Redes Wi-Fi en malla (wi-fi mesh networks)

Por Evelio Martínez Martínez y José Antonio García Macias
Publicado en la Revista RED, Septiembre'06

Introducción
La evolución que han tenido las redes de área local inalámbricas (WLAN), conocidas como Wi-Fi, ha sido increíble y muy rápida en estos últimos años. En muy poco tiempo muchas tecnologías y estándares alrededor de las WLAN han aparecido en el mercado. En esta ocasión nos enfocaremos a una tecnología conocida como Wi-Fi en malla (Wi-Fi mesh networks) la cual se define en la especificación IEEE 802.11s, la cual se encuentra en estatus de borrador. Muchos fabricantes han empezado a lanzar productos con tecnologías propietarias tratando de apoderarse del mercado de redes inalámbricas lo antes posible, antes de que se publique la especificación final del estándar.

Las redes Wi-Fi en malla han ido ganando importancia comercial desde el año pasado, encontrándose, hoy en día en su etapa inicial de su evolución y se esperan que los primeros productos salgan al mercado hasta el 2009.

Las redes en malla pueden operar tanto en ambientes interiores (LAN) como exteriores, en redes tipo campus, inclusive en redes metropolitanas (MAN). Algunos fabricantes de equipos proclaman que las redes en malla podrán ofrecer en un futuro más ancho de banda a un costo más bajo comparadas con las redes celulares de tercera generación (3G).

Orígenes
Las redes de malla tuvieron su origen en aplicaciones militares, con el fin de permitir a los soldados tener comunicación confiable de banda ancha en cualquier lugar. De esta forma, la confiabilidad y robustez requerida en los entornos militares se hereda a los ambientes civiles, donde las redes en malla están encontrando un nicho importante. Uno de los requisitos principales era contar con comunicaciones de banda ancha sin tener que instalar grandes torres o antenas. Así, el equipo de radio de cada soldado contribuía a la formación de una malla de unidades de radio que automáticamente aumentaba su cobertura y robustez conforme se unían nuevos usuarios a la misma.

Qué es Wi-Fi en malla
Una red WLAN tradicional consta de uno o más puntos de acceso (PA) inalámbrico (Access Point) que se conectan mediante un cable UTP categoría 5 directamente a un switch/hub Ethernet hacia la red cableada. De esta misma manera se podrían conectar más puntos de acceso para incrementar el área de cobertura de la red.

Con las redes Wi-Fi en malla es posible que estos puntos de acceso se puedan conectar y comunicar entre ellos de forma inalámbrica, utilizando las mismas frecuencias del espectro disperso, ya sea en 2.4 GHz o en la banda de 5.8 GHz. Las redes Wi-Fi en malla son menos ambiciosas pero más reales. Para operar sólo necesitan de clientes ordinarios IEEE 802.11.[ver figura 1]

Comparado con otras tecnologías alternativas inalámbricas, Wi-Fi es barata y ubicua. El costo de una tarjeta de red Wi-Fi puede aumentar unos diez dólares el precio de una computadora, mientras que las terminales IEEE 802.16 (WiMax) son más aparatosas y cuestan diez veces más.

Las redes Wi-Fi en malla son simples, todos los puntos de acceso comparten los mismos canales de frecuencia. Esto hace a los AP relativamente baratos. El único problema es que el canal es compartido, es decir el ancho de banda de la red. Los APs actúan como hubs, así la malla funciona de manera similar a una red plana construida completamente de hubs; es decir todos los clientes contienden para acceder al mismo ancho de banda.

Una de las desventajas de un sistema de canal único, es que no se puede transmitir y recibir al mismo tiempo. Introduciendo un considerable retardo para cada salto. A pesar de estas desventajas, los sistemas de canal único siguen siendo populares, debido a su bajo costo. Sin embargo para lograr una mejor calidad y cobertura se necesitarán sistemas de radio con canales duales o múltiples.

Los sistemas multiradio utilizan un canal para enlaces hacia los clientes Wi-Fi y el resto para enlaces en malla hacia otros APs. En la mayoría de las arquitecturas los enlaces a los clientes están basados en 802.11b/g, debido a que la banda de frecuencia de 2.4 GHz es la más utilizada por el hardware de los equipos Wi-Fi. En cambio la red de malla está basada en el estándar 802.11a debido a que la banda de 5 GHz está menos congestionada, habiendo menos riesgo de interferencia entre los enlaces de la malla y los clientes. Sin embargo, el estándar 802.11 no soporta nativamente las mallas, así que cada fabricante necesita implementar su propia tecnología propietaria por encima del 802.11a. El estándar 802.11s, tiene la finalidad de reemplazar estas tecnologías propietarias, tanto para sistemas de un solo canal o de varios canales de radio.

Los beneficios
Las redes Wi-Fi en malla son útiles en lugares donde no existe cableado UTP, por ejemplo, oficinas temporales o edificios tales como bodegas o fábricas. Pero muchos de los fabricantes se están concentrando más bien en ambientes exteriores. En muchos lugares se ha incrementado el Internet público sobre redes Wi-Fi, tales como aeropuertos o comercios. Quizá Wi-Fi en malla sea un modesto competidor de otra tecnología más madura conocida como WiMax.

Un aspecto fundamental del funcionamiento de las redes en malla es que la comunicación entre un nodo y cualquier otro puede ir más allá del rango de cobertura de cualquier nodo individual. Esto se logra haciendo un enrutamiento multisaltos, donde cualquier par de nodos que desean comunicarse podrán utilizar para ello otros nodos inalámbricos intermedios que se encuentren en el camino. Esto es importante si se compara con las redes tradicionales WiFi, donde los nodos deben de estar dentro del rango de cobertura de un AP y solamente se pueden comunicar con otros nodos mediante los AP; estos AP a su vez necesitan de una red cableada para comunicarse entre sí. Con las redes en malla, no es necesario tener AP, pues todos los nodos pueden comunicarse directamente con los vecinos dentro de su rango de cobertura inalámbrica y con otros nodos distantes mediante el enrutamiento multisalto ya mencionado.

Otro beneficio importante de las redes en malla es que presentan costos de operación más bajos que las redes Wi-Fi tradicionales, ya que tienen capacidades de autoconfiguración y de reconfiguración. Esto es posible mediante sofisticados protocolos que permiten el descubrimiento automático de rutas y el redescubrimiento de las mismas en caso de falla en algunos nodos. Dada esta capacidad de reconfiguración, las redes en malla también resultan ser muy flexibles y robustas, pues la falla de uno o mas nodos no impide el funcionamiento de la red y no se presenta un punto crítico de falla (como sucedería por ejemplo si falla el AP en una red Wi-Fi tradicional).

¿Qué dice estándar IEEE 802.11s?
El estándar 802.11s es una propuesta del grupo de trabajo conocido como Wi-Mesh Alliance (www.wi-mesh.org). El borrador del estándar 802.11s define la capa física y enlace de datos para redes en malla. Esta topología aumenta la cobertura de la red y permite estar siempre activa aún cuando uno de los puntos de acceso falle. Se puede agregar usuarios y puntos de acceso a la red para añadir capacidad. De la misma manera que la red Internet, la cual funciona en malla también, agregar nodos a la red, la hace escalable y redundante.

El estándar ofrece flexibilidad requerida para satisfacer los requerimientos de ambientes residenciales, de oficina, campus, seguridad pública y aplicaciones militares. La propuesta se enfoca sobre múltiples dimensiones: La subcapa MAC, enrutamiento, seguridad y la de interconexión.

El estándar 802.11s define sólo sistemas para ambientes en interiores, pero los principales fabricantes de equipos inalámbricos le están apostando también a sistemas en ambientes exteriores. El borrador especifica plataformas para equipos de simples y múltiples canales de radio. También se especifica en algunos adendums esquemas de priorización de calidad de servicio (802.11e), medición de recursos de radio (802.11k) y administración del espectro (802.11h). La especificación también incluye características tales como: sensado adaptativo de portadora para reuso espacial del espectro, coordinación de canales de acceso y soluciones de administración de recursos de radio frecuencia (RF). El 802.11s también provee características de descubrimiento extendido de mallas con autoconfiguración automática y seguridad (802.11i).

Tabla 1. Estándares de la especificación de redes WLAN IEEE 802.11*
Estándar Alcance del estándar
802.11a Red WLAN de 54 Mbps, 5 GHz
802.11b 11 Mbps, 2.4 GHz
802.11e Calidad de Servicio (QoS)
802.11g Red WLAN de 54 Mbps, 2.4 GHz
802.11h Administración del espectro (802.11a)
802.11i Seguridad
802.11k Medición de recursos de radio
802.11s Redes en malla
* mencionados en este artículo

¿Qué compañías fabricantes están involucradas? Compañías como BelAir Networks, Firetide, Nortel, Strix, Tropos Network, Reamad, entre otras están fabricando equipos inalámbricos en malla. Cada una de estas compañías está compitiendo codo con codo para ser las primeras en ofrecer la tecnología al mercado. Por ejemplo, Tropos Networks están desarrollando su propio protocolo de enrutamiento, llamado PWRP (Predictive Wireless Routing Protocol), el cual es una variante del protocolo tradicional de las redes cableadas OSPF (Open Shortest Path First). Hasta este punto lo interesante, si se quiere instalar este tipo de sistemas en sus empresas, es analizar cuales fabricantes están ofreciendo productos que soporten los estándares 802.11.

Tabla 2. Principales fabricantes de Wi-Fi en malla
Enlace del Cliente Frecuencia Radios por router Tipo de red
BelAir Networks 802.11b/g 5 GHz 1,2 o 4 MAN
Cisco Systems 802.11b/g 5 GHz 2 MAN
Firetide Ethernet 2.4 GHz, 5 GHz 1 MAN/LAN
Nortel Networks 802.11b 5 GHz 2 MAN
Strix Systems 802.11a/b/g, bluetooth 2.4 GHz, 5 GHz 2 a 6 MAN/LAN
Tropos Networks 802.11b/g 2.4 GHz 1 MAN
802.11s 802.11a/b/g/n 2.4 GHz, 5 GHz 1 o más LAN
MAN: Metropolitan Area Network
LAN: Local Area Network


En la actualidad, BelAir es el único fabricante de sistemas de uni y multicanal de radio, designando los equipos de multicanal para la malla y los equipos de canal único para los clientes. La compañía Firetide sigue utilizando un hub Ethernet, en vez de un AP, para conexiones a los clientes. Esto le permite a los usuarios escoger su propio vendedor de APs, o conectarse con dispositivos que no son Wi-Fi tales como camaras de seguridad. Strix tiene un sistema modular que soporta hasta seis radios, y puede también utilizar Bluetooth para conexiones a los clientes. Compañías tradicionales como Cisco y Nortel, no podían quedarse atrás en esta tecnología y ya empiezan a sacar al mercado sus primeros productos de redes Wi-Fi en malla.

Conclusiones
Se prevé que la especificación final del 802.11s aparecerá publicada a mediados del 2008. Después de que el estándar sea publicado, a la Wi-Fi Alliance (www.wi-fi.org) le tomará al menos seis meses para que los diferentes fabricantes de productos funcionen en armonía, ya que en la actualidad, todos los fabricantes trabajan con tecnologías propietarias. Compañías como Intel, Nokia, NTT Docomo, Texas Instruments y Motorola están promoviendo una especificación alternativa a la que llaman SEEMesh (Simple, Eficiente y Extensible), principal competidor de la Wi-Mesh Alliance. Por otra parte un grupo lider de Nortel Networks están promoviendo una fusión entre 802.11s y 802.11e, para tratar de integrar Calidad de Servicio (QoS) a las redes en malla.

Independientemente de cual propuesta sea escogida, algunas extensiones o adendums al estándar serán necesarias. Por ejemplo el enrutamiento dentro de redes en malla es mucho más complejo que el enrutamiento sobre la dorsal de Internet. Otro problema será la interferencia, los cuales representan un problema tanto de ancho de banda como de confiabilidad. En la actualidad, todos los fabricantes utilizan sus propios algoritmos y esquemas propietarios, optimizados para su hardware en particular. Es importante que se armonice entre los diferentes fabricantes en estos aspectos técnicos, esa es la principal finalidad del estándar 802.11s.

Los autores Evelio Martínez Martínez y José Antonio García Macias son investigadores de la Facultad de Ciencias de Universidad Autónoma de Baja California y del Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada (CICESE), se les puede contactar en evelio(at)uabc.mx y jagm(at)cicese.mx

Referencias
Wi-mesh Alliance      www.wi-mesh.org
Tropos Networks      www.tropos.com
Belair Networks      www.belairnetworks.com
Strix systems      www.strixsystems.com
Firetide      www.Firetide.com
Nortel      www.nortel.com
Cisco      www.cisco.com

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