Red Ad Hoc Móvil: Características y Aplicaciones Principales

Resumen— Una red ¨Ad hoc¨, consiste en un grupo de ordenadores que se comunican cada uno directamente con los otros a través de las señales de radio si usar un punto de acceso. Las configuraciones ¨Ad hoc¨, son comunicaciones de tipo punto a punto. Solamente los ordenadores dentro de un rango de transmisión definido pueden comunicarse entre ellos. La tecnología es utilizada en varios campos como en el ejército, celulares y juegos de videos. En fin, en la tecnología ¨Ad hoc¨, cada terminal de comunicación se comunica con sus compañeros para hacer una red ¨peer to peer¨. [1]

Palabras claves— comunicación inalámbrica, red,  señal, transmisión.

I.      INTRODUCCIÓN [2]

     Una red móvil Ad-hoc (también conocida como MANET, por sus siglas en inglés Mobile Ad-hoc NETwork) es un conjunto de nodos que se comunican a través de una red de radio en varios saltos, sin depender de una infraestructura estable. El crecimiento del uso de ordenadores portátiles y la expansión de las redes inalámbricas (WIFI, Bluetooth) han hecho de este tipo de redes un tema de investigación muy popular. En estas redes los nodos son generalmente dispositivos que funcionan con baterías, que pueden comunicarse vía radio  con otros dispositivos que están dentro de su radio de alcance. Debido a la falta de una fuente de alimentación fiable y la movilidad, los nodos pueden tener un cambio continuo en el conjunto de nodos con los que pueden comunicarse (vecinos). Esta naturaleza hace que incluso el más simple de los problemas de comunicación sea difícil de resolver. Por lo tanto, los nuevos protocolos para este tipo de redes, a menudo tienen fuertes requisitos de sincronización y de estabilidad, como el de tener una red estable conectada durante un tiempo suficientemente largo.

     El principal problema es como hacer frente a las desconexiones que con frecuencia surgen en estos entornos inalámbricos. El objetivo es intentar mantener la comunicación estable en este tipo de redes dinámicas, incluso cuando la ruta entre el remitente y el destinatario no existe en la red. El resultado es que la comunicación  multi-salto se puede lograr a través de la “comunicación oportunista”, es decir, la ruta del mensaje es seguida salto a salto mientras el siguiente enlace esté disponible; en caso contrario, el mensaje espera en el nodo para dar el siguiente salto cuando haya disponibilidad. Con este tipo de comunicación no son necesarios grandes requisitos de conectividad. Sin embargo, la movilidad juega un papel importante, un ejemplo cotidiano de esto podría ser un teléfono móvil equipado con WIFI, que se conecta a Internet a través de este tipo de redes, puede desbloquear el envío de datos cuando el usuario que lo lleva pasa por el área de cobertura de una red de este tipo.

    Dentro de las MANET con comunicación oportunista podemos definir una clase particular que llamamos “potencialmente epidémica”. Una MANET pertenece a este tipo, si los cambios en la topología de la comunicación son tales que existe una ruta que interconecta cualquier par de nodos que desean comunicarse.

     En este ámbito se están desarrollando nuevos protocolos e investigando en la eficiencia de los existentes. Diferentes estudios y publicaciones nos dan la clave para concluir que la sincronización entre los dispositivos de la red es una de las piezas clave para que el resultado de la evaluación de un protocolo sea óptimo.

II.   DEFINICIÓN

Fig. 1  Red AD-HOC [3]

     Una red móvil AD HOC (Mobile Ad Hoc Network O MANET) consiste en un conjunto de nodos móviles que se auto organizan para poder comunicarse entre ellos sin necesitar que intervenga ningún tipo de infraestructura previa desplegada (como pudiera ser una antena de una red de telefonía o un punto de acceso de una WLAN). Este tipo de redes pueden surgir de forma espontánea y por sus características el medio inalámbrico es el que usan de forma natural para comunicarse.

      Los nodos de la MANET son simultáneamente hosts y routers, ya que pueden tanto ejecutar aplicaciones que hacen uso de la red, como participar en el encaminamiento de los paquetes.

      El hecho de usar transmisión inalámbrica incluye decididamente en el comportamiento de las MANET. Las comunicaciones inalámbricas tienen un rango de transmisión en el que el receptor es capaz de recibir e interpretar correctamente la señal que envió el emisor. Si se encuentra fuera de este rango el receptor no podría interpretar adecuadamente los paquetes que fueron destinados a él. Por eso en las MANET los nodos colaboran para enviarse los paquetes de datos enrutándolos salto a salto. En la figura 2 vemos como el nodo B colabora para que el trafico destinado a C llegue a buen puerto.

     Las MANET pueden concebirse como redes aisladas o como extensiones de redes fijas a las que están conectadas. Este último caso es lo que se conoce como redes ad hoc híbridas y necesitan de uno o varios gateways que ejerzan de pasarela entre ambas redes. Hay consenso en que las MANETS no serán redes de transito que conecten otras redes, sino que el trafico estará originado/dirigido por/hacia los nodos internos[4]

Fig. 2  Retransmisión de un paquete por parte de un nodo intermedio en una MANET [4]

III. CARACTERÍSTICAS DE LA RED [5]

A continuación se enlistan las características particulares de una Red Ad-Hoc:

·         Nodos Autónomos: Los nodos pueden realizar tareas de enrutamiento, y se ven involucrados tanto en procesamiento de datos, así como de descubrimiento y mantenimiento de rutas.

·         Topología Dinámica de la red: Estas redes por si solas agregan dispositivos en medida en que los usuarios entran a la red, así como también los elimina de la misma, todo esto de manera dinámica, por lo tanto las rutas de estas cambian sin previo aviso y por tanto su topología.

·         Funcionamiento no centralizado: El control y la administración de la red no se encuentran en un nodo central, en este caso se encuentra distribuido en cada uno de los nodos, cada nodo actúa de manera que se acople a las necesidades de la red.

·         Nodos con capacidades limitadas: Los nodos en este tipo de redes son dispositivos con limitaciones de energía y capacidad de procesamiento, debido a esto se debe hacer uso de algoritmos que permitan a estos nodos optimizar los recursos.

·         Enrutamiento multi-salto: Los paquetes que son mandados de un nodo fuente pueden alcanzar el nodo destino mediante múltiples saltos entre varios nodos intermedios.

IV. ALGORITMOS DE ENRUTAMIENTO PARA ESTE TIPO DE REDES[5]

       El enrutamiento en Redes Ad-Hoc debe satisfacer ciertos objetivos:

·         Minimización de costos inherentes: Debido a la escasez de recursos energéticos y ancho de banda, se debe reducir la cantidad de mensajes de control intercambiados, así como la carga computacional de las operaciones.

·         Capacidad multisalto: Debe asegurarse el reenvío de paquetes a través de los nodos de la red dado que habitualmente el destino no se encuentra dentro del alcance de la fuente.

·         Mantenimiento dinámico de topología: Debido a las características cambiantes de la red, las rutas establecidas deberán ser actualizadas constantemente.

·         Eliminación de bucles: Evitar la posibilidad de que un nodo sea visitado más de una vez por un paquete en su trayecto hacia el destino, ya que esto implica un costo inaceptable de ancho de banda y recursos de procesamiento y transmisión.

·         De acuerdo a la forma que realizan el descubrimiento de la ruta a establecer y su mantenimiento, la clasificación más habitual de los algoritmos de enrutamiento es:

·         Proactivos: Este tipo de algoritmos basa su funcionamiento en tablas, creadas a partir de una fase original de descubrimiento de ruta, que albergan la información referente a los caminos en la red con base a distintos criterios. Esta información es de ámbito global y por tanto, todos los nodos conservan caminos posibles hacia el resto. Para la diseminación de la misma, los nodos intercambian estos datos periódicamente.

·         Reactivos: En este tipo de algoritmos las rutas se construyen únicamente en el momento en que un nodo necesita establecer una comunicación. Es en ese preciso instante cuando se desencadena una fase de descubrimiento de ruta que concluye una vez que la fuente recibe la respuesta del destino que incluye el camino elegido para el envío de datos.

·         Híbridos: Este tipo de algoritmos incluye los dos procedimientos anteriores en distintos niveles del enrutamiento. Así, se consigue reducir la sobrecarga de la red con mensajes de control presentada por los algoritmos proactivos, mientras que se disminuye la latencia de las operaciones de búsqueda mostrada entre los reactivos.

      Los algoritmos seleccionados para realizar las evaluaciones se describen brevemente a continuación.

A.       Ad Hoc On-Demand Distance Vector (AODV)

     En AODV los nodos mantienen una tabla de enrutamiento para los destinos conocidos, empleando el algoritmo vector de distancia. Inicialmente esta tabla está formada por los nodos vecinos. Solamente se agregan destinos nuevos cuando es necesario, es decir, cuando un nodo necesita comunicarse con otro que no está en su tabla. En ese momento inicia un proceso de descubrimiento de ruta hacia el destino, para ello se emiten mensajes de descubrimiento de ruta RREQ que se van propagando entre todos los nodos. En cambio, los nodos generan una tabla de encaminamiento inversa para que puedan regresar las contestaciones RREP a las solicitudes de ruta al nodo que la originó.

B.       Destination Sequenced Distance Vector (DSDV)

      DSDV es esencialmente una modificación del algoritmo de Bellman-Ford, bien conocido por su utilidad en redes fijas.    

      En este algoritmo, los nodos vecinos intercambian periódicamente sus tablas de encaminamiento enteras para estimar la distancia a la que se encuentran los demás nodos no vecinos.

     Las modificaciones introducidas por DSDV proporcionan básicamente la obtención de rutas sin bucles mediante la introducción de números de secuencia para la determinación de las rutas más nuevas. Aunque DSDV sólo proporciona un camino para cada destino, siempre elige el camino más corto basándose en el número de saltos hacia este destino. DSDV utiliza dos tipos de mensajes de actualización, uno más grande (full-dump) y otro mucho más pequeño (incremental).

C.      Dynamic Source Routing (DSR)

       DSR se fundamenta en el encaminamiento desde el origen, es decir, los paquetes de datos incluyen una cabecera de información acerca de los nodos exactos que deben atravesar.   

      No requiere ningún tipo de mensajes periódicos, disminuyendo así la sobrecarga de mensajes de control.   

     Además ofrece la posibilidad de obtener, con la solicitud de una ruta, múltiples caminos posibles hacia el destino. Para poder realizar el encaminamiento en el origen, a cada paquete de datos se le inserta una cabecera DSR de opciones que se colocará entre la cabecera de transporte y la IP. Entre dichas opciones se incluirá la ruta que debe seguir el paquete nodo a nodo. En los procesos de descubrimiento de rutas se generan mensajes de solicitud, respuesta y error siendo estos mensajes ROUTE REQUEST, REPLY y ERROR respectivamente.

V.    APLICACIONES [6]

      Al tratarse de redes que no requieren de una infraestructura fija, las redes MANET son fácilmente desplegables. Es por eso que son muy útiles en entornos dónde resulte muy costoso instalar una infraestructura fija, dónde las características físicas del entorno no lo permitan o en dónde se requiera de un despliegue rápido. Algunas de las aplicaciones que pueden tener las redes MANET son las siguientes:

A.       Entornos militares

     En muchos avances tecnológicos las aplicaciones militares son de las primeras en aparecer y las redes MANET no son una excepción. En entornos militares las redes MANET permiten establecer comunicación entre distintas unidades, vehículos o centros de mando sin necesidad de establecer una infraestructura fija, lo cual puede ser muy difícil o imposible.

B.       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.

C.      Entornos civiles

      Las posibles aplicaciones en entornos civiles son muy amplias. Se pueden crear redes de sensores por ejemplo en entornos agrícolas, más económico que instalar una infraestructura. Pero también se pueden crear redes MANET para compartir información entre los participantes en un congreso, una conferencia, una clase, etc. Otros ejemplos dónde existen muchas aplicaciones son en estadios deportivos, en aeropuertos, cafeterías, museos, centros comerciales, etc.

D.      Redes de área personal

       Conocidas como PAN (Personal Area Network) se tratan de redes formadas por dispositivos de uso personal como un ordenador portátil, un teléfono móvil, una PDA, etc. Usar una red MANET nos puede permitir comunicar estos dispositivos entre ellos fácilmente.

VI. CONCLUSIONES

•      Las MANET son sistemas autónomos constituidos por nodos móviles que se comunican a través de enlaces inalámbricos de múltiples saltos.
•      En términos más sencillos esto quiere decir que una red móvil ad hoc permite que una red se pueda establecer sin la necesidad de una administración central o de infraestructura preestablecida, ya que la red se conforma sólo de usuarios móviles capaces de transmitir y recibir información entre sí.   
•      En el campo de las comunicaciones inalámbricas el propósito de las redes ad hoc es el de proporcionar flexibilidad y autonomía aprovechando los principios de la auto- organización.
•      Las redes móviles Ad-Hoc presentan grandes retos para la comunidad científica porque las topologías en este tipo de redes son aleatorias, de múltiples saltos y dinámicas. Además presentan limitaciones en cuanto al uso del ancho de banda y al consumo de la potencia. Como se espera que las MANET puedan soportar cientos o miles de usuarios móviles, la escalabilidad se debe asegurar con el fin de obtener un buen desempeño. [7]
•       Las redes Ad-Hoc no están limitadas a un grupo homogéneo de computadores, sino a cualquier dispositivo capaz de transmitir por un medio inalámbrico.
•      Las redes ad hoc han sido mayormente usadas en el sector militar, donde poder establecer una comunicación ad hoc es a menudo una necesidad. Por otra parte, en el sector comercial, los ejemplos exitosos de redes de radio ad hoc son pocos hasta ahora. Las redes de área personal a pequeña escala, como el Bluetooth que es una tecnología de radio corto alcance están estimulando la demanda de la operación ad hoc en la búsqueda de la facilidad de uso y flexibilidad.[8]

VII.             Referencias

[1]        Redes inalámbricas AD-HOC[en línea] disponible en:

http://www.scribd.com/doc/43649548/Adhoc#,  [consulta 22-11-10]

[2]        El beneficio de la sincronización para comunicación oportunista en redes móviles Ad-hoc[en línea] disponible en:

http://www.madrimasd.org/blogs/sociedadinformacion/,[consulta 22-11-10]

[3]        Red Ad-Hoc[en línea], disponible en:

http://www.debahia.com/images/tecnologia/adhoc1.jpg, [consulta 22-11-10]

[4]        Evaluación de Propuestas de Interconexión a Internet para Redes Móviles Ad Hoc Hibridas[en línea] disponible en: http://masimum.inf.um.es/fjrm/downloads/pfc-fjrm.pdf, [consulta 22-11-10]

[5]        Estudio y análisis de prestaciones de redes móviles Ad Hoc mediante simulaciones NS-2 para validar modelos analíticos [en línea] disponible en:

http://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/8374/1/PFC_Jordi_Chalmeta.pdf, [consulta 22-11-10]

[6]        Revista EIDOS[en línea] disponible en:

http://www.ute.edu.ec/posgrados/revistaEIDOS/edicion2/art04.html, [consulta 22-11-10]

[7]        Introducción[en línea] disponible en:

http://eav.upb.edu.co/banco/files/03INTRODUCCION.pdf, [consulta 22-11-10]

[8]        Redes inalámbricas AD-HOC [en línea] disponible en: http://bc.inter.edu/facultad/cgonzalezr/ELEN4618/Adhoc.pdf, [consulta 22-11-10]