Universidad Rey Juan CarlosEscuela Superior de Ciencias Experimentales y Tecnolog´                                        ...
Resumen    La tecnolog´ de comunicaciones inal´mbricas es cada d´ m´s importante y                 ıa                     ...
´Indice general1. Introducci´n              o                                                                             ...
´INDICE GENERAL                                               ´                                                           ...
´Indice de cuadros 2.1. Espectro electromagn´tico para telecomunicaciones inal´mbricas                             e      ...
´Indice de figuras 2.1.   Capas de protocolos de IEEE 802 y modelo de referencia             OSI         .   .   21 2.2.   ...
Cap´   ıtulo 1Introducci´n          o    En este cap´ıtulo se presenta una introducci´n al contenido del proyecto. Se     ...
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Cap´   ıtulo 1. Introducci´n                      o                                   Organizaci´n del proyecto           ...
Cap´   ıtulo 1. Introducci´n                      o                      Lenguajes, herramientas y tecnolog´              ...
Cap´   ıtulo 1. Introducci´n                      o                                    La documentaci´n                   ...
Cap´   ıtulo 2Tecnolog´ inal´mbrica        ıa    a2.1.     Historia de la tecnolog´ inal´mbrica                           ...
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  1. 1. Universidad Rey Juan CarlosEscuela Superior de Ciencias Experimentales y Tecnolog´ ıa Proyecto Fin de Carrera Computaci´n ubicua o Diego Chaparro Gonz´lez a dchaparro@acm.org Tutor: Pedro de las Heras Quir´s o pheras@gsyc.escet.urjc.es 30 de Junio de 2003
  2. 2. Resumen La tecnolog´ de comunicaciones inal´mbricas es cada d´ m´s importante y ıa a ıa aempieza a estar tan extendida que empezamos a olvidarnos de la conexi´n por ocables que hasta ahora era fundamental en algunos dispositivos, como tel´fonos em´viles u ordenadores port´tiles. Esta tecnolog´ ha experimentado un gran o a ıaavance en los ultimos tiempos, y su desarrollo sigue en aumento. ´ Los avances en comunicaciones inal´mbricas han llevado a la creaci´n de a oun nuevo campo en la computaci´n, denominado computaci´n ubicua. Tambi´n o o eest´n aprovech´ndose los avances en el campo de los componentes electr´nicos, a a oque llevan a la reducci´n del tama˜o de los dispositivos y al aumento de su o npotencia. El desarrollo de la tecnolog´ radioel´ctrica, as´ como la difusi´n y ıa e ı oabaratamiento de los dispositivos utilizados. El desarrollo de los protocolos demovilidad de dispositivos entre redes y los avances en el campo de los nuevosmateriales. Este nuevo sector de la computaci´n, denominado computaci´n ubicua o o opervasiva, pretende incorporar a los objetos de la vida cotidiana capacidad dec´mputo, de comunicaciones inal´mbricas y de interacci´n entre ellos para crear o a oun nuevo modelo de la realidad en la que estos objetos interoperan entre ellospara facilitar la realizaci´n de las tareas a las personas. o Para poder investigar acerca de este campo de la computaci´n ubicua, se ha orealizado un estudio desde diversos enfoques te´ricos y pr´cticos de los campos o am´s importantes en los que se basa esta tecnolog´ a ıa. En primer lugar se han estudiado las bases de la tecnolog´ inal´mbrica, ıa ay se han hecho experimentos reales sobre esta tecnolog´ utilizando diversos ıadispositivos: conexiones entre PDAs mediante 802.11 e infrarrojos, conexi´n oinal´mbrica entre ordenadores con dispositivos dongles, ... En segundo lugar, adespu´s de haber estudiado la tecnolog´ inal´mbrica, se ha estudiado el segundo e ıa ade los campos clave para la computaci´n ubicua, es el campo de los protocolos de omovilidad. Se ha estudiado y se han montado maquetas de redes de dispositivosinal´mbricos para estudiar el funcionamiento de varias implementaciones de aestos protocolos, se han hecho pruebas con estas maquetas realizadas y se hanhecho experimentos para medir el rendimiento de los mismos. Y por ultimo, aplicando los dos campos estudiados anteriormente, junto con ´otros aspectos de las tecnolog´ de la comunicaciones, como redes ad-hoc, se han ıasmontado simulaciones de algunos escenarios reales que propone la computaci´n oubicua utilizando las maquetas montadas en los cap´ ıtulos anteriores adaptadasa estas situaciones, se ha implementado un protocolo de redes ad-hoc para losrobots legos Mindstorm para comprobar el funcionamiento real de estas redesy se ha realizado una comparaci´n de protocolos de movilidad sobre diferentes oprotocolos de red (IPv4 vs IPv6) entre otros experimentos. 1
  3. 3. ´Indice general1. Introducci´n o 6 1.1. Introducci´n . . . . . . . . o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.2. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3. Organizaci´n del proyecto o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.4. Lenguajes, herramientas y tecnolog´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.5. La documentaci´n . . . . o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122. Tecnolog´ inal´mbrica ıa a 13 2.1. Historia de la tecnolog´ inal´mbrica . . . . . . . . . . . . . ıa a . . . 13 2.1.1. La revoluci´n de la telefon´ inal´mbrica . . . . . . . o ıa a . . . 13 2.1.2. Globalizaci´n de las redes de telefon´ . . . . . . . . o ıa . . . 14 2.1.3. El siguiente paso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2. Bases de la tecnolog´ inal´mbrica . . . . . . . . . . . . . . ıa a . . . 16 2.2.1. Transmisi´n de datos anal´gicos y digitales . . . . . o o . . . 16 2.2.2. Espectro, medio de transmisi´n . . . . . . . . . . . . o . . . 17 2.3. Redes locales inal´mbricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a . . . 19 2.4. 802.11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.4.1. Arquitectura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.4.2. Servicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.4.3. Especificaciones de 802.11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.4.4. Configuraci´n de una tarjeta inal´mbrica 802.11b . . o a . . . 23 2.5. Bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.5.1. Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.5.2. Est´ndares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a . . . 26 2.6. IrDA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.6.1. IrDA Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.6.2. IrDA Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.6.3. Configuraci´n de un dispositivo dongle . . . . . . . . o . . . 30 2.6.4. Configuraci´n de IrDA en un HP Jornada 548 . . . . o . . . 32 2.6.5. Configuraci´n del puerto de infrarrojos en una Ipaq o . . . 34 2.7. Otras tecnolog´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ıas . . . 35 2.8. Redes ad-hoc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.8.1. Heterogeneidad de dispositivos m´viles . . . . . . . . o . . . 36 2.8.2. Caracter´ ısticas especiales de las redes ad-hoc . . . . . . . 37 2.8.3. Protocolos para redes ad-hoc . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.8.4. Pr´cticas con redes ad-hoc . . . . . . . . . . . . . . a . . . 42 2
  4. 4. ´INDICE GENERAL ´ INDICE GENERAL3. Movilidad 50 3.1. Introducci´n a la movilidad sobre TCP/IP . . . . . . . . . o . . . . 50 3.2. Mobile IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.2.1. Fundamentos de Mobile IP . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.2.2. Infraestructura de Mobile IP . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.3. Cellular IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.3.1. Fundamentos de Cellular IP . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.3.2. Descripci´n del protocolo . . . . . . . . . . . . . . o . . . . 56 3.4. IPv4 vs IPv6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.5. Pr´cticas sobre protocolos de movilidad en IPv4 . . . . . a . . . . 63 3.5.1. Montaje de Mobile IPv4 en la maqueta . . . . . . . . . . 63 3.5.2. Montaje de Cellular IPv4 en la maqueta . . . . . . . . . . 65 3.6. Medida de prestaciones de Mobile IPv4 . . . . . . . . . . . . . . 66 3.6.1. Herramientas utilizadas para las pruebas de Mobile IPv4 66 3.6.2. Pruebas ancho de banda en Mobile IPv4 . . . . . . . . . . 66 3.6.3. Pruebas p´rdida de paquetes UDP en Mobile IP . e . . . . 69 3.7. Pr´cticas sobre protocolos de movilidad en IPv6 . . . . . a . . . . 78 3.7.1. Montaje de la maqueta con IPv6 . . . . . . . . . . . . . . 78 3.7.2. Instalaci´n de la implementaci´n de Mobile IPv6 . o o . . . . 82 3.7.3. Instalaci´n de la implementaci´n de Cellular IPv6 o o . . . . 844. Computaci´n ubicua o 88 4.1. Principios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.2. Motivaciones para la computaci´n ubicua . . . . . o . . . . . . . . 90 4.2.1. La ley de Moore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.2.2. Nuevos materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.2.3. Avances en la tecnolog´ de la comunicaci´n ıa o . . . . . . . . 91 4.2.4. Desarrollo de los sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.3. Escenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.3.1. Seguimiento de personas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.3.2. Informaci´n seg´n la situaci´n . . . . . . . o u o . . . . . . . . 93 4.3.3. Contin´a la videoconferencia . . . . . . . . u . . . . . . . . 93 4.3.4. Charla en sala “pervasiva” . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.4. Pr´cticas sobre Computaci´n Ubicua . . . . . . . . a o . . . . . . . . 94 4.4.1. Seguimiento de personas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.4.2. Movilidad de personas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 975. Conclusiones 99 5.1. Desarrollo del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101A. Glosario 103 3
  5. 5. ´Indice de cuadros 2.1. Espectro electromagn´tico para telecomunicaciones inal´mbricas e a 18 2.2. Servicios de IEEE 802.11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.3. Caracter´ısticas de algunos dispositivos existentes . . . . . . . . . 37 3.1. Implementaciones de protocolos de micro/macro movilidad . . . 52 4
  6. 6. ´Indice de figuras 2.1. Capas de protocolos de IEEE 802 y modelo de referencia OSI . . 21 2.2. Maqueta red ad-hoc. Situaci´n inicial . . . . . . . . . . . o . . . . . 46 2.3. Maqueta red ad-hoc. Situaci´n 2 . . . . . . . . . . . . . o . . . . . 47 2.4. Maqueta red ad-hoc. Situaci´n 3 . . . . . . . . . . . . . o . . . . . 49 3.1. Infraestructura de nodos en Mobile IP . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.2. Ejemplo de red Cellular IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.3. Maqueta para pruebas de movilidad en IPv4 . . . . . . . . . . . 63 3.4. Dise˜o de red para pruebas de Mobile IPv4 . . n . . . . . . . . . . 64 3.5. Dise˜o de red para pruebas de Cellular IPv4 . n . . . . . . . . . . 65 3.6. Maqueta para pruebas de movilidad en IPv6 . . . . . . . . . . . 78 3.7. Dise˜o de red de la maqueta IPv6 . . . . . . . n . . . . . . . . . . 80 3.8. Maqueta jer´rquica para pruebas sobre Cellular a IPv6 . . . . . . 85 4.1. Maqueta para la simulaci´n de seguimiento . . . . . . . . . . . . o 95 4.2. Maqueta para la simulaci´n de movilidad . . . . . . . . . . . . . o 97 5
  7. 7. Cap´ ıtulo 1Introducci´n o En este cap´ıtulo se presenta una introducci´n al contenido del proyecto. Se ointroducen las bases del estudio que se va a realizar en los siguientes cap´ ıtulos,los objetivos que se pretenden conseguir en este estudio y la forma en la que seha realizado. 6
  8. 8. Cap´ ıtulo 1. Introducci´n o Introducci´n o1.1. Introducci´n o Las redes inal´mbricas son una realidad hoy en d´ estamos acostumbrados a ıa,a ver ordenadores port´tiles conectados a Internet sin necesidad de cables, pe- aque˜os ordenadores de mano conectados con los ordenadores de la oficina, cada nd´ aumenta m´s la creaci´n de redes inal´mbricas ciudadanas, en la que volun- ıa a o atariamente y sin buscar beneficio m´s all´ del uso de las tecnolog´ disponibles a a ıasy el af´n de aprender y practicar con ellas, hay ciudadanos que van poniendo a adisposici´n de los dem´s puntos de acceso a una red que cada d´ va creciendo o a ıam´s, y que cada voluntario ayuda a que ´sta crezca. a e Y todo esto que cada d´ estamos y estaremos m´s acostumbrados a ver ıa ano es m´s que el inicio de un mundo de posibilidades que se abren con este anuevo modelo de computaci´n, denominado computaci´n pervasiva o ubicua. o oEste modelo de computaci´n ubicua significa b´sicamente la omnipresencia de o acomputadores muy peque˜os interconectados sin cables que se incorporan de nforma casi invisible a cualquier objeto de uso cotidiano, y usando peque˜os nsensores unidos a estos computadores pueden detectar el entorno que les rodeay tienen capacidades tanto de procesar informaci´n como de comunicaci´n. o o A partir de este modelo de computaci´n son muchas las posibilidades que ose pueden aprovechar, ya que estos dispositivos pueden no solo computar in-formaci´n y comunicarse con los dem´s sino que pueden detectar el entorno o amediante diversos tipos de sensores, lo que les proporciona una interactividadcontinua con el entorno y les proporciona la capacidad de poder adaptarse a ladiversas situaciones del entorno e incluso a cooperar con el resto de dispositivosdisponibles en ese entorno para simular comportamientos casi “inteligentes”. Todas las posibles aplicaciones de estas tecnolog´ pueden verse aplicadas ıasa la realidad gracias a los avances en diversos campos: La computaci´n o La microelectr´nica o La tecnolog´ de la comunicaci´n ıa o La ciencia de los materiales ... Pero uno de los avances que m´s ha contribuido a ello son los avances en amicroelectr´nica, que permiten que la capacidad de los micro-chips crezca de oforma exponencial desde hace mucho tiempo y la tendencia contin´a, como pro- unosticaba la Ley de Moore, por eso es normal que la capacidad de procesamientode estos micro-chips se vaya multiplicando cada cierto tiempo y eso hace quecada d´ tengamos mayor capacidad de procesamiento por cent´ ıa ımetro cuadradode micro-chip. Al igual que sucede con la capacidad de procesamiento, tambi´n eocurre con otros factores de los dispositivos electr´nicos, como la capacidad de oalmacenamiento, el ancho de banda de las comunicaciones y otros factores, queavanzan a un ritmo similar que dicha capacidad, con lo que conseguimos reducircada d´ m´s el tama˜o de los dispositivos con una gran capacidad de procesa- ıa a nmiento, almacenamiento, ancho de banda y memoria sin aumentar el precio delos mismos. 7
  9. 9. Cap´ ıtulo 1. Introducci´n o Introducci´n o Adem´s, aparte de estos dispositivos de procesamiento cada vez m´s pe- a aque˜os tambi´n se van desarrollando otro tipo de dispositivos que ayudan a n eaumentar las posibilidades en este campo, como son los micro-sensores que per-miten recibir informaci´n, procesarla y devolver una respuesta con tan solo unos omil´ımetros cuadrados de tama˜o. n Tambi´n se han realizado avances significativos en el campo de las comuni- ecaciones sin cables, cuyos logros que m´s interesan en el modelo de computa- aci´n ubicua son los de comunicaciones de corta distancia y con un bajo consumo ode energ´ Algunos de estos logros conseguidos es la tecnolog´ WLAN, que per- ıa. ıamite la creaci´n de redes locales con un alcance aproximado de unos 100-200 ometros y con un ancho de banda de unos 10 Mb/s. Tambi´n es importante la ecreaci´n de redes de area personal (PAN), tambi´n llamadas redes de habitaci´n o ´ e osin cables, de las que el protocolo m´s importante es Bluetooth que permite un aalcance de unos 10 metros con un ancho de banda aproximado de 1 Mb/s. Y latecnolog´ por infrarrojos, con el est´ndar Irda, que puede ser usado para recibir ıa ainformaci´n sobre el entorno mediante sensores que perciben informaci´n sobre o oel mismo. Con toda esta tecnolog´ ya casi tenemos el entorno que pretende el mode- ıalo de computaci´n ubicua, pero falta algo. Seg´n el modelo del que dispo- o unemos actualmente para realizar comunicaciones entre dispositivos (protocoloTCP/IP), todo dispositivo est´ conectado a la red desde una localizaci´n de- a oterminada y se comunica con los dem´s mediante un identificador (direcci´n a oIP) que representa su situaci´n actual, y si un dispositivo cambia de localiza- oci´n geogr´fica porque es un dispositivo m´vil y tiene la capacidad para ello, o a oentonces debe adquirir un identificador nuevo para comunicarse con los dem´s. aEntonces, si no aplicamos nada durante este proceso, un dispositivo no puede serlocalizado mediante un solo identificador si se mueve de un sitio a otro, porqueeste identificador cambia. Y en este punto es donde entra en juego otra tecnolog´ muy importante para ıaque este modelo de computaci´n siga adelante, y es la tecnolog´ que proporciona o ıala movilidad para dispositivos con los protocolos de micro y macro movilidad.Este tipo de protocolos permite que un dispositivo pueda utilizar su capacidadde movilidad entre redes sin que esto sea percibido por los dem´s dispositivos. aCualquier dispositivo podr´ comunicarse con cualquier otro mediante los identi- aficadores (direcciones IP) originales de los mismos independientemente del lugarde conexi´n a la red que tenga cada dispositivo en cada momento, y siempre opodr´n continuar con las comunicaciones en curso mientras se mueven de un si- atio a otro. El protocolo m´s utilizado actualmente para realizar esta tarea es un aprotocolo estandarizado por el IETF llamado Mobile IP[Sol], que com´nmente ues usado de forma conjunta con otros protocolos de micro-movilidad como porejemplo Cellular IP. 8
  10. 10. Cap´ ıtulo 1. Introducci´n o Objetivos1.2. Objetivos En primer lugar, uno de los objetivos del presente trabajo es el de realizarun estudio sobre diferentes tecnolog´ que actualmente se est´n desarrollan- ıas ado a gran velocidad, y que en un futuro posiblemente cercano pueden hacerque cambie el modo de percibir el mundo de la computaci´n actual que se ba- osa en ordenadores personales conectados entre s´ a otro modo en el que las ı,personas dejar´n de percibir este modo de computaci´n porque estos peque˜os a o ncomputadores estar´n presentes en la mayor´ de objetos cotidianos y pasar´n a ıa adesapercibidos. Estos objetivos est´n escalonados. Primero se pretende realizar un estudio asobre la tecnolog´ inal´mbrica, estudiaremos las bases de esta tecnolog´ y sus ıa a ıacaracter´ ısticas m´s importantes. Una vez que hayamos hecho esto, el siguiente apaso ser´ hacer experimentos sobre esta tecnolog´ debemos hacer pruebas con ıa ıa,diversos dispositivos: PDA, ordenadores port´tiles y de sobremesa, dispositivos ade comunicaci´n inal´mbrica (dongles, beacons, ...), y otros dispositivos de co- o amunicaci´n inal´mbrica poco frecuentes como los robots de Lego Mindstorms. o aY realizar pruebas de conexiones entre estos dispositivos sobre las diferentes tec-nolog´ inal´mbricas estudiadas anteriormente, como infrarrojos y 802.11. De ıas aesta forma podremos observar la interacci´n entre diferentes dispositivos sobre odiversos medios de comunicaci´n y comprobar su rendimiento. o Una vez que hemos realizado estos experimentos, ´sto nos servir´ de base e apara la realizaci´n del estudio y experimentos sobre el siguiente campo de in- oter´s: la movilidad entre redes. Despu´s de realizar un estudio de los diferentes e eprotocolos de movilidad entre redes existentes, seleccionaremos varias imple-mentaciones de estos protocolos (Mobile IP, Cellular IP, ...) y las llevaremosa la pr´ctica. Crearemos maquetas de redes en las que podamos instalar es- atas implementaciones, y probar su funcionamiento, comprobar su rendimientoe incluso probar la interacci´n entre varios de estos protocolos. o Despu´s de esto, debemos agrupar todo el estudio y los experimentos rea- elizados en los apartados anteriores para realizar el estudio y los experimentossobre el principal campo de inter´s, que se basa en los anteriores, el campo de la ecomputaci´n ubicua. Utilizando las maquetas creadas y utilizadas para los expe- orimentos en los apartados anteriores, deberemos adaptarlas para la simulaci´n ode escenarios reales del modelo propuesto por la computaci´n ubicua: debemos omezclar los dispositivos y las redes inal´mbricas, la posibilidad de movilidad aque nos ofrece lo estudiado en segundo lugar y aplicarlo a situaciones reales.De esta forma, podremos comprobar si el modelo propuesto de computaci´n oubicua hoy en d´ es lo suficientemente maduro para su uso, y si disponemos de ıala tecnolog´ necesaria para llevarlo a cabo. ıa Y por ultimo, como no pod´ ser de otro modo, el objetivo fundamental es ´ ıaobtener conclusiones sobre el modelo estudiado, observar su desarrollo, el estadoactual y el posible desarrollo futuro. 9
  11. 11. Cap´ ıtulo 1. Introducci´n o Organizaci´n del proyecto o1.3. Organizaci´n del proyecto o En este primer cap´ ıtulo se presenta una introducci´n a la tem´tica general o asobre la que versar´n las distintas partes del proyecto, as´ como una lista inicial a ıde los objetivos que se pretenden cubrir. Tambi´n se presentan otros aspec- etos relacionados con la realizaci´n del trabajo, como herramientas y lenguajes outilizados tanto para la realizaci´n de la documentaci´n como de los ensayos o opr´cticos relacionados con la tem´tica del proyecto. a a En el segundo cap´ ıtulo se muestran las bases sobre las que se sustenta latecnolog´ inal´mbrica, presentando sus aspectos m´s importantes y la diversi- ıa a adad de este tipo de tecnolog´ Despu´s se describen algunos de los protocolos ıas. em´s utilizados en este campo, y se definen algunos de los experimentos rea- alizados sobre ´l, usando diversos dispositivos y sobre diferentes protocolos de ecomuncaci´n inal´mbrica. o a En el tercer cap´ ıtulo se describen las tecnolog´ que permiten dotar a ıaslos dispositivos de la movilidad necesaria para el campo de la computaci´n oubicua, protocolos de macro/micro movilidad. Y se describen los experimentosy pr´cticas realizadas sobre estos protocolos mediante el montaje de maquetas ade redes en las que poder probar estas protocolos. En el cuarto cap´ ıtulo se desarrolla el modelo de computaci´n ubicua en obase a los campos de investigaci´n descritos en los cap´ o ıtulos anteriores. Se des-criben algunos escenarios propuestos por este modelo de computaci´n, y se ex- operimenta con alguno de estos escenarios llev´ndolos a la pr´ctica real. a a Y por ultimo, en el quinto cap´ ´ ıtulo se presentan las conclusiones extra´ ıdasde los estudios y de los experimentos realizados durante el desarrollo del pro-yecto.1.4. Lenguajes, herramientas y tecnolog´ ıa Como las bases sobre las que se sustenta el trabajo forman parte de los ulti- ´mos avances en diversas tecnolog´ para el desarrollo del mismo as´ como para ıas, ılos diversos ensayos pr´cticos realizados se ha decidido la utilizaci´n de siste- a omas que permitan un control total sobre el estado de los dispositivos utilizados,as´ como la posibilidad de acceder a las fuentes de todo el software utilizado, ıtanto para realizar estudios sobre ´l como para poder ser modificado o mejorado epara adaptarlo a las necesidades del entorno, y todo esto encaja perfectamentecon el modelo de software libre existente en la actualidad. Por ello casi la totali-dad de los dispositivos utilizados (ordenadores personales, PDAs, port´tiles, ...) autilizan un sistema operativo libre, como Debian GNU/Linux, y todo el softwareutilizado tambi´n est´ enmarcado dentro de esta categor´ del software libre. e a ıa Ha sido necesario el conocimiento y estudio de diversa tecnolog´ de progra- ıamaci´n para la puesta en pr´ctica de los ensayos, programaci´n en C, C++ sobre o a ola que est´n desarrollados la mayor´ de los protocolos de movilidad estudiados, a ıaprogramaci´n de shell (GNU Bourne-Again Shell) y perl para la realizaci´n de o oscripts de automatizaci´n de pruebas. As´ como programaci´n sobre tcl para la o ı omejora de cierto software de comunicaciones multimedia. Por supuesto, tambi´n han sido necesarios amplios conocimientos sobre la eadministraci´n de sistemas, administraci´n de redes e instalaci´n y configuraci´n o o o ode dispositivos, ya que los ensayos han requerido la instalaci´n de gran cantidad o 10
  12. 12. Cap´ ıtulo 1. Introducci´n o Lenguajes, herramientas y tecnolog´ ıade software de comunicaciones, dise˜o e implementaci´n de redes adaptadas a n odichos ensayos, instalaci´n y configuraci´n de dispositivos de comunicaciones no o oconvencionales (como beacons, dongles, ...) y puesta en pr´ctica de los ensayos adise˜ados. n Para todo ello se ha utilizado una gran cantidad de software, desde el softwarede los protocolos estudiados, herramientas de dise˜o, control y monitorizaci´n n ode redes, software multimedia para las pruebas, software para la creaci´n de la odocumentaci´n, ... o A continuaci´n se puede ver un sumario de toda la tecnolog´ utilizada: o ıa Hardware usado: • Compaq Ipaq • HP Jornada • Tarjetas inal´mbricas 802.11b a • Dongle • Beacon • Ordenadores port´tiles y de sobremesa a • C´maras de videoconferencia a • Material para creaci´n de redes: hubs, cables de red, ... o • Robots Legos Mindstorms Sistemas operativos usados: • Debian GNU/Linux • Familiar • Windows CE • LegOS Lenguajes de programaci´n utilizados: o • C • C++ • perl • shell script • tcl Tecnolog´ usadas: ıas • 802.11b • Irda • Mobile IP • Cellular IP • IPv6, IPv4 • HTTP 11
  13. 13. Cap´ ıtulo 1. Introducci´n o La documentaci´n o1.5. La documentaci´n o La documentaci´n del proyecto se ha realizado utilizando el sistema de com- oposici´n de textos TEX de Donald E. Knuth con la ayuda de los macros L TEX2e o Ade Leslie Lamport, utilizando la versi´n teTEX versi´n 1.0 bajo Debian GNU/- o oLinux Sarge. Para la edici´n del documento se han utilizado los editores vim versi´n 6.1 o oy xemacs versi´n 21.4. o Este documento se distribuye con las condiciones de la licencia GFDL[Fun02]. 12
  14. 14. Cap´ ıtulo 2Tecnolog´ inal´mbrica ıa a2.1. Historia de la tecnolog´ inal´mbrica ıa a Los primeros inicios de la tecnolog´ inal´mbrica se produjeron sobre 1896, ıa acuando Gublielmo Marconi invent´ el tel´grafo y en 1901 se produjo el primer o eenv´ sobre el Oce´no Atl´ntico. Este fue el primer momento en el que se uti- ıo a aliz´ una tecnolog´ para poder enviar caracteres codificados mediante se˜ales o ıa nanal´gicas sin cables. A partir de entonces han surgido muchos dispositivos que outilizan este tipo de tecnolog´ radio, televisi´n, tel´fono m´vil, sat´lites de ıa: o e o e ´comunicaciones, ... Ultimamente los avances y estudios m´s significativos est´n a acentrados en los sat´lites de comunicaciones, la tecnolog´ celular y las redes e ıainal´mbricas. a En 1960 se lanzaron por primera vez sat´lites de comunicaciones, que en eaquel entonces pod´ manejar un escaso volumen de tr´fico, y hoy en d´ es- ıan a ıatos sat´lites son capaces de soportar el tr´fico de comunicaciones de voz y de e atelevisi´n entre pa´ o ıses. Las redes inal´mbricas est´n permitiendo el desarrollo de redes WAN, MAN a ay LAN inal´mbricas. En estas redes los protocolos m´s usados son 802.11 y a aBluetooth Los tel´fonos m´viles permiten comunicaciones duales entre dos extremos, e ocomo el tel´grafo de Marconi. La primera generaci´n de tel´fonos m´viles uti- e o e olizaba tecnolog´ anal´gica, con terminales muy pesados y con poco ancho de ıa obanda para las comunicaciones. Actualmente se utiliza tecnolog´ digital, lo que ıapermite mayor ancho de banda, mayor calidad de recepci´n y mayor seguridad. o Los est´ndares que definen la interacci´n entre dispositivos inal´mbricos a o aest´n avanzando muy r´pidamente, lo que nos llevar´ de forma r´pida a la a a a acreaci´n de redes inal´mbricas globales que permitir´n acceso desde diferentes o a adispositivos con tecnolog´ diferente y ofrecer´n una amplia gama de servicios. ıa a2.1.1. La revoluci´n de la telefon´ inal´mbrica o ıa a Una de los mayores progresos en tecnolog´ inal´mbrica en los ultimos tiem- ıa a ´pos, ha sido sin duda la revoluci´n de los tel´fonos m´viles. En 1990 el n´mero o e o ude usuarios de esta tecnolog´ en todo el mundo era aproximadamente de 11 ıamillones, y en 1996 el n´mero de nuevos usuarios de tel´fonos m´viles superaba u e oal n´mero de nuevos usuarios de telefon´ fija. u ıa 13
  15. 15. Cap´ ıtulo 2. Tecnolog´ inal´mbrica ıa a Historia de la tecnolog´ inal´mbrica ıa a Las razones para justificar el ´xito de esta tecnolog´ son claras: e ıa Los tel´fonos se mueven junto con las personas, y son independientes de la e situaci´n geogr´fica, por tanto permiten toda la movilidad que los usuarios o a necesitan. Los tel´fonos cada vez son m´s peque˜os, con mayores funcionalidades y e a n tienen bater´ m´s duraderas. ıas a Por otro lado, hay ciertos lugares apartados de centros urbanos en los que implantar servicios de tecnolog´ fija por cable es muy costoso, mientras ıa que la implantaci´n de estaciones base de telefon´ m´vil es mucho m´s o ıa o a barato. Adem´s de esto, est´n apareciendo nuevos dispositivos de telefon´ m´vil con a a ıa olos que se puede tener acceso a Internet, aunque con una prestaciones muy ba-jas. Con estos dispositivos se pueden tener sistemas de mensajer´ instant´nea, ıa acorreo electr´nico, y otras funcionalidades cada d´ m´s importantes. o ıa a2.1.2. Globalizaci´n de las redes de telefon´ o ıa Hoy en d´ no existe una unica red de telefon´ m´vil, los dispositivos sopor- ıa ´ ıa otan una o dos de las tecnolog´ existentes y se conectan mediante un operador ıasde telefon´ Para que esto no ocurra en el futuro y exista una compatibilidad ıa.entre la variedad de tecnolog´ es necesario la definici´n de est´ndares que ıas o aregulen todo esto. La primera generaci´n de redes digitales inal´mbricas aparec´ en Norte o a ıaAm´rica bajo el nombre de “Sistema de telefon´ m´vil avanzada” (AMPS: e ıa oAdvanced Mobile Phone System), que utilizaba un servicio de comunicaciones(CDPD: Cellular Digital Packet Data) que ofrec´ un ancho de banda para ıacomunicaciones de datos de 19.2 kbps. El CDPD utiliza los momentos de inac-tividad en las transmisiones por los canales de voz para ofrecer el servicio decomunicaciones de datos. La segunda generaci´n de sistemas inal´mbricos se corresponde con el “Siste- o ama Global de Comunicaciones M´viles” (GSM: Global System for Mobile Com- omunications), el Servicio de Comunicaciones Personales ( PCS: Personal Com-munications Service ) IS-136 y el IS-95. Como hemos dicho, es necesario que para las pr´ximas generaciones de sis- otemas inal´mbricos est´n definidos los est´ndares que permitan el acceso glo- a e abal mediante los dispositivos inal´mbricos. Para ello, la Uni´n Internacional de a oTelecomunicaciones (ITU: International Telecommunication Union) est´ desa- arrollando el IMT-2000 (textitInternational Mobile Telecommunications-2000),que es una familia de est´ndares, desarrollado en la banda de frecuencia de los a2 Ghz, cuya intenci´n es proporcionar una red de comunicaciones inal´mbri- o aca global, definiendo las frecuencias de uso, los m´todos de codificaci´n y las e otransmisiones. Adem´s de esto, los est´ndares necesitan definir la interacci´n de los dis- a a opositivos inal´mbricos con Internet. Para ello el WAP (Wireless Application aProtocol ) Forum est´ desarrollando un protocolo com´n que permita a los dis- a upositivos con una pantalla y unos dispositivos de entrada limitados el acceso aInternet. 14
  16. 16. Cap´ ıtulo 2. Tecnolog´ inal´mbrica ıa a Historia de la tecnolog´ inal´mbrica ıa a Y por ultimo, el IETF (Internet Engineering Task Force) est´ desarrollan- ´ ado el est´ndar Mobile IP para adaptar el protocolo IP al nuevo entorno de adispositivos m´viles. o2.1.3. El siguiente paso El primer reto, por tanto, de la tecnolog´ inal´mbrica se ha centrado en las ıa acomunicaciones por voz, y como podemos observar hoy en d´ ha tenido un gran ıa´xito y un desarrollo muy r´pido.e a El siguiente reto para esta tecnolog´ consiste en las comunicaciones de da- ıatos, con la que se pretende que el acceso a Internet pueda realizarse al igual quehoy se realiza mediante las redes de cables. En realidad, no se pretende que elacceso sea el mismo, porque los dispositivos con los que se va a realizar ese ac-ceso no son iguales: los dispositivos inal´mbricos poseen pantallas de capacidad alimitada y posibilidad de interacci´n con el usuario tambi´n m´s limitada que o e alas disponibles mediante un ordenador personal. 15
  17. 17. Cap´ ıtulo 2. Tecnolog´ inal´mbrica ıa a Bases de la tecnolog´ inal´mbrica ıa a2.2. Bases de la tecnolog´ inal´mbrica ıa a En las siguientes secciones se presentan algunas de las bases sobre las que sesustenta el campo de las comunicaciones inal´mbricas. a2.2.1. Transmisi´n de datos anal´gicos y digitales o o Primero, algunas definiciones. Definimos datos como entidades que tienensignificado o informaci´n. Las se˜ ales son el´ctricas o electromagn´ticas y son o n e ela representaci´n de los datos. Y por ultimo una trasmisi´n es el proceso de o ´ ocomunicaci´n de datos mediante la propagaci´n y procesamiento de las se˜ales. o o nDatos digitales y anal´gicos o La transmisi´n de los datos se puede hacer de forma anal´gica o digital. o oB´sicamente los datos anal´gicos son valores continuos en un intervalo de a otiempo. Por ejemplo, el audio y el v´ ıdeo son datos anal´gicos, as´ como la mayor´ o ı ıade los datos que son recogidos por los sensores, como temperatura o presi´n. oPor otra parte los datos digitales son aquellos que corresponden a valoresdiscretos, como por ejemplo un texto de caracteres y n´meros. uSe˜ ales anal´gicas y digitales n o Una se˜al anal´gica es una variaci´n electromagn´tica continua de onda n o o eque puede ser propagada sobre una diversidad de medios dependiendo de lafrecuencia ( cable coaxial, cable cruzado, el aire, ...) . Una se˜al digital es una secuencia de pulsos de voltaje, que pueden ser nrepresentados mediante ceros y unos. La principal ventaja de las se˜ales digitales es que suele ser mucho m´s barata n ay es menos susceptible a interferencia por ruidos. Y la principal desventaja esque las se˜ales digitales ofrecen mayor atenuaci´n que las se˜ales anal´gicas. n o n o Tanto los tipos de datos anal´gicos como digitales pueden ser representados oy propagados mediante se˜ales anal´gicas o digitales: n o Los datos digitales pueden ser representados mediante se˜ales digitales n mediante el uso de un m´dem. Un m´dem convierte una serie de pulsos o o binarios en una se˜al anal´gica modulando la frecuencia. La mayor´ de n o ıa los m´dem tradicionales representan datos digitales en el espectro de voz o y permiten que estos datos sean propagados sobre las lineas tradicionales de telefon´ En el otro extremo, otro m´dem demodula la se˜al para ıa. o n recuperar los datos originales. Los datos anal´gicos pueden ser representados por se˜ales digitales me- o n diante una operaci´n muy similar. El dispositivo que realiza esta funci´n o o para datos de voz se denomina codec. Esencialmente, lo que hace un co- dec es recoger una se˜al anal´gica que representa datos de voz, muestrea n o peri´dicamente esa onda y convierte su amplitud en una unidad num´rica o e que es representada digitalmente. En el otro lado de la l´ ınea otro codec usa la se˜al digital para decodificarla en la se˜al anal´gica original. n n o 16
  18. 18. Cap´ ıtulo 2. Tecnolog´ inal´mbrica ıa a Bases de la tecnolog´ inal´mbrica ıa aTransmisiones anal´gicas y digitales o Tanto las se˜ales anal´gicas como las digitales deben ser transmitidas me- n odiante un medio adecuado, y la forma de tratarlas depender´ del sistema de atransmisi´n. o La transmisi´n anal´gica consiste en transmitir se˜ales anal´gicas inde- o o n o pendiente del contenido ( pueden ser datos digitales o anal´gicos ). Pero en o ambos casos la se˜al anal´gica sufrir´ atenuaciones que limitan la distan- n o a cia del transporte de dicha se˜al en el medio empleado. Para aumentar la n distancia de transmisi´n se usan amplificadores que aumentan la energ´ o ıa de la se˜al, pero tambi´n aumenta la cantidad de ruido en la misma. En n e datos anal´gicos, como la voz, un poco de ruido en la transmisi´n es ad- o o misible, pero en los datos digitales esto no es v´lido. a Sin embargo, la transmisi´n digital est´ relacionada con el contenido de o a la se˜al. Y la se˜al digital tambi´n posee un l´ n n e ımite de distancia antes de que se pierda la integridad de los datos, por ello, para aumentar la distancia de transmisi´n, se usan repetidores. Un repetidor recibe una o se˜al digital, vuelve a crear la cadena de patrones de unos y ceros, y vuelve n a transmitir la nueva se˜al creada. Con esta soluci´n, la atenuaci´n en este n o o tipo de transmisi´n est´ superada. Esta misma se˜al puede ser utilizada o a n si una se˜al anal´gica contiene datos digitales. Se usan dispositivos para n o retransmitir la se˜al, los cuales reciben la se˜al anal´gica, recuperan los n n o datos digitales y crean una nueva se˜al anal´gica sin ruido. n o2.2.2. Espectro, medio de transmisi´n oCapacidad del canal Una variedad de razones pueden ser las causas para distorsionar o atenuaruna se˜al. Una de las m´s usuales suele ser la inclusi´n de ruido en la se˜al, n a o npor la que la se˜al se distorsiona. Para los datos digitales, lo que realmente nos ninteresa es: ¿cu´nto de importante son estas limitaciones para la tasa de datos aque se puede conseguir?. La tasa m´xima a la que los datos pueden ser transmitidos sobre un determi- anado canal de comunicaci´n bajo determinadas circunstancias es la capacidad odel canal. Conceptos importantes: Tasa de datos: Es la tasa, en bits por segundo (bps) a los que pueden ser transmitidos los datos. Ancho de banda: Es el ancho de banda de la se˜al transmitida debido al n emisor y a la naturaleza del medio de comunicaci´n. Se expresa en ciclos o por segundo ( Hertz ). Ruido: Es el nivel medio de ruido sobre el medio de comunicaci´n. o Tasa de ruido: Es la tasa en la que suceden los errores: se transmite un uno y se recibe un cero, y viceversa. 17
  19. 19. Cap´ ıtulo 2. Tecnolog´ inal´mbrica ıa a Bases de la tecnolog´ inal´mbrica ıa a Rango de frecuencia Radio 30MHz - 1GHz Micro-ondas 1GHz - 40GHz Infrarrojos 3x101 1 - 2x101 4 Hz Cuadro 2.1: Espectro electromagn´tico para telecomunicaciones inal´mbricas e a El problema que nos encontramos es que las mejoras en las comunicacionesson costosas, a mayor ancho de banda disponible mayor es el coste asociado.Por eso, lo que buscamos es obtener la mayor tasa de datos posible con undeterminada tasa de error para un ancho de banda dado. Y el principal problemapara conseguir esto es el ruido. Si tuvi´ramos un canal que estuviera libre de ruido, la limitaci´n de la tasa e ode datos ser´ simplemente el ancho de banda de la se˜al. ıa n Si las se˜ales a ser transmitidas son binarias, cada elemento de la se˜al puede n nrepresentar un bit, pero podemos tener se˜ales que en cada elemento tengan m´s n ade dos niveles, por tanto cada elemento representar´ m´s de un bit. Y con este a am´todo, dado un ancho de banda, podemos aumentar la tasa de datos. Pero el en´mero de niveles de cada elemento de la se˜al viene impuesto por el ruido y u nlas caracter´ ısticas del medio de transmisi´n. o Con esto podemos observar que si aumentamos el ancho de banda, aumen-tamos la tasa de datos. Pero el problema es que si aumentamos la tasa de datos,los bits ocupan menos espacio en la se˜al, y por tanto hay m´s bits que pueden n aser afectados por el ruido. Y con esto tenemos que con un determinado nivel deruido, a mayor tasa de datos mayor es la tasa de errores.Medio de transmisi´n o En un sistema de transmisi´n de datos, el medio de transmisi´n es el camino o of´ ısico entre el emisor y el receptor. Este medio de transmisi´n puede ser guiado o ono guiado. En el primer caso las ondas electromagn´ticas son transportadas por eun componente s´lido, como un cable coaxial, fibra optica, ... Y en el segundo o ´caso, las transmisiones no guiadas se realizan por la atm´sfera y el espacio oexterior, estas son las transmisiones inal´mbricas. a Las calidad de la transmisi´n depende de las caracter´ o ısticas del medio yde las caracter´ ısticas de la se˜al. En el caso de los medios guiados, el factor nm´s importante para determinar las limitaciones de la transmisi´n es el medio a oempleado. Sin embargo, en el caso de las transmisiones por medios inal´mbricos alo m´s importante es el ancho de banda de la se˜al que produce la antena a nemisora. Esta se˜al suele ser omnidireccional a frecuencias bajas, y direccional na frecuencias m´s altas. a En la tabla 2.1 se muestra una clasificaci´n de tecnolog´ inal´mbricas en o ıas afunci´n del rango de frecuencias en el que operan. o 18
  20. 20. Cap´ ıtulo 2. Tecnolog´ inal´mbrica ıa a Redes locales inal´mbricas a2.3. Redes locales inal´mbricas a En los ultimos tiempos, las redes locales inal´mbricas han ocupado un gran ´ alugar dentro del mercado de las redes locales. Las empresas se han dado cuentade que las WLAN (Wireless Local Area Network ) son un elemento indispen-sable junto con sus redes cableadas, porque con ellas se pueden satisfacer lasnecesidades de movilidad, redes ad-hoc o accesibilidad en lugares dif´ ıciles decablear [Sta01]. Seg´n [PC95] hay 4 areas principales de aplicaci´n de las redes inal´mbricas: u ´ o aExtensi´n de LAN o Hay situaciones en las que realizar el cableado de algunos lugares es unatarea muy complicada, por razones como edificios con grandes areas abiertas, ´edificios antiguos que no tienen la infraestructura necesaria o peque˜as oficinas nen las que cablearlas no es econ´mico. o Para estas situaciones las redes locales inal´mbricas son la soluci´n, pero a onormalmente estas WLAN son solamente una parte de la red local, siempre hayotra parte de la red que contiene elementos que est´n mejor cableados: servidores ay algunas estaciones de trabajo.Interconexi´n de edificios o La interconexi´n de edificios cercanos tambi´n es una buena aplicaci´n de las o e oredes locales inal´mbricas, porque permiten enlazar varios edificios sin necesidad ade tener cableado entre ellos mediante enlaces punto a punto inal´mbricos. aAcceso n´mada o ubicuo o La computaci´n ubicua tambi´n es otro de los servicios que se pueden ofrecer o emediante las redes locales inal´mbricas. Con ella los usuarios pueden conectar- ase a la red local mediante sus dispositivos m´viles ( port´tiles, PDAs, ...) y o aesto lo pueden hacer desde diversos lugares f´ısicos gracias a la cobertura queproporcione la red inal´mbrica. aRedes Ad-hoc Las redes ad-hoc son redes que se generan entre dispositivos que se unen aesta red descentralizada sin necesidad de una infraestructura creada anterior-mente. Suelen ser redes temporales que se crean para situaciones concretas. Porejemplo, una reuni´n de trabajadores en un despacho en la que ´stos disponen o ede dispositivos m´viles que forman una red para intercambiar datos. o Las redes inal´mbricas se clasifican dependiendo de las t´cnicas de transmi- a esi´n que usan, y todas estas redes se pueden enmarcar en alguna de las siguientes ocategor´ ıas: Redes de ´rea local por infrarrojos: a Las comunicaciones inal´mbricas mediante infrarrojos est´n extendidas en a a los hogares en los dispositivos de control remoto, como mandos a distancia por ejemplo. 19
  21. 21. Cap´ ıtulo 2. Tecnolog´ inal´mbrica ıa a Redes locales inal´mbricas a Pero las comunicaciones por infrarrojos tambi´n pueden ser usadas para e crear redes locales. Estas redes ofrecen algunas ventajas con respecto al resto de redes inal´mbricas: a • El espectro de comunicaciones inal´mbricas es ilimitado porque no a est´ regulado, con lo que podemos conseguir altas tasas de datos. a • Los infrarrojos comparten algunas propiedades de la luz que son muy interesantes para crear redes locales, como la propiedad de reflejarse sobre algunos objetos que hace que los infrarrojos emitidos lleguen a m´s lugares. a • No penetran las paredes ni los objetos opacos, lo que ofrece ventajas para tener redes seguras dentro de espacios cerrados y posibilidad de crear diferentes redes en diferentes espacios sin problemas por las posibles interferencias. Adem´s, crear este tipo de redes es m´s econ´mico que otras redes inal´mbri- a a o a cas y m´s sencillo. a Por otro lado, estas redes tambi´n tienen desventajas, como el ruido que e se puede producir en entornos con mucha luz o elementos luminosos, y que la potencia de transmisi´n est´ limitada ya que puede ser da˜ino para los o a n ojos y aumenta el consumo de energ´ ıa. Redes de ´rea local de espectro expandido: a La mayor´ de redes locales inal´mbricas usan t´cnicas de espectro ex- ıa a e pandido. Estas redes, excepto las que son muy peque˜as, suelen usar un n esquema de varias celdas con diferentes frecuencias para evitar interferen- cias. Dentro de cada celda se puede usar un sistema de conexi´n punto a pun- o to o tipo hub. En las conexiones tipo hub hay un elemento central que proporciona la conexi´n inal´mbrica a los dispositivos y todas las comu- o a nicaciones se realizan entre este elemento central y estos dispositivos, no hay comunicaci´n directa entre dispositivos entre s´ Por otro lado, las o ı. conexiones punto a punto se utilizan usualmente para crear redes ad-hoc. Las bandas de frecuencia dependen de cada pa´ En EEUU hay tres rangos ıs. de frecuencia que no est´n regulados: la banda de los 915 MHz, la banda a de 2.4-2.4835 GHz y la banda de los 5.8GHz. Redes de ´rea local de banda estrecha: a La tecnolog´ de microondas de banda estrecha es el uso de la banda de ıa radiofrecuencia para enviar se˜ales, con un ancho de banda muy estrecho, n lo justo para poder enviar la se˜al. n Hasta ahora este tipo de tecnolog´ operaba en frecuencias licenciadas, ıa es decir, no liberadas para uso com´n. Pero recientemente han aparecido u dispositivos que operan en frecuencias liberadas. En 1995 apareci´ Ra- o dioLAN, que opera en el espectro liberado ISM (Industrial, Scientific, Medical ), y opera a baja energ´ (0.5 watios) y en la banda de los 5.8 ıa GHz, con un alcance de unos 50-100 metros. En las siguientes secciones se presentan los protocolos m´s usados actual- amente para la creaci´n de redes inal´mbricas. o a 20
  22. 22. Cap´ ıtulo 2. Tecnolog´ inal´mbrica ıa a 802.112.4. 802.11 Las redes 802.11 son hoy en d´ una realidad, y su uso es muy frecuente al ıacontrario de otro tipo de tecnolog´ inal´mbricas de las que se espera un gran ıas afuturo pero que todav´ no son usadas com´nmente. ıa u En las siguientes secciones se presentan las caracter´ ısticas y usos m´s comu- anes de estas redes, as´ como un ejemplo pr´ctico de como configurar este tipo ı ade dispositivos.2.4.1. Arquitectura Seg´n el modelo OSI [Zim80] las capas superiores ( nivel 3, 4 y superiores ) u) son independientes de la arquitectura de red, por tanto en este apartado paraestudiar la arquitectura del protocolo solo nos interesan las capas inferiores. En la figura 2.1 se muestra la arquitectura de protocolos para redes inal´mbri- acas que ha sido adoptado para la realizaci´n de est´ndares con la tecnolog´ o a ıa802.11. Se denomina modelo de referencia IEEE 802.11. Modelo de referencia OSI Aplicación Presentación Modelo de referencia IEEE 802 Sesión Transporte Capas superiores Red Logical link control Enlace Medium access control Ámbito de los estándares Físico Físico IEEE 802 Medio Medio Figura 2.1: Capas de protocolos de IEEE 802 y modelo de referencia OSI Las capa m´s baja del modelo de referencia 802 corresponde a la capa f´ a ısicadel modelo OSI, y tiene la funcionalidad de esta ultima: ´ Codificaci´n/decodificaci´n de se˜ales o o n Transmisi´n/recepci´n de bits o o Pero adem´s, el nivel f´ a ısico del modelo 802 incluye la especificaci´n para el omedio de transmisi´n y la topolog´ considerado como funciones por debajo de o ıa,las t´ ıpicas del nivel f´ ısico del modelo OSI. Por encima de la capa f´ ısica est´ el nivel de enlace, que proporciona servicio aa los clientes de la red inal´mbrica. Las funciones de este nivel son: a Cuando transmite, empaquetar los datos en una trama que incluye campos para la direcci´n y la detecci´n de errores o o 21
  23. 23. Cap´ ıtulo 2. Tecnolog´ inal´mbrica ıa a 802.11 Asociaci´n o Autenticaci´n o Des-autenticaci´n o Disociaci´n o Distribuci´n o Integraci´n o Entrega MSDU Privacidad Reasociaci´n o Cuadro 2.2: Servicios de IEEE 802.11 Cuando recibe, desempaquetar los datos y realizar la detecci´n de errores. o Controlar el acceso al medio de transmisi´n de la red local o Proporcionar un interfaz a las capas superiores y realizar control de flujo y de errores. En el modelo 802 los tres primeros se agrupan en un subnivel llamado Controlde Acceso al Medio (MAC) y el ultimo en un subnivel llamado Control de Enlace ´L´gico (LLC). Se puede ver el esquema en la figura 2.1. o Estos dos subniveles est´n diferenciados por dos razones. La primera es por- aque normalmente en el nivel de enlace no se encuentran las funciones paracontrolar el acceso al medio compartido. Y el segundo es que para el mismoLLC se pueden usar diferentes MAC, por eso deben estar separados.2.4.2. Servicios El IEEE 802.11 define nueve servicios que deben proporcionar las redes lo-cales inal´mbricas para prestar la misma funcionalidad que las redes locales acableadas. Estos nueve servicios son los siguientes: Distribuci´n: Es el principal servicio usado por las estaciones para in- o tercambiar el MAC cuando un paquete debe ser transferido a otra zona. Integraci´n: Proporciona la transferencia de datos entre una estaci´n de o o una red local 802.11 y otra de una red local 802.x Entrega MSDU: El MSDU (MAC Service Data Unit) es un bloque de datos que se entrega desde el Control de acceso al medio de usuario al nivel de control de acceso al medio. Asociaci´n: Establece una relaci´n inicial entre un punto de acceso (AP: o o Access Point) y una estaci´n para que ´sta pueda enviar o recibir frames o e de/desde la red WLAN. Reasociaci´n: Habilita una asociaci´n creada para ser transferida desde o o un punto de acceso a otro para permitir movilidad. Disociaci´n: Notificaci´n por parte del punto de acceso o de la estaci´n o o o para comunicar que la asociaci´n ha terminado. o 22
  24. 24. Cap´ ıtulo 2. Tecnolog´ inal´mbrica ıa a 802.11 Autenticaci´n: Se usa para establecer la identidad de cada estaci´n. Es o o necesario para que una estaci´n pueda conectarse con un punto de acceso. o Des-autenticaci´n: Cuando la autenticaci´n debe ser terminada. o o Privacidad: Para prevenir que el contenido de los mensajes transferidos pueda ser le´ por otros que no sean el receptor. El algoritmo especificado ıdo en el est´ndar es WEP. a2.4.3. Especificaciones de 802.11 Existen varias especificaciones de 802.11, entre ellas las m´s usadas hoy en ad´ son: ıa IEEE 802.11a: Usa la banda de los 5 GHz, y puede alcanzar una tasa de datos de 54 Mbps. IEEE 802.11b: Funciona en la banda de los 2.4GHz y puede proporcionar una tasa de datos de hasta 11 Mbps.2.4.4. Configuraci´n de una tarjeta inal´mbrica 802.11b o a A continuaci´n se va a presentar un ejemplo real de uso de la tecnolog´ o ıa802.11b, para ello se va a configurar y usar una tarjeta que proporciona comu-nicaciones a dispositivos usando este est´ndar. a La configuraci´n de una tarjeta inal´mbrica 802.11b, como con el resto de o adispositivos, depende del modelo de la tarjeta, del sistema operativo usado y dela configuraci´n del sistema. Pero como dijimos en el apartado 1.4, los sistemas ousados para la realizaci´n de ensayos pr´cticos han sido equipos con sistema o aoperativo GNU/Linux, en especial Debian GNU/Linux, por eso todas las con-figuraciones y pr´cticas que se expliquen se referir´n a dicho sistemas. a a Las tarjetas 802.11b utilizadas durante las pruebas han sido tarjetas PCM-CIA Lucent Technologies y Compaq, pero todas ellas ten´ chipset de Lucent. ıanPara instalar una de estas tarjetas hay que seguir los siguientes pasos: 1. Instalar las fuentes del kernel de linux en /usr/src/linux sino est´n insta- a ladas. 2. Instalar las fuentes del paquete PCMCIA en /usr/src/pcmcia 3. Configurar y recompilar las fuentes PCMCIA: usa configure y make en /usr/src/pcmcia. 4. Recompilar el kernel antes del paso anterior solo si es necesario. 5. Los ficheros de configuraci´n se encuentran en /etc/pcmcia o Es aconsejable instalar las wireless tools para poder configurarla correcta-mente. Despu´s de haberla instalado es necesario configurarla para adaptarla al eentorno que necesitemos. 23
  25. 25. Cap´ ıtulo 2. Tecnolog´ inal´mbrica ıa a 802.11Configuraci´n del nivel de enlace o Debemos definir el tipo de arquitectura de la red a la que pertenece la tarjeta.Existen varios modos, los m´s comunes son el modo infraestructura y modo ad- ahoc, aunque ultimamente tambi´n es muy com´n el poder poner estas tarjetas ´ e uen modo master. En el modo infraestructura todos los dispositivos se conectana un dispositivo central, normalmente un Punto de Acceso (AP), y todos estosdispositivos se comunican unica y exclusivamente a trav´s de este dispositivo. ´ eSin embargo el modo ad-hoc se utiliza para que todos los dispositivos puedanestablecer comunicaciones con cualquier otro, pueden hablar todos con todos.Esta ultimo modo es aconsejable cuando no existen muchos nodos, o cuando las ´situaciones lo requieran: computaci´n m´vil, redes ad-hoc, ... Y el modo master o osirve para que un dispositivo con una tarjeta configurada de esta forma puedahacer de punto de acceso para que otros dispositivos se conecten a ´l. e Para cambiar el modo de una tarjeta se utilizan las aplicaciones que pro-porciona el paquete textitwireless tools. Si el interfaz de la tarjeta inal´mbrica aes eth0, y queremos cambiar el modo a modo infraestructura debemos ejecutarcomo superusuario: > iwconfig eth0 mode managed Tambi´n se puede definir qu´ canal se quiere utilizar. La banda de frecuencia e eutilizada por estas tarjetas va desde los 2.4 GHz hasta los 2.4835, y este rangoest´ dividido en 13 canales, que se pueden utilizar para no solapar redes y evitar ainterferencias. Por eso podemos elegir el canal en el que queremos que trabajela tarjeta:> iwconfig eth0 channel 10end{vebatim}Tambi´n se puede definir el ESSID, que no es m´s que un identificador e ade la red a la que queremos conectarnos. Para configurar el ESSID:begin{verbatim}> iwconfig eth0 essid nombre_red Y tambi´n podemos definir el algoritmo de cifrado, la longitud de la clave, e...Configuraci´n del nivel IP o Aqu´ se debe configurar el nivel de red de la tarjeta. Esto puede ser algo ıtrivial o algo complejo dependiendo del dise˜o de red que queramos montar. nPara el caso m´s sencillo en el que la tarjeta se va a conectar a una red en la aque existe un AP con el que debe de comunicarse, basta con asignarle los datosde red a la interfaz de la tarjeta. Por ejemplo: 24
  26. 26. Cap´ ıtulo 2. Tecnolog´ inal´mbrica ıa a 802.11> ifconfig eth0 192.168.240.10 netmask 255.255.255.255> route add -net default gw 192.168.240.1 Claro, que toda esta configuraci´n no es necesario hacerla cada vez que outilicemos la tarjeta. Toda esta configuraci´n se puede almacenar en los ficheros ode configuraci´n del sistema para que no sea necesario repetir estas operaciones. oEn el fichero de configuraci´n /etc/pcmcia/wireless.opts se pueden configurar omuchas de estas opciones. 25
  27. 27. Cap´ ıtulo 2. Tecnolog´ inal´mbrica ıa a Bluetooth2.5. Bluetooth El objetivo de la tecnolog´ Bluetooth es proporcionar una capacidad de ıacomunicaci´n universal de corto alcance. Funciona en la banda de los 2.4 oGHz, como 802.11b, y puede alcanzar tasas de datos de hasta 720 kbps entredos dispositivos a una distancia de unos 10 metros. Bluetooth puede ofrecer a los usuarios servicios como: Utilizar unos cascos inal´mbricos conectados a un tel´fono mediante Blue- a e tooth. Eliminar cables entre el ordenador y los perif´ricos como impresoras, te- e clados, ratones, ... Hacer una llamada telef´nica a casa para activar servicios como alarmas o o servicios de calefacci´n. o2.5.1. Aplicaciones Bluetooth est´ dise˜ado para funcionar en entornos con muchos usuarios. a nSe pueden crear peque˜as redes de hasta 8 dispositivos llamadas piconet, y npueden coexistir 10 de estas piconets en el mismo espacio de cobertura de Blue-tooth. Cada una de estas redes codifican sus datos y los protegen contra posiblesintrusiones e interferencias. Proporciona soporte para tres areas de aplicaci´n: ´ o Puntos de acceso de voz y datos: Proporciona transmisiones en tiempo real de voz y datos entre diferentes dispositivos. Reemplazo de cables: Elimina los cables, incluso propietarios, para co- nectar pr´cticamente cualquier tipo de dispositivo. La distancia m´xima a a es de unos 10 metros, pero puede aumentarse hasta los 100 usando ampli- ficadores. Redes ad-hoc: Dos dispositivos Bluetooth pueden establecer una cone- xi´n ad-hoc si se encuentran en el mismo rango de cobertura. o2.5.2. Est´ndares a Los est´ndares de Bluetooth son muy extensos, y est´n divididos en dos a agrupos: Las especificaciones del n´cleo: describen los detalles de la arquitectura u de capas del protocolo Bluetooth, desde el interfaz radio hasta el control de enlace Las especificaciones de perfiles: cada perfil describe el uso de la tecno- log´ descrita en el grupo anterior de especificaciones para adaptarla a un ıa modelo de uso concreto. Estos perfiles intentan especificar un est´ndar a de interoperabilidad para que cualquier dispositivo pueda interactuar con cualquier otro. 26
  28. 28. Cap´ ıtulo 2. Tecnolog´ inal´mbrica ıa a Bluetooth Cada modelo de uso implementa una determinada aplicaci´n basada en Blue- otooth. Algunos de estos son: Transferencia de ficheros Puente a Internet: Un ordenador est´ conectado inal´mbricamente a un a a tel´fono o m´dem inal´mbrico que le proporciona acceso a Internet, fax, e o a ... Conexi´n a red de area local: Cuando los dispositivos est´n conectados a o ´ a una piconet. Sincronizaci´n: sincronizaci´n de informaci´n entre diversos dispositivos, o o o agenda de tel´fono, calendario, ... e Cascos de m´sica inal´mbricos. u a Como hemos dicho antes, una piconet es una red de dispositivos inal´mbri-acos que contiene un nodo maestro y hasta 7 dispositivos esclavos. El maestroselecciona el canal ( secuencia de frecuencias de salto ) y la fase de transmisi´n oque deben utilizar todos los dispositivos de esa piconet. Y una scatternet es cuando uno de los dispositivos pertenece a varias pi-conet, ya sea como esclavo o maestro de cualquiera de ellas. De esta forma, unagran cantidad de dispositivos pueden compartir el mismo espacio f´ ısico y aprove-char eficientemente el ancho de banda porque cada piconet tiene una frecuenciadistinta del resto asignada. 27
  29. 29. Cap´ ıtulo 2. Tecnolog´ inal´mbrica ıa a IrDA2.6. IrDA IrDA es un est´ndar definido por el IrDA Consorcio[Ass93], y especifica un atipo de comunicaciones inal´mbricas por medio de radiaciones de infrarrojos. aEs el protocolo por infrarrojos m´s extendido en la actualidad. a Las comunicaciones por infrarrojos ofrecen un servicio de bajo coste y fiablepara conectar ordenadores y perif´ricos sin el uso de cables. Hoy en d´ todos e ıalos ordenadores port´tiles poseen dispositivo de infrarrojos IrDA integrado, y atambi´n muchos dispositivos como tel´fonos m´viles o PDA. e e o IrDA presenta dos especificaciones b´sicas dentro de las cuales existen unos acuantos est´ndares para diversos dispositivos, que son IrDA Data e IrDA Con- atrol, y se describen a continuaci´n. o2.6.1. IrDA Data IrDA Data tiene como objetivo facilitar comunicaciones de alta velocidada corto alcance, con visi´n directa y punto a punto para comunicaciones entre oun ordenador y diversos dispositivos, como c´maras digitales, dispositivos de aalmacenamiento, ... Consiste en una serie de protocolos obligatorios y algunos opcionales, que sedescriben a continuaci´n: oNivel f´ ısico Rango: Normalmente el rango m´ximo est´ entre uno y dos metros, pero a a hay modos especiales en los que si la distancia est´ entre los 20 o 30 a cent´ ımetros se puede reducir el consumo hasta unas 10 veces menos. Comunicaciones bidireccionales Transmisi´n de datos desde los 9600 bps hasta los 115 kbps con una base o de precio/coste, pero puede alcanzar una velocidad m´xima de 4 Mbps a Los paquetes de datos contienen c´digo de detecci´n de errores. o oProtocolo de acceso de enlace (IrLAP) Proporciona comunicaci´n fiable y ordenada entre dos dispositivos. o Proporciona servicios de descubrimiento de dispositivos Maneja nodos ocultosProtocolo de control de enlace (IrLMP) Proporciona multiplexaci´n de la capa anterior (IrLAP). Pueden existir o varios canales sobre una conexi´n IrLAP o Proporciona un protocolo de descubrimiento de servicios. 28
  30. 30. Cap´ ıtulo 2. Tecnolog´ inal´mbrica ıa a IrDAProtocolos opcionales Los protocolos anteriores son los b´sicos que debe tener toda comunicaci´n a ode IrDA Data, pero existen otros protocolos espec´ ıficos para diversos dispositivoso modos de operaci´n: o Tiny TP IrCOMM OBEX IrDA Lite IrTran-P IrMC IrLAN2.6.2. IrDA Control IrDA Control est´ dise˜ado para permitir comunicaciones entre perif´ricos a n ecomo teclados, ratones o joystick y numerosos dispositivos como ordenadores,televisiones, consolas de videojuegos, ... Al igual que IrDA Data posee una pila de protocolos base:Nivel F´ ısico Distancia de unos cinco metros Comunicaciones bidireccionales Transmisi´n de datos de hasta 75 Kbps o Los paquetes de datos contienen c´digo de detecci´n de errores. Adem´s la o o a capa f´ ısica est´ optimizaba para un bajo consumo y para poder realizarlo a a bajo costeControl de Acceso al Medio (MAC) Permite a un dispositivo comunicarse con m´ltiples dispositivos, hasta 8 u simult´neamente. a Proporciona tiempo de acceso muy r´pido y baja latencia. aControl de enlace l´gico (LLC) o Proporciona caracter´ ısticas fiables para asegurar la secuencia de paquetes ylas retransmisiones cuando se detectan errores. En las siguientes secciones se van a describir algunos experimentos realizadossobre la tecnolog´ IrDA utilizando diversos dispositivos. ıa 29
  31. 31. Cap´ ıtulo 2. Tecnolog´ inal´mbrica ıa a IrDA2.6.3. Configuraci´n de un dispositivo dongle o Normalmente, los ordenadores de sobremesa no cuentan con dispositivos deinfrarrojos integrados como los ordenadores port´tiles, por tanto, es necesario el auso de perif´ricos que provean de este tipo de conexi´n al ordenador. El dispo- e ositivo que hemos utilizado para realizar esta labor ha sido un dongle ACTISYSIR 220L plus, este dispositivo se conecta al puerto serie del ordenador. Para configurarlo hay que realizar varias tareas:Configuraci´n del kernel o El kernel utilizado para la pruebas ha sido un kernel de la serie 2.4.x, aunquecon la serie 2.2.x deber´ funcionar, pero en este ultimo caso quiz´s haya que ıa ´ aaplicar alg´n parche al kernel. u Es necesario activar ciertas opciones en el kernel, en el apartado IrDA (infra-red) Support, y lo mejor es introducir estas opciones como m´dulos, y cargarlos osolo cuando vayamos a usar el dispositivo infrarrojos. Las opciones b´sicas de aIrDA que se deben activar son las siguiente: CONFIG IRDA CONFIG IRLAN CONFIG IRCOMM CONFIG IRDA ULTRA CONFIG IRDA OPTIONS Las opciones para usar un dispositivo de infrarrojos conectado al puertoserie: CONFIG IRTTY SIR CONFIG IRPORT SIR Y la opci´n espec´ o ıfica para el dispositivo que hemos utilizado nosotros es elsiguiente: CONFIG ACTISYS DONGLESoftware Despu´s de esto, lo siguiente ser´ instalar el software necesario. Lo b´sico e ıa aser´ el paquete irda-common, que nos proporciona algunas herramientas como ıairmanager o irattach, que nos ayudar´n despu´s a configurar nuestro dispositivo. a e Tambi´n se debe instalar el paquete irda-tools, que nos proporciona herra- emientas como irdadump o irdaping, que nos ayudar´n a depurar y a comprobar ael funcionamiento del dispositivo. 30

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