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Estudio experimental del funcionamiento de OSPF-MANET y OLSR en redes malladas multi-salto inalámbricas

De
190 pages

Hasta hace pocos años, la mayoría de las comunicaciones a través de red estaban basadas en cable, una pauta que está cambiando actualmente debido, principalmente, a la madurez alcanzada por las comunicaciones inalámbricas, que ahora ofrecen conexiones veloces, seguras, eficientes y fiables. Estas se encuentran en su momento de máxima expansión, claramente impulsadas por la aparición de los teléfonos móviles, PDAs, ordenadores portátiles, y un amplio número de dispositivos, todos ellos con soporte WiFi. Dicha madurez convierte a las redes malladas inalámbricas en una opción muy a tener en cuenta a la hora de crear infraestructuras de red, que unida a su sencillez de instalación y su bajo coste, garantizan el éxito de esta solución. La estructura mallada de este tipo de redes provoca que existan múltiples rutas a la hora de encaminar los datos a través de la red, así como un número variable de saltos para cada una de ellas; por este motivo, se hace necesaria la intervención de un protocolo de encaminamiento que se encargue de la distribución de los datos a través de la red de un modo eficiente y fiable. Este proyecto fin de carrera se centra en el estudio teórico y práctico de dos de los protocolos diseñados para trabajar en este tipo de redes: OLSR, desarrollado específicamente para las redes malladas inalámbricas y OSPF-MANET, una modificación del protocolo OSPF básico, destinado para su uso en MANETs, pero también válido en el tipo de red tratada en este estudio. Para ello, se realizará un análisis del estado del arte relacionado con las redes malladas, así como de los protocolos mencionados. Otra parte del estudio consistirá en una serie de experimentos, mediante el despliegue de una plataforma de pruebas, que permitan medir diferentes parámetros de red, como cargas de señalización y retardos introducidos por ambos protocolos en diferentes situaciones, con el fin de determinar su rendimiento y realizar una comparativa para decidir la solución más apropiada. Para ello se crearán varios escenarios de red que simulen lo más verazmente posible un caso real. Conocida la limitación de direccionamiento existente en las redes IPv4 y teniendo en cuenta que el uso de dispositivos inalámbricos se extenderá aún más en el futuro, los experimentos también contemplarán el comportamiento de estos protocolos con IPv6, que sustituirá, en un futuro no muy lejano, a IPv4. Todo esto permitirá conocer, más en profundidad, las peculiaridades de este novedoso tipo de redes, así como los distintos modos de encaminar tráfico a través de la red mediante los protocolos objeto del estudio, el comportamiento de éstos con IPv6, y las particularidades de contar con dispositivos limitados y su configuración.
Ingeniería Técnica en Telemática
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UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID

ESCUELA POLITECNICA SUPERIOR

INGENIERIA TECNICA DE TELECOMUNICACION
TELEMATICA



PROYECTO FIN DE CARRERA

DEPARTAMENTO DE TELEMATICA

ESTUDIO EXPERIMENTAL DEL FUNCIONAMIENTO DE OSPF-MANET Y OLSR EN
REDES MALLADAS MULTI-SALTO INALAMBRICAS



















Autor: ANTONIO GUERRERO ESPARTERO

Director: CARLOS JESUS BERNARDOS CANO

Tutor: ANTONIO DE LA OLIVA DELGADO

Julio de 2010

Resumen

Hasta hace pocos años, la mayoría de las comunicaciones a través de red estaban
basadas en cable, una pauta que está cambiando actualmente debido,
principalmente, a la madurez alcanzada por las comunicaciones inalámbricas, que
ahora ofrecen conexiones veloces, seguras, eficientes y fiables. Estas se encuentran
en su momento de máxima expansión, claramente impulsadas por la aparición de
los teléfonos móviles, PDAs, ordenadores portátiles, y un amplio número de
dispositivos, todos ellos con soporte WiFi.
Dicha madurez convierte a las redes malladas inalámbricas en una opción muy a
tener en cuenta a la hora de crear infraestructuras de red, que unida a su sencillez
de instalación y su bajo coste, garantizan el éxito de esta solución.

La estructura mallada de este tipo de redes provoca que existan múltiples rutas a la
hora de encaminar los datos a través de la red, así como un número variable de
saltos para cada una de ellas; por este motivo, se hace necesaria la intervención
de un protocolo de encaminamiento que se encargue de la distribución de los datos
a través de la red de un modo eficiente y fiable.

Este proyecto fin de carrera se centra en el estudio teórico y práctico de dos de los
protocolos diseñados para trabajar en este tipo de redes: OLSR, desarrollado
específicamente para las redes malladas inalámbricas y OSPF-MANET, una
modificación del protocolo OSPF básico, destinado para su uso en MANETs, pero
también válido en el tipo de red tratada en este estudio. Para ello, se realizará un
análisis del estado del arte relacionado con las redes malladas, así como de los
protocolos mencionados.

Otra parte del estudio consistirá en una serie de experimentos, mediante el
despliegue de una plataforma de pruebas, que permitan medir diferentes
parámetros de red, como cargas de señalización y retardos introducidos por ambos
protocolos en diferentes situaciones, con el fin de determinar su rendimiento y
realizar una comparativa para decidir la solución más apropiada. Para ello se
crearán varios escenarios de red que simulen lo más verazmente posible un caso
real.

Conocida la limitación de direccionamiento existente en las redes IPv4 y teniendo
en cuenta que el uso de dispositivos inalámbricos se extenderá aún más en el
futuro, los experimentos también contemplarán el comportamiento de estos
protocolos con IPv6, que sustituirá, en un futuro no muy lejano, a IPv4.
Todo esto permitirá conocer, más en profundidad, las peculiaridades de este
novedoso tipo de redes, así como los distintos modos de encaminar tráfico a través
de la red mediante los protocolos objeto del estudio, el comportamiento de éstos
con IPv6, y las particularidades de contar con dispositivos limitados y su
configuración.

Palabras clave: redes malladas, wireless, OSPF-MANET, OLSR, IPv6

INDICE DE CONTENIDOS

ACRONIMOS ................................................................................................. 9
PARTE I INTRODUCCION ..............................................................................11
Capítulo 1 Introducción..............................................................................12
1.1 Introducción ....................................................................................12
1.2 Objetivos.........................................................................................13
1.3 Fases del Desarrollo..........................................................................13
1.4 Medios Empleados............................................................................14
1.4.1 Hardware ..................................................................................14
1.4.2 Software ...................................................................................14
1.5 Organización de la Memoria...............................................................15
PARTE II ESTADO DEL ARTE .........................................................................17
Capítulo 2 Redes Malladas Inalámbricas .......................................................18
2.1 Introducción ....................................................................................18
2.2 Protocolos de Encaminamiento Disponibles..........................................19
2.2.1 Clasificación de los Protocolos de Encaminamiento .........................19
2.2.2 Propiedades Deseadas para los Protocolos de Encaminamiento ........20
2.2.3 Protocolos disponibles.................................................................21
2.3 Ventajas de las redes malladas inalámbricas........................................22
2.4 Funcionamiento................................................................................22
2.4.1 Nodos de Backhaul .....................................................................23
2.5 Aplicaciones.....................................................................................24
Capítulo 3 OSPF-MANET .............................................................................27
3.1 Introducción ....................................................................................27
3.1.1 Definición de los Conceptos más Usados .......................................27
3.2 Funcionamiento de OSPF...................................................................29
3.3 La Base de Datos LS .........................................................................29
3.3.1 La Tabla de Rutas.......................................................................30
3.3.2 Algoritmo Dijkstra ......................................................................30
3.3.3 El Link State Advertisement (LSA)................................................32
3.3.4 Sincronización Inicial de la Base de Datos LS .................................32
3.3.5 Adyacencias ..............................................................................32
3.4 Paquetes OSPF.................................................................................34
3.4.1 Tipos de Paquetes ......................................................................34
3.4.2 Agrupamiento de Mensajes de Encaminamiento .............................38
3.5 Tipos de Interfaces para las Distintas Redes ........................................38
3.5.1 Punto a Punto ............................................................................38
3.5.2 Broadcast..................................................................................39
3.5.3 Non Broadcast Multiple Access (NBMA) .........................................39
3.5.4 Punto a Multipunto .....................................................................39
3.5.5 Estados de las interfaces.............................................................40
3.6 Temporizadores ...............................................................................41
3.7 Utilización de OSPF en Redes de Gran Tamaño.....................................42
3.7.1 Router Designado.......................................................................42
3.7.2 Áreas........................................................................................42
3.8 Diferencias entre OSPFv2 y OSPFv3....................................................44
3.9 Extensión MANET para OSPF Mediante Inundación CDS, OSPF-MDR........44
3.9.1 Nueva Interfaz MANET ................................................................46
Capítulo 4 OLSR........................................................................................48
4.1 Introducción ....................................................................................48
4.2 Mensajes OLSR ................................................................................49
4.2.1 Mensaje Hello ............................................................................49
4.2.2 Mensaje TC (Topology Control) ....................................................50
4.2.3 Mensajes MID (Declaración de Interfaz Múltiple, Multiple Interface
Declaration).......................................................................................50
4.3 Multipoint Relays (MPRs)...................................................................51
4.4 Funcionamiento del protocolo.............................................................54
4.4.1 Algoritmo de Estado de Enlace.....................................................54
4.4.2 Funcionalidad Primaria................................................................55
4.4.3 Funcionalidades Auxiliares...........................................................58
PARTE III DESCRIPCION DEL TRABAJO REALIZADO.........................................59
Capítulo 5 Entorno de Pruebas ....................................................................60
5.1 Introducción ....................................................................................60
5.1.1 Motivación.................................................................................60
5.1.2 Escenario de Aplicación...............................................................60
5.2 Arquitectura de la Red ......................................................................61
5.2.1 Descripción de la Arquitectura de Red...........................................61
5.3 Conclusiones....................................................................................65
Capítulo 6 Escenarios y Batería de pruebas...................................................66
6.1 Introducción ....................................................................................66
6.2 Descripción de las Pruebas Realizadas.................................................66
6.2.1 Pruebas de Funcionamiento Básico ...............................................66
6.2.2 Batería de Pruebas y Escenarios con Topología Aleatoria .................69
Capítulo 7 Resultados de las Pruebas...........................................................80
7.1 Introducción ....................................................................................80
7.2 Resultados del Escenario con Topología Determinista............................80
7.2.1 OSPF-MANET .............................................................................81
7.2.2 OLSR ........................................................................................86
7.3 Resultados de los Escenarios con Topología Aleatoria............................90
7.3.1 Conclusiones OSPF-MANET ..........................................................94
7.3.2 Conclusiones OLSR.....................................................................95
PARTE IV CONCLUSIONES FINALES Y TRABAJOS FUTUROS................................97
Capítulo 8 Conclusiones Finales y Trabajos Futuros........................................98
8.1 Introducción ....................................................................................98
8.2 Conclusiones Finales.........................................................................98
8.2.1 Carga .......................................................................................99
8.2.2 Retardo.....................................................................................99
8.2.3 Soporte de los Desarrolladores...................................................100
8.2.4 Configuración e Instalación........................................................100
8.2.5 Consumo de Recursos...............................................................100
8.2.6 Estabilidad ..............................................................................101
8.2.7 Otras Características.................................................................101
8.2.8 Resumen.................................................................................101
8.3 Futuras Líneas de Trabajo ...............................................................102
8.3.1 Extensión a FloorNet.................................................................102
8.3.2 Extensión del Estudio a Otros Protocolos .....................................103
8.3.3 Ampliación del Número de Interfaces en Cada Nodo .....................103
Parte V APENDICES ....................................................................................105
APENDICE A – Instalación de la Implementación de OSPF-MANET y de OLSR en
PC.........................................................................................................106
APENDICE B - Compilación del Software de Routing Quagga para el Entorno
Openwrt.................................................................................................110
APENDICE C - Compilación de Firmware Openwrt con Funcionalidad Mínima...113
APENDICE D – Instalación y Configuración del Firmware Openwrt Kamikaze...118
APENDICE E - Instalación y Configuración del Software Quagga y olsrd en el
Entorno Openwrt.....................................................................................123
APENDICE F – Scripts ..............................................................................126
APENDICE G – Presupuesto y Plan de Proyecto ...........................................184
BIBLIOGRAFIA Y REFERENCIAS ....................................................................188

INDICE DE FIGURAS

Figura 1.1 Ejemplo de red mallada inalámbrica ................................................12
Figura 1.2 Router Linksys WRT54GL................................................................14
Figura 2.1 Nodo mesh instalado en una farola..................................................19
Figura 2.2 Esquema de funcionamiento de una red mallada inalámbrica con acceso
a Internet .............................................................................................23
Figura 2.3 Aplicaciones de las redes malladas inalámbricas en ciudades ..............25
Figura 3.1 Ejemplo del proceso de cálculo del algoritmo Dijkstra ........................31
Figura 3.2 Cabecera OSPF Genérica ................................................................34
Figura 3.3 Descubrimiento de un vecino nuevo en OSPF....................................36
Figura 3.4 Relación entre backbone y área.......................................................43
Figura 3.5 Ejemplo de router conectado a dos redes, en una misma área ............43
Figura 4.1 Inundación a dos saltos mediante el mecanismo MPR ........................51
Figura 4.2 Mecanismo de broadcast clásico ......................................................52
Figura 4.3 Mecanismo de inundación mediante MPRs (en azul)...........................53
Figura 4.4 Formato de un paquete OSLR .........................................................55
Figura 4.5 Detección de un vecino mediante paquetes Hello...............................57
Figura 5.1 Conexionado del router Linksys WRT54GL ........................................62
Figura 5.2 Esquema del entorno de pruebas.....................................................63
Figura 6.1 Topología empleada en la prueba con nueve nodos............................67
Figura 6.2 Escenario con topología aleatoria I ..................................................75
Figura 6.3 Escenario con topología aleatoria II .................................................76
Figura 6.4 Escenario con topología aleatoria III ................................................77
Figura 6.5 Escenario con topología aleatoria IV.................................................78
Figura 6.6 Escenario con topología aleatoria V..................................................79
Figura 7.1 Carga por nodo sin errores OSPF-MANET..........................................81
Figura 7.2 Carga total sin errores OSPF-MANET................................................82
Figura 7.3 Carga máxima por enlace con errores OSPF-MANET...........................82
Figura 7.4 Tiempo de convergencia de nodo nuevo OSPF-MANET........................83
Figura 7.5 Tiempo de convergencia al régimen estacionario OSPF-MANET............83
Figura 7.6 Tiempo de recuperación ante caída de enlaces OSPF-MANET...............84
Figura 7.7 Tiempo de recuperación ante caída de nodos OSPF-MANET.................84
Figura 7.8 Carga por nodo sin errores OLSR.....................................................86
Figura 7.9 Carga total sin errores OLSR...........................................................87
Figura 7.10 Carga máxima por enlace con errores OLSR....................................87
Figura 7.11 Tiempo de convergencia de nodo nuevo OLSR.................................88
Figura 7.12 Tiempo de convergencia al régimen estacionario OLSR.....................88
Figura 7.13 Tiempo de recuperación ante caída de enlaces OLSR........................89
Figura 7.14 Tiempo de recuperación ante caída de nodos OLSR..........................89
Figura 8.1 Ejemplo de FloorNet ....................................................................103
Figura 8.2 Vista del menú principal de la herramienta de creación de Openwrt ...114
Figura 8.3 Vista del menú de utilidades .........................................................114
Figura 8.4 Vista del menú donde se seleccionan la base del firmware................115
Figura 8.5 Vista del menú de librerías ...........................................................115
Figura 8.6 Vista del menú de utilidades para IPv6...........................................116
Figura 8.7 Vista del menú de utilidades para redes .........................................116
Figura 8.8 Vista del menú de selección de formato de imagen..........................117

INDICE DE TABLAS

Tabla 3.1 Resumen de estados entre vecinos en OSPF ......................................33
Tabla 3.2 Resumen de los diferentes tipos de paquetes usados en OSPF..............34
Tabla 3.3 Diferencias de CDS y BCDS en OSPF y OSPF-MDR ..............................45
Tabla 4.1 Resumen de mensajes OLSR............................................................49
Tabla 5.1 Configuración por defecto de las interfaces ........................................62
Tabla 5.2 Configuración utilizada en las pruebas...............................................63
Tabla 7.1OSPF-MANET Escenario aleatorio I.....................................................91
Tabla 7.2 OSPF-MANET Escenario aleatorio II...................................................91
Tabla 7.3 OSPF-MANET Escenario aleatorio III .................................................91
Tabla 7.4 OSPF-MANET Escenario aleatorio IV..................................................92
Tabla 7.5 OSPF-MANET Escenario aleatorio V ...................................................92
Tabla 7.6 OLSR Escenario aleatorio I...............................................................92
Tabla 7.7 OLSR Escenario aleatorio II .............................................................93
Tabla 7.8 OLSR Escenario aleatorio III ............................................................93
Tabla 7.9 OLSR Escenario aleatorio IV.............................................................93
Tabla 7.10 OLSR Escenario aleatorio V ............................................................94
Tabla 8.1 Carga de señalización aproximada introducida a la red en bytes/segundo
para 20 nodos .......................................................................................99
Tabla 8.2 Retardos introducidos por los protocolos, en segundos, para el caso de 20
nodos.................................................................................................100
Tabla 8.3 Comparativa de características entre OSPF-MANET y OLSR................102
Tabla 8.4 Direccionamiento en los diferentes puertos del router .......................120


ACRONIMOS

MANET Mobile Ad-hoc Network
OSPF Open Shortest Path First
OLSR Optimized Link State Routing
IPv4 Internet Protocol version 4
IPv6 Internet Protocol version 6
WIFI Wireless Fidelity
LAN Local Area Network
PoE Power Over Ethernet
ITS Inteligent Transport System
IETF Internet Engineering Task Force
PDA Personal Digital Assistant
IP-sec Internet Protocol security
QoS Quality of Service
LS Link State
SPF Shortest Path First
IGP Internet Gateway Protocol
AS Autonomous System
RIP Routing Information Protocol
LSA Link State Advertisement
DD Database Description Packets
DR Designate Router
Ack Acknowledgement
NBMA Non-Broadcast Multiple Access
BDR Backup Designated Router
CDS Connected Dominating Set
BCDS BiConnected Dominating Set
MDR MANET Designate Router
BMDR Backup MANET Designate Router
IANA Internet Assigned Numbers Authority
MPR MultiPoint Relay
TC Topology Control
MID Multiple interface declaration
RFC Request for Comments
AODV Ad hoc On Demand Distance Vector routing
DSR Dynamic Source Routing
SDK Software Development Kit
DHCP Dynamic Host Configuration Protocol
LTS Long Time Support
MAC Media Access Control
CPU Central Processing Unit
RAM Random Access Memory
UDP User Datagram Protocol
TCP Transmission Control Protocol

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