La tecnología MIMO permite tener diversidad de caminos, ya que hay varias
antenas en el emisor y en el receptor, como se esquematiza en la siguiente figura,
lo que permitirá mejorar
notoriamente las
velocidades de
transmisión
y
el alcance
de estas redes.
3.5.3.2 Capa MAC de 802.11
El
mecanismo
de
control
de
acceso
al
medio
está
basado
en
un
sistema
denominado CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collition Avoidance).
Los protocolos CSMA son los mismos
utilizados en Ethernet cableado
(Ver 3.1.2).
Sin embargo, en Ethernet cableado, se utilizaba el mecanismo de control de
acceso CSMA/CD (CSMA con detección de colisiones). En
las redes inalámbricas
es muy
dificultoso utilizar mecanismos de detección de colisiones, ya que
requeriría la implementación de equipos de radio “full-duplex” (los que serían muy
costosos)
y
adicionalmente,
en
las
redes
inalámbricas
no
es
posible
asumir
que
todas las estaciones puedan efectivamente escuchar a todas las otras (lo que está
básicamente asumido en los mecanismos del tipo “detección de colisiones”).
En las redes inalámbricas, el hecho de “escuchar” el medio y verlo “libre” no
asegura que
realmente lo esté en puntos cercanos. Es por ello que el mecanismo
utilizado en las WLAN se basa en evitar las colisiones, y no en detectarlas.
Esto se logra de la siguiente manera:
1.
Si una
máquina desea transmitir, antes de hacerlo “escucha” el medio. Si lo
encuentra
ocupado,
lo
intenta
más
tarde.
Si
lo
encuentra
libre
durante
un
tiempo (denominado
IFS = Distributed
Inter Frame Space), la máquina
puede comenzar a transmitir.
2.
La máquina destino recibe la trama, realiza el chequeo de CRC y envía una
trama de reconocimiento (ACK)
3.
La recepción de la trama ACK indica a la máquina original que
no existieron
colisiones. Si no se recibe el ACK, se retransmite la trama hasta que se
reciba el ACK, o se supere el máximo número de retransmisiones.
Para
poder
implementar
un
sistema
de
prioridades
en
la
transmisión,
se
definen
tres
tiempos
de
espera
diferentes
(IFS),
cada
uno
con
una
duración
preestablecida:
DIFS: Distributed-coordinated-function (DCF)
Inter Frame Space. Se
utiliza
cuando se desea enviar datos largos y de baja prioridad.
SIFS: Short Inter Frame Space: Se utiliza cuando se desea enviar datos
cortos y de alta prioridad (por ejemplo, paquetes ACK)
PIFS: Point-Coordination-Function (PCF)
Inter Frame Space: Se utiliza solo
cuando el AP coordina las transmisiones. Tiene una duración intermedia
entre DIFS y SIFS.
A
los efectos de
reducir
la probabilidad de que dos máquinas
transmitan al mismo
tiempo debido a que
no se escuchan entre sí, la
recomendación define
un
mecanismo de “detección virtual de portadora” (Virtual Carrier Sense), que
funciona de la siguiente forma:
Una
máquina
que
desea
transmitir
una
trama,
envía
primero
una
pequeña
trama
de
control
llamada
“RTS” (Request
To Send,
o
“Solicitud para poder Enviar”),
que
incluye
la dirección de origen
y destino,
y la duración de
la siguiente
trama
(incluyendo
la
trama
a
enviar
y
su
correspondiente
respuesta
ACK).
La
máquina
de destino responde (si el medio está libre) con una trama de control llamada
“CTS” (Clear
To Send, o “Todo está libre para que envíes”),
que incluye la misma
información de duración.
Todas
las
máquinas reciben
el RTS
y/o
el CTS,
y por
lo
tanto,
reciben
la
información de por cuanto tiempo estará ocupado el medio. De esta manera,
tienen
un “indicador
virtual” de ocupación del
medio, que les informa cuánto
tiempo deben esperar para poder intentar transmitir.
Este
mecanismo
reduce
la
probabilidad
de
colisiones
en
el
área
del
receptor.
Si
existen máquinas que están
fuera del alcance del emisor, pero dentro del alcance
del receptor, recibirán
la trama CTS (enviada por el receptor)
y
aunque
no puedan
escuchar la trama del emisor, no ocuparán el medio mientras ésta dure.
Las
tramas
IEEE
802.11
difieren
de
las
tramas
IEEE
802.3
que
se
detallaron
en
3.1.3. A diferencia de las sencillas tramas 802.3, una red inalámbrica necesita
intercambiar entre sus nodos información de control, implementar procesos de
registración, administración de movilidad y de energía, y mecanismos de
seguridad. Por ello, fue
necesario agregar campos adicionales a las
tramas MAC
de IEEE 802.11, así como definir, además de tramas de datos, tramas de control y
administración.
Como se
vio anteriormente,
la capa
física (PHY) incluye el preámbulo, SFD (Start
of frame) y el largo de la trama. La trama generada en la capa MAC en IEEE
802.11 se detalla a continuación:
Frame
control
Dur/ID
Dirección
1
Dirección
2
Dirección
3
Control
de
secuenc
ia
Dirección
4
Dato
s
/
Relle
no
CR
C
2
1
6
6
6
2
6
0-2312
4
El primer campo, Frame Control, indica el tipo de trama (codificado con 2 bits,
permite
diferencia
entre
tramas
de
datos,
tramas
de
control
o
tramas
administrativas),
y
el
subtipo
(codificado
con
4
bits,
permite
hasta
16
subtipos
de
trama para cada
tipo).
Indica también si los datos se encuentran o
no encriptados.
Dentro de éste campo se
reservan 2 bits para el tipo de
trama (permitiendo
hasta
4
tipos diferentes. El campo
Duración /
ID se
utiliza
para
identificar el
largo
de los
datos
fragmentados
que
siguen.
A
diferencia
de
la
trama
IEEE
802.3,
esta
trama
tiene 4 campos de direcciones, correspondientes al origen, al destino, y a las
direcciones de los AP a los que fuente y destino están conectados. El campo
Control de secuencia es
utilizado para numerar los datos fragmentados. Los datos
puede tener
un largo máximo de
2.312
bytes
(superior
a los
1.500
bytes
soportados por 802.3). Finalmente, se utilizan 4 bytes para control de errores,
CRC.
Como
se
mencionó
anteriormente,
la
subcapa
MAC
cotiene,
adicionalmente,
una
subcapa
de
gerenciamiento
(MAC
Management).
Esta
subcapa
se
encarga
de
la
administración del establecimiento de las comunicaciones entre las estaciones
y el
AP.
Esta
subcapa
implementa
los
mecanismos
necesarios
para
soportar
la
movilidad.
Uno de las tareas de
la subcapa de gerenciamiento es el proceso de
registración,
el que se lleva a cabo mediante el intercambio de tramas del tipo “Association
Request”, enviadas
por el terminal
al AP y
“Association response”, enviadas
del
AP al terminal. Adicioamente,
Adicionalmente, el AP envía en forma cuasi-periódica, cada aproximadamente 100
ms,
tramas administrativas del subtipo
“beacon” (“baliza”).
Estas tramas permiten
la sincronización y el control de la potencia recibida por parte de los terminales.
Otra de las tareas de la subcapa de gerenciamiento es la controlar
los “handoffs”,
es decir, la movilidad de un terminal desde un AP a otro. Cuando la potencia de la
señal recibida en la tramas “beacon” disminuye por debajo de un determinada
umbral, el
terminal
puede
comenzar
un
proceso
de
reasociación,
hacia
otro
AP
cuya potencia de señal sea mayor. Para este proceso se intercambian tramas
administrativas del tipo
“Reassociatio
Request”
y
“Reassociation
Response) entre
el terminal y el nuevo AP.
3.5.4 Alcance de IEEE 802.11
El alcance de las
redes WLAN depende de diversos
factores, como ser, velocidad
de transmisión,
modulación
utilizada,
tipo de ambiente de
trabajo (abiertos o
cerrados), tipo y materiales de las construcciones cercanas, interferencias
externas, etc.
Algunas
reglas
generales
pueden
tenerse
en
cuenta:
Existe
una
relación
entre
la
longitud de onda
y
el alcance. Señales con mayores
longitudes de onda (menores
frecuencias) llegarán más lejos que señales con menores longitudes de onda
(mayores frecuencias). Adicionalmente, las mayores longitudes de onda tienen
mejor propagación a
través de sólidos (como paredes, por ejemplo). Otra relación
genérica es que, a medida que la
velocidad aumenta, el alcance disminuye.
Finalmente,
la
modulación
utilizada
tiene
su
efecto
en
el
alcance.
OFDM
es
una
técnica
más
eficiente
que
DSSS,
permitiendo,
a
iguales
distancias
mayores
velocidades de información, o a iguales velocidades, mayor alcance.
La siguiente tabla ilustra
una aproximación de
los alcances en
las diversas
tecnologías y velocidades [21]
Data Rate (Mbps)
802.11a (40 mW with 6
dBi gain diversity patch
antenna) Range
802.11g (30 mW with 2.2
dBi gain diversity dipole
antenna)
802.11b (100 mW with
2.2 dBi gain diversity
dipole antenna)
54
13 m
27 m
-
48
15 m
29 m
-
36
19 m
30 m
-
24
26 m
42 m
-
18
33 m
54 m
-
12
39 m
64 m
-
11
-
48 m
48 m
9
45 m
76 m
-
6
50 m
91 m
-
5.5
-
67 m
67 m
2
-
82 m
82 m
1
-
124 m
124 m
Puede verse como 802.11a tiene, en similares condiciones, menor alcance que
802.11g (para
las mismas
velocidades). Asimismo puede
verse como
las
técnicas
OFDM utilizadas en 802.11g permiten tener mayor alcance que las DSSS (por
ejemplo,
notar
que
hay
mayor
alcance
en
802.11g
a
18
Mb/s
(OFDM) que
a
11
Mb/s (DSSS, por compatibilidad con 802.11b)
Los métodos habituales para lograr mayores alcances consisten en:
Repetidores: Son equipos que “escuchan” las señalas de los AP y los
retransmiten, logrando servir a áreas a los que el AP no llegaría
Amplificadores: Son equipos que aumentan la potencia de salida, y se
conectan entre la salida de RF y la antena [22].
Antenas direccionales: Concentran la potencia radiada, aumentando el
alcance en una zona, y disminuyéndola en otras.
3.5.5 Seguridad en redes inalámbricas
Los aspectos de seguridad son especialmente importantes en
redes inalámbricas.
En la recomendación IEEE 802.11 original, era recomendado el uso del
mecanismo
de
seguridad
conocido
como
“WEP”
(Wired
Equivalent
Privacy).
Este
mecanismo fue diseñado de manera de ofrecer una seguridad equivalente a la que
existe en las redes cableadas.
WEP
es un
algoritmo
que encripta las tramas 802.11
antes de ser transmitidas,
utilizando el algoritmo de cifrado de flujo RC4. Los receptores desencriptan las
tramas al recibirlas, utilizando el mismo algoritmo. Como parte del proceso de
encriptación, WEP requiere de
una clave compartida entre
todas las máquinas de
la WLAN,
la que es concatenada con
una “vector de inicialización” que se genera
en
forma aleatoria con el envío de
cada trama. WEP
utiliza claves de 64 bits para
encriptar y desencriptar.
Este mecanismo ha resultado poco seguro, y la Wi-Fi propuso en 2003, como
mejora,
el
algoritmo
conocido
como
WPA
(Wi-Fi
Protected
Access).
WPA
estuvo
basado en los borradores de la (en ese entonces) futura recomendación IEEE
802.11i
y
fue
diseñado
para
utilizar
un
servidor de
autenticación
(normalmente
un
servidor RADIUS), que distribuye claves diferentes a cada usuario (utilizando el
protocolo 802.1x
[23]). Sin embargo, también se puede
utilizar en
un modo menos
seguro de clave pre-compartida (PSK - Pre-Shared Key). Al igual que WEP, la
información es cifrada utilizando el algoritmo
RC4, pero con
una clave de 128 bits
y
un
vector de inicialización de 48 bits.
Una de
las mejoras de WPA
sobre WEP,
es la implementación del Protocolo de Integridad de Clave Temporal (TKIP -
Temporal
Key
Integrity Protocol),
que
cambia las
claves
dinámicamente
a
medida
que el sistema es utilizado. Esto junto con el uso de un
vector de inicialización más
grande,
mejora
sustancialmente
la
seguridad
de
WPA
frente
a
WEP.
La Wi-Fi
ha
denominado WPA-Personal cuando se utiliza una calve pre-compartida y WPA-
Enterprise cuando se utiliza un servidor de autenticación.
En 2004 la IEEE completó la recomendación IEEE 802.11i [24], la que provee
mejoras
en
los
mecanismos
de
seguridad
originalmente
propuestos
en
WEP.
En
este nuevo estándar, se proveen tres posibles algoritmos criptográficos: WEP,
TKIP y
CCMP (Counter-Mode /
Cipher
Block Chaining
/
Message
Authentication
Code
Protocol).
WEP
y
TKIP
se
basan
en
el
algoritmo
de
cifrado
RC4,
mientras
que
CCMP
se
basa
en
el
algoritmo
AES
(Advan©ed
Encryption
Standard),
desarrollado
originalmente
por
el
NIS.
AES
es
un
algoritmo
de
cifrado
de
bloque
con claves de 128 bits (mientras que RC4 es un algoritmo de cifrado de flujo).
La Wi-Fi adoptó la recomendación 802.11i con el
nombre WPA2. Está basado en
el
mecanismo
RSN
(Robust
Security
Network),
y
mantiene
todos
los
mecanismos
previamente introducidos en WPA.
En marzo de 2006, la Wi-Fi impuso como
obligatorio cumplir con WPA2 para obtener el certificado de compatibilidad.
4
Redes PAN
Las redes
“PAN”, o
“Personal Area Network” están diseñadas para el intercambio
de datos entre dispositivos cercanos (Laptops, teléfonos celulares, PCs, PDA,
etc.). Se trata de redes inalámbricas de corto alcance,
y
velocidad media (algunos
Mb/s), aunque estándares de alta velocidad (más de 50 Mb/s) están siendo
desarrollados.
Estas
redes
son
generalmente
del
tipo
“Ad-Hoc”,
ya
que
no
existe
infraestructura
previa para que la red pueda
formarse. Se denominan en
forma genérica
MANET
(Mobile Ad-hoc Networks) y consisten en
una colección de terminales inalámbricos
que
dinámicamente
pueden
conectarse
entre
sí,
en
cualquier
lugar
e
instante
de
tiempo, sin necesidad de utilizar infraestructuras de red preexistente. Los
terminales pueden ser disímiles en sus características y prestaciones (Laptops,
PDAs,
Pocket
PCs,
teléfonos
celulares,
sensores
inalámbricos,
etc.) Se
trata
de
un sistema autónomo, auto organizado y adaptativo, en el que los equipos móviles
pueden moverse libremente y actuar simultáneamente como terminales y
enrutadores (o routers).
Dado
que
no
todos
los
terminales
son
capaces
de
tener
alcance
directo
a
todos
los otros, sus nodos deben cooperar, en la medida de sus posibilidades, re-
enrutando paquetes
(recodar
que no hay
elementos
“centrales”).
Asimismo,
deberán intercambiar información acerca de la topología de la red y sus
dispositivos, generando dinámicamente tablas de ruteo.
Varios aspectos deben ser resueltos para que este tipo de redes funcionen, entre
los que se destacan [25]:
Uso y licenciamiento del espectro utilizado
Las bandas del espectro están reguladas en cada país. Hay bandas de
uso
“libre”
(como
la
ISM),
pero
dicha
banda
está
comenzando
a
ser
“superpoblada”
(Redes WLAN,
microondas,
teléfonos
inalámbricos,
etc.
está utilizando esta banda). Por otro lado, de elegir alguna banda
licenciada,
no
está
claro
quien
debería
obtener
los
derechos
de
la
misma
para utilizara en redes MANET.
Mecanismos de acceso al medio
Dado que no hay puntos centrales, los protocolos de acceso al medio
deben ser especialmente diseñados,
y
estar adaptados a la gran
movilidad
de éste tipo de redes
Protocolos de ruteo
La gran movilidad de estas
redes
hacen que
los enlaces se creen
y
desaparezcan rápidamente. Por esta razón
los protocolos clásicos de ruteo,
utilizados en redes fijas o con baja movilidad, no son directamente
aplicables a este tipo
de redes. Nuevos protocolos de ruteo están siendo
estudiados para este tipo de redes.
Multicasting
Al igual que con el ruteo, la movilidad en los nodos enrutadores no está
prevista en los protocolos clásicos de Multicast.
Nuevas
técnicas, que
minimicen
en
ancho
de
banda
y
la
difusión
de
paquetes
deben
ser
diseñadas para estas redes.
Uso eficiente de la energía
La mayoría de los protocolos de red no consideran los factores referentes al
consumo de energía, ya que asume equipos fijos, conectados a fuentes
externas. Sin embargo, las
redes MANET están pensadas para dispositivos
pequeños y móviles, operados con baterías. Las técnicas existentes de
baterías aún están poco avanzadas, comparado con la microelectrónica.
Esto
hace
que
la
vida
útil
de
las
baterías
de
los
equipos
móviles
sea
muy
limitada,
y
por
lo
tanto,
la
preservación
de
la
energía
es
un
factor
clave
en
las redes MANET, especialmente si se piensa que parte de esa energía
deberá ser usada para enrutar paquetes de terceros.
Performance del protocolo TCP
El protocolo TCP esta designado para establecer conexiones “confiables”
sobre redes no orientadas a
la conexión
(como es el caso de
Internet o
IP).
TCP
asume
que
los
nodos
en
las
rutas
son
estáticos
(es
decir,
no
tienen
movilidad), y
por lo tanto,
miden
el RTT (Round-trip time) y
la pérdida de
paquetes para detectar congestiones en
la red. Sin embargo, TCP no puede
distinguir
si
un
nodo
intermedio
está
congestionado,
o
se
ha
movido.
Será
necesario introducir mejoras a este protocolo, para que pueda funcionar
correctamente en redes MANET.
Seguridad y privacidad
Los
aspectos
de
seguridad
siempre
deben
ser
tenidos
en
cuenta,
en
especial en redes inalámbricas. Dado que este
tipo de redes no tiene
controladores centrales, las funciones de seguridad y privacidad deberán
estar omnipresentes en todos los nodos, estableciendo reglas acerca de
que paquetes pueden o
no ser enrutados, por ejemplo, basado en
la
autenticidad del emisor.
Las redes MANET tienen
utilidad en aquellos entornos donde
la infraestructura de
comunicaciones es escasa, no existe, resulta costosa o es impracticable. Sus
aplicaciones
varían
desde
la
domótica
hasta
el
campo
de
batalla.
Quizás
el
uso
más directo es el relacionado con la comunicación en pequeñas distancias de
dispositivos heterogéneos, eliminando la necesidad de cables de interconexión.
Ejemplos de
redes PAN son Bloutooth
y
IEEE 802.15, que se presentarán
brevemente a continuación.
4.1
Bluetooth
4.1.1 Origen e historia
El nombre Bluetooth tiene sus orígenes en Harald Blåtand (en Inglés Harald I
Bluetooth),
quien fue
Rey de
Dinamarca,
entre
los
años 940
y
el
985.
El
nombre
“Blåtand” fue probablemente tomado de dos viejas palabras danesas: 'blå', que
significa “piel oscura” y 'tan' que significa “gran hombre”. Como buen Vikingo,
Harald
consideraba
honorable
pelear
por
tesoros
en
tierras
extranjeras.
En
1960
llegó a la cima de su poder, gobernando sobre Dinamarca y Noruega.
Harald
fue
bautizado
por
un
sacerdote
enviado
por
el
emperador
de
Alemania,
y
fue quien introdujo el Cristianismo en su reino. Como recordatorio perpetuo de su
reinado, erigió un monumento con
lo siguiente inscripción: “El Rey Ha®ald leventa
este monumento en memoria de Grom, su padre y Thyre, su madre. Harald
conquistó Dinamarca
y Noruega y convirtó
a los daneses al cristianismo”. Estas
palabras fueron talladas en
runa¹, sobre una
Gran Piedra que
mide 2,43 metros
y
pesa 10 toneladas. Tiene tres caras. Una de ellas contiene las runas con el
mensaje anteriormente citado. En la otra aparece la que está considerada la
imagen
nórdica más antigua de Cristo, prueba de que el Cristianismo
había
penetrado
en
Dinamarca.
Curiosamente,
la
tercera
cara
de
la
Gran
Piedra
representa
un gran animal y una serpiente, símbolos paganos legado de las
creencias tradicionales danesas.
Harald
fue
asesinado
en
985.
Durante
su
reinado,
completó
la
unificación
de
su
reino, comenzada por su padre, convirtió a los daneses al cristianismo
y
conquistó
Noruega. Su
hijo, Sweyn
I, culminó
la expansión, conquistando también
Inglaterra
en 1013.
Así como el antiguo
Harlad
unificó Dinamarca
y Noruega, los creadores de
Bluetooth esperan que ésta tecnología unifique los mundos de los dispositivos
informáticos y de telecomunicaciones. Es así que en 1998 las compañías
Ericsson, Nokia, IBM, Toshiba e Intel formaron un “Grupo de Interés Especial”
(SIG = Special Interest Group) para desarrollar una tecnología de conectividad
inalámbrica
entre
dispositivos
móviles
de
uso
personal,
que
utilizara
la
banda
no
licenciada de frecuencias (ISM). Actualmente, más de 2.500 compañías se han
afiliado al grupo Bluetooth.
La siguiente figura ilustra la runa original de
Harald [26]
y
el símbolo de Bluetooth
[27]
1
Los caracteres que se empleaban en la escritura de los antiguos escandinavos se denominan
“Runa”
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Mister Wong