ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL

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1 ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL ESCUELA DE INGENIERÍA DISEÑO DE UNA RED COMUNITARIA PARA LA ZONA GEOGRÁFICA DE LAS UNIVERSIDADES EPN, PUCE Y SALESIANA. PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES CARLOS IVAN ECHEVERRÍA RUIZ CECILIA MARICELA VALLEJO PEÑAFIEL DIRECTOR: MSc. MARÍA SOLEDAD JIMÉNEZ Quito, Marzo 2004 DECLARACIÓN Nosotros CARLOS IVÁN ECHEVERRÍA RUIZ Y CECILIA MARICELA VALLEJO

2 DECLARACIÓN Nosotros CARLOS IVÁN ECHEVERRÍA RUIZ Y CECILIA MARICELA VALLEJO PEÑAFIEL, declaramos bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de nuestra total autoría, que no ha sido anteriormente presentado para ningún grado o calificación profesional; y que hemos consultado de las referencias bibliográficas que en el documento se exponen. A través de la presente declaración cedemos nuestros derechos de propiedad intelectual correspondiente a este trabajo a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente. CARLOS IVÁN ECHEVERRÍA RUIZ CECILIA MARICELA VALLEJO PEÑAFIEL

3 CERTIFICACIÓN Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Carlos Iván Echeverría Ruiz y Cecilia Maricela Vallejo Peñafiel bajo mi supervisión. JIMÉNEZ DIRECTORA DEL PROYECTO

4 IV PRESENTACIÓN En la actualidad, el desarrollo de las redes inalámbricas ha experimentado un gran crecimiento, debido principalmente a la disminución de los precios de los equipos de red basados en la familia de estándares IEEE , a la fácil integración de éstos con las redes cableadas existentes y a que las bandas de frecuencia en las que trabajan tales dispositivos no están sujetas al pago de gravámenes en muchas regiones del mundo. Esto ha provocado que grupos de personas se unan con el fin de crear redes y compartir información, proporcionando el libre acceso a diversos servicios de red incluyendo el Internet. Estas agrupaciones de usuarios crean las llamadas Freenets o Redes Comunitarias cuya filosofía es proporcionar libre acceso a la información. Muchas de estas Freenets utilizan equipos de bajo costo y en algunos casos emplean antenas de construcción casera y computadores de medio uso corriendo sistemas operativos y programas de código abierto, con el fin de formar una red que proporciona cobertura inalámbrica a sectores completos de diversas ciudades.

5 RESUMEN En este proyecto de titulación en su primer capítulo se desarrolló conceptos básicos de las redes de datos tanto alámbricas como inalámbricas, topologías de red, medios y técnicas de transmisión y modelos de referencia. Posteriormente se realiza un análisis de las tecnologías de red LAN inalámbricas, poniendo especial énfasis en las basadas en la familia de estándares IEEE , cuyo principal exponente es el IEEE b más conocido por su nombre comercial WiFi, el mismo que alcanza velocidades de hasta 11 Mbps y utiliza el algoritmo de encriptación WEP, el cuál ha mostrado ser vulnerable y relativamente fácil de descifrar. Recientemente han aparecido otros estándares también tratados en este proyecto, que tienen mayores velocidades de transmisión y mecanismos de seguridad más efectivos, tales como el IEEE a (WiFi5) y el IEEE g que ofrecen compatibilidad hacia atrás con dispositivos WiFi. Además se presenta un estudio de las tecnologías alternativas que compiten por el mercado que ocupan con liderazgo las de redes inalámbricas basadas en el estándar IEEE Adicionalmente se realiza un análisis de algunas Freenets existentes, incluyendo sus objetivos, filosofía, formas de financiamiento, topología, equipos utilizados, etc; así también se estudian las principales tecnologías de última milla utilizadas para proveer el servicio de Internet de banda ancha. Finalmente se realiza el diseño de una red inalámbrica que proporcione cobertura a las principales áreas de concentración de personas en las universidades EPN, PUCE y Salesiana, el método de predicción de cobertura utilizado es el de Okumura-Hata, cuyos resultados se compararon con datos

6 VI experimentales obtenidos mediante pruebas descritas en el capítulo 4, con lo que se pudo realizar una corrección de los datos obtenidos a partir del modelo teórico. Se analiza también una forma económica de fabricar una antena, así como de suministrar energía eléctrica a dispositivos de red utilizando el cableado UTP. La tecnología escogida es la basada en el estándar IEEE b, que proporciona la mejor relación prestaciones - precio y ofrece gran flexibilidad y adaptabilidad a la redes existentes.

7 Vil CONTENIDO CAPITULO 1. Fundamentos de redes de datos y redes inalámbricas Fundamentos de redes de datos Conceptos básicos Definiciones Clasificación de las redes de datos Por la forma de transmisión Por el área de cobertura Componentes de una Red Redes de área local Topologías Bus Árbol Estrella Anillo Medios de transmisión Medios de Transmisión Guiados Medios de Transmisión no Guiados Técnicas de transmisión Banda Base Banda Ancha Tecnologías de LAN Dispositivos de LAN NIC Repetidores HUB Puente Switch Router Arquitectura de red y Modelo de Referencia OSI Modelo de referencia OSI Capa Física 20

8 VIII Capa de Enlace de Datos Capa de Red Capa Transporte Capa de Sesión Capa de Presentación Capa de Aplicación Redes Inalámbricas Introducción Clasificación de las tecnologías inalámbricas Principales Técnicas de modulación en redes inalámbricas QAM PSK (Phase Shift Keying) Spread Spectrum Direct Secuence Spread Spectrum (DSSS) Frequency Hopping Spread Specfrum (FHSS) Frequency División Multiplexing (FDM) Arquitectura de Red Puntea Punto Punto a Multipunto Modos de operación de una red inalámbrica ModoAd-Hoc Modo de Infraestructura Principales aplicaciones de redes inalámbricas 29 CAPÍTULO 2. Recomendación IEEE y tecnologías existentes en LAN inalámbricas Recomendación IEEE Introducción Modelo de Referencia y Arquitectura SubcapaMAC Servicios Formato de trama MAC Descripción funcional de la subcapa MAC 39

9 IX Capa física FHSS para la banda ISM de 2.4 GHz DSSS para la banda ISM de 2.4 GHz Infrarrojos Recomendación IEEE b Capa Física SubcapaPLCP Subcapa PMD Recomendación IEEE a SubcapaPLCP Subcapa PMD Recomendación IEEE g Otros Estándares IEEE d e f h i Seguridad de IEEE Algoritmo WEP ( Wired Equivalent Prívacy) Vulnerabilidades del algoritmo WEP Autenticación Autenticación abierta Autenticación cerrada Listas de control de acceso (ACLs) Tecnologías Alternativas HomeRF Capa Física Capa MAC Topología de Home RF Aplicaciones de Home RF Comparación con Bluetooth 77

10 Esquemas de topología, modulación y acceso al medio Pila de protocolos Bluetooth Aplicaciones de Bluetooth Comparación con HiperLAN Características de Hiperl_AN Topología de Red de Hiperl_AN Arquitectura en capas para Hiperl_AN Capa Física Capa de Convergencia CapadeDLC 85 CAPÍTULO 3: Freenets y tecnologías de acceso de última milla Las redes ciudadanas Freenets Definición Orígenes de las Freenets Estructurada una Freenetinalámbrica Administración y financiamiento de una Freenet Portal Cautivo Ejemplos de Freenets Existentes Calgary Community Network Association (CCNA) Alcalá Wireless Seattle Wireless Tecnología utilizada en Seattle Wireless Forma de conectarse a Seattle Wireless Roaming en Seattle Wireless Mendoza Wireless Administración y Políticas de Acceso de la Freenet Mendoza Wireless Madrid Wireless Estructura de la red Software de la red Madrid Wireless 108

11 XI 3.3 Tecnologías de acceso de última milla DSL (Digital Subscríber Une) ISDN (Integrated Services Data Network) Cable Módem Estructura del Sistema de Cable Módem Vulnerabilidades del Cable Módem LMDS (Local Multipoint Distríbution System) Estructura y funcionamiento de LMDS Ventajas de LMDS Desventajas de LMDS Aplicaciones de LMDS 117 CAPITULO 4: Diseño de la red inalámbrica Introducción Consideraciones Antecedentes Análisis de requerimientos Equipos Puntos de acceso Inalámbricos Cisco va/ronem DLINK DWL-900AP LinksysWAP Elección de equipos Justificación de elección del equipo Configuración y Operación del WAP Antenas Antena del punto de acceso Antena del cliente inalámbrico Antena de construcción casera Ejemplo de antena externa comercial para cliente inalámbrico Inyector de Potencia Pigtail Protección del punto de acceso 147

12 XII 4.6 Consideraciones para el diseño de la red inalámbrica Descripción de las celdas y ubicación de los puntos de acceso Cálculo de nivel de pérdidas y área de cobertura Pruebas realizadas El Backbone de las Universidades Interconexión e integración de la red inalámbrica con las redes cableadas existentes Distribución de Canales de la red Inalámbrica Estimación del número de usuarios de la Freenet Seguridad de la Freenet Aplicación del Método del Portal Cautivo en el diseño de la red Servicios de la Red Inalámbrica Presupuesto referencial estimado de la Red y Financiamiento 195 CAPÍTULO 5: Conclusiones y Recomendaciones Conclusiones Recomendaciones 203 BIBLIOGRAFÍA 205 ANEXO "A" Norma para la implementación y operación de sistemas de espectro ensanchado 208 ANEXO "B" MANUAL LINKSYS WAP ANEXO "C" MANUAL DLINK ANT ANEXO "D" MANUAL DLINK DWL ANEXO "E" Encuesta realiza a los estudiantes de las Universidades EPN, PUCE y SALESIANA 252

13 CAPITULO 1. FUNDAMENTOS DE REDES DE DATOS Y REDES INALÁMBRICAS 1.1 FUNDAMENTOS DE REDES DE DATOS m CONCEPTOS BÁSICOS Definiciones Se define un dato como cualquier entidad capaz de transportar información, existen dos clases de datos, los analógicos que toman valores en un intervalo continuo y los datos digitales que toman valores discretos. Una señal es una representación de un dato ya sea en forma eléctrica, electromagnética u óptica. La transmisión de datos es la comunicación o el envío de datos ya sean estos analógicos o digitales, por medio de la variación de alguna propiedad física del medio de transmisión. Una Red de computadoras es el conjunto de equipos autónomos interconectados con el fin de intercambiar información y recursos, su objetivo fundamental es hacer que los datos, recursos y programas de la red estén disponibles para cualquier usuario sin importar su ubicación física. En una red de computadoras el usuario es el que se encarga de invocar los servicios y funciones. Un sistema distribuido es un conjunto de software que funciona sobre la plataforma de una red de computadoras ya existente. La diferencia entre un sistema distribuido y una red de computadoras está en la transparencia con respecto al usuario; mientras que en un sistema distribuido los procesos se realizan en forma automática y sin conocimiento del usuario, en la red de computadoras el usuario debe ejecutar los procesos de manera explícita y realizar manualmente el manejo de la red.

14 Clasificación de las redes de datos Las redes de datos se clasifican de variadas formas, entre las que se tiene: / Por la forma de transmisión Broadcast o Redes de difusión: son redes que utilizan un medio compartido, en las que cualquier mensaje emitido por una de las máquinas es escuchado por todas las demás, pero solamente recibido por la máquina destinataria que concuerda con la dirección destino del paquete1 enviado. FIG 1.1 Esquema de Broadcast Punto a Punto: Consiste en pares de máquinas conectadas directamente, a menudo cuando un mensaje necesita viajar de un punto a otro de la red, éste debe atravesar por diferentes máquinas intermedias. FIG 1.2 Esquema de Punto a Punto 1 Paquete: Es el nombre que recibe el encapsulamiento realizado por la capa de Red del Modelo de Referencia OSI.

15 1.1.L2.2 Por el área de cobertura LAN (Local Área Network): Son redes de área local de uso privado ubicadas dentro de un mismo edificio o campus, diseñadas para conectar estaciones de trabajo y proporcionar servicios y compartir recursos. Una red LAN está restringida en tamaño y se conoce el tiempo de transmisión en las condiciones más desfavorables. MAN (Metropolitan Área Network): Son redes de área metropolitana de uso público o privado, pueden abarcar una ciudad. Una MAN maneja voz, datos e incluso video; está formada por uno o dos cables y no contiene elementos de conmutación, el estándar que se ha implementado en las MAN es DQDB (Distríbuted Queue Dual Bus), Bus Dual de cola Distribuida. WAN ( Wide Área Network): Son redes de área extensa que pueden abarcar un país o un continente. Los hosts pertenecientes a una red WAN usualmente están conectados por una subred de comunicaciones o simplemente subred, que está formada por dos componentes que son las líneas de transmisión y los elementos de conmutación Componentes de una Red Básicamente una red se encuentra formada por los siguientes componentes: Servidor: Es la máquina encargada de administrar los recursos de una red y de controlar el flujo de información. Existen servidores dedicados, es decir, que realizan tareas específicas como son impresión, comunicaciones, almacenamiento entre otros. Usualmente un servidor requiere grandes capacidades de procesamiento, memoria, almacenamiento y transferencia de información; pero debido al gran crecimiento tecnológico que se ha experimentado, casi cualquier computadora actual cumple con los requerimientos necesarios para actuar como un servidor.

16 Estación de trabajo : Es un computador conectado al servidor y a las otras estaciones de trabajo, una estación de trabajo ejecuta su propio sistema operativo y cuando está en funcionamiento se agrega a un entorno de red. Sistema Operativo de Red : Es un software cuyo objetivo es administrar y gestionar la red, tiene la característica de ser un sistema multiusuario. Entre los principales sistemas operativos se tiene Windows, Unix y Novell. Recursos a compartir: Son los diferentes dispositivos de hardware que tienen un alto costo por lo que existen en número limitado en un ambiente de red, entre estos se tiene impresoras, ploters, y otros. Hardware de red : Son todos aquellos dispositivos que se utilizan para conectar los diferentes componentes de la red, el hardware de red comprende la tarjeta de red, el cableado de la red y los cables para conectar los periféricos. Controladores : Son programas específicos para controlar cada dispositivo instalado en una estación de trabajo, el controlador o dríver se comunica con el dispositivo enviando la información REDES DE ÁREA LOCAL Una red LAN es esencialmente un medio de transmisión compartido y un conjunto de hardware y software que se utilizan como interfaz entre los diferentes dispositivos que forman la red LAN y el medio de transmisión. Una de las configuraciones más comunes de LAN consiste en un grupo de computadores personales o PC, utilizadas por su relativo bajo costo y porque permiten correr aplicaciones departamentales típicas como hojas de cálculo, procesadores de palabras, acceso a Internet, entre muchas otras. Un motivo importante para conectar computadoras personales entre sí a más de conectarlas a un servicio central (como un servidor) es la compartición de los recursos, especialmente aquellos que cuestan mucho dinero como una impresora láser o un servicio de telecomunicaciones.

17 Uno de los requisitos más importantes de una red de área local es que sea de bajo costo, es decir que el precio de la conexión de la computadora a la red sea mucho más bajo que el precio de la computadora o el dispositivo conectado a la red Topologías Bus La principal característica es que utiliza un medio de transmisión multipunto, todas las estaciones se encuentran directamente conectadas al medio. Un mensaje enviado por cualquiera de los dispositivos conectados al medio de transmisión es escuchado por todos los demás dispositivos conectados, esto es una desventaja de esta topología, ya que es necesario definir algún método para indicar a quién va dirigido el mensaje y precisar un mecanismo para regular la transmisión de los diferentes dispositivos conectados a la red L2 Árbol La topología en árbol es una generalización de la topología en bus. Se caracteriza por tener un medio de transmisión formado por un cable ramificado sin lazos cerrados que comienza en un punto que es llamado cabecera o raíz. Uno o más cables pueden iniciar en el punto raíz y pueden irse dividiendo en otras ramas formando un sistema complejo. Esta topología al igual que la topología en bus utiliza un medio compartido para la transmisión de información por lo que presenta sus mismas desventajas Estrella En esta topología todos y cada uno de los dispositivos están conectados a un nodo central, que usualmente es un concentrador, a través de dos enlaces punto a punto uno para transmisión y otro para recepción. El nodo central puede funcionar de dos maneras diferentes, la primera es el funcionamiento en modo de difusión o broadcast en el que cada trama que llega a al nodo central proveniente de uno de los dispositivos conectados es retransmitido a todos los demás dispositivos conectados. En este caso utiliza una topología

18 lógica es en bus, ya que un mensaje transmite por cualquiera de los dispositivos es visto por todos los demás Anillo Esta topología está formada por dispositivos unidos por enlaces unidireccionales punto a punto formando un anillo cerrado. Cada dispositivo conectado actúa como un repetidor, es decir, recibe datos a través de un enlace y los transmite por el otro. Se requiere tener un método de control de acceso al medio debido a que el anillo es compartido por varias estaciones. T T T 1 i i Topología de bus otopología de anillo Topología en estrella Topología árbol F1G 1.3 Topologías Medios de transmisión El medio de transmisión es el camino físico para transportar datos entre un transmisor y un receptor. Se clasifica en guiados y no guiados; en ambos casos la comunicación se lleva a cabo con una onda electromagnética Medios de Transmisión Guiados En un medio de transmisión guiado la capacidad de transmisión depende fundamentalmente de dos factores la distancia y la utilización, es decir, si se usa para un enlace punto a punto o para un enlace multipunto. Entre los principales medios guiados están: Par trenzado Tradicionalmente, el par trenzado ha sido el medio más utilizado en comunicaciones de todo tipo, consiste en dos cables de cobre recubiertos por un aislante y entrecruzados en forma de espiral, cada par de cables constituye un

19 solo enlace de comunicación, frecuentemente se agrupan varios pares por medio de una envoltura. Una característica del par trenzado es su gran sensibilidad a las interferencias y al ruido. La utilización del trenzado ayuda a disminuir las interferencias de baja frecuencia y la diafonía entre los pares adyacentes dentro de una misma envoltura, los pares se interferirían unos con otros si no se utilizaría el trenzado del par. Un par trenzado se utiliza para realizar transmisiones tanto analógicas como digitales. El ancho de banda depende del diámetro del cable y de la distancia del enlace, es usual obtener una velocidad de transmisión de varios megabits por segundo en distancias de pocos kilómetros. Existen algunas variantes del par trenzado entre éstas están: el par trenzado apantallado dentro de los que se tiene STP (Shielded Twisted Paif), FTP (Foiled Twisted Pair), y el par trenzado sin apantallar conocido como UTP (Unshielded Twisted Pair). El cable STP está constituido típicamente por 4 conductores sólidos trenzados en pares, cada par está recubierto por una cinta laminada de aluminio y plástico, todo el conjunto se protege con un aislamiento termoplástico, blindaje completo y una chaqueta externa. El conjunto de los dos pares individualmente blindados está recubierto por una malla de cobre. La incorrecta conexión a tierra de un cable STP puede resultar en un pobre rendimiento por lo que es conveniente que dicha conexión sea correctamente instalada en forma inicial y sea mantenida posteriormente. El cable FTP está formado usualmente por cuatro pares trenzados, los cuales están cubiertos por un blindaje de papel metálico (aluminio), el conjunto de pares trenzados se encuentra rodeado por una cubierta de plástico muy similar al utilizado en el cable UTP. El cable FTP es utilizado en instalaciones en donde el ruido puede es un problema, y resulta inadecuado el uso de cableado UTP. El cable FTP puede ofrecer un alto nivel de protección contra ruido e interferencia sin aumentar los costos significativamente.

20 8 El Cable UTP es un cable de pares trenzados y sin recubrimiento metálico externo, de modo que es sensible a las interferencias; sin embargo, al estar trenzado compensa las inducciones electromagnéticas producidas por la líneas del mismo cable. Es barato, flexible y sencillo de instalar. Los comedores que utiliza este tipo de cable por lo general son el RJ11 (para dos pares) y RJ45 (para cuatro pares). FIG 1.4 Cable UTP La norma EIA / TÍA 568 considera las siguientes categorías de cable UTP : Categoría 3: Diseñado para frecuencias de hasta 16 MHz a 100 m Categoría 4 : Diseñado para frecuencias de hasta 20 MHz a 100 m Categoría 5: Diseñado para frecuencias de hasta 100 MHz a 100 m Categoría 6: Diseñado para frecuencias de hasta 250 MHz a 100m Cable Coaxial Está constituido por dos conductores, el primero consiste en un conductor rígido cilindrico rodeado por un segundo conductor en forma de malla metálica cubierta por una envoltura plástica, entre ambos conductores se ubica un material aislante, sólido. El diseño de este cable le otorga una excelente inmunidad al ruido y un ancho de banda mayor al del cable trenzado. Núcleo de cobre Material aislante conductor exterior trenzado cubierta de plástico protectora FIG 1.5 Cable Coaxial

21 Se distingue dos tipos de cable coaxial: Cable Coaxial de Banda Base : Tiene un impedancia característica de 50 ohmios y se usa como medio para transmisión de señales digitales. Eran utilizados ampliamente en redes de telefonía pero han sido reemplazados por cables de fibra óptica que ofrecen un ancho de banda superior. Cable Coaxial de Banda Ancha : Usados para transmisiones analógicas y posee una impedancia característica de 75 ohmios. Ampliamente utilizados en la red de televisión por cable y pueden soportar distancias hasta de 100 kilómetros. Fibra Óptica La fibra óptica está formada por tres secciones concéntricas, la primera y ta más interna es el núcleo constituido por uno o varias fibras de cristal o plástico con un diámetro que varía entre 8 y 100 im, la siguiente sección es el revestimiento que es una capa que rodea al núcleo con propiedades ópticas diferentes. La capa más exterior es la cubierta, que envuelve los revestimientos y se halla fabricada en plástico y otros materiales diseñados para proporcionar protección. FIG 1.6 Fibra Óptica Un haz de luz dentro de una fibra óptica se propaga de acuerdo al principio de reflexión total que se da en cualquier medio transparente que tenga un índice de refracción mayor que el medio que lo contenga. La luz que viaja en una fibra óptica está dentro del rango del espectro visible y del infrarrojo en frecuencias que van desde 1014 hasta 1015 Hz.

22 10 Existen dos tipos de fibras : Monomodo : Proporciona las mejores prestaciones en una fibra óptica dado que existe un único camino en una transmisión cuando un haz de luz atraviesa una de estas fibras, esto se logra reduciendo el radio del núcleo hasta que alcance el tamaño de la longitud de onda, haciendo que un solo ángulo o modo pueda pasar: el rayo axial, y de esta forma la distorsión multimodal no puede darse. Este tipo de fibras ofrecen la mayor distancia de transmisión y se utilizan en aplicaciones de larga distancia como telefonía y televisión por cable. Multimodo : Cuando un haz de luz viaja en este tipo de fibra describe múltiples caminos que verifican el fenómeno de reflexión total, cada camino tiene una diferente longitud y por tanto un tiempo diferente de propagación esto ocasiona que los impulsos de luz se dispersen en el tiempo limitando la velocidad de transmisión. Esta fibra es más adecuada para distancias cortas Medios de Transmisión no Guiados En un medio no guiado la transmisión de la energía electromagnética se realiza a través del aire. Transmisión vía radio Las ondas de radio son fáciles de generar, viajan distancias largas, penetran edificios y son omnidireccionales proporcionando la ventaja del que el transmisor y el receptor no deben alinearse físicamente, se considera ondas de radio a las frecuencias comprendidas en la banda de VHF y parte de la banda UHF, es decir frecuencias, entre SOMHz y 1GHz; por la capacidad de transmitir a grandes distancias, las interferencias entre los usuarios constituyen un problema. La principal desventaja de utilizar baja frecuencia para transmitir datos es la limitación de ancho de banda y la interferencia multitrayectoria causadas por reflexiones en objetos grandes como montañas o edificios.

23 11 Transmisión por Microondas Utiliza frecuencias por encima de los 100 MHz, estas señales se pueden enfocar en un haz estrecho y producen una relación señal a ruido más alta que las radio transmisiones tradicionales, para conseguir una buena comunicación tanto transmisor como receptor deben estar alineados. Las microondas viajan en línea recta por lo que, estaciones ubicadas a demasiada distancia pierden la comunicación. Mientras más altas sean las torres empleadas, la distancia que se consigue será mayor. El tipo de antena más utilizado en una transmisión por microondas es el parabólico, con un tamaño típico de tres metros. La principal aplicación de las microondas es la transmisión de servicios de telecomunicaciones de larga distancia, es una alternativa más económica que la fibra óptica aunque tiene un ancho de banda menor, también son muy utilizadas en enlaces de radiodifusión y televisión. El rango de frecuencia de las microondas generalmente va de 2 a 40 GHz, siendo las frecuencias más bajas (2-6 GHz) utilizadas en enlaces de gran distancia y las más altas frecuencias (mayores que 22 GHz) utilizadas para distancias cortas, debido a que mientras más altas frecuencias se utilice la atenuación es mayor. Microondas por Satélite Es un caso especial de las microondas ya que se utiliza un satélite como repetidor entre un transmisor y un receptor situados en tierra, un sistema satelital realiza transmisiones hacia un satélite en una bada de radio frecuencia (canal ascendente), éste amplifica la señal y la retransmite en otra frecuencia, (canal descendente). El número de satélites posibles está limitado ya que para la banda de 4/6 GHz se exige una separación mínima entre satélites de 4 y para la banda de 12/14 GHz se exige una separación de al menos 3. Los ángulos de separación mencionados son medidos desde la superficie terrestre. Las aplicaciones principales son: telefonía de larga distancia, difusión de televisión y redes privadas entre otras.

24 12 A continuación se ilustrará una tabla con todas las bandas satelitales y su rango de frecuencias. BANDA Ka Ku X c s FRECUENCIA GHz GHz 8-12 GHz 4-6 GHz 2-4 GHz Tabla 1.1 Rangos de frecuencia de las bandas satelitales Infrarrojos Se realizan utilizando transmisores/receptores que modulan la luz infrarroja, para que se produzca una transmisión los transceivers deben estar alineados o estar cerca de superficies que reflejen los rayos infrarrojos. Tiene la ventaja de no tener interferencias ni problemas de asignación de frecuencias, pero logran tener un funcionamiento adecuado a cortas distancias, ya que no pueden atravesar objetos sólidos como si lo hacen las ondas de radio. La principal aplicación del rayo infrarrojo es en redes LAN interiores Técnicas de transmisión Son las diferentes formas de introducir los datos en un canal de comunicaciones. Se utilizan dos técnicas : 1.1.2,3.1 Banda Base Se produce cuando se introducen los datos al canal de comunicaciones de la misma forma en que éstos fueron generados, es decir, conservando su naturaleza digital, sin modularse. Las principales características son las siguientes: Se utiliza una transmisión de naturaleza digital. Se puede llegar a alcanzar altas velocidades de transmisión. Las distancias no son muy grandes.

25 13 Solo se transmite una señal y ésta ocupa todo el ancho de banda. Se requieren técnicas de codificación y éstas deben ser transparente a todas las computadoras conectadas a la red. O O DATOS RZ AMI MANCHESTER NRI (L) NRZ (M) NRZ (S) MILLER FIG 1.7 Algunos tipos de Codificación Banda Ancha Se produce cuando la señal que se entrega al medio, es transformada previamente mediante una portadora. Se utiliza una portadora para : Adaptar la señal al medio Hacerla más inmune al ruido y a la interferencia. Conseguir una mayor distancia. Optimizar el medio de transporte. Una transmisión en banda ancha tiene las siguientes características: Es una técnica de transmisión analógica. Es posible transmitir varias señales por el mismo cable en forma simultánea. La señal es modulada. Es posible dividir el ancho de banda disponible para obtener diferentes canales de transmisión. Estas transmisiones son más susceptibles a la atenuación y a la distorsión.

26 25 En un diagrama de constelación se representa la amplitud de la señal como la distancia desde el eje de referencia hasta el punto representado, la fase de la señal se representa como el ángulo entre la posición y el eje real. A continuación se representan los diagramas de constelación de dos de los tipos más utilizados de modulación de variación de fase. imamnario b) imaginario Real Roul FIG 1.9 a) Diagrama de constelación de 4PSK b) Diagrama de constelación de 8PSK Spread Spectrum Es una técnica utilizada para modular tanto señales analógicas como digitales, fue empleada originalmente para aplicaciones militares, consiste en distribuir la información en un ancho de banda mayor al necesario para transmitir esta información. Una analogía sería transportar el contenido del vagón de un tren en varios vagones, el contenido del vagón equivale a la información y cada vagón equivale a un canal de radio, ya que la información se distribuye sobre una serie de canales de radio de forma equitativa. Existen dos tipos de espectro ensanchado : Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) En este método cada bit de la señal original se codifica mediante varios bits generados de forma pseudoaleatoria, el incremento del ancho de banda que se transmite es proporcional al número de bits que se utilicen y se denomina código de compartición. señal.

27 29 FIG 1.12 Red Ad-HOC Modo de Infraestructura Permite formar una red utilizando un concentrador o punto de acceso que realiza las funciones de control y coordinación de los dispositivos. El punto de acceso también es utilizado para enlazar una red LAN tradicional cableada a una red inalámbrica. Se puede utilizar varios puntos de acceso adecuadamente distribuidos para proporcionar una mayor cobertura a la red inalámbrica. i L.TT.1 *1 CABLEADA FIG 1.13 Red de Infraestructura

28 31 CAPITULO 2. RECOMENDACIÓN IEEE Y TECNOLOGÍAS EXISTENTES EN LAN INALÁMBRICAS. 2.1 RECOMENDACIÓN IEEE m INTRODUCCIÓN Debido al gran avance en el desarrollo de las redes inalámbricas y a que las computadoras portátiles constituyen el segmento de mayor crecimiento en la industria informática, se crearon en los últimos años diferentes tecnologías y estándares que han logrado ingresar en el mercado con una mayor o menor aceptación. El mayor impulso en el desarrollo de sistemas de LAN inalámbricos se dio a partir de la creación del estándar IEEE , cuya primera versión fue definida en el año de 1997 y que desde entonces está en continua evolución, debido a que existe cantidad de grupos de investigación trabajando para mejorar el estándar, a partir de las especificaciones originales. IEEE es un estándar para redes inalámbricas definido por la organización IEEE (Institute of Electrícal and Electronics Engineers), instituto de investigación y desarrollo de gran reconocimiento y prestigio, cuyos miembros pertenecen a diferentes países involucrados en el desarrollo de las nuevas tecnologías. En este estándar solamente se establecen las especificaciones tanto a nivel de capa física como a nivel de capa MAC3, que hay que tener en cuenta a la hora de implementar una red de área local inalámbrica y no abordan los modos o tecnologías a usar para la implementación final; esto tiene como finalidad permitir y facilitar la compatibilidad entre distintos fabricantes de dispositivos , para asegurar esta interoperabilidad se creó la organización WECA (Wireless Ethernet 3 MAC: Media Access Control, subcapa inferior que tiene la función de acceder a diversos medios de transmisión y que conjuntamente con la subcapa LLC (Logical Link Control) forman la capa de Enlace de Datos en el modelo de referencia OSI.

29 32 Compatibility Alliance) que define procedimientos y otorga certificados de compatibilidad e interoperabilidad entre fabricantes. "El propósito de este estándar es el de proveer conectividad inalámbrica para dispositivos, equipos o estaciones que requieran un desarrollo rápido, que puedan ser portables, o que puedan ser montados en vehículos en movimiento dentro de un área local, este estándar también ofrece marcos regulatorios con el fin de estandarizar el acceso a una o más bandas de frecuencia para propósitos de comunicación de área local."4 Este estándar abarca los siguientes aspectos: Descripción de las funciones y servicios requeridos por un equipo que cumpla con el estándar IEEE tanto en redes de infraestructura como redes Ad Hoc así como todos los aspectos de movilidad de las estaciones dentro de estas redes. Definición de los procedimientos MAC para soportar servicios asincrónicos. Definición de diversas técnicas de señalización y funciones de interface en la capa PHY 5 controladas por la capa MAC Operación de un dispositivo que obedece al estándar dentro de una WLAN y que puede coexistir con otras redes WLAN Descripción de los requerimientos y procedimientos para proveer privacidad a los datos del usuario transferidos sobre un medio inalámbrico así como autenticación para los dispositivos Para que las estaciones soporten movilidad de forma transparente para las capas superiores, la arquitectura del estándar está formada de varios componentes. Uno de estos componentes es el BSS (Basic Service Set) que es el componente básico de una LAN , el BSS se puede definir como el área de Traducción literal tomada del estándar IEEE en inglés. 5 PHY: Physical Layer (Capa Física), de cualquier red define la modulación y la señalización características de la transmisión de datos.

30 33 cobertura dentro de la cual las estaciones pertenecientes a ésta se mantienen en comunicación. El tipo más básico de BSS es el IBSS (Independient BSS) que consiste de dos estaciones que pueden comunicarse en forma directa únicamente entre éstas y que a menudo se le llama red Ad Hoc. Aunque diversos BSS pueden existir independientemente, pueden formar parte de una red constituida por varios BSS, conectados por medio de un DS (Distríbution System). Para proveer el acceso a los servicios de un DS se utiliza un AP (/Access Point) que transporta los datos entre un BSS y un DS. Tanto los DS como los BSS permiten que se puedan crear WLAN de cualquier tamaño y complejidad, estas redes de mayor cobertura reciben el nombre de ESS (Extended Service Sef) en las cuales las estaciones pueden moverse de un BSS a otro de forma transparente. Con el fin de integrar una red cableada con una red existe un componente de arquitectura lógica denominado portal que es el punto donde los datos de una red cableada ingresan en una red En la figura 2.1 se muestra los componentes principales descritos para el estándar IEEE BSS 2 STA: Dtüpofitivo Fig2.1. Componentes fundamentales IEEE

31 34 El estándar no especifica detalles de implementaciones, en vez de eso especifica servicios asociados a los diferentes componentes de la arquitectura. Cada uno de los servicios es soportado por uno o más tipo de trama MAC. Existen dos categorías de estos servicios, ambas utilizadas por la subcapa MAC del estándar. La primera categoría de servicio, proporcionada por las estaciones se conoce como SS (Station Service) y está presente en cada dispositivo , el SS es utilizada por las entidades de la subcapa MAC. Los SS incluyen: autenticación, desautenticación, privacidad y entrega de MSDU (MAC Service Data Unit). La otra categoría de servicios es proporcionada por el DS y se denomina DSS (Distribution System Service), estos servicios son utilizados para atravesar las fronteras de direccionamiento lógicas y son empleados por las entidades de la subcapa MAC. Los DSS incluyen: asociación, desasociación, distribución, integración y reasociación MODELO DE REFERENCIA Y ARQUITECTURA Un requisito importante de este estándar es que una red debe aparecer a las capas superiores como una LAN 802 cualquiera. Se pone énfasis en separar la arquitectura en dos partes principales: la capa física y la subcapa MAC que forma parte de la capa de enlace de datos. La correspondencia de estas capas con el modelo de referencia OSI y con la arquitectura de la familia de estándares IEEE 802 se muestra en la siguiente figura: « IEEE802.il Fig 2.2 Capas del

32 SubcapaMAC Servicios OSI. Esta capa provee de los siguientes servicios a capas superiores del modelo a) Servicio de datos asincrónicos, provee entidades pares LLC con la capacidad de intercambiar MSDU (MAC Service Data Unit) utilizando los servicios proporcionados por la capa física para transportarlos a otras entidades pares MAC. El transporte de MSDUs es no orientado a conexión y utiliza el concepto del mejor esfuerzo, es decir que se hará todo lo posible por entregar los paquetes pero no se garantiza que éstos lleguen a su destino exitosamente. Esta capa soporta tramas broadcast y multicast pero debido a las características propias del medio inalámbrico, pueden sufrir de una calidad de servicio menor en comparación con la proporcionada a las tramas unicast. b) Servicios de seguridad, IEEE dispone de tres servicios de seguridad proporcionados por el algoritmo WEP, éstos son: confidencialidad, autenticación y control de acceso. El algoritmo WEP, es transparente para las capas que se encuentran sobre la subcapa MAC. c) Servicios de ordenamiento de MSDUs, este servicio permite y en ciertos casos requiere el reordenamiento de los MSDUs que se realiza solamente cuando se necesita mejorar la probabilidad de entregarlos exitosamente a una estación destino. Si un protocolo de capa superior no tolera el reordenamiento de MSDUs se debe utilizar el servicio "Estrictamente Ordenado " Formato de trama MAC Una trama MAC consta de tres partes principales: cabecera, cuerpo y FCS, cada una con sus propios campos como se indica en la figura 2.3.

33 Rvm OonbDi Diration/ ID «.1 '2 Cabecera I i Cuerpo «*.. Contal «Fuma Bddy Fig 2.3 Trama MAC FC8 Ii FCS Campo de control de trama Este campo contiene los siguientes subcampos: Frame Control BO B1B2 B7 B» B10 B11 B12 B» B14 B15 D6 Fnvn ro Pwr OMMT -M- Fig 2.4 Estructura del Control de Trama Protocol Versión: En la primera versión del estándar el valor es cero hasta que existan versiones incompatibles con el estándar original, un dispositivo que reciba una trama con este campo con un valor mayor que el determinado para su versión descartará la trama sin indicación para el dispositivo emisor de la trama. Tipo y Subtipo: Indican que clase de función está ejecutando la trama, existen tres tipos de trama: control, datos y administración; cada uno con subtipos definidos. 7o DS: Cuando está en 1 este bit indica que la trama está dirigida para el DS, y esíá en O en todos los otros casos.

34 37 From DS: De forma similar al campo anterior, cuando está en 1 índica que la trama proviene de un DS, y es O en los otros casos. More Frag: Cuando está en 1 indica que existe otro fragmento del MSDU, es O en los otros casos. Retry Cuando está en 1 indica que la trama es una retransmisión de la trama anterior, y es O cuando la trama se transmite por primera vez, la utilidad de este bit es determinar tramas duplicadas. Pwr Mgt: Utilizado para indicar que el dispositivo está en modo de power management o ahorro de energía cuando este bit está en 1, de lo contrario se indica que el dispositivo está en modo activo, este bit siempre es O para las tramas emitidas por un AP. More Data: Cuando está fijado en 1 se utiliza para indicar a un dispositivo en modo de ahorro de energía que existen más MSDU almacenados en el AP destinados para este dispositivo. Este bit es válido en las transmisiones originadas en un AP. WEP : Este bit es 1 para indicar que el cuerpo de la trama contiene información que ha sido codificada con el algoritmo WEP6. Order Este bit se fija a 1 cuando la trama contiene un MSDU que ha sido emitida utilizando el servicio estrictamente ordenado. Campo Duration/ID Cuando el bit 15 de este campo está en O indica el tiempo de duración del NAV (Network AHocatíon Vector), definido por los bits 0-13 del mismo campo, este 6 WEP: es el protocolo de seguridad, autenticación y cifrado, del estándar b, explicado más adelante en la sección

35 38 valor puede variar ente O y En el caso en que los bits 14 y 15 estén en 1, este campo contendrá el &\D(Association Identity) de la estación que transmite la trama, este valor varía entre 1 y Los demás casos se ilustran en la siguiente tabla: Bit 15 Bit 14 Bit» 13-0 f) ; i ; fl T o l ; l o 1. I ~ I : I j 200M6ÍW Utilización Duración Valor fijado en tramas transmitiendo en el CFP Reservado Reservado AID en tramas PS-Poll Reservado Tabla 2.1, Significado de los bits del campo Duraíion/ID Campos de dirección: Una trama MAC contiene los siguientes 4 campos de dirección : 1) Campo BSSID Es un campo de 48 bits con el mismo formato que una dirección MAC 802, este campo identifica cada BSS, y es localmente administrado. Campo DA (Destination Address): Este campo contiene una dirección que identifica a una entidad MAC como destino final de un MSDN contenido en el cuerpo de la trama. Campo SA (Source Address): Contiene una dirección MAC de origen desde la cuál se originó el MSDU contenido en el cuerpo de la trama recibida. Campo RA (Receiver Adddress): Contiene una dirección MAC que identifica una estación destinataria inmediata en el medio inalámbrico, es decir la dirección MAC de una estación a la que se transmite la trama pero no necesariamente la destinataria final de ésta. Campo TA (Transmiter Address): Este campo contiene la dirección MAC que identifica la estación que ha transmitido la trama que contiene el MSDU, en el medio inalámbrico que no necesariamente es la estación que originó el MSDU.

36 39 2) Campo de Control de Secuencia Este campo tiene 16 bits y consiste en dos partes: el número de secuencia y el número de fragmento. El número de secuencia contiene 12 bits y es asignado a cada MSDU transmitido, este número empieza en O y termina en 4096, incrementándose en 1 por cada MSDU que se transmite y permanece invariable para las retransmisiones del mismo MSDU. El número de fragmento contiene 4 bits y como su nombre lo indica, contiene el número de fragmento de un MSDU. Este número permanece constante en las retransmisiones del fragmento y se fija en cero si el MSDU no es fragmentado. 3) Campo del cuerpo de la trama Es un campo de longitud variable que lleva la información específica de los diferente tipos de tramas. El tamaño de este campo varía entre O y 2312 bytes. 4) Campo FCS Es un campo que contiene un CRC de 32 bits, es calculado sobre todos los campos de la cabecera y el cuerpo de la trama MAC. El FCS se calcula utilizando el siguiente polinomio: G(.TJ -,T32 -H A'26 + X23 + AJ2 +.Tí6 + X12 +.Y1 * +.Yí0 +.X8 + X1 + X5 + X4 + X2 + X Descripción funcional de la subcapa MAC Esta subcapa proporciona una variedad de funciones como mantener y administrar las comunicaciones entre estaciones y coordinar el acceso al canal de radio compartido, esta subcapa es el cerebro de la red. Su funcionamiento está basado en CSMA/CA (Carrier Sense Múltiple Access/Collision Avoidance), a continuación se describen las funciones que ejecuta esta subcapa.

37 41 25$ CW = Contention Window CWmin 15 X 31 i u_tercera Retransmsision 1 Segunda Retransmisión Primera Retransmisión -Transmisión inicial Fig 2.5 Funcionamiento del algoritmo de Backoff Una mejora a este método que reduce el número de colisiones es intercambiar tramas cortas (RTS y CTS) entre las estaciones transmisora y receptora después de verificar que el medio está disponible pero antes de la transmisión de datos, las tramas RTS y CTS contienen el campo Duratton /ID, en el cual se define el periodo de tiempo que está reservado el medio para realizar la transmisión de la trama actual. El mecanismo de reservación del medio funciona también a través de las fronteras de los BSA y ocurre cuando diferentes BSS que utilizan el mismo canal se sobreponen, es decir, comparten áreas de coberturas comunes. Este mecanismo no puede ser utilizado con transmisiones multicast o broadcast ya que en estos casos existen varios destinatarios del RTS; y, no debe ser utilizado para todas las tramas de datos ya que ocasionaría una disminución en el rendimiento. Es posible configurar la utilización de este mecanismo en las estaciones para que sea utilizado siempre, nunca o solamente con tramas de una longitud mayor a la determinada. El protocolo de la capa de acceso debe soportar un grupo de velocidades de transmisión básicas; y, tanto RTS como CTS deben ser transmitidos en una de estas velocidades.

38 42 La función de escucha de la portadora debe ser provista por la capa PHY, sin embargo la subcapa MAC deberá proveer de un mecanismo de escucha virtual de portadora, este mecanismo se le denomina NAV (Network Allocation Vector) y realiza una predicción del tráfico futuro basado en la información proporcionada por las tramas RTS/CTS que combinada con la escucha física de la portadora determinan el estado del medio (ocupado o libre). El NAV no es más que un contador que disminuye de valor a una tasa constante, cuando llega a cero la escucha virtual de portadora indica que el medio está libre, mientras no es cero se indica que el medio está ocupado. PCF (Point Coordinatíon Functíon) La subcapa MAC tiene un método opcional de acceso llamado PCF (Point Coordinatíon Function), utilizado únicamente cuando la red inalámbrica funciona en el modo de infraestructura7. Utiliza un PC (Point Coordínate/) que opera en el AP de la red, determinando qué estación está autorizada a transmitir y eliminando la contención o competencia por el canal por un periodo de tiempo. El PCF utiliza un mecanismo de escucha virtual de portadora complementado con un método de acceso basado en prioridades. IFS (ínter Frame Space) El intervalo de tiempo entre tramas se denomina IFS, existe cuatro tipos diferentes de IFS que proporcionan diversos niveles de prioridad para el acceso al medio. a) SIFS (Short Interframe Space) Este es el más corto y prioritario espacio entre tramas, es utilizado por las tramas CTS8, AKC9, segunda o subsecuente fragmento de un MSDU, es también utilizada cuando la estación ha logrado acceder al medio y necesita 7 Modo de Infraestructura: Es aquel que utiliza un punto de acceso como dispositivo concentrador de los dispositivos inalámbricos que pertenecen a la red. 8 CTS: Olear To Send Es la trama que es enviada por el AP como respuesta o confirmación de un pedido de reserva del canal solicitado por medio de la trama RTS (Request To Send). 9 ACK: Acknowledgmeni, trama de confirmación positiva de recepción de una trama.

39 43 mantenerlo mientras se ejecuta el intercambio de tramas, este espacio entre tramas es el más corto debido a que previene que otras estaciones den por libre el canal en el tiempo que transcurre entre una trama y otra. Este tiempo es de 28 JS. b) PIFS (PCF IFS, Point Coordinaron Function IFS) Es utilizado únicamente para que estaciones que están operando como PCF ganen prioridad de acceso al medio al inicio de un periodo libre de colisiones y puedan transmitir inmediatamente después que han detectado que el medio está libre. Este intervalo de tiempo tiene una duración de 78 jas. c) DIFS (DCF IFS, Distributed Control Function) Es utilizado por estaciones que actuando como DCF transmitan tramas de datos y de administración y hayan detectado mediante su mecanismo de portadora que el medio está libre, tiene una duración de 128 ps. d)eifs (Extended IFS) Es utilizado cuando se detecta la recepción incorrecta o incompleta de una trama por medio del FCS, este intervalo de tiempo empieza luego que se detecta la trama incorrecta, el objetivo de este espacio entre tramas es prevenir colisiones de tramas pertenecientes a la misma comunicación Capa física El estándar define tres diferentes capas físicas: FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) para la banda ISM10 de 2.4 GHz DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) para la banda ISM de 2.4 GHz IR (Infra Rojos) 10 ISM: industrial Scientific and Medical, banda sin licencia reservada para usos industriales científicos y médicos.