Redes Móviles Ad Hoc (MANETs): Retos y Aplicaciones

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¿Como conseguir conexión inalámbrica sin una administración centralizada?

Autor: Gimer Cervera

En el pasado reciente, la cantidad de dispositivos móviles con acceso a Internet se ha incrementado en forma exponencial. Esto debido a su bajo costo, facilidad de uso y capacidad de ejecutar múltiples funciones. No obstante, los servicios y aplicaciones que se desarrollan hoy en día son diseñados para aprovechar la infraestructura de las redes celulares o locales de corto alcance (LANs, Local Área Networks). Este artículo presenta retos y aplicaciones de las Redes Móviles Ad Hoc o MANETs por sus siglas en inglés (Mobile Ad Hoc Networks). Una MANET es una colección de dispositivos inalámbricos conectados unos con otros sin la necesidad de una infraestructura fija o administración centralizada [1]. Los nodos que integran una MANET forman una topología dinámica con la capacidad de ser autónoma, auto-configurable y auto-administrable. Una MANET también puede estar conectada a Internet a través de un nodo que se utiliza como puerto de enlace (i.e., gateway).


“Una MANET es una colección de dispositivos inalámbricos conectados unos con otros sin la necesidad de una infraestructura fija o administración centralizada.”


Aplicaciones Comerciales

Las posibles aplicaciones son infinitas. Estas redes pueden ser implementadas en escenarios tales como: Internet de las Cosas (IoT), operaciones de rescate, redes vehiculares o para ofrecer conectividad temporal. Este tipo de tecnología ya han sido utilizada en escenarios reales, como por ejemplo: FireChat. Firechat es una aplicación desarrollada por la compañía: Open Garden (sitio web: http://www.opengarden.com/) la cual  permite establecer comunicación pública o privada sin necesidad de tener acceso a una red celular o de datos. Esta aplicación ha sido diseñada para dispositivos móviles con sistema operativo Android o iOS.


Desventajas de las Redes Convencionales.

Las redes de comunicación soportadas por una infraestructura fija y centralizada tienen muchas desventajas [2], por ejemplo:

  • Punto central de fallo. Los sistemas actuales son muy susceptibles a fallos cuando el punto central de conexión deja de operar. Por ejemplo, en casos de desastres naturales.
  • Usuarios temporales. En algunos escenarios es posible que se concentren una gran cantidad de usuarios por un periodo de tiempo corto que saturan la capacidad de conexión que ofrece la infraestructura disponible. Por ejemplo, durante un evento deportivo o un concierto.
  • Infraestructura no disponible. Existen muchos sitios en el planeta donde la conectividad aún no existe o es poco confiable.
  • Escalabilidad. La topología fija y los costos de operación de los sistemas centralizados limitan la escalabilidad de la red y el rango de comunicación.

Mobile Ad Hoc Networks (MANETs)

La figura 1, presenta una comparación entre una red de telefonía celular y una MANET [1]. En la figura 1(a), se presenta el ejemplo de una red celular en donde los nodos o estaciones móviles (MS, Mobile Stations) se conectan a una estación base (BS, Base Station). De esta forma, si la BS falla, entonces toda el área se queda sin servicio. Por otra parte, la BS representa un punto central de comunicación ocasionándose un cuello de botella. Las MS deben estar en el rango de transmisión de la BS para poder comunicarse con esta y otros nodos en la red. Sin importar la distancia a la que se encuentren dos nodos, estos siempre se comunican a través de su BS. Si alguno de los nodos necesita comunicarse con otro que se encuentra fuera del área de cobertura, este debe de hacer una petición a su BS para que esta a su vez identifique la mejor ruta para localizar al destinatario. Este proceso se conoce como encaminamiento (i.e., routing).

figure1-01

En la figura 1(b), se presenta un ejemplo de una MANET. En una MANET todos los nodos deben de colaborar de forma distribuida para mantener la funcionalidad de la red. Cada MS tiene la capacidad de comunicarse con cualquier otro nodo que se encuentre en su rango de transmisión. Todos los nodos intercambian mensajes para tener una visión local y global de la red. Con esta información pueden construir sus tablas de encaminamiento y poder comunicarse con otros nodos fuera de su rango de transmisión. Por ejemplo, si la MS1 desea enviar información a la MS4 existen dos posibles rutas:

  1. MS1 → MS3 → MS4
  2. MS1 → MS2 MS3 MS4.

La red debe ser lo suficientemente inteligente para determinar la mejor ruta. La ruta más corta no necesariamente es la mejor. Esto depende de otros aspectos tales como: ancho de banda, nivel de seguridad, confiabilidad  de la conexión, etc.

Retos Tecnológicos de las MANETs

Existen muchos retos tecnológicos que se deben resolver antes de que este tipo de redes puedan ser utilizadas comercialmente. La Tabla 1. presenta un resumen de las principales características y retos que se presentan en una MANET [2]. Una MANET está conformada principalmente por dispositivos heterogéneos, es decir, con características diferentes, por ejemplo: capacidad de procesamiento, duración de la batería, sistema operativo, etc. Además, debido a que los nodos pueden estar en constante movimiento y a velocidades diferentes, la topología de la red cambia de forma impredecible.tablaOtro aspecto importante es la seguridad de la red. En una red inalámbrica la información viaja a través del aire y es más propensa a ser interceptada. Para el mantenimiento de la red es importante que todos los nodos colaboren correctamente. Si un nodo funciona de manera maliciosa, entonces este puede inyectar información incorrecta a la red. Todas estas características deben ser consideradas al momento de diseñar protocolos de enrutamiento. Los cuales deben de cuidar dos aspectos: minimizar el número de mensajes de control de la topología para optimizar el ancho de banda disponible y reducir  el retraso en la conexión ocasionado por el proceso de descubrimiento de la mejor ruta de comunicación entre dos nodos. Por otra parte, es importante considerar nuevos y complejos modelos de negocio para implementar este tipo de tecnología de forma comercial.

Conclusión.

La comunicación centralizada tiene muchas desventajas. Las MANETs son redes de comunicación que pueden ser utilizadas en forma autónoma o como una opción complementaria a las redes convencionales y estar conectadas a una red celular o Internet. Este tipo de redes son particularmente útiles en operaciones de rescate o en caso de desastres naturales. Sin embargo, las MANETs aún presentan múltiples retos que deben ser resueltos para que puedan ser completamente aprovechadas  en aplicaciones comerciales.

Referencias:

[1] Cervera, G. (2012). Mitigation of Flooding Disruption Attacks in Link State Routing Protocols. Ph.D Thesis, Carleton University, Ottawa, ON, Canada. June, 2012.

[2] Hoebeke, J., Moerman, I., Dhoedt, B., & Demeester, P. (2004). An overview of mobile ad hoc networks: applications and challenges. Journal-Communications Network3(3), 60-66.

 

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About The Author
- Doctor en Ciencias Computacionales (Ph.D.) por parte de Carleton University, Ottawa, ON., Canadá. Maestría en Tecnología Informática (MCT) ITESM Campus Monterrey, Monterrey, N.L., México. Licenciatura en Ciencias Computacionales (L.C.C.) UADY, Facultad de Matemáticas, Mérida, Yuc., México.

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