Práctica 4. ESP WiFi Mesh

Objetivos

• Revisar los conceptos básicos para la construcción de una red MESH WiFi autogestionada.
• Presentar la API básica para la creación de aplicaciones basadas en la pila ESP-MESH.
• Observar en funcionamiento una red ESP-MESH, así como sus capacidades de autoconfiguración.

ESP WiFi Mesh

El stack ESP-MESH está construido por encima del driver WiFi (es decir, obviamente hace uso de sus servicios), y en algunos casos también haciendo uso de servicios de la pila IP (lwIP), por ejemplo en el nodo raíz, que es el único con comunicación IP contra un router de borde. El siguiente diagrama muestra la situación de la pila Mesh en ESP-IDF:

Como cualquier otro componente ESP-IDF, ESP-MESH se comunica con las aplicaciones a través de eventos propios:

El tipo mesh_event_id_t define todos los posibles eventos que pueden surgir en las distintas fases del ciclo de vida de una red (por ejemplo, para un nodo determinado, conexión o desconexión de su nodo padre, o de uno de sus nodos hijo). Antes de utilizar los eventos ESP-MESH para gestionar u observar el funcionamiento de la red, es necesario registrarlos vía esp_event_handler_register().

Algunos usos típicos de los eventos incluyen, por ejemplo, la situación de conexión de un nodo padre (MESH_EVENT_PARENT_CONNECTED) o de un hijo (MESH_EVENT_CHILD_CONNECTED), indicando, respectivamente, que un nodo puede comenzar a emitir hacia arriba en el grafo, o hacia abajo. Del mismo modo, en un nodo raíz, la recepción de los eventos IP_EVENT_STA_GOT_IP y IP_EVENT_STA_LOST_IP se pueden aprovechar para indicar que dicho nodo raíz puede o no enviar datos a la red IP externa.

Eventos

• MESH_EVENT_STARTED: mesh iniciada.

• MESH_EVENT_STOPPED: mesh finalizada.

• MESH_EVENT_CHANNEL_SWITCH: cambio de canal.

• MESH_EVENT_CHILD_CONNECTED: un hijo ha conectado a la interfaz softAP.

• MESH_EVENT_CHILD_DISCONNECTED: un hijo ha desconectado de la interfaz softAP.

• MESH_EVENT_ROUTING_TABLE_ADD: se han añadido nuevas entradas a la tabla de enrutamiento añadiendo nuevos hijos.

• MESH_EVENT_ROUTING_TABLE_REMOVE: se ha eliminado entradas de la tabla de enrutamiento eliminado hijos que han abandonado la red.

• MESH_EVENT_PARENT_CONNECTED: un padre se ha conectado a la interfaz station.

• MESH_EVENT_PARENT_DISCONNECTED: un padre se ha desconectado de la interfaz station.

• MESH_EVENT_NO_PARENT_FOUND: no se ha encontrado un padre.

• MESH_EVENT_LAYER_CHANGE: el nodo ha cambiado de nivel en la red.

• MESH_EVENT_TODS_STATE: indica que el nodo raíz es capaz de acceder a la red IP externa.

• MESH_EVENT_VOTE_STARTED: el proceso de voto de un nuevo nodo raíz ha comenzado.

• MESH_EVENT_VOTE_STOPPED: el proceo de voto de un nuevo nodo raíz ha finalizado.

• MESH_EVENT_ROOT_ADDRESS: se ha obtenido la dirección del nodo raíz.

• MESH_EVENT_ROOT_SWITCH_REQ: un nodo raíz candidato ya elegido solicita un cambio de nodo raíz.

• MESH_EVENT_ROOT_SWITCH_ACK: respuesta a la anterior petición por parte del nodo raíz actual.

• MESH_EVENT_NETWORK_STATE: la actual red tiene un nodo raíz.

• MESH_EVENT_STOP_RECONNECTION: el nodo raíz detiene el proceso de reconexión al router y los demás nodos detienen los procesos de conexión a sus nodos padre.

• MESH_EVENT_FIND_NETWORK: si el canal solicitado es 0, la pila escaneará todos los canales para encontrar una red mesh a la que conectar, devolviendo el canal en el que lo ha conseguido.

Uso de la pila IP (lwIP)

El código de una aplicación que haga uso de ESP-MESH puede acceder directamente a la pila MESH sin pasar por la pila IP. De hecho, la pila IP sólo es estrictamente necesaria por parte del nodo raíz, al ser el único que puede recibir o transmitir datos desde o hacia la red IP externa.

Sin embargo, como cualquier nodo de la topología puede potencialmente convertirse en nodo raíz (ya que su selección es automática), todos los nodos deberán inicializar la pila IP. Cada nodo que pueda convertirse en root debe inicializar LwIP llamando a esp_netif_init(). Para prevenir el acceso de nodos no-root a LwIP, la aplicación no debe crear o registrar ninguna interfaz de red usando el API de esp_netif.

ESP-WIFI-MESH requiere que un nodo raíz esté conectado con un router. Por lo tanto, en el caso de que un nodo se convierta en raíz, el manejador correspondiente debe iniciar el servicio cliente DHCP y obtener inmediatamente una dirección IP. Hacer esto permitirá a otros nodos comenzar a transmitir/recibir paquetes hacia/desde la red IP externa. Sin embargo, este paso es innecesario si se utilizan configuraciones IP estáticas.

Estructura básica de una aplicación ESP-MESH

Los requisitos previos para iniciar ESP-WIFI-MESH es inicializar LwIP y Wi-Fi, El siguiente fragmento de código demuestra los pasos necesarios requisito previo antes de ESP-WIFI-MESH en sí se puede inicializar.

ESP_ERROR_CHECK(esp_netif_init());

/*  event initialization */
ESP_ERROR_CHECK(esp_event_loop_create_default());

/*  Wi-Fi initialization */
wifi_init_config_t config = WIFI_INIT_CONFIG_DEFAULT();
ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_init(&config));
/*  register IP events handler */
ESP_ERROR_CHECK(esp_event_handler_register(IP_EVENT, IP_EVENT_STA_GOT_IP, &ip_event_handler, NULL));
ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_set_storage(WIFI_STORAGE_FLASH));
ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_start());

Tras inicializar LwIP y Wi-Fi, el proceso para poner en marcha una red ESP-WIFI-MESH puede resumirse en los tres pasos siguientes:

1. Inicializar ESP-MESH
2. Configurar una red ESP-WIFI-MESH
3. Iniciar Mesh

Paso 1. Inicializar ESP-MESH

La inicialización de ESP-MESH y el registro de eventos propios es sencilla:

/*  mesh initialization */
ESP_ERROR_CHECK(esp_mesh_init());
/*  register mesh events handler */
ESP_ERROR_CHECK(esp_event_handler_register(MESH_EVENT, ESP_EVENT_ANY_ID, &mesh_event_handler, NULL));

Paso 2. Configurar una red ESP-WIFI-MESH

ESP-WIFI-MESH se configura a través de esp_mesh_set_config() que recibe sus argumentos usando la estructura mesh_cfg_t. La estructura contiene los siguientes parámetros utilizados para configurar ESP-WIFI-MESH:

Parámetro	Descripción
Channel	Canal (entre 1 y 14)
Mesh ID	Identificación de la red MESH (6 bytes)
Router	SSID y contraseña de conexión al router de salida
Mesh AP	Configuración específica del AP generado por cada nodo
Crypto Functions	Funciones criptográficas para Mesh IE

Un ejemplo de configuración podría ser:

/* Enable the Mesh IE encryption by default */
mesh_cfg_t cfg = MESH_INIT_CONFIG_DEFAULT();
/* mesh ID */
memcpy((uint8_t *) &cfg.mesh_id, MESH_ID, 6);
/* channel (must match the router's channel) */
cfg.channel = CONFIG_MESH_CHANNEL;
/* router */
cfg.router.ssid_len = strlen(CONFIG_MESH_ROUTER_SSID);
memcpy((uint8_t *) &cfg.router.ssid, CONFIG_MESH_ROUTER_SSID, cfg.router.ssid_len);
memcpy((uint8_t *) &cfg.router.password, CONFIG_MESH_ROUTER_PASSWD,
       strlen(CONFIG_MESH_ROUTER_PASSWD));
/* mesh softAP */
cfg.mesh_ap.max_connection = CONFIG_MESH_AP_CONNECTIONS;
memcpy((uint8_t *) &cfg.mesh_ap.password, CONFIG_MESH_AP_PASSWD,
       strlen(CONFIG_MESH_AP_PASSWD));
ESP_ERROR_CHECK(esp_mesh_set_config(&cfg));

Paso 3. Arranque de la red

El arranque de la red MESH es sencillo:

/* mesh start */
ESP_ERROR_CHECK(esp_mesh_start());

Tras el arranque, la aplicación debería comprobar los eventos para determinar si la conexión a la red ha sido exitosa. Tras la conexión, la aplicación puede comenzar a transmitir paquetes a través de la red MESH utilizando las rutinas esp_mesh_send() y esp_mesh_recv().

Despliegue conjunto de una red WiFi Mesh

La forma más conveniente de observar el comportamiento de una red WiFi Mesh es desplegar una infraestructura con suficiente número de nodos pertenecientes a una misma red. Desafortunadamente, para ello es necesario disponer de dichos nodos en un espacio cercano.

En la presente práctica, desplegaremos una red WiFi Mesh en el laboratorio, utilizando vuestro o vuestros ESP32 como elementos de la red. Para ello, configuraremos, compilaremos y ejecutaremos el ejemplo examples/mesh/internal_communication. Antes de proceder, configuraremos el proyecto para:

1. Conectar al punto de acceso común del laboratorio (Router SSID y Router password).
2. Configurar la red ESP-MESH para utilizar WPA2_PSK y seleccionar como contraseña password.
3. Aumentar el número de conexiones al AP a 10.

De momento, no realizaremos ningún cambio en el código del ejemplo.

Compila y ejecuta tu código. Monitoriza la salida estándar del nodo para obtener la siguiente información:

1. Direcciones MAC de las interfaces STA y SoftAP (lo observarás en los primeros mensajes de salida).
2. Capa de la topología Mesh en la que se encuentra tu nodo (lo observarás en formato layer:XX en los envíos y recepciones de datos).
3. En caso de haber sido elegido nodo raíz, anota también esta circunstancia y la IP asignada por el router (observa la respuesta al evento correspondiente).

Apunta toda esta información en el siguiente documento google accesible a todos los alumnos. Además, anota la ID de la red Mesh que se ha utilizado para conectar. Antes de rellenar la información, espera que el profesor te indique que la topología ha convergido, y que por tanto no habrá ningún cambio más en ella (siempre que ningun nodo deje de formar parte de la misma).

A continuación, apagaremos el nodo raíz y esperaremos a la vuelta a la convergencia de la red.

Despliegue conjunto de una red WiFi Mesh de menores dimensiones

Como último ejercicio, vamos a crear nuevas redes Mesh en función del puesto en el que estés sentado. Observa los colores asignados a cada grupo de puestos en la siguiente hoja.

Modifica tu código para que el canal de escucha y el identificador de red coincidan con el indicado. Puedes configurar el canal a través del menú de configuracion del ejemplo (channel) y el identificador modificando la variable correspondiente en el fichero mesh_main.c.

Una vez hecho esto, reconstruid la información de las tablas para reflejar las nuevas topologías. Podéis hacer pruebas posteriores apagando el nodo raíz y observando la convergencia de la red.