1 Proyecto de Diseño, instalación, configuración y puesta en marcha de una red Wifi para tres sedes de Lasalle College International Edwin Franklin Camacho Garcés, Iván Darío Garzón Sosa Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica - Ingeniería de Telecomunicaciones Abstract Lasalle College international, ha querido tener una proyección digital confiable e innovadora, implementando un nuevo diseño en la red de la Universidad. Interconectando tres de las sedes que pertenecen a esta institución y brindar total cobertura WiFi. Con base en esto se planea crear una salida que cubra completamente con estos requerimientos, diseñando una solución de acceso inalámbrica para la conectividad de las diferentes sedes, en donde se brindará los servicios de Internet, voz y datos. En este documento se describirá en detalle la selección de tecnologías a utilizar, características, ventajas y todo lo relacionado con el aporte al diseño de la solución que se propone ejecutar. Index Terms Wifi, conectividad, cobertura, red, datos, Internet, servidor, cliente, usuario, radio enlace, microondas. I. INTRODUCCIÓN En nuestro entorno actual, las comunicaciones se han convertido en uno de los pilares fundamentales para el desarrollo de las comunidades; el desarrollo de la tecnología ha permitido que la información no conozca fronteras al momento de ser transportada hacia los diferentes países del mundo, esto debido a la existencia de numerosas redes mundiales de telefonía, redes satelitales, radio y televisión y el enorme desarrollo de la informática. Lasalle college International es una entidad que constantemente busca mejorar sus estandares educativos, por tal motivo debe mantener su red de datos a punto, esto dado que sus carreras principales incluyen el diseño por computador, por la tanto se deben compartir grandes cantidades de información. La Institución decide a partir de la necesidad crear el proyecto, con asesoria de SDT Ingeniería SAS. Es en ese marco en que los estudiantes de la Universidad Distrital llegan a relizar los análisis pertinentes, en base tanto al problema como a las posibles soluciones ofrecidas por la compañia con el fin de lograr la solución mas óptima a nivel técnico-económico. II. TECNOLOGÍAS ACTUALES A. Redes Metropolitanas (MAN) Una red de Área Metropolitana (Metropolitan Area Network), es una red de alta velocidad que dando cobertura en un área geográfica extensa, proporciona capacidad de integración de múltiples servicios mediante la transmisión de datos, voz y video, sobre medios de transmisión tales como fibra óptica, par trenzado de cobre y equipos de radio a velocidades que van desde los 2 Mbps hasta 155 Mbps. El concepto de red de área metropolitana representa una evolución del concepto de red de área local a un ámbito más amplio, cubriendo áreas mayores que en algunos casos no se limitan a un entorno metropolitano sino que pueden llegar a una cobertura regional e incluso nacional mediante la interconexión de diferentes redes de área metropolitana. 1) Aplicaciones: Las redes de área metropolitana tienen muchas y variadas aplicaciones, las principales son: Interconexión de redes de área local (LAN). Interconexión de plantas telefónicas digitales (PBX y PABX). Interconexión ordenador a ordenador. Transmisión de video e imágenes. Paso intermedio para redes de área extensa (WAN). 2) Redes MAN Públicas y Privadas: Las redes de área metropolitana pueden ser públicas o privadas. Un ejemplo de una red MAN privada sería un gran departamento o administración con edificios distribuidos por toda una ciudad, transportando todo el tráfico de voz y datos entre edificios y consolidando la información externa por medio de los operadores locales. Los datos podrían ser transportados entre los diferentes edificios, bien en forma de paquetes o sobre canales de ancho de banda fijos. Un ejemplo de redes MAN Públicas es la infraestructura que un operador de telecomunicaciones instala en una ciudad con el fin de ofrecer servicios de banda ancha a sus clientes localizados en esta área geográfica. B. Topologías de Red 1) Topología Estrella: La topología en estrella es una topología de red muy común en las redes de computadores. En la forma más simple, una topología en estrella consta de un dispositivo central (Switch) que actúa como dispositivo para retransmitir los mensajes. Cuando se aplica a redes basadas en bus, este hub central retransmite todas las transmisiones recibidas desde cualquier nodo periférico a todo el resto de nodos, a veces incluido el nodo original. Todos los nodos periféricos se pueden comunicar con los demás transmitiendo o recibiendo del nodo central solamente. Un fallo en la línea de conexión de cualquier nodo con el nodo central provocaría el aislamiento de ese nodo respecto a los demás. Ventajas de la Topología Estrella:
2 Figura 1. Redes punto - multipunto Figura 2. Redes mesh Fácil de implementar y de ampliar, incluso en grandes redes. Adecuada para redes temporales (instalación rápida). El fallo de un nodo periférico no influirá en el comportamiento del resto de la red. Sistema muy fiable. No hay problemas con anchos de banda y colisiones, ya que cada usuario tiene su propio medio de comunicación. Desventajas de la Topología Estrella:: Número de nodos limitados. El fallo del nodo principal puede afectar el funcionamiento de toda la red. Dependiendo del medio de transmisión, se puede tener limitantes en las longitudes hacia otros nodos y hacia usuarios finales. C. Redes MESH Las redes inalámbricas MESH, redes acopladas, o redes de malla inalámbricas, son aquellas redes en las que se mezclan las dos topologías de las redes inalámbricas, la topología Ad hoc y la topología infraestructura. Básicamente son redes con topología de infraestructura, pero que permiten unirse a la red a dispositivos que a pesar de estar fuera del rango de cobertura de los puntos de acceso están dentro del rango de cobertura de alguna tarjeta de red (TR) que directamente o indirectamente está dentro del rango de cobertura de un punto de acceso (AP). También permiten que las tarjetas de red se comuniquen entre sí, independientemente del punto de acceso. Esto quiere decir que los dispositivos que actúan como tarjeta de red pueden no mandar directamente sus paquetes al punto de acceso sino que pueden pasárselos a otras tarjetas de red para que lleguen a su destino. Para que esto sea posible es necesario el contar con un protocolo de enrutamiento que permita transmitir la información hasta su destino con el mínimo número de saltos (Hops en inglés) o con un número que aún no siendo el mínimo sea suficientemente bueno. Es tolerante a fallos, pues la caída de un solo nodo no implica la caída de toda la red. Antiguamente no se usaba la estructura de redes Mesh porque el cableado necesario para establecer la conexión entre todos los nodos era imposible de instalar y de mantener. Hoy en día con la aparición de las redes wireless este problema desaparece y nos permite disfrutar de sus grandes posibilidades y beneficios. A modo de ejemplo podemos ver la estructura de una red inalámbrica Mesh formada por siete nodos. Se puede ver que cada nodo establece una comunicación con todos los demás nodos. D. Estándares 1) WiFi: Wi-Fi (o Wi-fi, WiFi, Wifi, wifi) es un conjunto de estándares para redes inalámbricas basados en las especificaciones IEEE 802.11. Creado para ser utilizado en redes locales inalámbricas, es frecuente que en la actualidad también se utilice para dar acceso a Internet. Wi-Fi es una marca de la WiFi Alliance (anteriormente la WECA: Wireless Ethernet Compatibility Alliance), la organización comercial que adopta, prueba y certifica que los equipos cumplen los estándares 802.11. El principal objetivo de la creación del estándar fue resolver los problemas de compatibilidad. Para resolver este problema, los principales vendedores de soluciones inalámbricas crearon en 1999 una asociación conocida como la WECA. El objetivo de esta asociación fue crear una marca que permitiese fomentar más fácilmente la tecnología inalámbrica y asegurarse de la compatibilidad de equipos. De esta forma en abril de 2000 WECA certifica la interoperatibilidad de equipos según la norma IEEE 802.11b bajo la marca Wi-Fi (Wireless Fidelity, Fidelidad Inalámbrica). Esto quiere decir que el usuario tiene la garantía de que todos los equipos que tenga el sello Wi-Fi pueden trabajar juntos sin problemas independientemente del fabricante de cada uno de ellos. La norma IEEE.802.11 fue diseñada para sustituir a las capas físicas y MAC de la norma 802.3 (Ethernet). Esto quiere decir que en lo único que se diferencia una red Wi-Fi de una red Ethernet, es en la forma como los ordenadores y terminales en general acceden a la red; el resto es idéntico. Por tanto una red local inalámbrica 802.11 es completamente compatible con todos los servicios de las redes locales de cable 802.3 (Ethernet). Hay tres tipos de Wi-Fi, basado cada uno de ellos en un estándar IEEE 802.11 aprobado. Un cuarto estándar, el 802.11n, está siendo elaborado y se espera su
3 aprobación final para la segunda mitad del año 2007. Los estándares IEEE 802.11b e IEEE 802.11g disfrutan de una aceptación internacional debido a que la banda de 2.4 GHz está disponible casi universalmente, con una velocidad de hasta 11 Mbps y 54 Mbps, respectivamente. Existe también un primer borrador del estándar IEEE 802.11n que trabaja a 2.4 GHz a una velocidad de 108 Mbps. Aunque estas velocidades de 108 Mbps son capaces de alcanzarse ya con el estándar 802.11g gracias a técnicas de aceleramiento que consiguen duplicar la transferencia teórica. Actualmente existen ciertos dispositivos que permiten utilizar esta tecnología, denominados Pre-N, sin embargo, no se sabe si serán compatibles ya que el estándar no está completamente revisado y aprobado. En la actualidad ya se maneja también el estándar IEEE 802.11a, conocido como WIFI 5, que opera en la banda de 5 GHz y que disfruta de una operatividad con canales relativamente limpios. La banda de 5 GHz ha sido recientemente habilitada y, además no existen otras tecnologías (Bluetooth, microondas, etc.) que la estén utilizando, por lo tanto hay muy pocas interferencias. La tecnología inalámbrica Bluetooth también funciona a una frecuencia de 2.4 GHz por lo que puede presentar interferencias con Wi-Fi, sin embargo, en la versión 1.2 y mayores del estándar Bluetooth se ha actualizado su especificación para que no haya interferencias en la utilización simultánea de ambas tecnologías. 2) WiMAX: WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access es una tecnología apoyada por un gran número de compañías importantes en el mundo, agrupadas en el WiMAX Forum, la cual podría poner en apuros a otras tecnologías debido a su flexibilidad (compatibilidad con otras tecnologías existentes en el mercado), su alta velocidad y uno de los aspectos más importantes, que es mucho mas económico que otras tecnologías debido en gran parte a la cobertura que puede ofrecer. Puede ofrecer velocidades desde 11 Mbps hasta 54 Mbps. Esta es una tecnología MAN (de área metropolitana), en principio esta conformada por radio bases con antenas emisoras receptoras con capacidad de dar servicio a zonas de cobertura específica, esta es una tecnología complementaria a las redes WLAN. Su instalación es muy sencilla y su precio mucho más competitivo en comparación con otras tecnologías de acceso inalámbrico. Esta tecnología se desarrolló para soluciones punto multipunto y no requiere línea de vista directa hacia las radio bases lo que le da una gran diferencia en comparación con otras tecnologías inalámbricas actuales. Se tiene equipos disponibles en los rangos de frecuencia de 3,5 Ghz y 10,5 Ghz (bandas licenciadas), y las de 2,4 Ghz y 5,8 Ghz que son de uso común y no requieren de licencia alguna. Un aspecto importante del estándar 802.16x es que define un nivel de MAC que soporta múltiples enlaces físicos. WiMAX está basado en OFDM, y con 256 subportadoras puede cubrir un área de 50 kilómetros permitiendo la conexión sin línea vista, es decir, con obstáculos interpuestos, con capacidad para transmitir datos a una tasa de hasta 75 Mbps con un índice de modulación de 5.0 bps/hz y da soporte para miles de usuarios con una escalabilidad de canales de 1,5 MHz a 20 MHz. Otra característica de WiMAX es que soporta las llamadas antenas inteligentes (smart antenas), propias de las redes 3G llegando a conseguir 5 bps/hz, el doble que 802.11a. Figure 3. Conectores de fibra óptica Estas antenas inteligentes emiten un haz muy estrecho que se puede ir moviendo, electrónicamente, para enfocar siempre al receptor, con lo que se evitan las interferencias entre canales adyacentes y se consume menos potencia al ser un haz más concentrado. En cuanto a seguridad, incluye medidas para la autenticación de usuarios y el cifrado de los datos mediante los algoritmos Triple DES (128 bits) y RSA (1.024 bits), que en comparación con WIFI es sin duda alguna mucho más seguro. WiMAX compite con los tradicionales de GSM, GPRS y de UMTS. Otra de sus aplicaciones es ofrecer servicios a zonas rurales de difícil acceso, llamadas última milla, a las que no llegan las redes cableadas dando de este modo un servicio de telecomunicaciones (servicios universales de telecomunicaciones). Es una ideal para establecer radioenlaces, dado su gran alcance y capacidad, a un precio muy competitivo. III. ESTADO DEL ARTE El estado del arte se divide en tres temas principales: Conectividad entre sedes, redes LAN cableadas y Wifi y servidores. A. Conectividad entre sedes En el mercado existen varios medios de conexión entre sitios que no se encuentran en una misma ubicación geográfica. Los más polulares en Colombia son: canal arrendado, comunicación satelital, VPN y radio enlaces. 1) Canales arrendados: Los canales arrendados son líneas de comunicación que provee un ISP (Internet Services Provider), llevando un terminal a cada sitio de interés. Generalmente los canales dedicados para Empresas son conexiones de fibra óptica, el ISP brinda tanto la conexión como el equipo de red necesario para establecer la comunicación deseada. El cliente recibe un punto de conexión ya seas plug RJ-45 ó plug de fibra óptica. Los precios de esta dorma de conexión generlamente se pagan mes a mes, con una valor aproximado de $500.000
4 por 1 Mbps, $700.000 para 2 Mbps. La administración y mantenimiento total de los canales y equipos necesarios para la conexión (incluidos los instalados en las oficinas del cliente) es asumida totalmente por el ISP. Las principales desventajas de este tipo de conexión es que el ancho de banda es limitado por el presupuesto, tambien que mensualmente se debe pagar un costo, una cuota, el canal de comunicación nunca pertenece al cliente. 2) Conexión satelital: Una de las grandes ventajas de la comunicación satelital es su gran cobertura, pues tiene alcance a casi todos los lugares habitados en la tierra. Un satelite típico tiene un ancho de banda de 500 MHz, con una eficiencia de 1 bit/s por Hz, es decir tiene una capacidad de 500 Mbit/s, este ancho de banda se puede dividir en diferentes aplicaciones de voz, datos y video. Una comunicación satelital consta de dos partes: terrestre y espacial. La parte terrestre tiene los componente de control de operación, las interfaces a otras redes y los sistemas de operación de los satelites. La otra parte esta formada por los satelites, los cuales se clasifican en de órbita geoestacionaria (GSO) y no geoestacionaria (NGSO), divididos a su vez en de órbita media MEO y de órbita baja LEO. Los satelites GSO estan ubicados a una altura de 35.786 Km sobre la línea ecuatorial. La latencia típica para un enlace satelital GSO es entre 250 ms a 280 ms, lo cual es un problema para aplicaciones en tiempo real. Los satelite MEO estan a una altura de 3000 Km y tienen una latencia típica entre 110 ms y 130 ms. Los satelites LEO se ubican en alturas entre los 200 Km y 300 Km y su latencia es de 20 ms a 25 ms, lo cual se asimila mucho más a un enlace terrestre. Con lo anterior se evidencia que la latencia es una desventaja de una comunicación satelital. La otra desventaja es el precio, el cual es aproximadamente de $1.000.000 por 1 Mbps, si se quiere un enlace dedicado el coto aumenta cerca de un 70%. Entonces haciendo un comparativo de precio y latencia vs beneficio, se gana poco. 3) VPN: La VPN crea una red privada a través de una infraestructura de red pública, mientras mantiene la confidencialidad y la seguridad. Las VPN usan protocolos de tunneling criptográficos para brindar protección contra detectores de paquetes, autenticación de emisores e integración de mensajes. La figura muestra una topología de VPN típica. Los componentes necesarios para establecer esta VPN incluyen lo siguiente: Una red existente con servidores y estaciones de trabajo Una conexión a Internet Gateways VPN, como routers, firewalls, concentradores VPN y ASA, que actúan como extremos para establecer, administrar y controlar las conexiones VPN Software adecuado para crear y administrar túneles VPN La clave de la eficacia de la VPN es la seguridad. Las VPN protegen los datos mediante encapsulación o encriptación. La mayoría de las VPN puede hacer las dos cosas. La encapsulación también se denomina tunneling, porque transmite datos de manera transparente de red a red a través de una infraestructura de red compartida. La encriptación codifica los datos en un formato diferente Figure 4. VPN mediante una clave secreta. La decodificación vuelve los datos encriptados al formato original sin encriptar. Una VPN, al igual que un canal dedicado requiere un gasto mensual, en este caso el usuario debe pagar el costo de los conexiones a Internet en cada una de las sedes a interconectar. Otra desventaja es que el ancho de banda es limitado por los recuros y por la seguridad de la VPN. 4) Medios Inalámbricos: Los estándares de IEEE y de la industria de las telecomunicaciones sobre las comunicaciones inalámbricas de datos abarcan la capas física y de Enlace de datos. Los cuatro estándares comunes de comunicación de datos que se aplican a los medios inalámbricos son: IEEE estándar 802.11: Comúnmente denominada Wi-Fi, se trata de una tecnología LAN inalámbrica (Red de área local inalámbrica, WLAN) que utiliza una contención o sistema no determinista con un proceso de acceso a los medios de Acceso múltiple con detección de portadora/prevención de colisiones (CSMA/CA). IEEE estándar 802.15: Red de área personal inalámbrica (WPAN) estándar, comúnmente denominada "Bluetooth", utiliza un proceso de emparejamiento de dispositivos para comunicarse a través de una distancia de 1 a 100 metros. IEEE estándar 802.16: Comúnmente conocida como WiMAX (Interoperabilidad mundial para el acceso por microondas), utiliza una topología punto a multipunto para proporcionar un acceso de ancho de banda inalámbrico. Sistema global para comunicaciones móviles (GSM): Incluye las especificaciones de la capa física que habilitan la implementación del protocolo Servicio general de radio por paquetes (GPRS) de capa 2 para proporcionar la transferencia de datos a través de redes de telefonía celular móvil. Estas tecnologías trabajan en bandas licenciadas y en bandas libres, la escogendia depende tanto del requerimiento como de los recursos para el proyecto. REFERENCES [1] C. A. Balanis, Antenna theory : analysis and design, ser. The Harper & Row series in electrical engineering. New York: Harper & Row, 1982. [2] F. G. Stremler and G. I. D. Sánchez, Introducción a los sistemas de comunicación. México: Addison-Wesley Pub. Co., 1998.
5 Figure 5. Medios inalámbricos [3] W. Tomasi, G. M. Hernández, and V. G. Bisogno, Sistemas de comunicaciones electrónicas. México: Pearson Educación, 2003. [4] Redes Wi-Fi. Anaya Multimedia-Anaya Interactiva, 2008. [5] R. L. Freeman and S. D. M. Basurto, Ingeniería de sistemas de telecomunicaciones. México: Limusa., 1996. [6] C. I. I. C. on Telecommunications in Modern Satellite and T. 99, The 4th International IEEE Conference on Telecommunicatios in Modern Satellite, Cable and Broadcasting Services, TELSIKS 99 was held at the Faculty of Electronic Engineering of the University of Nis, Yugoslavia, from October 13 through 15, 1999 : [papers from the field of VF and microwave electronics]., ser. Elektronika, 3,2. Banjaluka: Faculty of Electrical Engineering, Univ., 1999.