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