PDF de programación - Redes Inalámbricas Ad Hoc como Tecnología de Soporte para la Computación Ubicua

Redes Inalámbricas Ad Hoc como Tecnología de

Soporte para la Computación Ubicua

Juan-Carlos Cano, Carlos T. Calafate, Manuel P. Malumbres, Pietro Manzoni

Departamento de Informática de Sistemas y Computadores, Universidad Politécnica de Valencia

Camino de Vera s/n, 46071 Valencia, ESPA ÑA.

e-mail: jucano, calafate, mperez, [email protected]

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Abstract

El principal objetivo de la computación ubicua es el establecimiento de entornos donde los dispositivos con
capacidades de procesamiento y comunicaciones (teléfonos móviles, PDA, dispositivos sensores, electrodomésticos,
libros electrónicos, etc.) puedan cooperar y comunicarse de forma inteligente y conscientes del entorno que les
rodea de forma transparente al usuario. Los sistemas de comunicaciones juegan un papel fundamental en el area de
la computación ubicua. En concreto, las redes inalámbricas ad hoc también conocidas como MANETs (Mobile ad
hoc Networks) se presentan como una tecnología de comnunicación ideal en este tipo de entornos y aplicaciones.
En este trabajo, se presenta una aplicación experimental como ejemplo de utilización de las tecnologías

inalámbricas Bluetooth e IEEE 802.11 en el area de la computación ubicua.

I. INTRODUCCI ÓN

El término computación ubicua hace referencia a poder aprovechar la información ofrecida por dispo-

sitivos de computación distribuidos en el entorno, de una forma transparente al usuario [1].

Los continuos avances tecnológicos han incentivado el desarrollo de dispositivos con capacidades de
comunicación inalámbrica cada vez más pequeños, más potentes y con un consumo de batería mas eficiente
que hacen que cada día sea más realista el concepto de computación ubicua. Fuertemente ligado al concepto
de computación ubicua, encontramos las aplicaciones dependientes del entorno también conocidas como
aplicaciones context-aware. Dichas aplicaciones se caracterizan por ser capaces de adaptar sus funciones
de forma transparente en función del contexto, del tipo de usuario y del dispositivo utilizado [2]. En el área
de la computación ubicua las comunicaciones juegan un papel fundamental. En concreto, las características
de las redes inalámbricas ad hoc pueden ofrecen una gran flexibilidad al sistema de comunicaciones.

Las redes ad hoc también conocidas como MANETs, son redes inalámbricas que no requieren ningún
tipo de infraestructura fija ni administración centralizada, donde las estaciones, además de ofrecer fun-
cionalidades de estación final deben proporcionar también servicios de encaminamiento, retransmitiendo
paquetes entre aquellas estaciones que no tienen conexión inalámbrica directa.

Las redes ad hoc pueden desplegarse de forma completamente autónoma o combinarse con las redes

locales inalámbricas para conectarse a Internet utilizando puntos de acceso inalámbricos,.

Dichas redes deben poder adaptarse dinámicamente ante los cambios continuos de las características de
la red, tales como la posición de las estaciones, la potencia de la señal, el tráfico de la red y la distribución
de la carga. De entre estas características, el principal reto de las redes ad hoc estriba en los continuos e
impredicibles cambios de la topología de la red.

Se hacen necesarios nuevos algoritmos, protocolos y middleware, que superen las limitaciones ante-
riormente presentadas y permitan establecer redes independientes y descentralizadas. Dichos protocolos
deberían ser completamente adaptativos, anticipando el comportamiento futuro de la red a partir de
parámetros tales como el nivel de congestión, la tasa de errores, los cambios de rutas utilizadas, etc.
Además, los recursos de la red deben poder ser localizados y utilizados de forma automática sin nece-
sidad de una configuración manual previamente establecida. Aspectos relacionados con la seguridad y
la privacidad de la información deberían ser considerados de cara a proporcionar un acceso que permita
asegurar la privacidad de los dispositivos y usuarios. Finalmente, se deben incorporar técnicas orientadas

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a ofrecer calidad de servicio (Quality of Service, QoS) que permitan, por ejemplo, ofrecer garantías de
servicio sobre determinado tráfico de red.

Numerosos grupos, centros de investigación y empresas de comunicaciones están trabajando de forma
activa en proyectos relacionadas con el campo de la computación ubicua y las aplicaciones context-
aware [3]. Investigaciones relacionadas con entornos inteligentes y espacios domóticos son cada vez más
comunes en universidades y centros de investigación corporativos (ver [4], [5], [6]).

Las aplicaciones context-aware requieren necesariamente algún tipo de tecnología de comunicación
inalámbrica que proporcione conexión inalámbrica entre los diferentes dispositivos de la red. Dicha
tecnología inalámbrica, junto con dispositivos sensores tales como sensores de movimiento y etiquetas
electrónicas son la base que deben permitir el establecimiento de nuevos entornos inteligentes donde las
aplicaciones de computación ubicua sean capaces de interactuar con el entorno de forma transparente sin
necesidad de configuraciones preestablecidas ni intervención del usuario.

Se dispone de varias tecnologías de comunicación inalámbrica, desde tecnologías inalámbricas de area
amplia de tercera generación (3G), las redes inalámbricas de área local (Wireless LANs) o las redes de
área personal (Personal Área Networks, PANs) [7].

Basamos nuestra propuesta en la tecnología Bluetooth [8]. Bluetooth es una tecnología de red in-
alámbrica flexible y versátil de corto alcance y bajo consumo [9]. Bluetooth ha sido especialmente diseñada
para tener un tamaño y coste reducido, con el propósito de poder incorporarse en prácticamente cualquier
objeto cotidiano.

Este trabajo describe una aplicación context-aware experimental llamada UbiqMuseum, la cual propor-
ciona información dependiente del entorno a los visitantes de un museo. La aplicación ofrece en cada
momento información personalizada referente a la obra de arte que el visitante esta observando. Dicha
información se adapta de forma automática en función del idioma seleccionado, el nivel de conocimientos,
y el tipo de dispositivo que utilice el usuario. Como dispositivos, la aplicación permite teléfonos móviles,
ordenadores portatiles y PDAs. La aplicación también puede ser utilizada por los administradores del
museo de cara a reducir costes derivados de las consultas de los usuarios, así como para otros propósitos
tales como identificar las piezas del museo más visitadas, obtener patrones de comportamiento de los
usuarios etc.

El resto del trabajo se estructura como sigue. La Sección II resume el estado del arte de las redes ad
hoc. La Sección III introduce brevemente la tecnología Bluetooth. La Sección IV describe la aplicación
desarrollada presentando la arquitectura de la misma. La Sección V presenta detalles relacionados con la
implementación realizada. Futuras extensiones de la aplicación se detallan en la Sección VI seguidas por
las conclusiones en la Sección VII.

II. REDES INAL ÁMBRICAS AD HOC

La investigación en el campo de las comunicaciones inalámbricas se remonta a los años 70 y su
interés se ha visto progresivamente incrementado desde entonces, aumentando notablemente en la última
década debido al éxito de Internet. Los últimos avances se han centrado en las redes sin infraestructura,
comúnmente conocidas como redes ad hoc. El termino ad hoc, aunque podría ser interpretado con conno-
taciones negativas tales como “improvisado” o “desorganizado”, en el contexto de las redes inalámbricas
hace referencia a redes flexibles, en las cuales todas las estaciones ofrecen servicios de encaminamiento
para permitir la comunicación de estaciones que no tienen conexión inalámbrica directa.

En relación a las redes cableadas, las redes ad hoc presentan cambios de topología frecuentes e
impredecibles debido a la movilidad de sus estaciones. Estas características impiden la utilización de
protocolos de encaminamiento desarrollados para redes cableadas y crean nuevos retos de investigación
que permitan ofrecer soluciones de encaminamiento eficientes que superen problemas tales como topología
dinámica, recursos de ancho de banda y batería limitada y seguridad reducida.

Los protocolos de encaminamiento desarrollados para redes cableadas no se adaptan al entorno altamente
dinámico de las redes ad hoc. Dichos protocolos hacen uso de mensajes de actualización de rutas periódicos

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que ofrecen una elevada sobrecarga incluso en redes con tráfico reducido. Esta metodología de diseño
hace que en entornos dinámicos con cambios de topología frecuente dichas aproximaciones ofrezcan una
sobrecarga excesiva. Recientemente, dado el interés suscitado por las redes ad hoc se ha establecido
dentro del Internet Engineering Task Force (IETF), un nuevo grupo de trabajo denominado Mobile Ad
hoc Networking group (MANET) [10], cuyo principal objetivo es estimular la investigación en el área de
las redes ad hoc.

Hace un par de años se estaban evaluando entre la comunidad investigadora cerca de 60 propuestas
de encaminamiento diferentes. Sin embargo, hoy día solamente cuatro de estas propuestas han resistido
la fuerte competencia. Estas propuestas son las siguientes: el protocolo “Ad hoc On Demand Distance
Vector” (AODV) [11], el protocolo “Dynamic Source Routing for Protocol Mobile Ad hoc Networks”
(DSR) [12], el protocolo “Optimized Link State Routing Protocol” (OLSR) [13], y el protocolo “Topology
Broadcast based on Reverse-Path Forwarding” (TBRPF) [14]. De estos cuatro, los protocolos AODV y
OLSR han alcanzado el nivel de RFC (Request for Comment).

AODV y DSR utilizan encaminamiento reactivo también conocido como encaminamiento bajo demanda,
en el cual las rutas a utilizar para un determinado destino solamente se calculan cuando éstas son nec