A lo largo de los años, se desarrollaron muchas tecnologías y estándares de redes LAN inalámbricas, la clase más utilizada es la de estándares 802.11, o Wi-Fi.
Existen muchos estándares para esta clase, todos ellos comparten algunas características comunes. Todos utilizan el mismo protocolo de acceso al medio: CSMA/CA. Todos reducen su tasa de transmisión para llegar a mayores distancias, y todos son backwards compatible. La mayor diferencia radica en la capa física.
Existen dos rangos frecuencias principales, 2.4 GHz y 5.8 GHz. Las redes 5.8 tienen menor rango para un nivel de potencia dado, y sufren más de propagación multipath. Los estándares más recientes utilizan múltiples antenas (tanto receptoras como emisoras), y utilizan antenas inteligentes para direccionar las mismas en dirección del receptor. Esto redujo la interferencia e incremento la distancia alcanzada para una tasa dada.
1. The 802.11 Architecture
El bloque fundamental de construcción de la arquitectura de 802.11 es el basic service set (BSS). Este contiene una o más estaciones inalámbricas, y una estación base central, conocida como access point (AP). En una red típica de hogar, hay un AP y un router, típicamente integrados en la misma unidad.
Las redes LAN inalámbricas que despliegan un access point son frecuentemente referidas como infrastructure wireless LAN. Las estaciones, a su vez, pueden concentrarse con otras estaciones formando una red descentralizada (ad hoc).
Channels and Association
Cuando un administrador de red instala un access point, deben configurarse dos parámetros. El Service Set Identifier (SSID), y el número de canales. Las redes de 2.4 GHz operan entre 2.4 GHz y 2.4835 GHz, definiendo 11 canales parcialmente superpuestos. Dos canales no se superponen si distan a 4 o más canales.
Una jungla Wi-Fi es una cualquier punto donde se reciben suficientemente fuertes, señales de dos o más access points. Cuando un dispositivo se encuentra en una jungla, para obtener acceso al internet, debe asociarse con exactamente uno de estos AP. Asociarse implica crear un cable virtual entre él y dicho AP.
Para que los dispositivos conozcan a un dado AP, este periódicamente envía beacon frames, que incluyen el SSID de la red y una dirección MAC. El dispositivo escanea los 11 canales para hallar las direcciones Wi-Fi cercanas. Este proceso se conoce como passive scanning. Un dispositivo también puede realizar active scanning, al enviar un probe frame que será recibido por todos los access points en el rango. Los access points responderán con un probe request frame.
Una vez seleccionado el AP al cual desea conectarse, enviara un association request frame a dicho AP. Este responderá con un association response frame. Este intercambio es necesario incluso tras un escaneo activo, debido a que los AP no saben con cuál AP deseara conectarse, luego del escaneo. Una vez recibida la confirmación, el dispositivo puede pedir una dirección IP utilizando el protocolo DHCP.
En algunas situaciones, un host necesitará autenticarse para crear una conexión. Existen diversas formas de realizarlo. Un enfoque podría ser utilizando la dirección MAC del dispositivo, otro enfoque, más utilizado, podría ser la utilización de usuarios y contraseñas. En general, esta autenticación se realiza a partir de un servidor de autenticación, con el protocolo RADIUS.
2. The 802.11 MAC Protocol
El protocolo de acceso al medio utilizado por Wi-Fi es el protocolo carrier sends multiple access with collision avoidance (CSMA/CA). Este difiere del protocolo de Ethernet CSMA/CD en algunos aspectos. En primer lugar, en lugar de collision detection, 802.11 utiliza collision avoidance. En segundo lugar, 802.11 utiliza una técnica de capa de enlace de acknowledges/retransmisiones (ARQ).
Hay dos razones principales por las cuales, 802.11 no implementa collision detection.
- La habilidad de detectar colisiones requiere de la habilidad de enviar y recibir al mismo tiempo. Esto es muy difícil para las redes inalámbricas debido a que la señal recibida es mucho menor de la señal emitida.
- Incluso si el adaptador pudiese enviar y recibir al mismo tiempo, el adaptador podría incluso no detectar colisiones debido a los problemas ya mencionados, hidden terminal problem y fading.
Una vez que una estación comienza a transmitir, lo transmite completo. Esto puede ocasionar que, en situaciones con muchas colisiones, se reduzca significativamente el rendimiento del protocolo. Luego, el protocolo buscara evitar a toda costa las colisiones.
Si un dispositivo quiere enviar un frame, entonces escuchara el canal. Si no hay nadie transmitiendo, lo transmite. Si hay alguien transmitiendo, elige un valor aleatorio de backoff utilizando binary exponential backoff y comienza la cuenta regresiva (contando únicamente cuando el canal está vacío luego del SIFS). Una vez que la cuenta finaliza, envía el frame.
Cuando una estación recibe un paquete completo, espera un pequeño periodo de tiempo llamado Short Inter-Frame Spacing (SIFS) y luego reenvía un ACK. Si el remitente no recibe el ACK en un periodo determinado, entonces entra en la siguiente etapa de exponential backoff y elige un valor aleatorio mayor para el intervalo.
Dealing with Hidden Terminals: RTS and CTS
El protocolo incluye un opcional esquema de reservación para evitar colisiones en presencia de hidden terminals. Para evitar este problema, el protocolo define la utilización de un pequeño frame de control Request to Send (RTS) y otro Clear to Send (CTS).
Cuando un dispositivo quiere enviar información, primero envía un frame RTS al AP indicando el tiempo total requerido para la transmisión (tanto de los datos como del ACK). Cuando el AP lo recibe, reenvía un frame CTS. Este le indica al dispositivo que puede enviar el paquete, y al resto de dispositivos que deben esperar un tiempo determinado.
Esto soluciona el problema de la terminal oculta, y limita las colisiones a los frames RTS y CTS, que son cortos. Por otro lado, introduce retrasos y consume recursos del canal. Debido a esto, solo es utilizado para el envío de paquetes largos. En muchas situaciones, incluso no es utilizado.
Using 802.11 as a Point-to-Point Link
Si dos nodos tienen antenas direccionales, pueden apuntar las antenas entre sí y utilizar para una comunicación barata, incluso a grandes distancias.
3. The IEEE 802.11 Frame
Aunque comparte muchas similitudes con el Ethernet frame, tiene campos específicos para el uso de enlaces inalámbricos.
Payload and CRC Fields
El payload de frame contiene el datagrama de IP o un paquete ARP. Típicamente, tiene una longitud menor a 1500 bytes. Al igual que el Ethernet frame, contiene un 32-bit cyclic redundancy check (CRC).
Address Fields
A diferencia de Ethernet, se tienen cuatro direcciones MAC. La primera dirección es la de la estación inalámbrica que recibe el frame. La segunda reacción es la de la estación que envía el frame.
La tercera dirección indica la dirección MAC del router al cual se le quiere enviar el paquete, una vez llegado a la estación. Recordemos que la BBS es parte de una subnet que se conecta con otras para subnets a través de routers. Los routers no conocen la estaciones base intermedias entre el host y ellos, ya que estas no utilizan IP.
La cuarta dirección se utiliza cuando el AP le envía frames a otros en un modo centralizado, pero no nos centraremos en esta infraestructura.
Sequence Number, Duration, and Frame Control Fields
Debido a la existencia de acknowledgments, los frames deben contener un número de secuencia para detectar aquellos paquetes repetidos.
El campo de duration se utiliza para indicar la duración de la transmisión que queremos solicitar, a través de los frames RTS y CTS.
Finalmente, tiene un número de campos de control, los más importantes son:
typeysubtypese utilizan para distinguir entre association, RTS, CST, ACK, y los data frames.toyfromse utilizan para definir el significado de los distintos campos de address.WEPse utiliza para indicar si se utilizó encriptación o no.
4. Mobility in the Same IP Subnet
Para incrementar el rango físico de una red inalámbrica, a veces se despliegan múltiples BBS a través de múltiples estaciones. Los dispositivos móviles muchas veces se mueven a través de múltiples BBS. ¿Cómo hacen para mantener una conexión TCP durante estos cambios de red?
Como las distintas BBS pertenecen a la misma subred, entonces el dispositivo puede mantener su dirección IP a través de las distintas estaciones.
A medida que un dispositivo se va alejando de una estación central, empieza a escanear otras estaciones a las que pueda conectarse. Una vez encuentra otra estación, se asocia con uno y se desasocia con la otra.
¿Qué ocurre cuando hay un switch conectado a ambas estaciones centrales? Como estudiamos, los switches son self-learning y automáticamente construyen sus tablas de envío. Una solución es que la nueva estación envíe un broadcast indicándole a la subred del cambio de dirección.
5. Advanced Features in 802.11
802.11 Rate Adaptation
Como vimos anteriormente, las diferentes técnicas de modulación pueden ser apropiadas para diferentes escenarios de SNR. Si se pierde un paquete, entonces se reduce la tasa de transmisión, pero si se envían correctamente diez paquetes seguidos, entonces esta se aumenta.
Esta técnica utiliza la misma tecnología de probing que utiliza el control de congestión de TCP.
Power Management
La energía es un recurso preciado en los dispositivos móviles, por lo que 802.11 provee formas para permitir que los nodos minimicen el tiempo utilizado en lectura y transmisión.
Un nodo le indica al AP que entrara en modo de dormido enviándole un 1 en un campo especial del header de 802.11. Luego, se configura un timer para despertar al nodo justo antes de que el AP le envía un beacon frame (unos 100 ms). El AP guardará los frames destinados a este dispositivo hasta que este se despierte, para enviarlos después.
Una vez se despierta el nodo, recibe del beacon frame una lista de nodos cuyos paquetes fueron guardados. Si el propio nodo no se encuentra en la lista, puede volver a dormir. Si se encuentra en la lista, entonces puede pedir explícitamente recibir estos paquetes enviando un polling message.
Esto permite que si el nodo no tiene nada para recibir o enviar, el 99% del tiempo, el nodo este dormido, ahorrando una increíble cantidad de energía.
6. Personal Area Networks: Bluetooth and Zigbee
Existen dos protocolos en la familia de estándares 802 comúnmente utilizados:
Bluetooth
Es una tecnología de bajo alcance, costo, y consumo de energía. Se utiliza comúnmente para conectar periféricos con una computadora. Estas redes, llamadas 802.15.1, a veces son conocidas como wireless personal area networks (WPAN).
Operan en el rango de los 2.4 GHz, con time slots de 625 ms. Durante cada uno de estos time slots, un remitente envía por uno de los 79 canales, siendo el canal elegido de forma pseudoaleatoria. Esta forma de cambio de canales se conoce como frequency-hopping spread spectrum (FHSS). Puede proveer tasas de hasta 4 Mbps.
Las redes 802.15.1 son ad hoc, sin una infraestructura necesaria para conectar los dispositivos. Primero son organizados en un piconet desde hasta 8 dispositivos activos. Uno de los dispositivos será el master, mientras que el resto serán slaves. Los masters pueden enviar en cada time slot impar, y los slaves solo pueden contestar al master cuando esté en el slot anterior se comunicó con ellos. Además de estos nodos activos, puede haber hasta 255 dispositivos estacionados que no pueden comunicarse hasta que se les cambie el estado a activo por el master node.
Zigbee
Una segunda red personal, estandarizado por el IEEE, es el estándar 802.15.4, conocido como Zigbee. Mientras que Bluetooth provee un reemplazo del cable a una tasa de megabits, el enfoque de esta red es el de una red incluso de menor costo y poder. No todos los dispositivos necesitan altas tasas de transferencia, por lo que este estándar es utilizado en dispositivos pequeños y sin necesidad de altas tasas de transferencia.
Existen dos tipos de nodos en una red de Zigbee. Los reduced-function devices operan como slaves ante el control de un único full-function device. Estos funcionan de forma similar a Bluetooth. Además, los full-function device de distintas redes pueden conectarse para formar una red completa donde full-function devices se envían frames entre sí.
Este protocolo utiliza acknowledgements similares a los de 802.11, y protocolos de CSMA con binary exponential backoff. Además, permite la reserva de timeslots fijos y garantizados, similar a DOCSIS.
Estas redes dividen al tiempo en timeslots activos e inactivos. Durante los timeslots inactivos, todos los dispositivos duermen, para ahorrar energía. Durante los timeslots activos, se puede enviar información a través de CSMA. Algunos de los timesltos serán reservados por el controlador para algunos dispositivos seleccionados.