Redes Inalmbricas Tema 3 Wireless Mesh Networks

1
Redes Inalámbricas Tema 3Wireless Mesh Networks

• Overview of the technology
• Study case Guifi.net
• Routing metrics
• IEEE 802.11s

2
Overview
Link Types
Node Types
Intra-mesh wireless links Stationary client
access Mobile client access Internet access
links
Wireless routers Gateways Printers, servers
Mobile clients Stationary clients
3
Gateways

• Multiple interfaces (wired wireless)
• Mobility
• Stationary (e.g. rooftop) most common case
• Mobile (e.g., airplane, busses/subway)
• Serve as (multi-hop) access points to user
  nodes
• Relatively few are needed, (can be expensive)

4
Wireless Routers

• At least one wireless interface.
• Mobility
• Stationary (e.g. rooftop)
• Mobile (e.g., airplane, busses/subway).
• Provide coverage (acts as a mini-cell-tower).
• Do not originate/terminate data flows
• Many needed for wide areas, hence, cost can be an
  issue.

5
Users

• Typically one interface.
• Mobility
• Stationary
• Mobile
• Connected to the mesh network through wireless
  routers (or directly to gateways)
• The only sources/destinations for data traffic
  flows in the network.

6
User Wireless Router Links

• Wired
• Bus (PCI, PCMCIA, USB)
• Ethernet, Firewire, etc.
• Wireless
• 802.11x
• Bluetooth
• Proprietary
• Point-to-Point or Point-to-Multipoint
• If properly designed is not a bottleneck.
• If different from router-to-router links well
  call them access links

7
Router to Router Links

• Wireless
• 802.11x
• Proprietary
• Usually multipoint to multipoint
• Sometimes a collection of point to point
• Often the bottleneck
• If different from router-to-user links well call
  them backbone links

8
Gateway to Internet Links

• Wired
• Ethernet, TV Cable, Power Lines
• Wireless
• 802.16
• Proprietary
• Point to Point or Point-to-Multipoint
• Well call them backhaul links
• If properly designed, not the bottleneck

9
How it Works

• User-Internet Data Flows
• In most applications the main data flows
• User-User Data Flows
• In most applications a small percentage of data
  flows

10
Taxonomy
11
Broadband Internet Access
12
Layer 2 Connectivity

• The entire wireless mesh cloud becomes one
  (giant) Ethernet switch
• Simple, fast installation
• Short-term events (e.g., conferences,
  conventions, shows)
• Where wires are not desired (e.g., hotels,
  airports)
• Where wires are impossible (e.g., historic
  buildings)

13
Community Networks

• Grass-roots broadband Internet Access
• Several neighbors may share their broadband
  connections with many other neighbors
• Not run by ISPs
• Possibly in the disadvantage of the ISPs

Source research.microsoft.com/mesh/
14
Introducció a guifi.net ltLlocgt ltDatagt
15
Temes

• Volem explicar-vos
• què és guifi.net ?
• com ho fem ?
• com funciona ?
• què s'està fent per ltZonagt ?
• com hi podré connectar des de casa ?
• quins continguts hi ha a la xarxa ?
• la plataforma de guifi.net
• com hi puc collaborar ?

16
Què és guifi.net?

• fer xarxa oberta, lliure i neutral
• Es forma a base d'interconnexió del tram de xarxa
  que aporta cada participant
• Oberta a la participació de tothom
• Lliure perquè no hi ha un propietari que imposi
  restriccions
• Neutral perquè és independent dels seus
  continguts
• Comuns Sensefils
• http//guifi.net/ComunsSensefils

17
Com ho fem?

• projecte obert
• coordinació
• entre els interessats dun lloc per poder muntar
  la infraestructura comuna necessària per fer la
  xarxa
• collaboració
• particulars, empreses i administracions
• no té una ubicació geogràfica determinada
• molt estès per les comarques centrals
• un lloc web
• amb informació, eines i coneixement
• sobre xarxes, autoservei

Aviat 8.896!!
18
Què NO és guifi.net?

• NO és una iniciativa comercial
• NO és una xarxa d'aficionats
• Hi destaquen els usos professionals
• És una de les xarxes més grans del món d'aquestes
  característiques
• NO és un proveïdor de serveis dInternet (ISP)?
• NO és un sistema de pagament
• NO és una tecnología en concret
• És una combinació de moltes tecnologies portades
  a la pràctica

19
Què NO és guifi.net?

• NO és una associació, comunitat, ajuntament o
  empresa
• És un conjunt de tot això
• Hi ha una Fundació que li dona suport
• NO representa cap organisme oficial
• NO exigeix res a ningú
• cadascú aporta el que vol
• sense cap tipus dobligació

20
Com funciona?

• els usuaris tenim el nostre node a casa
• connectem el node de casa amb la resta de nodes
• com ?
• usem supernodes, el bon rendiment depèn de que
  n'hi hagi forces
• tipus d'enllaços
• casa supernode
• supernode supernode
• casa - casa

21
Com és el node de casa?

• necessitem
• un ordinador
• un router amb antena externa
• n'hi han que ja ho porten tot plegat
• un fil de xarxa entre el router i l'ordinador

22
Com és el node de casa?

• important
• el millor enllaç
• poca potència
• visió directa
• antena a la teulada
• com la de la TV
• apuntant al Punt d'Accés (AP) que ens dona
  cobertura
• Fer servir equips que se sàpiga que funcionaran,
  no tots serveixen ni fan la mateixa feina

http//wind.awmn.net/?pagenodesnode72
23
Com és el node de casa?

• com ho faig ...
• router i antena externa a la teulada
• cable curt, 1 a 3 m
• caixa estanca o sota teulada
• cable de xarxa entre el router i l'ordinador
• fins a 100 m

24
Com és el node de casa?

• i si ...
• tinc dos o més ordinadors ?
• som diferents veïns d'un edifici ?
• vull moure'm amb un portàtil ?
• ...

25
Com és un supernode?

• És un conjunt de ràdios amb antenes sectorials de
  cobertura i direccionals per a connexions a
  distància

26
Exemple de supernode
Connexió a altres supernodes
Connexions d'usuaris des de les cases
8.4 Km
27
Fotografies de Supernodes
28
Com m'hi podré connectar des de casa

• necessites tenir un trastoantena que se sap que
  funciona
• Linksys, Búffalo antena
• Nanostation, Mikrotik CPE...
• afegir-te en tres passos
• lloc on vius
• router que tens
• enllaç que fas
• http//guifi.net/trespassos

29
Algunes fotografies
30
Quines coses hi ha a la xarxa?

• 8.896 nodes funcionant
• la majoria entrellaçats
• més de 100 serveis i continguts
• Portes d'accés a Internet
• Intercanvi d'arxius
• Telèfon
• Xat
• Càmeres, Correu, webs, ...

31
La xarxa a Catalunya
32
La xarxa a la Castellon
33
Quins continguts hi ha a la xarxa?

• servidors de pàgines web propis
• servidors de correu
• servidors de disc i ftp
• centraletes telefòniques
• portes a Internet
• P2P intern
• xat, emissora de ràdio, càmeres web, ...

IRC-Catalunya.org guifi
34
Portes a Internet

• particulars
• obertes
• compartides
• públiques
• sortida per proxy federat amb nom d'usuari
• navegar per internet
• correu, missatgeria instantània...

PROXY usuari i contrasenya
Xarxa sense fils
internet
internet
35
Com hi puc collaborar?

• participant connectant-te a la xarxa
• particular, institució, empresa, ...
• estenent xarxa
• Supernodes, apadrinant
• aportant continguts
• buscant o fent portes a Internet
• compartint el què vulguis

36
La plataforma de guifi.net

• Aprovisionament de
• Adreces IP
• Configurador d'aparells
• Informació sobre l'estat de la xarxa
• Estat de les connexions, tràfic
• Estadístiques y gràfiques descentralitzades
• GIS per a la planificació de desplegaments
• Traces de camins, pings....
• I moltes més coses!

37
Exemple La pàgina d'un node I
Menú d'utilitats (distàncies, línea de visió,
edició...)?
Detall de daades i mapa
Gràfiques i estadístiques
38
Exemple La pàgina d'un node II

• Llistat d'enllaços i disponibilitat

39
Exemple La pàgina d'un node III

• Llistat de connexions possibles (LOS)?

40
Exemple La pàgina d'un node IV

• Buscador de serveis i camins (traceroute)?
• Des d'un punt, cerca el camí cap a altres punts
  o descobreix serveis
• Busca el camí més curt
• Es representa en un mapa

41
Preguntes freqüents

• De qui és guifi.net ?
• De qui en forma part
• Qui paga guifi.net ?
• Els participants, aportant infraestructures i
  serveis
• Quin cost té entrar a guifi.net ?
• Cap
• Comprar-te el material i fer-te o encarregar la
  installació
• Hi ha quotes periòdiques ?
• No
• Pots participar en les millores de material d'ús
  comú

42
Preguntes freqüents

• Puc connectar-me directament amb el portàtil ?
• Així m'estalvio uns 'calerons'
• No! (excepte en zones habilitades)?
• Els portàtils ...
• Connexions bidireccionals
• Tenen antenes petites
• Veuen els punts d'accés......pero no emeten fins
  als AP
• Connecten només en un rang de metres

43
Preguntes freqüents

• I, això és legal ?
• Sí !
• Liberalització Unió Europea
• Llei de Telecomunicacions
• Autoprestacions
• Quadre de Freqüències
• Ús comú 2.4 i 5 GHz
• I, això és segur ?
• La seguretat la proporciona la gestió de la
  disponibilitat de la xarxa i l'encriptació de les
  comunicacions quan és necessari.

44
Some Key Characteristics of (Radio) Wireless
Communications

• Unshielded or open in the air, i.e.,
  electromagnetic fields
• (Multi-Path) Fading and Shadowing
• path loss due to attenuation, (atmospheric)
  absorption,
• multi-path effect due to refraction, reflection,
  
• shadowing reflection from objects and nodes
  (esp. in motion)
• Environmental noises and Interference from other
  nodes
• Hence connectivity between two nodes depends
  on
• where two nodes are, and their specific
  environment at the time
• distance, terrain, noises,
• interference from other surrounding nodes
• transmission power of sender
• specifics of receiver decoding algorithm/hardware
  design
• Typical physical layer metrics
• power, distance, signal-to-noise ratio (SNR),
  signal-to-noise-and-interference ratio (SNIR),
  bit error rate (BER)

45
Protocols should exploit intermediate-quality
links

• Link-quality-aware routing (ETX, LQSR)
• ETX use expected of transmissions over a
  certain time period (e.g., a second) measured via
  broadcast Mobicom03
• ETX as link weight metric used in ExOR
• Opportunistic protocols (ExOR, OMAC)
• ExOR extremely opportunistic routing
• Other mechanisms/protocols, e.g.,
• 802.11 transmit bit-rate selection
• Multicast data distribution

46
Traditional Routing (used in MANET)
packet
packet
A
B
src
dst
packet
C

• Abstract radio to look like a wired link
• Identify a route, forward over links

47
Radios arent wires!
A
B
src
dst
1
2
3
4
5
6
1
2
3
6
3
5
1
4
2
3
4
5
6
1
2
4
5
6
C

• Every packet is broadcast
• Reception is probabilistic

48
Hop Count Metric

• Maximizes the distance traveled by each hop
• Minimizes signal strength -gt Maximizes the loss
  ratio
• Uses a higher TxPower -gt Interference
• Possibly many shortest routes
• Avoid lossy links?

49
ETX

• The predicted number of data transmissions
  required to send a packet over a link
• The ETX of a path is the sum of the ETX values of
  the links over that path
• Examples
• ETX of a 3-hop route with perfect links is 3
• ETX of a 1-hop route with 50 loss is 2

50
ETX continued

• Expected probability that a transmission is
  successfully received and acknowledged is df x dr
• df is forward delivery ratio
• dr is reverse delivery ratio
• Each attempt to transmit a packet is a Bernoulli
  trial, so

51
Details of ETX

• Based on delivery ratios, which affect throughput
• Detects and handles asymmetry by incorporating
  loss ratios in each direction
• Uses precise link loss ratios measurements to
  make fine-grained decisions between routes
• Assumes you can measure these ratios precisely
• Penalizes routes with more hops, which have lower
  throughput due to inter-hop interference
• Assumes loss rates are equal over links
• Tends to minimize spectrum use, which should
  maximize overall system capacity (reduce power
  too)
• Each node spends less time retransmitting data

52
Acquiring ETX values

• Measured by broadcasting dedicated link probe
  packets with an average period t (jittered by
  0.1t)
• Delivery ratio
• count(t-w,t) is the of probes received during
  window w
• w/t is the of probes that should have been
  received
• Each probe contains this information

53
The standard 802.11s history

• The Mesh Standard 802.11s is currently under
  development and unapproved.
• The development started in September 2003 and a
  Call for Proposals was issued in May 2005.
• The 15 proposals received by the IEEE were
  submitted to vote in July 2005.
• All the ideas have been merged into two different
  proposals, called See-Mesh and Wi-Mesh.

54
The standard 802.11s history

• Wi-Mesh (sponsored by Nortel, Accton, Thomson,
  Philips, InterDigital, MITRE, NextHop and
  Comnets) has been merged to See-Mesh (sponsored
  by Intel, Nokia, Motorola, Texas Instruments and
  NTT DoCoMo) in January 2006.
• Actually (as of January 2009) the draft is D2.0
  and the 802.11s Task Group is working on comments
  received during the 2009 ballot.

55
The standard 802.11s and D1.00

• 802.11s is an extension of the traditional 802.11
  protocol for WLAN communication and adds MESH
  functionality (routing) at Link layer (Level 2).
• 802.11s (MESH) is transparent for higher levels.

APPLICATION LAYER
5
TRANSPORT LAYER
4
NETWORK LAYER
3
DATA LINK LAYER
2
PHYSICAL LAYER
1
The TCP/IP model
56
Classes of devices

• 802.11s D1.00 contains a distinction between
• MP (Mesh Point) it establishes peer links with
  neighbour nodes
• MAP (Mesh Access Point) a MP with a double
  interface mesh towards other MAPs, traditional
  AP towards the clients
• MPP (Mesh Portal) gateway between the MESH
  infrastructure and a traditional external network
• STA (Station) traditional client connected to a
  MAP

57
Key issues

• How can a new node join the network?
• How do we protect from unauthorized access?
• How can a Mesh network route the packets?
• How can co-exist mesh Infrastructured or Mixed
  networks and traditional networks?

58
Joining the Mesh

• Each MP should have more than one Radio Interface
  ? more than one channel is joined
• Each channel belongs to a Unified Channel
  Graph, connecting more than two stations
• Each MP has a table with a priority list for
  every active channel

Unified Channel Graph
MP1
MP2
MP4
MP3
59
Steps in joining a Mesh

• MP1 feels some mesh frames in the air
• MP1 tries to read the Mesh ID, the MWLAN
  Capability Element and the Profile (eg. Link
  State)
• If MP1 can support the connection (in terms of
  protocol and profile), it sends to Candidate
  Neighbours some frames to join the mesh
• Start of authentication
• If authentication is succesfully completed, MP1
  is connected to the mesh

60
Authentication and Privacy

• No central authority or hierarchy
• Security about
• Authentication to the Mesh Network
• Confidentiality and integrity of private data
• Protection from DoS attacks
• Open issues

61
Authentication and Privacy

• A possible choice for having a secured
  authentication, provide a secure key distribution
  and to prevent unauthorized connections could be
  the modification of the 802.11i protocol,
  specifically designed for the traditional 802.11
  security.
• An option is to use a centralized server for
  primary authentication. Once the authentication
  ends successfully, the Supplicant (new MP) and
  the Authenticator (a MP connected to the Mesh
  network) can start an handshake and then
  establish a secure connection.
• Need to extend traditional 802.11i techniques for
  having fast-reconnect (still under discussion as
  of today)

62
Routing techniques

• D1.00 defines one Mandatory Protocol for the
  Path Selection (HWMP, inspired by AODV and
  Tree-based routing), but any vendor of 802.11s
  could define any other protocol
• An optional protocol (RA-OLSR) is described in
  the 802.11s draft
• MWLAN Capability Element is used to inform new
  nodes of which protocol is in use
• There are two kind of routing techniques
• Proactive routing
• Reactive routing