Arquitectura de Redes y Comunicaciones

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1 REDES INALÁMBRICA Las tecnologías inalámbricas utilizan ondas electromagnéticas para transportar información entre dispositivos. Una onda electromagnética es el mismo medio que transporta señales de radio por aire. Una de las principales ventajas es la capacidad de brindar conectividad en cualquier momento y lugar. La extendida implementación de la conexión inalámbrica en lugares públicos, conocidos como puntos de conexión, permite a las personas conectarse a Internet para descargar información e intercambiar mensajes de correo electrónico y archivos. La instalación de la tecnología inalámbrica es simple y económica. El costo de dispositivos inalámbricos domésticos y comerciales continúa disminuyendo. Sin embargo, a pesar de la disminución del costo, las capacidades y la velocidad de transmisión de datos han aumentado, lo que permite conexiones inalámbricas más confiables y rápidas. Onda Eléctrica: Las ondas de radio son fáciles de genera, pueden viajar distancias muy largas y penetrar edificios sin problemas, de modo que se utilizan mucho en la comunicación tanto en interiores como en exteriores. Las ondas de radio también son omnidireccionales, lo que significa que viaja en todas las direcciones desde la fuente, por lo que el transmisor y le receptor no tiene que alinearse físicamente. Las ondas de radio son ondas electromagnéticas, y como tales, están expuestas a los fenómenos de reflexión, refracción, difracción e interferencia. Tiene diferentes formas de propagación: Propagación por onda directa Propagación por onda terrestre Propagación por onda reflejada o ionosférica Propagación por difracción ionosférica Ing. Marcos Huerta Sagástegui - 1 -

2 Propagación por difracción meteorítica Propagación troposférica Propagación por reflexión en la luna Propagación por medio de satélites artificiales Radio Frecuencia: Las ondas de RF pueden atravesar paredes y otros obstáculos, lo que brinda un mayor rango que el IR. Ciertas áreas de bandas de RF se han reservado para el uso de parte de dispositivos sin licencia, como las LAN inalámbricas, los teléfonos inalámbricos y los periféricos para computadora. Esto incluye los rangos de frecuencia de 900 MHz, 2,4 GHz y 5 GHz Estos rangos se conocen como bandas industriales, científicas y médicas (ISM, industrial scientific and medical) y pueden usarse con muy pocas restricciones. Bluetooth: es una tecnología que utiliza la banda de 2,4 GHz Se limita a comunicaciones de baja velocidad y corto rango, pero tiene la ventaja de comunicarse con muchos dispositivos al mismo tiempo. Estas comunicaciones de uno a varios dispositivos han hecho que la tecnología Bluetooth sea el método preferido por sobre IR para conectar periféricos de computadora, como mouse, teclados e impresoras. Rayos Infrarrojos: La energía infrarroja (IR) es una energía relativamente baja y no puede atravesar paredes ni obstáculos. Sin embargo, se usa comúnmente para conectar y transportar datos entre dispositivos como asistentes digitales personales (PDA, personal digital assistants) y PC. Un puerto de comunicación especializado, conocido como puerto de acceso directo infrarrojo (IrDA, infrared direct access) utiliza el infrarrojo para intercambiar información entre dispositivos. La tecnología IR sólo permite un tipo de conexión uno a uno. Ing. Marcos Huerta Sagástegui - 2 -

3 La IR también se utiliza para los dispositivos de control remoto, los mouse inalámbricos y los teclados inalámbricos. Generalmente se utiliza para comunicaciones de corto rango dentro de la línea de vista. Sin embargo, se puede reflejar la señal de IR desde los objetos para ampliar el rango. Para rangos mayores se requieren frecuencias mayores de ondas electromagnéticas. Rayo Laser: El láser es un dispositivo electrónico que amplifica un haz de luz de extraordinaria intensidad. Se basa en la excitación de una onda estacionaria entre dos espejos, uno opaco y otro traslúcido, en un medio homogéneo. Como resultado de este proceso se origina una onda luminosa de múltiples idas y venidas entre los espejos, que sale por el traslúcido. Una aplicación más moderna y un poco más complicada es la conexión de las redes LAN de dos edificios por medio de laser montados en sus respectivas azoteas. La señalización óptica coherente con laser es inherentemente unidireccional, de modo que cada edificio necesita su propio láser y su propio foto detector, este esquema proporciona un ancho muy alto y un costo muy bajo. También es relativamente fácil de instalar y, a diferencia de las microondas no requiere una licencia de la FCC (Comisión Federal de Comunicaciones). La ventaja del láser, un haz muy estrecho, es aquí también una debilidad. Apuntar un rayo láser de 1mm a 500 metros de distancia, requiere de una gran precisión, por lo general se le añaden lentes al sistema para enfocar ligeramente el rayo. Una desventaja de los rayos láser es que no pueden atravesar la niebla ni la lluvia, este sistema solo funciona bien los días soleados. Microonda: La transmisión vía satélite utiliza microondas, de forma que antes de pasar a explicar cómo se realiza dicha transmisión se explicará el fundamento de la transmisión de datos utilizando microondas. Los sistemas de microondas se basan en la utilización de ondas electromagnéticas de frecuencias altas (entre 1 y 2,5 GHz). 1. Microondas terrestres: Por lo general se utilizan antena parabólica de aproximadamente 3 metros de diámetro, tienen que estar fijadas rígidamente. Este emite in estrecho haz que debe estar perfectamente enfocado con la otra antena, en este caso receptor. Es conveniente que las antenas este a una cierta distancia del suelo para impedir que algún obstáculo se interponga en las has. La distancia máxima entre Ing. Marcos Huerta Sagástegui - 3 -

4 antenas sin ningún obstáculo es de 7,14 Km, claro que esta distancia se puede aumentar si se aprovecha a la curvatura de la tierra haciendo refractar las microondas en la atmósfera terrestre. El uso principal de este tipo de trasmisión se da en las telecomunicaciones de largas distancias, se presenta como alternativa del cable coaxial o la fibra óptica. Este sistema necesita menor número de repetidores o amplificadores que el cable coaxial pero necesita que las antenas estén alineadas. Los principales usos de las Microondas terrestres son para la transmisión de televisión. También se usan para enlazar punto a punto dos edificios. La banda de frecuencia van desde 2 a 40 GHz Cuanto mayor es la frecuencia utilizada mayor es el ancho de banda lo que da mayor velocidad virtual de transmisión. 2. Microondas por satélite: La que hace básicamente es retransmitir información, se usan como enlace de dos transmisores/receptores terrestres denominados estación base. El satélite funciona como un espejo donde la señal rebota, su principal función es la de amplificar la señal corregirla y retransmitirla a una o más antenas. Estos satélites son geoestacionarios, es decir se encuentra fijo para un observador que está en la tierra. Es importante que los satélites mantengan fija esta órbita geoestacionaria ya que de lo contrario podrían perder la alineación con las antenas terrestres. Operan en una serie de frecuencia llamada TRANSPODERS. Si dos satélites utilizan la misma banda de frecuencia o están lo suficientemente próximos pueden interferirse mutuamente. Para evitar esto debe tener un separación de 4 º (grados) (desplazamiento angular). Las comunicaciones satelitales se utilizan principalmente para la difusión de televisión, transmisiones telefónicas de larga distancia y redes privadas entre otras. También se usan para proporcionar enlaces punto a punto entre las centrales telefónicas en las redes públicas. El rango de frecuencia está comprendido entre 1 y 10 GHz TIPOS DE REDES INALAMBRICAS Las redes inalámbricas son vulnerables a las fuentes externas de interferencias, tanto naturales como generadas por el hombre. Las fluctuaciones de temperatura y humedad pueden alterar en gran medida la cobertura de las redes inalámbricas. Los obstáculos dentro de un entorno inalámbrico también pueden afectar el rango. Las redes inalámbricas se agrupan en tres categorías principales: redes de área personal inalámbricas (WPAN). redes de área local inalámbricas (WLAN). redes de área extensa inalámbricas (WWAN). WPAN Es la red inalámbrica más pequeña, utilizada para conectar varios dispositivos periféricos, como mouse, teclados y PDA, a una computadora. Todos estos dispositivos están dedicados a un solo host, generalmente mediante la tecnología Bluetooth o IR. Ing. Marcos Huerta Sagástegui - 4 -

5 WLAN La WLAN se usa generalmente para ampliar los límites de la red de área local (LAN, local wired network). Las WLAN usan la tecnología RF y cumplen con los estándares IEEE Permiten a muchos usuarios conectarse a una red conectada por cable mediante un dispositivo conocido como punto de acceso (AP). El punto de acceso proporciona una conexión entre los hosts inalámbricos y los hosts en una red Ethernet conectada por cable. WWAN Las redes WWAN proporcionan cobertura en áreas extremadamente grandes. Un buen ejemplo de esta tecnología WWAN es la red por teléfono celular. Estas redes utilizan tecnologías como el acceso múltiple por división de código (CDMA, Code Division Multiple Access) o el sistema global para comunicaciones móviles (GSM, Global System for Mobile Communication) y están generalmente reguladas por entidades gubernamentales. ESTANDARES DE LAN INALAMBRICAS Se ha desarrollado una cantidad de estándares para garantizar que los dispositivos inalámbricos puedan comunicarse. El estándar IEEE rige el entorno WLAN. Existen cuatro enmiendas al estándar IEEE que describen diferentes características para las comunicaciones inalámbricas. Las enmiendas actualmente disponibles son a, b, g y n (802.11n no está ratificada en el momento de escribir este documento). Estas tecnologías se conocen grupalmente con el nombre Wi-Fi, amplia fidelidad. Otra organización, conocida como Wi-Fi Alliance, es responsable de probar los dispositivos LAN inalámbricos de distintos fabricantes. El logotipo Wi-Fi en un dispositivo significa que ese equipo cumple los estándares y debe interoperar con otros dispositivos del mismo estándar a: Usa el espectro de RF de 5 GHz No es compatible con el espectro de 2,4 GHz, es decir, dispositivos b/g/n. El rango es aproximadamente un 33% del rango de b/g. Su implementación resulta relativamente cara comparada con otras tecnologías. Es cada vez más difícil encontrar un equipo a compatible b: Primera de las tecnologías de 2,4 GHz Máximo de velocidad de transmisión de datos de 11 Mbps Rango de aproximadamente 46 m (150 pies) en interiores/96 m (300 pies) en exteriores g: Tecnologías de 2,4 GHz Máximo aumento de velocidad de transmisión de datos de 54 Mbps. Algunos rangos compatibles con b. Compatible con b n: El más nuevo de los estándares en desarrollo. Tecnologías de 2,4 GHz (el estándar borrador especifica compatibilidad con 5 GHz). Extiende el rango y la rendimiento. Compatible con equipos g y b existentes (el estándar borrador especifica compatibilidad con a). Ing. Marcos Huerta Sagástegui - 5 -

6 Componentes de una red Inalámbrica: Una vez que se adopta un estándar, es importante que todos los componentes dentro de la WLAN lo cumplan, o que al menos sean compatibles con ese estándar. Existen varios componentes que deben tenerse en cuenta en WLAN, incluidos: un cliente inalámbrico o STA, punto de acceso, bridge inalámbrico y una antena. 1. Cliente Inalámbrico: Todos los dispositivos host que puede participar en una red inalámbrica. La mayoría de los dispositivos que pueden conectarse a una red por cable tradicional se pueden conectar a una WLAN si están equipados son la NIC inalámbrica y el software adecuado. Pueden ser estacionarios ó portátiles. Se suelen denominar STA, abreviatura de estación en ingles. Estos son algunos ejemplos: computadoras portátiles, PDA, impresoras, proyectores y dispositivos de almacenamiento. 2. Punto de Acceso (AP): Controla el acceso entre una red por cable y una inalámbrica. Cumple la función de conversor de medios al aceptar tramas de Ethernet de la red por cable y convertirlas en tramas antes de transmitirlas en la WLAN. Acepta tramas de la WLAN y las convierte en tramas de Ethernet antes de colocarlas en la red por cable. Los puntos de acceso admiten conexiones inalámbricas dentro de un área limitada, conocida como celda ó conjunto de servicios básicos (BSS). Ing. Marcos Huerta Sagástegui - 6 -

7 3. Bridge Inalámbrico: Se usa para conectar dos redes por cable mediante un enlace inalámbrico. Permite establecer conexiones punto a punto de gran alcance entre redes. Al emplear las frecuencias de RF sin licencia se pueden conectar redes ubicadas a 40 km (25 millas) o más de distancia sin utilizar cables. ANTENAS Usadas en AP (puntos de acceso) y bridges inalámbricos. Aumentan la potencia de la señal de salida. Reciben señales inalámbricas de otros dispositivos como STA. El aumento en la potencia de la señal desde una antena se conoce como ganancia. Mayores ganancias se traducen en distancias de transmisión mayores. Las antenas se clasifican según la manera en que irradian la señal: Las antenas direccionales concentran la potencia de la señal en una dirección. Las antenas omnidireccionales están diseñadas para emitir de igual manera en todas las direcciones. Al concentrar toda la señal en una sola dirección, las antenas direccionales pueden obtener mayores distancias de transmisión. Las antenas direccionales se usan generalmente en aplicaciones de bridge, mientras que las antenas omnidireccionales se encuentran en AP. WLAN Y SSID Cuando se genera una red inalámbrica es importante que los componentes inalámbricos se conecten a la WLAN apropiada. Esto se realiza mediante un identificador del servicio (SSID, Service Set Identifier). El SSID es una cadena alfanumérica que distingue entre mayúsculas y minúsculas y consta de hasta 32 caracteres. Se envía en el encabezado de todas las tramas transmitidas por la WLAN. El SSID se utiliza para comunicar a los dispositivos inalámbricos a qué WLAN pertenecen y con qué otros dispositivos pueden comunicarse. Independientemente del tipo de instalación WLAN, todos los dispositivos inalámbricos en una WLAN pueden configurarse con el mismo SSID a fin de poder realizar la comunicación. Existen dos tipos básicos de instalaciones WLAN: 1. Ad hoc La manera más simple de red inalámbrica se crea al conectar dos o más clientes inalámbricos en una red peer-to-peer. Una red inalámbrica establecida de esta manera se conoce como red ad-hoc y no incluye AP. Todos los clientes dentro de una red ad-hoc son iguales. El área cubierta por esta red se conoce como conjunto de servicios básicos independientes (IBSS, Independent Basic Service Set). Una red ad-hoc simple puede utilizarse para intercambiar archivos e información entre dispositivos sin el gasto ni la complejidad de comprar y configurar un AP. Ing. Marcos Huerta Sagástegui - 7 -

8 2. Modo de infraestructura A pesar de que una configuración ad-hoc puede ser buena para redes pequeñas, las redes más grandes requieren un solo dispositivo que controle las comunicaciones en la celda inalámbrica. Si está presente, un AP puede asumir este rol y controlar quién puede hablar y cuándo. Esto se conoce como modo de infraestructura y es el modo de comunicación inalámbrica más usado en los entornos domésticos y comerciales. En esta forma de WLAN, las STA inalámbricas no pueden comunicarse directamente entre sí. Para comunicarse, cada dispositivo debe obtener un permiso de un AP. El AP controla todas las comunicaciones y garantiza que todas las STA tengan igual acceso al medio. El área cubierta por un solo AP se conoce como un conjunto de servicios básicos (BSS, Basic Service Set) o celda. El conjunto de servicios básicos (BSS, Basic Service Set) es el elemento básico más pequeño de una WLAN. El área de cobertura de un solo AP es limitado. Para ampliar el área de cobertura, se pueden conectar varios BSS mediante un sistema de distribución (DS). Esto forma un conjunto de servicios extendidos (ESS, Extended Service Set). Un ESS utiliza varios AP. Cada AP es un BSS separado. A fin de permitir el movimiento entre las celdas sin que se pierda señal, los BSS deben superponerse en aproximadamente un 10%. Esto le permite al cliente conectarse a un segundo AP antes de desconectarse del primero. Canales Inalámbricos: Independientemente de si los clientes inalámbricos se están comunicando con IBSS, BSS o ESS, la conversación entre el emisor y el receptor debe controlarse. Una manera de lograrlo es el uso de Canales. Los canales se crean al dividir el espectro de RF disponible. Cada canal puede transportar una conversación diferente. Esto es similar a la manera en que los distintos canales de televisión se transmiten por un único medio. Varios AP pueden funcionar muy cerca unos de otros siempre que utilicen diferentes canales para la comunicación. Ing. Marcos Huerta Sagástegui - 8 -

9 Lamentablemente, es posible que las frecuencias utilizadas por algunos canales se superpongan con las utilizadas por otros. Diferentes conversaciones deben realizarse en canales no superpuestos. La cantidad y la distribución de canales varían según la región y la tecnología. La selección de un canal usado para una conversación específica puede configurarse manual o automáticamente, según factores como el uso actual y el rendimiento disponible. Normalmente, cada conversación inalámbrica utiliza un canal individual. Algunas de las más nuevas tecnologías combinan los canales para crear un solo canal amplio, que proporciona más ancho de banda y aumenta la velocidad de transmisión de datos. Dentro de una WLAN, la falta de límites bien definidos hace imposible detectar si se producen colisiones durante una transmisión. Por lo tanto es necesario usar un método de acceso en una red inalámbrica que garantice que no se produzcan dichas colisiones. Las tecnologías inalámbricas utilizan un método de acceso denominado acceso múltiple por detección de portadora con prevención de colisiones (CSMA/CA, Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). CSMA/CA crea una reserva en el canal para que sea utilizada por una conversación específica. Cuando existe una reserva ningún otro dispositivo puede transmitir en el canal, por lo que se evitan posibles colisiones. Cómo funciona este proceso de reserva? Si un dispositivo requiere el uso de un canal específico de comunicación en un BSS, debe solicitar permiso al AP. Esto se conoce como solicitud para enviar (RTS, Request to Send). Si el canal se encuentra disponible, el AP responderá al dispositivo con el mensaje de listo para enviar (CTS, Clear to Send), que indica que el dispositivo puede transmitir por el canal. El mensaje CTS se transmite a todos los dispositivos dentro del BSS. Por lo tanto todos los dispositivos en el BSS saben que el canal solicitado está ahora en uso. Una vez que la conversación se completa, el dispositivo que solicitó el canal envía otro mensaje, conocido como acuse de recibo (ACK, Acknowledgement) a un AP. El ACK indica al AP que el canal puede liberarse. Este mensaje se transmite a todos los dispositivos dentro de la WLAN. Todos los dispositivos dentro del BSS reciben ACK y saben que el canal está nuevamente disponible. Ing. Marcos Huerta Sagástegui - 9 -

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