Redes Inalámbricas Diseño

Transcripción

1 Redes Inalámbricas Diseño SASCO 9 de julio de 2012

2 Tabla de contenidos 1 Introducción 2 Enlaces punto a punto Enlaces punto a multipunto Nubes multipunto a multipunto 3 Modo maestro Modo cliente Modo ad-hoc Modo monitor 4 Cálculos Interferencia Repetidores Optimización del tráfico

3 Introducción Qué se desea conectar? Cuáles son las expectativas de crecimiento? Una arquitectura de red inalámbrica en algún punto deberá converger hacia una red cableada. Diseño de la red implicará más que solo antenas. Al igual que en otros aspectos de redes, diferentes soluciones para diferentes problemas.

4 Introducción (2) Conceptos mínimos que son necesarios: Direccionamiento. VLSM. Enrutamiento. Cortafuegos. Conmutadores.

5 Introducción (3) Figura: Modelo de interconexión de sistemas abiertos

6 Enlaces punto a punto Enlaces punto a multipunto Nubes multipunto a multipunto Cómo se organizará la red para entregar el servicio que se requiere? Se necesita: un enlace dedicado entre dos puntos? que un solo punto ilumine otros? comunicación descentralizada entre los clientes? redundancia en los posibles caminos de la red?

7 Enlaces punto a punto Enlaces punto a punto Enlaces punto a multipunto Nubes multipunto a multipunto Utilizados para realizar una conexión dedicada entre dos puntos. Uso de antenas direccionales. Ancho de banda disponible es utilizado sólo por el nodo cliente. Destinado a establecer una conexión entre grandes distancias o bien cuando se requiere de un canal reservado por los datos que se transportan.

8 Enlaces punto a punto (2) Enlaces punto a punto Enlaces punto a multipunto Nubes multipunto a multipunto Figura: Enlace punto a punto

9 Enlaces punto a punto (3) Enlaces punto a punto Enlaces punto a multipunto Nubes multipunto a multipunto Se pueden realizar diversos enlaces punto a punto para alcanzar finalmente el lugar de interés, en caso que no haya ĺınea visual directa. Además es posible utilizar múltiples enlaces punto a punto para alcanzar diferentes lugares, problema?. Recordar concepto de las zonas de Fresnel, como se sabe quienes participan en este enlace y donde estarán siempre ubicados, se pueden realizar los cálculos relacionados.

10 Enlaces punto a multipunto Enlaces punto a punto Enlaces punto a multipunto Nubes multipunto a multipunto Este es el esquema más conocido por su uso en redes domésticas. En este esquema multiples puntos (clientes) se conectan a un punto central. Clientes se comunican entre sí a través del punto central de conexión. El uso de antenas más común corresponde a omnidireccionales, pero no es obligatorio.

11 Enlaces punto a multipunto (2) Enlaces punto a punto Enlaces punto a multipunto Nubes multipunto a multipunto Figura: Enlace punto a multipunto

12 Enlaces punto a multipunto (3) Enlaces punto a punto Enlaces punto a multipunto Nubes multipunto a multipunto Su diseño dependerá de diferentes factores: Cantidad de clientes. Ubicación de los clientes. Distancias a cubrir. Ancho de banda requerido por los clientes. Datos que se transportan. Este tipo de redes también son denominadas Infraestructura.

13 Nubes multipunto a multipunto Enlaces punto a punto Enlaces punto a multipunto Nubes multipunto a multipunto También denominadas redes Ad-Hoc o redes Mesh (malla). No hay un punto central. Equipos se conectan directamente con quienes estén a su alcance. Se puede alcanzar toda la red sin estar conectado con todos los equipos de la misma.

14 Nubes multipunto a multipunto (2) Enlaces punto a punto Enlaces punto a multipunto Nubes multipunto a multipunto Figura: Enlace multipunto a multipunto

15 Redes inalámbricas IEEE Modo maestro Modo cliente Modo ad-hoc Modo monitor Para poder establecer una conexión, primero la capa 1 debe estar operando. Dispositivos deben utilizar el mismo canal para comunicarse. Una vez se opera en el mismo canal se puede iniciar la negociación para operar en capa 2, aquí existen diversos modos de funcionamiento: Modo maestro. Modo cliente. Modo ad-hoc. Modo monitor.

16 Modo maestro Introducción Modo maestro Modo cliente Modo ad-hoc Modo monitor Se crea una red con un nombre, SSID (Service Set Identifier). Todos los nodos se comunican a través del dispositivo en modo maestro (como en telefonía celular). Equipo en modo maestro es un nodo más de la red, pero podría estar fuera de la misma. Nodo debe autenticar a los clientes inalámbricos, controlar el acceso al canal, repetir paquetes, en general cualquier acción relacionada con la administración será responsabilidad de este nodo.

17 Modo cliente Introducción Modo maestro Modo cliente Modo ad-hoc Modo monitor Nodos se unen a una red creada por un nodo maestro. Canal es ajustado automáticamente al canal del nodo maestro. Se presentan credenciales (como una clave WEP). Se genera una asociación con el nodo maestro. Nodos en modo cliente no se comunican con otros clientes de forma directa, deben pasar por el nodo maestro.

18 Modo ad-hoc Introducción Modo maestro Modo cliente Modo ad-hoc Modo monitor Se crea una red de tipo malla. Se debe acordar un nombre de red y un canal. Nodos se comunican directamente entre sí. Nodos deben estar dentro de alcance para poder comunicarse. Equipos fuera de alcance pueden ser accesibles mediante otros nodos.

19 Modo ad-hoc (2) Introducción Modo maestro Modo cliente Modo ad-hoc Modo monitor Situaciones en redes infraestructura: Nodos deben ver al nodo principal para comunicarse. Nodos no pueden comunicarse entre si. Cada tráfico es enviado 2 veces, una al nodo maestro y otra al destinatario. Velocidad real será 1/2 de la velocidad esperada del enlace.

20 Modo ad-hoc (3) Introducción Modo maestro Modo cliente Modo ad-hoc Modo monitor En modo ad-hoc no hay jerarquía de nodos. Nodos deben aplicar enrutamiento para poder alcanzar nodos que no ven directamente. Si hay más nodos, mas cobertura podrá tener la red. Sin embargo habrá más interferencia al utilizar el mismo canal. Lo anterior podría implicar diminución de la velocidad en la transmisión.

21 Enrutamiento Introducción Modo maestro Modo cliente Modo ad-hoc Modo monitor Alternativas son: estático y dinámico. Al igual que en redes cableadas, mismas ideas aplican para determinar que tipo de enrutamiento utilizar. Básicamente si la topología es dinámica, y los nodos pueden entrar y salir de la red o cuando existe más de una ruta posible, se recomendará el utilizar enrutamiento dinámico. Protocolos como OSPF podrían ser utilizados, pero no esta optimizado para redes inalámbricas.

22 OLSR Introducción Modo maestro Modo cliente Modo ad-hoc Modo monitor Optimized Link State Routing Protocol. Protocolo de enrutamiento IP. Protocolo funciona mediante el estado de los enlaces. Estandarizado por la IETF en la RFC 3626 (OLSRv1). Implementación OpenSource

23 OLSRd Introducción Modo maestro Modo cliente Modo ad-hoc Modo monitor Link Quality Extension mide la cantidad de paquetes perdidos entre nodos y calcula las rutas de acuerdo con esta información. Cada nodo conocerá la existencia de otros nodos y las rutas para accederlos. Se mantienen tablas para curbrir toda la red en malla, enrutamiento proactivo. Desventajas: alto tráfico del protocolo y uso de CPU. Nodos estáticos, menos carga para el protocolo de enrutamiento.

24 Modo monitor Introducción Modo maestro Modo cliente Modo ad-hoc Modo monitor Permite escuchar el tráfico que se cursa en un determinado canal. En modo monitor los nodos no transmiten datos, forma pasiva. Este modo no se utiliza para comunicaciones normales. Utilizado para capturar el tráfico y poder analizarlo.

25 Modos Introducción Modo maestro Modo cliente Modo ad-hoc Modo monitor Figura:

26 Cálculos Interferencia Repetidores Optimización del tráfico La tasa de transferencia estipulada por los protocolos (y equipos) es la tasa máxima de transferencia teórica de símbolos, no solo datos del usuario. En redes inalámbricas el porcentaje de overhead será mayor que en redes cableadas. Datos pueden quedar en espera, o eventualmente ser descartados.

27 (2) Cálculos Interferencia Repetidores Optimización del tráfico La tasa de transferencia variará dependiendo de los usuarios, aplicaciones y condiciones del enlace. Al igual que en redes cableadas no es tan fácil saber que harán exactamente los usuarios en la red. Tampoco se espera que los usuarios utilicen al mismo tiempo y de forma ininterrumpida el enlace.

28 (3) Cálculos Interferencia Repetidores Optimización del tráfico Enlace inalámbrico como mínimo utilizará dos nodos. Presupuesto de potencia: cálculo de la potencia para el enlace. Pérdida en la trayectoria: como se atenuara la señal del enlace desde el punto A al B.

29 Potencia del enlace Introducción Cálculos Interferencia Repetidores Optimización del tráfico Potencia de transmisión (P TX ): expresada en mw o dbm, entregada por el fabricante (limitada por regulaciones). Ganancia de las antenas (G): equipos pasivos, gracias a su forma crean amplificación, se expresa en dbi. Perdida en los cables (L c ): energía que se pierde en cables, conectores, se expresa en db. Mínimo nivel de señal recibida (RSL), nivel más bajo que la red inalámbrica puede distinguir, expresado en dbm. P enlace = P TX + G L c > RSL

30 Pérdida en la trayectoria Cálculos Interferencia Repetidores Optimización del tráfico Durante el viaje de la señal desde el transmisor al receptor la intensidad de la señal (específicamente, la potencia) puede verse afectada por diferentes motivos. La potencia del enlace será disminuida mientras más lejanos se encuentren los enlaces. Lo anterior debido a la dispersión de las ondas (principio de Huygens/Fresnel). Pérdida en el espacio libre (FSL o L fs ): será la pérdida debida exclusivamente a la distancia entre dos puntos en el aire. Ya que es en espacio libre, se asume ĺınea de visión (incluyendo espacio de la primera zona de Fresnel).

31 Pérdida en el espacio libre Cálculos Interferencia Repetidores Optimización del tráfico Fórmula de pérdida en el espacio libre L fs = ( 4πd λ )2 Fórmula L fs para 2.4[GHz] en dbm L fs = log(d)

32 Atenuación Introducción Cálculos Interferencia Repetidores Optimización del tráfico La atenuación ocurre al encontrar obstáculos en el camin. Parte de la potencia es absorbida. Se define una pérdida estimada de los obstáculos. Pérdidas estimadas Árboles de 10 a 20 db. Paredes 10 a 15 db.

33 Multitrayectoria Introducción Cálculos Interferencia Repetidores Optimización del tráfico La dispersión de la señal (o la multitrayectoria) es causada por cuando las ondas viajan por diferentes caminos para llegar al destino. En el caso anterior, el peor escenario es cuando las señales lleguene en fases diferentes que anulen la señal. Se pueden utilizar múltiples antenas en un solo receptor para recibir una señal utilizable (esperando que no se sumen en diferente fase). MIMO (Multiple Input, Multiple Output): varias vías de transmisión con sus propias antenas.

34 Cálculos Interferencia Repetidores Optimización del tráfico Pérdida en la trayectoria (conclusión) Determinar la pérdida en la trayectoria es un proceso complicado. Se deben considerar múltiples factores, donde lo más crítico son los obstáculos del medio ambiente. En un enlace con ĺınea de visión solo se considerará la pérdida en el espacio libre. Pérdida total sugerida por WNDW L t = n log 10 (d) + L estimada

35 Factibilidad del enlace Cálculos Interferencia Repetidores Optimización del tráfico Fórmula para la factibilidad P enlace = P TX + G L c L t > RSL Nivel de señal resultante (P enlace ) debe ser mayor que el nivel mínimo de señal recibida (RSL) que acepta el dispositivo en el extremo. RSL es un valor negativo, y será la cantidad de señal recibida por el radio

36 Ejemplo de factibilidad del enlace Cálculos Interferencia Repetidores Optimización del tráfico 20 dbm (TX Potencia del Radio 1) + 10 dbi (Ganancia de la Antena de Radio 1) - 2 db (Pérdida en los Cables de Radio 1) + 14 dbi (Ganancia de la Antena de Radio 2) - 2 db (Pérdida en los Cables de Radio 2) = 40 db Ganancia Total L fs = log 10 (5000) = 114dB P enlace = 40dB 114dB = 74dBm

37 Cálculos Interferencia Repetidores Optimización del tráfico Ejemplo de factibilidad del enlace (2) Cuál es la ganancia de la antena en el otro sentido del enlace? Qué sucede con la factibilidad del enlace en la otra dirección? Qué sucede con la pérdida en el espacio libre en la otra dirección? Qué sucede si llueve? Se puede aumentar la potencia de transmisión para mejorar el enlace?

38 Interferencia Introducción Cálculos Interferencia Repetidores Optimización del tráfico Bandas ISM son muy propensas a la interferencia, múltiples vendedores las utilizan. Aumentar la direccionalidad (y con ello la ganancia) de las antenas en enlaces punto a punto. Uso de antenas sectoriales en vez de omnidireccionales. Evitar uso de amplificadores. Elección del canal. Más ruido, enlaces más cortos, división de enlaces punto a punto. Utilizar tecnología a (5 GHz).

39 Repetidores Introducción Cálculos Interferencia Repetidores Optimización del tráfico Enlaces de larga distancia (generalmente punto a punto) lo más crítico es la ĺınea de visión. No se pueden atravesar montañas, pero mediante el uso de repetidores se pueden aprovechar. En una red mesh cada nodo es un repetidor. Mediante repetidores se pueden alcanzar puntos que están fuera de nuestra visión (alcance). Alternativas: Uso de un equipos configurado como repetidor. Uso de dos o más equipos para repetir.

40 Repetidores (2) Introducción Cálculos Interferencia Repetidores Optimización del tráfico Figura: Repetidor pasando por encima del obstáculo

41 Repetidores (3) Introducción Cálculos Interferencia Repetidores Optimización del tráfico Figura: Repetidor rodeando el obstáculo

42 Repetidores (4) Introducción Cálculos Interferencia Repetidores Optimización del tráfico Figura: Repetidor alejado del obstáculo

43 Optimización del tráfico Cálculos Interferencia Repetidores Optimización del tráfico Mejora la experiencia de los enlaces el uso de servidores proxy con cache? Cuándo es recomendable la utilización de servidores proxy? El objetivo es la eliminación de tráfico indeseado, que no es necesario para la operación de la red o que puede ser disminuido. Restricción de aplicaciones P2P. Asignación de IP fija. Límite en la calidad de voz o video.