas Inteligentes Una antena inteligente es la combinación de un arreglo de antenas con algoritmos inteligentes de procesamiento de señales, que es capaz de generar o seleccionar haces muy directivos, e incluso adaptarse a las condiciones radioeléctricas, en respuesta a una señal de interés. [5] Las antenas inteligentes son aceptadas en WMNs; sin embargo, su funcionamiento en WMNs todavía debe ser evaluado debido a su complejidad y costo. 1.6.1.4 Sistemas Multicanal En WMNs, múltiples canales están disponibles en una banda de frecuencia. Cuando se usan múltiples canales para comunicaciones simultáneas, la capacidad y el rendimiento de la red pueden aumentar significativamente. Un sistema multicanal puede ser construido de diferentes formas: ·. Un transceiver sobre una interfaz de radio: En este caso, una interfaz de radio es capaz de trabajar sobre diferentes canales, pero en un canal a la vez. Así, la interfaz de radio debe cambiar de canal según las necesidades de protocolos de las capas superiores. Estos sistemas tienen un precio bajo,. 10.

(25) REDES INALÁMBRICAS MESH. y pueden reducir la interferencia considerablemente y así aumentar la capacidad. ·. Múltiples transceivers sobre una interfaz de radio: Soporta transmisiones simultáneas en canales diferentes. Por su costo y complejidad, no se ha hecho una técnica madura aún para WMNs. Debido a que múltiples transceivers están en la misma interfaz de radio, la red puede tener una capacidad más alta, sin embargo, los algoritmos de asignación de canal en la capa MAC o el protocolo de enrutamiento necesitan determinar múltiples canales a la vez.. ·. Múltiples interfaces de radio con un transceiver: Cuando no se tiene disponible una interfaz de radio con múltiples transceivers pero un nodo necesita transmisiones simultáneas, se puede construir el nodo con múltiples interfaces de radio. Ya que cada interfaz de radio contiene la capa física y MAC, no es necesario desarrollar otro protocolo MAC para un nodo. Sin embargo, los esquemas llamados MAC virtuales, que residen entre la capa MAC y de enrutamiento, son necesarios para coordinar las comunicaciones en todos las interfaces de radio y entre todos los nodos.. ·. Múltiples interfaces de radio con múltiples transceivers: Este caso representa un sistema multicanal con los grados más altos de libertad para la asignación del canal sobre un nodo de la red. Pero, tanto el costo como la capacidad de red son los más altos.. 1.6.2. CAPA MAC. La tarea clave de un protocolo MAC es coordinar el proceso de compartir el mismo medio entre múltiples usuarios. Según el nodo que tenga a cargo la coordinación del acceso al medio, los protocolos MAC se pueden clasificar en centralizados y distribuidos. En un protocolo MAC centralizado, todo el proceso es controlado y coordinado por un nodo, los otros nodos deben confiar en este nodo para acceder a la red, como sucede en redes celulares, WLAN en modo de infraestructura o redes satelitales. Sin embargo, en redes multisalto es preferible un protocolo MAC distribuido, porque la red es distribuida.. 11.

(26) REDES INALÁMBRICAS MESH. Un protocolo MAC por lo general consiste de varios componentes principales: procesar y poner en cola los paquetes tanto para la transmisión como recepción, coordinar el acceso al medio, controlar la velocidad adaptable de los paquetes y la formación y asociación de red. Debido a la topología mesh, el diseño de un protocolo MAC para WMNs es más desafiante que para una red de un solo salto. Los protocolo MAC para WMNs pueden ser clasificados en dos categorías: protocolos MAC multicanal y de un solo canal. 1.6.2.1 Protocolos MAC para Interfaces de Radio con un Solo Canal 1.6.2.1.1 MAC IEEE 802.11 IEEE 802.11 especifica entre los métodos de acceso al medio: DCF (Distributed Coordination Function) y PCF (Point Coordination Function). PCF necesita un punto coordinador por lo que no es usado en WMNs. DCF es un protocolo ampliamente aceptado en WLANs y WMNs, adicionalmente por su robustez y flexibilidad, muchos protocolos MAC avanzados se basan en este protocolo. DCF se basa en CSMA/CA, cuando un nodo intenta transmitir primero monitorea el canal, si el medio está libre por un periodo de tiempo llamado DIFS (Distributed Inter Frame Space), el nodo puede transmitir. Después de recibir un paquete de datos el receptor responde con un ACK después de un periodo de tiempo llamado SIFS (Short Inter Frame Space). Si el ACK no es recibido, el transmisor asume que hubo colisión, y espera un periodo aleatorio (backoff), que está entre 0 y la ventana de contención, adicional al DIFS. Para reducir las colisiones el estándar define un mecanismo de detección virtual de portadora. Antes de transmitir datos un nodo transmite un pequeño paquete de control llamado RTS, el cual incluye el origen, destino y duración de la transmisión. Si el medio está libre el receptor responde con un CTS que incluye la duración del paquete de datos y su ACK. Todas las estaciones que escuchan estos mensajes mantienen un contador interno llamado NAV (Network Allocation Vector), el cual indica cuando el medio se encuentra ocupado. De forma que cuando un nodo quiere comenzar una transmisión, en primer lugar comprueba que el contador NAV esté en cero.. 12.

(27) REDES INALÁMBRICAS MESH. El estándar IEEE 802.11e consolidado en IEEE 802.11-2007, define mejoras de QoS para IEEE 802.11. La función de acceso al canal define una nueva función de coordinación llamada función de coordinación híbrida (HCF). HCF tiene dos modos de operación: un protocolo basado en contención llamado EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) y un mecanismo de polling llamado HCCA (HCF Controlled Channel Access). EDCA es parte de la función de coordinación mesh (MCF) definida en el estándar IEEE 802.11s. HCCA requiere una entidad de control central y sincronización entre nodos, por lo tanto no se implementa en una WMN. 1.6.2.1.2 Mejoras para CSMA/CA Se han propuesto muchos esquemas para afinar CSMA/CA, y mejorar su funcionamiento para WMNs. Estos esquemas pueden ser clasificados en las siguientes categorías. ·. Ajuste de la detección de portadora: La detección de portadora puede causar los problemas de nodo oculto o nodo expuesto. Para reducir el número de nodos expuestos, la detección de portadora debe ser modificada para ser direccional. Un esquema extensamente aceptado es usar antena direccional en los nodos, pero esto aumenta el problema del nodo oculto. Otro esquema para reducir nodos expuestos es realizar un backoff direccional. Cuando un nodo descubre un canal ocupado, éste no siempre aplaza su transmisión, primero comprueba si su destino también detecta un canal ocupado. Si no es así y el contador de backoff es cero, entonces la transmisión puede comenzar.. ·. Mejora de la detección virtual de portadora: La detección virtual de portadora puede reducir efectivamente los nodos ocultos, pero también causar más nodos expuestos. Para reducir el número de nodos expuestos, es necesario una detección virtual de portadora direccional, que añade tres capacidades al protocolo MAC IEEE 802.11 original: captura el ángulo de llegada, bloquea y desbloquea el haz de radiación direccional, y emplea NAV direccional 1 (DNAV). [10]. 1. Un nodo mantiene un NAV diferente por cada dirección en la que puede transmitir. 13.

(28) REDES INALÁMBRICAS MESH. 1.6.2.1.3 TDMA sobre CSMA/CA Este protocolo MAC consiste de las siguientes funciones principales: ·. Sincronización de nodo basada en la función de sincronización de tiempo mejorada (TSF) de la MAC IEEE 802.11.. ·. Retransmisión por software para deshabilitar la retransmisión a nivel de hardware en la MAC IEEE 802.11. Basado en la retransmisión por software, la transmisión y recepción de un paquete pueden ser limitadas a un intervalo de tiempo particular.. ·. Un esquema de planificación distribuido para coordinar las transmisiones de paquetes en los diferentes nodos de la WMN. QoS es considerado en la asignación de intervalos de tiempo de este esquema.. ·. El esquema de planificación y la estructura de la trama TDMA están diseñados para soportar el acceso a la red de nodos CSMA/CA.. TDMA sobre CSMA/CA tiene muchas ventajas: incrementa el rendimiento y QoS de las WMNs comparada con una WMN que use CSMA/CA, además es compatible con CSMA/CA, y debido a su mecanismo TDMA puede beneficiar a protocolos de enrutamiento, transporte, movilidad, etc. 1.6.2.2 Protocolos MAC Multicanal de una Sola Interfaz de Radio En redes con nodos equipados con una sola interfaz de radio, se puede mejorar la capacidad de la red, permitiéndoles funcionar sobre diferentes canales para reducir al mínimo la interferencia. Para utilizar eficientemente los canales disponibles son necesarios los protocolos MAC multicanal. A continuación se describen algunos protocolos que adoptan mecanismos MAC de IEEE 802.11. 1.6.2.2.1 MMAC (Multichanel MAC) MMAC fue propuesto para redes Ad Hoc, pero es apropiado para WMNs. Bajo MMAC, cada nodo está equipado con un solo transceiver, pero puede cambiar de canal dinámicamente. MMAC adopta el mecanismo de sincronización de IEEE 802.11 TSF (Timing Synchronization Function) para alcanzar una sincronización en. 14.

(29) REDES INALÁMBRICAS MESH. el proceso de negociación de canal, también asume que los nodos usan CSMA/CA de IEEE 802.11.. Figura 1.4: Negociación del canal e intercambio de datos en MMAC [11]. En MMAC, el tiempo está dividido en intervalos de beacon, cada intervalo está dividido en dos intervalos más pequeños. El primer intervalo, llamado ventana ATIM (Ad Hoc Traffic Indication Message), es usado para la negociación de canal y el segundo intervalo para transmitir datos. En la ventana ATIM todos los nodos transmiten y reciben sobre un canal de control común. MMAC soluciona el problema de nodo oculto sincronizando todos los nodos de la red pero aumenta el problema de nodo expuesto. Sin embargo, MMAC tiene exigencias de sincronización rigurosas que no pueden ser satisfechas fácilmente en redes inalámbricas multisalto. [11] 1.6.2.2.2 SSCH (Slotted Seed Channel Hopping) [12] SSCH es un protocolo para la capa de enlace que usa la capa MAC IEEE 802.11 sin modificaciones. SSCH es un protocolo distribuido, conveniente para la realización de redes multisalto. En SSCH cada nodo tiene una secuencia de salto de canal diferente para evitar la interferencia. La secuencia de salto de canal es diseñada de modo que siempre habrá al menos un canal superpuesto entre dos nodos. Para que el salto de canal funcione, el transmisor debe aprender la secuencia de salto del receptor, a través de un mecanismo donde cada nodo difunde cronograma de canal. Cuando el transmisor y el receptor empiezan a compartir canales que se superponen, pueden comenzar a transmitir.. 15.

(30) REDES INALÁMBRICAS MESH. SSCH no requiere ningún canal de control dedicado, pero necesita sincronización de reloj entre nodos. 1.6.2.3 Protocolos MAC Multiradio Los protocolos MAC multiradio tienen dos ventajas importantes sobre los protocolos MAC de una sola interfaz radio: permiten alcanzar una mayor capacidad en la red mediante comunicaciones simultáneas, simplifican el diseño y reducen la sobrecarga del protocolo ya que no siempre necesita conmutar los canales en la interfaz de radio. 1.6.2.3.1 Protocolo de Unificación Multiradio, MUP MUP es un protocolo que proporciona una MAC virtual que controla múltiples interfaces inalámbricas. MUP provee una interfaz virtual a la capa de red y capas superiores ocultando las múltiples interfaces físicas y los mecanismos de selección de un canal. MUP utiliza una dirección MAC virtual para ocultar las múltiples direcciones MAC, así la capa física se presenta a la capas superiores como una única interfaz.. IP y Superiores. ARP. MAC Virtual (V_MAC). Módulo de Selección de Canal MUP. NIC 1. NIC 2. NIC 3. Módulo de Vecino MUP. NIC 4. .... MUP. NIC n. Figura 1.5: Arquitectura del MUP [10]. MUP consta de dos módulos: módulo de vecino y módulo de selección de canal. El módulo de vecino mantiene una tabla de vecinos y proporciona una clasificación de vecinos. El módulo de selección de canal toma la decisión sobre el canal a ser usado para comunicarse con un nodo vecino.. 16.

(31) REDES INALÁMBRICAS MESH. ARP es usado para registrar las direcciones MAC de todos los nodos vecinos, como ARP está en una capa más alta que MUP, MUP puede capturar las peticiones ARP y enviadas a todas las NICs. MUP mejora la eficiencia espectral y el rendimiento del sistema. 1.6.2.3.2 Protocolo Multiradio de Dos Fases El protocolo multiradio de dos fases está diseñado específicamente para WMNs con enlaces punto a punto de larga distancia, donde los nodos están equipados con múltiples interfaces de radio y antenas direccionales. Las interfaces de radio de un nodo usan el mismo canal para enviar y recibir paquetes. De acuerdo a este protocolo, un nodo siempre está en una de las dos fases: SynTx o SynRx, cuando un nodo está en SynTx, todos los vecinos de este nodo deben estar en el estado de SynRx.. Figura 1.6: Protocolo multiradio de dos fases, SynTX y SYnRx [11]. El protocolo multiradio de dos fases básicamente es un protocolo MAC TDMA sin requerimientos estrictos de sincronización de tiempo. Las ventajas de este protocolo son que alcanzan un alto rendimiento y hacen un uso eficiente de los múltiples interfaces de radio en un solo canal, y una desventaja es que no funciona en cualquier WMN. 1.6.3. CAPA DE RED. Las WMNs tienen características comunes con las redes Ad Hoc, por lo que los protocolos de enrutamiento para redes Ad Hoc pueden ser aplicados a las WMNs. En WMNs, los routers mesh tienen una movilidad mínima o nula y no hay. 17.

(32) REDES INALÁMBRICAS MESH. limitaciones de energía, esta diferencia debe ser considerada para desarrollar protocolos de enrutamiento eficientes para WMNs. 1.6.3.1 Métricas de Enrutamiento [11] ·. Número de Saltos: Es una métrica simple, que solo necesita saber si un enlace existe o no. Esta métrica es usada por algunos protocolos de enrutamiento principalmente por su simplicidad y solo consideran el mínimo número de saltos para seleccionar una ruta.. ·. RTT por Salto: Esta métrica refleja el retardo bidireccional de un enlace. Puede ser medido enviando un paquete de sondeo a un nodo vecino y calculando el tiempo que tarda en llegar el acuse de recibo (RTT). La métrica de una ruta es la suma de todos los RTTs, la ruta con la menor suma es la seleccionada por el protocolo de enrutamiento.. ·. Retardo de un Par de Paquetes por Salto (PPD): PPD es medido enviando consecutivamente dos paquetes de sondeo a un nodo vecino, un pequeño y un grande. El nodo vecino mide el retraso de llegada entre los dos paquetes y lo reporta al otro nodo. Esta técnica es diseñada para superar el problema de la distorsión de medidas RTT debido a los retardos de encolamiento y carga de tráfico en un nodo.. ·. Número Esperado de Transmisiones (ETX): ETX es el número esperado de transmisiones antes de que un paquete sea entregado satisfactoriamente sobre un enlace. El ETX de una ruta es la suma de los ETXs sobre todos los enlaces. ETX puede capturar la calidad del enlace y la pérdida de paquete en ambas direcciones de un enlace. Además, el ETX de una ruta puede descubrir la interferencia entre los enlaces que conforman la ruta. ETX tiene un bajo overhead ya que envía los paquetes en modo broadcast. Las ventajas principales de ETX son su independencia de la carga del enlace y toma en cuenta enlaces asimétricos. En base a ETX se han creado otras métricas de enrutamiento como: Tiempo de Transmisión Esperado (ETT), ETT Ponderado Acumulativo (WCETT), ETX Modificado (mETX), Número Efectivo de Transmisiones (ENT) y Tasa de Transmisión Esperada (EDR).. 18.

(33) REDES INALÁMBRICAS MESH. ·. Métrica de Interferencia y Conmutación de Canal (MIC): MIC apunta a considerar la interferencia interflujo e intraflujo 1. Para considerar la interferencia interflujo se propone un uso de recurso consciente de interferencia (IRU) y para considerar la interferencia intraflujo se propone un costo de conmutación del canal (CSC). IRU favorece a la ruta que consume menos tiempo de canal de sus nodos vecinos. CSC favorece a las rutas con asignaciones de canal más diversificadas y castiga a las rutas con enlaces consecutivos que usan el mismo canal. La desventaja de esta métrica es el alto overhead necesitado para estimar el valor MIC, cada nodo debe ser consciente del número total de nodos en la red.. ·. Métrica de Enrutamiento con Bajo Overhead: Para evitar el envío de paquetes de sondeo o recolección de información que se producen en la estimación de una métrica de enrutamiento, se propone como alternativa usar la información de MIB (Management Information Base) de la capa MAC, como el número de fallas ACK (ACK Failure Count), el número de fallas RTS (RTS Failure Count), el vector de asignación de red (NAV).. 1.6.3.2 Protocolos de Enrutamiento La tarea principal de los protocolos de enrutamiento es la selección de una ruta de manera fiable y rápida, y con el mínimo overhead. Un protocolo de enrutamiento óptimo para WMNs debe cumplir las siguientes características: tolerancia a fallos, balanceo de carga, reducido overhead, escalabilidad y soporte de QoS. A continuación, se describen algunos protocolos de enrutamiento para redes Ad Hoc, que sirven de base para el desarrollo de otros protocolos de enrutamiento para WMNs, y también otros protocolos de enrutamiento para WMNs. 1.6.3.2.1 AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector) Es un protocolo diseñado para redes Ah Hoc, que sirve como base para el desarrollo de otros protocolos de enrutamiento para WMNs. AODV usa un. 1 En una ruta P, la interferencia interflujo ocurre cuando un enlace de P usa el mismo canal con otro enlace que no es de P dentro de su rango de interferencia, y la interferencia intraflujo ocurre cuando dos enlaces de P dentro de su rango de interferencia usan el mismo canal. 19.