fundamentos de redes de acceso inalámbrico nicolás de león
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Fundamentos de Redes de Acceso Inalámbrico
Nicolás de León
Agenda
Introducción Conceptos generales de radio
Tipos de redes inalámbricas Redes celulares Redes “de computadoras”
Redes Wi-Fi: características Redes Wi-Fi: aplicación
Introducción Para comprender las redes inalámbricas es
necesario alinearnos en algunos conceptos, como ser:
Las características del aire como medio de acceso Tecnologías de acceso al medio Fenómenos conocidos: interferencia, refracción y reflexión
Luego veremos particularidades de cada tipo de red inalámbrica
Para centrarnos en Wi-Fi y sus bondades … y terminar con casos de aplicación y
experiencias de interés
Conceptos generales El aire como medio de acceso
Cualquier señal trasmitida por aire es una onda electromagnética (OE)
Una OE se caracteriza por su frecuencia, amplitud y fase
Amplitud
Conceptos generales (2)
El espacio de frecuencias en el aire conocidas (emitidas u absorbidas por algo conocido) es denominado espectro radioeléctrico o espectro electromagnético
Una comunicación inalámbrica concreta hace uso de una porción del espectro, de un determinado ancho de banda
Conceptos generales (3) Entonces definimos…
Frecuencia: es el número de veces que oscila una onda en un segundo (ciclo completo) y su unidad de medición es el Hertz (Hz), donde 1 Hz indica una oscilación por segundo.
Amplitud: es el valor máximo absoluto que alcanza la onda.
Fase: indica la condición inicial de la onda contra un eje de referencias.
Long. de onda: = velocidad de la luz / frecuencia de la onda
Ancho de banda: capacidad que indica el volumen de información que es posible trasmitir. Generalmente expresada como un rango de frecuencias o una velocidad de transferencia.
Conceptos generales (4)
Mecanismos de acceso al medio
FDMA (Frequency Division Multiple Access): Acceso en canales de diferente frecuencia
TDMA (Time Division Multiple Access): Acceso en canales en diferentes instantes de tiempo (time slots). Generalmente combinada con FDMA.
CDMA (Code Division Multiple Access): Acceso a canal compartido con multiplexación por código. Técnica de expansión de espectro.
Conceptos generales (5)
Un canal es la mínima unidad necesaria en un sistema para transferir información.
Un canal puede consistir en un entorno de frecuencias centradas en una portadora (frecuencia central), o en un intervalo de tiempo.
Cuando se aplica a la voz se puede clasificar como
Cuando se aplica a datos en general es un canal compartido
Tipo Uso Ejemplo
Simplex Unidireccional Emisora de radio
Half Duplex Bidireccional, uno por vez Walkie talkie
Full Duplex Bidireccional, ambos a la vez teléfono
Conceptos generales (6)
Fenómenos conocidos: Interferencia Siempre que tengo accesos FDMA puedo tener portadoras
(frecuencias) compartidas por distintos usuarios. La señal en uso por un usuario se refiere como C (Carrier) y la
señal interferente como I (Interferent). La relación de potencias entre C e I (medida en decibeles, dB)
debe ser tal que permita la decodificación de la señal.
Trasmisor 1Trasmisor 2
Portadora
actual ( C )
Portadora
interferente ( I )
Relación potencia C/I (en dB)
Conceptos generales (7) Propagación de señal, refracción y reflexión
La propagación es el traslado de la señal en el espacio La propagación de la señal depende fuertemente de la frecuencia,
siendo que cuanto mayores son éstas, menor es el alcance Pero la propagación también se ve afectada por obstáculos, dando
lugar a “desviaciones” de la señal u obstruccción total.
BTS 1
Señal reflejada
Señal directa
BTS 2Señal obstruida
Tipos de redes inalámbricas Redes celulares
Existen muchas, caracterizándose por ser de área extendida y soportar movilidad
Inicialmente sólo para voz, actualmente incorporan datos (GPRS, EDGE, 3G)
Dispositivos principales: celular, PDA
Redes “de computadoras” Pueden ser LAN, MAN o WAN Concebidas para Tx de datos, actualmente permiten transportar
voz (VoIP) Dispositivos principales: laptop, PDA
Redes Celulares
Estructura general Capa de acceso: radiobase Capa de control de acceso:
Controlador (opcional). Capa de conmutación y control
de tráfico: Central. Capa de datos de abonados: HLR.
Controlador
Radiobase
HLRCentral Celular
Redes Celulares (2) Incorporando datos en redes GSM…
Se requiere infraestructura adicional, representando una red paralela.
Es una red modo paquete, donde los recursos de acceso son compartidos por varios usuarios.
La velocidad de datos varía dependiendo de las condiciones de radio, recursos de la red y características del terminal.
Se utiliza el protocolo IP hacia el núcleo de la red y para interconexión con otras redes (otros operadores celulares o Internet en general)
El usuario se identifica por su dirección IP, ligada al número de móvil y al identificador de la SIM que usa GSM.
Redes Celulares (3)
Incorporando datos en redes GSM…
Controlador
Radiobase
HLR
Central Celular (CS, para voz)
Conmutador de datos (PS, para dtos)
BG
Gateway de datos
IP
Otras redes IP
Redes de computadoras
Las redes inalámbricas de computadoras pueden clasificarse por su alcance de cobertura de la siguiente manera:
Redes pico: de proximidad, entorno de 10m. Ej.: Bluetooth Redes de área local (WLAN): entorno de 100m. Ej.: Wi-Fi Redes de área extendida: entorno de algunos km. Ej.: Wi-
Max
Bluetooth El nombre procede del rey danés y noruego Harald
Blåtand cuya traducción al inglés sería Harold Bluetooth En 1994 Ericsson inició un estudio sobre la viabilidad de
una nueva interfaz de bajo costo y consumo para la interconexión con radio entre dispositivos como celulares y otros accesorios. Da origen a grupo SIG (Special Interest Group)
Hoy en día es el estándar IEEE 802.15.1 Permite la comunicación entre dispositivos para
transferencia de información o sincronización Opera en la banda de 2,4 a 2,48 GHz La especificación de Bluetooth define un canal de
comunicación de máximo 720 kb/s (1 Mbps de capacidad bruta) con rango óptimo de 10 metros
Actualmente en la v 2.1, puede coexistir con Wi-Fi, logra un consumo de potencia 5 veces menor que la versión inicial (v 1.1)
WiMax
WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access) permite tx de datos a gran distancia
Sigue la flia. de estándares 802.16 (2002), siendo los más conocidos: 802.16d (2004) y 802.16e (2005)
Tecnología Punto a Punto o Punto-Multipunto, con radios de alcance desde 3 a 10 km inicialmente y luego de hasta 48 km, con velocidades de hasta 70 Mbps
Opera en las bandas de 2.5, 3.5, 5.8 y 10-66 GHz WiMax Forum: promotor desde el 2001 Despliegue comercial inmaduro
Comienza en 2006 (WIBRO) Laptops WiMax para 2007?
Wi-Fi Wi-Fi (Wireless Fidelity) es el nombre comercial brindado
a la familia de estándares IEEE 802.11. Es una LAN inalámbrica.
El primer estándar surge en 1999 y es para muy baja velocidad (1 y 2 Mbps), pero no tardó en aparecer 802.11b, con velocidades de 11 Mbps.
El 802.11b y su sucesor 802.11g son los más usados dado que operan en la banda de 2,4 GHz, de uso libre.
802.11g permite velocidades de hasta 54 Mbps (acceso compartido).
Wi-Fi cuenta con un foro de promoción, la WiFi Alliance, que congrega a proveedores de equipos, operadores y usuarios en una red de colaboración mútua
Wi-Fi Alliance brinda certificaciones e información de accesos Wi-Fi (Hot Spots)
Esta promoción y el bajo costo han promovido el uso en hogares y empresas como extensión de la red cableada
¿Hacia dónde vamos?
¿Qué motiva una red como Wi-Fi?
Demanda de servicio Uso “doméstico” Flexibilidad y simplicidad de despliegue Bajo costo de implementación Uso de un recurso en banda “libre” Razonables tasas de transferencia
Competencia despiadada…
Vimos algunas, pero hay más…
WPAN (redes personales): Bluetooth (1998-9), luego 802.15 (2002)
WLAN (redes de área local): Wi-Fi (1999)
Wireless Mesh (red LAN-MAN): draftt 802.11s
WMAN (redes metropolitanas): 802.16 (2001), WiMax
MBWA (redes móviles de banda ancha): grupo 802.20
¿Por qué Wi-Fi? Estándares bien definidos (flía. 802.11) Promoción
Creación de la Wi-Fi Alliance (http://www.wi-fi.org/) en 1999, iniciando programa de certificación de productos.
Actualmente más de 370 miembros Apoyo al proveedor (certificación), al operador y al usuario final
(Wi-Fi Zones)
Hitos tecnológicos Lanzamiento de chip Intel Centrino, preparado para 802.11b
(2003), especialmente para notebooks Gran cantidad de placas 802.11 para PC (PCMCIA) Popularización de dispositivos de usuario tipo notebooks y PDA
debido a la baja de costos
¿Por qué Wi-Fi? (2)
Economía de escala Competencia creciente. Se ha multiplicado la cantidad
de fabricantes de proveedores de equipos Wi-Fi, tanto de usuario como de infraestructura.
Protagonistas determinantes Fabricantes de chips: Intel Fabricantes de equipos de datos: Cisco, Motorola, Nortel,
Huawei, Symbol, Proxim Fabricantes de equipos/placas de usuario: Ericsson,
GlobeTrotter, D-Link, Cisco Operadores: Telefónica, T-Mobile, Vodadone, Cingular,
Verizon, TIM, Movistar, Ancel…
La familia IEEE 802.11 802.11b (1999): Primera norma en la banda de 2,4 GHz,
velocidad de hasta 11 Mbps, 11-14 canales (3 “no solapados”). 802.11a (1999): Norma en la banda de 5 GHz, velocidad de 54
Mbps, 12 o 24 canales “no solapados”. 802.11g (2003): Norma en la banda de 2,4 GHz, compatible con
802.11b, velocidad de hasta 54 Mbps, 3 canales “no solapados”. 802.11h (2003): Administración de espectro y potencia (DFS y
DPC) 802.11i (2004): Seguridad, autenticación y encriptación (WPA2,
AES, 802.1x) 802.11e: Calidad de servicio, control de ancho de banda 802.11n (draft 2.0, Marzo 2007): Mayor velocidad (~100 Mbps)
en 2.4 0 5 GHz. Tecnología MIMO. Y otros...
Conceptos del estándar
Componentes de Wi-Fi STA: Station BSS: Basic Service Set AP: Access Point DSS: Distribution System Service ESS: Extended Service Set
AP
AP
DSS
BSS
BSS
STA ST
A
STA
STA ST
A
STA
ESS
La capa física en 802.11b/g
Características generales Velocidades de 1 y 2 Mbps Control de velocidad y nivel de señal (RSSI) Control de errores: CRC-16 y scramble de datos CS/CCA (Carrier Sense/Clear Ch Assessment): detección de
portadora en Rx y de canal “limpio” para Tx
Tres tipos de PHY: FHSS (Freq. Hopping Spread Spectrum): inmunidad por
salto de frecuencia DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum): inmunidad por
expansión en espectro Infrarrojo
La capa física en 802.11b/g (2)
DSSS: Direct Sequence Spread Spectrum Velocidades de 1 y 2 Mbps, modulación 2DBSK y 4DQSK Secuencia de spreading de Baker de 11 chips
802.11g agrega modulaciones OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), CCK-OFDM (Complimentary Code Keying-OFDM) y DSSS-OFDM para alcanzar 54 Mbps.
La capa física en 802.11b/g (3)
Canales Wi-Fi en norma europea
La capa física en 802.11 b/g (4)
DSS Diferentes rangos en banda 2,4 GHZ (2,4-2,4835 GHz en USA
y la mayoría de Europa)
3 modos CCA: energía sobre umbral (ED), detección de portadora DSSS y detección de portadora sobre umbral
Potencia de Tx: entre 1 y 100 mW
Sensibilidad: mejor que -80dBm (@ 2 Mbps)
Algunos atributos de la capa PHY: Dominio regulatorio (dot11CurrentRegDomain), tasas (dot11SupportedDataRatesTX), potencia de Tx (dot11CurrentTxPowerLevel), modo CCA (dot11CurrentCCAMode)
La capa física en 802.11 a
Usa modulación OFDM y BPSK, QPSK o 16QAM según la velocidad deseada
Trabaja en el entorno de los 5GHz, pero en tres bandas diferentes: 5.15, 5.4 y 5.8 GHz
La banda es regulada y a veces licenciada Canales de 20 MHz y como máximo hay 12 no
solapados (entre las 3 bandas) Potencia máxima acotada por regulación a 40 mW en el
mejor caso Antenas específicas por banda Menos desarrollado, menos dispositivos de clientes y
por ende más caro
La capa MAC
Tramas de Administración: Solicitud/respuesta de asociación Solicitud/respuesta de pruebas Beacons (sincronismo y control de potencia) Autenticación
Tramas de control: Solicitud para enviar RTS (Request to Send) Listo para enviar (CTS, Clear to Send) Acuses de recibos
Trama de datos (única similar a 802.3)
La capa MAC (2)
Algoritmo CSMA/CA o Distributed Coordinated Function (DCF)
Eficiencia del medio: ~50% Selección de tasa adaptativa: adaptación de
tasa de Tx en baja potencia MTU máx. 2346, pero se limita a 1500 por
compatibilidad con redes cableadas (802.3 y uso de 802.1x)
Infraestructura Wi-Fi Tres modos:
Ad-hoc: sólo clientes BSS/Infraestructure:
agrega un AP ESS: red inalámbrica
Variaciones en la infraestructura Access Switch y Acces Ports (LWAP) Router inalámbrico Servidor RADIUS Topologías: switcheada o routeada
Integración con otras redes
Integración con red cableada y red celular: teléfono Wi-Fi/GSM/3G, EAP-SIM
Integración con otras redes (2) ¿Cómo se logra?
Placas con porta SIM card (Ericsson, GlobeTrotter Combo Edge/WiFi)
SIM “smart card” (Gemplus y Transat Technologies) Gateway EAP-SIM para autenticación con HLR Teléfonos WiFi/GSM-GPRS/3G: Nokia Nseries
Funcionamiento general Escaneo
Pasiva: la STA espera beacon Activa: Probe request/response
Autenticación Autenticación abierta: mismo SSID en AP y STA Clave compartida: intercambio de clave entre STA y AP
Asociación Intercambio de facilidades disponibles entre la STA y la red
(AP o DSS en general) Roaming: migración entre zonas de diferentes AP
Asumido por estándar, implica escaneo activo/pasivo, re-asociación y sincronismo
La interfaz de radio Propagación de señal
Pérdida en espacio libre para entorno despejado (Okamura-Hata corregido)
PL = A+ 10*n*log(d/do)+ s +6*log(f/2000) -20*log(h/2)
n = 4.6 -0.005*h +20/h Y
Se pueden requerir varios canales y… Planificación de celdas Control de potencia Interferencia Rogue AP (intruso)
odxLogA 420 10
La interfaz de radio (2) Impacto del entorno
Atenuación: se mitiga con potencia y ganancia antenas
Propagación multicamino: reflexión Se mitiga con diversidad espacial: antenas separadas
n*λ/2
Entorno Atenuación (dB)
Espacio abierto 0
Ventana 3 a 8
Pared "liviana" (yeso, lambriz) 5 a 8
Pared "densa" (hormigón) 15 a 20
Madera 8 a 10
Metal 10 a 15
Pisos 15 a 20
Seguridad en Wi-Fi Se combinan mecanismos
Identificador de servicio (SSID) Comunicación entre STA bajo un mismo AP Control de acceso: ACL 802.11i (WPA2): 802.1x + EAP + algoritmo de encriptado
Autenticación: 802.1x Encriptación: AES Variantes de EAP (Extensible Auth. Protocol): EAP-TLS, EAP-
SIM, otros. Modos: Pre-Shared Key e infraestructura (con RADIUS)
Secure ARP Los clientes deben soportar 802.11i !
Cantidad de clientes viejos, sólo WEP con clave fija
QoS en Wi-Fi
Basada en prioridades EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) implica
Tiempo de espera con canal libre para Tx o backoff Tamaño de Contention Window para backoff Tiempo disponible para Tx
Hybrid Coordination Function (HCF) en AP Negociación de “oportunidades de Tx” (TXOP) mediante
parámetros de EDCA en beacon o Probe Response Es bidireccional Regulado por política de Control de Acceso
QoS en Wi-Fi
Categorías de acceso (AC) y TXOP
Mayor tiempo de posesión del medio en 802.11b
AC Tag 802.1d equiv TXOP ms (802.11b) TXOP ms (802.11a/g)
Voz 7, 6 3,3 1,5
Video 5, 4 6 3
Best Effort 0, 3 12,3 @ 1 Mbps 2,1 @ 6 Mbps
Background 2, 1 12,3 @ 1 Mbps 2,1 @ 6 Mbps
Perfiles de servicio
Hot spots Típico acceso a internet Gratuitos o por fidelización del local Usuario genérico Control de tiempo inactividad
Acceso empresarial Accesos a VPN de la empresa Requiere gestión de usuarios: RADIUS o LDAP Encriptación 802.11 o VPN sobre IP? Homogeneizar clientes!
Servicio dado por un ISP
Guías prácticas: Radio
Evaluar zona de servicio deseada Cantidad de AP necesarios Selección de canal: fijo vs. automático Potencia de Tx: control de radio cobertura Antenas: ganancia, direccionalidad, inclinación, línea de
vista Cableado: minimizar cable de RF, compromiso entre
flexibilidad y atenuación Interferencias próximas: otros AP, otros servicios,
microondas No despreciar absorción de las personas !
Guías prácticas: Instalación AP
Compromiso: accesibilidad, proximidad zona de servicio, alimentación y cableado UTP
Alimentación PoE puede ser útil Muchos AP: opción access switch + acces ports? (Proxim,
Nortel) En oficinas, procurar diversidad espacial en antenas
Cableado RF Preferentemente usar cable coaxial ¼”, no línea RG Evitar grandes longitudes Cuidar curvaturas, aumentan atenuación sensiblemente Cuidar conexiones de torsión, polvo y humedad: crece
atenuación Intemperie: no usar UTP, usar coaxial con protección
c/descargas
Guías prácticas: configuración
SSID Compartido por AP y STA, debe ser nemotécnico
Tipos de acceso 802.11b y g simultáneos impacta en performance
Seguridad Aplicar reglas de filtrado IP y MAC Utilizar mecanismos tipo ARP seguro Control en capa 3 y superiores: VPN y portal de acceso Se debe conocer capacidad de clientes para aplicar con
rigor WPA2 Self defending networks
Guías prácticas: configuración
Enlaces entre AP (Wireless Bridge) Preferentemente en radio separado: impacto en
performance Antenas direccionales Mismo canal y SSID Roles específicos: root y non-root bridge
Integración a otras redes Uniformidad de políticas (Seguridad, QoS) AB de servicios concurrentes