UNIVERSIDAD DE CHILE
FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
D
UALIDAD Y
C
ALIDAD DE
S
ERVICIO EN REDES
I
NALÁMBRICAS
MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERA CIVIL ELECTRICISTA
CAMILA TRINIDAD TRONCOSO SOLAR
PROFESOR GUÍA:
JUAN GONZÁLEZ ZEPEDA
MIEMBROS DE LA COMISIÓN:
HÉCTOR AGUSTO ALEGRÍA
NICOLÁS BELTRÁN MATURANA
SANTIAGO DE CHILE
ABRIL 2010
RESUMEN DE LA MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERA CIVIL ELECTRICISTA POR: CAMILA TRONCOSO SOLAR FECHA: ABRIL 2010
PROF. GUÍA: SR. JUAN M. GONZÁLEZ Z.
“D
UALIDAD YC
ALIDAD DES
ERVICIO EN REDESI
NALÁMBRICAS”
Las redes inalámbricas, a pesar de ser tecnologías relativamente recientes, han permitido un gran desarrollo de las telecomunicaciones. Entregan características de movilidad, servicios de voz sobre IP, identificación por radiofrecuencia, localización y distribución de Internet, entre otros.
En cuanto a las llamadas de voz sobre IP (VoIP), no se puede asegurar Calidad de Servicio en las redes inalámbricas comunes, por lo tanto las aplicaciones VoIP quedan restringidas en uso dentro de estas redes. En particular el desarrollo de la Telefonía Dual, que consiste en la generación de llamadas VoIP por parte de un teléfono celular, se ve limitado por esta restricción. Así, proveer al usuario de Calidad de Servicio, resulta un factor decisivo al elegir la tecnología VoIP sobre la telefonía tradicional.
El presente Trabajo de Título consiste en analizar los factores que inciden en la Calidad de Servicio de las aplicaciones de voz sobre IP en un enlace inalámbrico, y determinar el equipamiento y software necesario para la implementación de Telefonía Dual, con el fin de asegurar las condiciones adecuadas para desarrollar la convergencia de servicios.
Se estudia el comportamiento de una plataforma inalámbrica prototipo según los parámetros más importantes que determinan la Calidad de Servicio de un enlace, obteniéndose las características de desempeño y capacidad de la red. Posteriormente se implementa el estándar 802.11e para priorizar el tráfico de voz, mediante la incorporación de los parámetros EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) y se efectúa un análisis de la Calidad de Servicio entregada por el enlace. Luego se realiza un análisis de las características de los equipos que pueden actuar como teléfonos duales y se establece la operación de éstos mediante el uso de clientes SIP (Session Initiation Protocol). Para determinar el funcionamiento de la telefonía Dual en la red prototipo se realizan mediciones de Calidad de Servicio y de Handoff de las llamadas efectuadas a partir de esos dispositivos. Por último se seleccionan los equipos celulares y clientes SIP que se desempeñan mejor, para la implementación de la Telefonía Dual.
Los resultados finales contemplan una plataforma inalámbrica configurada para entregar Calidad de Servicio mediante parámetros EDCA especificados por Cisco Systems en el perfil “Voice Optimized”, que determinan la priorización de los flujos de voz en esa red. La cantidad máxima de usuarios simultáneos de aplicaciones de voz sobre IP que es capaz de soportar esta plataforma, de manera de mantener los límites de Calidad de Servicio establecidos por las entidades principales de las Telecomunicaciones, corresponde a 10 usuarios VoIP si se considera el estándar 802.11b y 30 usuarios VoIP para la red con estándar 802.11g. Además se dispone de una lista de 5 teléfonos celulares que permiten realizar llamadas de voz sobre IP mediante clientes SIP específicos que cumplen con los requerimientos de integración con el Sistema Operativo y de operación en la red inalámbrica.
Se concluye que sí es posible asegurar Calidad de Servicio en llamadas de voz sobre IP en una red inalámbrica preparada para Telefonía Dual. Para esto es necesario tener en consideración que la red debe operar con su mayor tasa de transmisión, respetar los límites de capacidad máximos determinados para cada Punto de Acceso e implementar el estándar 802.11e, para priorizar los tráficos de voz.
A
GRADECIMIENTOS
Quiero agradecer a mi familia por el apoyo que me entregó durante todos estos años y desde pequeña me enseñó que siempre hay que aspirar a más.
A mis compañeros, que me ayudaron y soportaron en todo momento, dándome ánimo y ganas para terminar.
A mi profesor Guía, que a pesar de todo el trabajo que tenía y las cuatro personas a las que guiaba en sus Memoria, contestó cada una de mis dudas y problemáticas.
A todas las personas que confiaron en mí y me dieron la oportunidad de crecer.
También quiero agradecer a una persona muy especial que durante todos estos años me acompañó y gracias a él logré entregar este trabajo.
i
T
ABLA DE CONTENIDO
CAPÍTULOI: INTRODUCCIÓN ...1 1.1 Motivación ... 1 1.2 Objetivos ... 2 1.2.1 Objetivos Generales ... 2 1.2.2 Objetivos Específicos ... 21.3 Planteamiento del Problema ... 2
1.4 Metodología... 3
1.5 Alcances del Trabajo... 4
1.6 Estructura de la Memoria ... 5
CAPÍTULOII: ANTECEDENTES...6
2.1 Redes Inalámbricas ... 6
2.1.1 Definición de Red Inalámbrica ... 6
2.1.2 Características de las Redes Inalámbricas 802.11x ... 6
2.1.3 Tipos de Redes Inalámbricas ... 7
2.1.4 La Capa Física en las Redes Inalámbricas ... 7
2.1.5 Dispositivos Inalámbricos ... 12
2.1.6 Modos de Operación de las Redes Inalámbricas 802.11x ... 12
2.1.7 Capa de Enlaces de Datos ... 13
2.2 Voz sobre IP ... 16
2.2.1 Arquitectura de Red ... 17
2.2.2 Protocolos de Voz sobre IP ... 18
2.2.3 Códecs de VOIP ... 21
2.3 Telefonía Dual ... 21
2.3.1 Teléfonos Duales con radios Celular y Wi-Fi... 22
2.4 Traspaso de llamadas entre Puntos de Acceso (Handoff) ... 23
2.4.1 Tipos de Handoff ... 23
2.4.2 Decisión de realizar el Handoff ... 24
2.5 Calidad de Servicio (QoS) ... 25
2.5.1 Calidad de Servicio orientada a la transmisión de Voz sobre IP en redes Inalámbricas . 25 2.5.2 Análisis Teórico del Desempeño de los Protocolos 802.11a/b/g. ... 27
2.5.3 Solución práctica para Calidad de Servicio en redes Inalámbricas 802.11a/b/g soportando soluciones de Voz sobre IP... 31
2.5.4 Herramientas para la medición de Calidad de Servicio ... 34
CAPÍTULOIII: DESARROLLO ... 37
3.1 Metodología Experimental ... 37
3.1.1 Metodología para Determinar el Comportamiento de una Red Inalámbrica 802.11 a/b/g/e ... 38
3.1.2 Metodología para la Implementación de Telefonía Dual ... 40
ii
3.1.4 Equipamiento y Software ... 42
3.2 Diseño Solución ... 44
3.2.1 Diseño Solución para Medición de Calidad de Servicio de la Red ... 45
3.2.2 Diseño Solución para Implementar Telefonía Dual ... 50
CAPÍTULOIV: RESULTADOS ... 56
4.1 Resultados Mediciones Calidad de Servicio Red Inalámbrica ... 56
4.1.1 Resultados para Red Unificada sin Estándar 802.11e ... 56
4.1.2 Resultados para Red Unificada con Tráfico Mixto y 802.11e ... 60
4.1.3 Resultados para Red Inalámbrica con Puntos de Acceso Autónomos ... 61
4.2 Resultados Implementación Telefonía Dual ... 62
4.2.1 Pruebas de Funcionamiento y Medición de Calidad de Servicio ... 63
4.2.2 Pruebas para el Análisis del Proceso de Handoff ... 64
CAPÍTULOV: ANÁLISIS Y DISCUSIÓN ... 65
5.1 De los Resultados y Características de la Solución ... 65
5.1.1 Tasa de Transmisión Efectiva de la Red Inalámbrica Unificada ... 65
5.1.2 Capacidad de la Red Inalámbrica Unificada ... 68
5.1.3 Capacidad de la Red Inalámbrica Autónoma ... 72
5.1.4 Implementación Telefonía Dual ... 74
5.2 Evaluación económica ... 76
5.2.1 Costos ... 76
5.2.2 Beneficios ... 77
5.2.3 ROI, Payback y VAN ... 79
5.3 Alcances Resultados ... 80
CAPÍTULOVI: CONCLUSIONES... 81
6.1 Conclusiones ... 81
6.2 Trabajo Futuro ... 82
ABREVIACIONES Y ACRÓNIMOS ... 84
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 86
ANEXOA ... 90
A.1 Instalación Fedora 10 ... 91
A.2 Configuración Switch Principal ... 94
A.3 Configuración Wireless LAN Controller ... 96
A.4 Configuración Puntos de Acceso LWAPP ... 99
A.5 Configuración Puntos de Acceso Autónomo ... 101
A.6 Configuración Wireless Control System ... 104
iii
B.1 Detalle del Procedimiento para la Medición de Calidad de Servicio ... 107
ANEXOC ... 110
C.1 Configuración PBX Asterisk ... 111
C.2 Configuración Callmanager Cisco ... 118
C.3 Configuración básica de un Cliente SIP ... 122
ANEXOD ... 126
iv
Í
NDICE DE
I
LUSTRACIONES
Figura II.1: Ámbito de uso de las redes inalámbricas según cobertura ... 7
Figura II.2: Modelo OSI estándar 802.11 ... 9
Figura II.3: Formato de Trama en Capa Física para 802.11a ... 10
Figura II.4: Formato de Trama en Capa Física para 802.11b ... 10
Figura II.5: Formato de Trama en Capa Física para 802.11g: ... 11
Figura II.6: Modos de operación Ad-Hoc ... 13
Figura II.7: Modos de operación Infraestructura ... 13
Figura II.8: Formato de Trama MAC ... 13
Figura II.9: Formato CSMA/CA, método Acceso básico ... 15
Figura II.10: Formato CSMA/CA, método RTS/CTS ... 16
Figura II.11: Establecimiento de sesión SIP con un Servidor Proxy ... 20
Figura II.12: Formato de Trama RTP ... 20
Figura II.13: Handoff Duro entre el terminal móvil y las estaciones base ... 23
Figura II.14: Desempeño máximo para el Método de Acceso Básico al medio con protocolo 802.11b... 29
Figura II.15: Desempeño máximo para el Método de Acceso Básico al medio con protocolo 802.11a/g . 30 Figura III.1: Esquema de red inalámbrica básica ... 37
Figura III.2: Prototipo de Red Inalámbrica para medición de Calidad de Servicio... 45
Figura III.3: Razón Señal a Ruido en función de la distancia ... 46
Figura III.4: Esquema de red inalámbrica autónoma ... 49
Figura III.5: Esquema de red para las pruebas de funcionamiento de Telefonía Dual ... 53
Figura III.6: Aplicación VQManager ... 54
Figura III.7: Esquema de red para las pruebas durante el proceso de Handoff ... 54
Figura III.8: Mapa de radiación de los Puntos de Acceso ... 55
Figura IV.1: Ejemplo de medición mediante Iperf ... 56
Figura IV.2: Ejemplo de funcionamiento Herramienta de Medición MOS... 60
Figura IV.3: Medición de retardo de extremo a extremo con PING ... 60
Figura V.1: Desempeño de la red 802.11b ... 65
Figura V.2: Desempeño de la red 802.11g ... 65
Figura V.3: Retardo de extremo a extremo de la red inalámbrica ... 66
Figura V.4: Variación del retardo de la red inalámbrica ... 66
Figura V.5: Desempeño de la red 802.11b en función del número de clientes UDP ... 67
Figura V.6: Desempeño de la red 802.11g en función del número de clientes UDP ... 67
Figura V.7: Variación del retardo de la red en función del número de clientes UDP ... 67
Figura V.8: MOS de la red 802.11b en función del número de llamadas... 69
Figura V.9: MOS de la red 802.11g en función del número de llamadas ... 69
Figura V.10: RTT de la red 802.11b en función del número de llamadas ... 69
Figura V.11: RTT de la red 802.11b en función del número de llamadas ... 69
Figura V.12: MOS de la red 802.11b para tráfico mixto y número de llamadas sobre capacidad ... 71
Figura V.13: MOS de la red 802.11g para tráfico mixto y número de llamadas sobre capacidad... 71
Figura V.14: RTT de la red 802.11b para tráfico mixto y número de llamadas sobre capacidad ... 71
Figura V.15: RTT de la red 802.11g para tráfico mixto y número de llamadas sobre capacidad ... 71
Figura V.16: MOS de la red 802.11g autónoma... 73
Figura V.17: RTT de la red 802.11g autónoma ... 73
Figura V.18: MOS de la red 802.11g autónoma bajo tres configuraciones de parámetros EDCA ... 73
Figura V.19: RTT de la red 802.11g autónoma bajo tres configuraciones de parámetros EDCA ... 73
Figura V.20: MOS de la red 802.11g autónoma bajo tres configuraciones de parámetros EDCA ... 74
v
Figura V.22: ROI evaluación ejemplo ... 79
Figura V.23: VAN evaluación ejemplo ... 79
Figura V.24: VAN acumulado evaluación ejemplo ... 79
Figura A.1: Pantalla de bienvenida de Fedora Core 10 ... 91
Figura A.2: Comprobación del disco FC10 ... 91
Figura A.3: Pantalla de bienvenida asistente ... 91
Figura A.4: Selección del lenguaje del asistente. ... 91
Figura A.5: Selección del tipo de teclado a utilizar ... 92
Figura A.6: Nombre de red del equipo ... 92
Figura A.7: Zona Horaria ... 92
Figura A.8: Contraseña root ... 92
Figura A.9: Opciones de particionamiento ... 93
Figura A.10: Selección del tipo de funciones a realizar ... 93
Figura A.11: Personalización de paquetes de instalación ... 94
Figura A.12: Copia de archivos ... 94
Figura A.13: Término de la instalación ... 94
Figura A.14: Configuración de los WLC en el WCS ... 104
Figura A.15: Agregar un nuevo controlador al WCS ... 105
Figura C.1: Ingreso al sistema ... 111
Figura C.2: Despliegue del comando setup ... 111
Figura C.3: Creación equipo telefónico ... 119
Figura C.4: Tipo de equipo telefónico ... 119
Figura C.5: Configuración teléfono SIP, parte I ... 119
Figura C.6: Configuración teléfono SIP, parte II ... 119
Figura C.7: Configuración teléfono SIP, parte III ... 119
Figura C.8: Creación extensión SIP, parte I ... 120
Figura C.9: Creación extensión SIP, parte II ... 120
Figura C.10: Creación extensión SIP, parte III ... 120
Figura C.11: Asociación de un usuario a la extensión ... 120
Figura C.12: Extensión SIP, parte I ... 121
Figura C.13: Extensión SIP, parte II ... 121
Figura C.14: Extensión SIP, parte III ... 121
Figura C.15: Teléfono SIP ... 121
Figura C.16: Creación Usuario ... 121
Figura C.17: Definición de los detalles del usuario ... 121
Figura C.18: Características extras usuario, parte I ... 122
Figura C.19: Características extras usuario, parte II ... 122
Figura C.20: Integración cliente Uniphone con gestor de llamadas ... 122
Figura C.21: Pantalla principal cliente UniPhone ... 122
Figura C.22: Submenús del cliente UniPhone ... 123
Figura C.23: Submenú AP del cliente UniPhone ... 123
Figura C.24: Submenú Misc del cliente UniPhone ... 123
Figura C.25: Configuración cliente UniPhone con cuenta Asterisk ... 124
Figura C.26: Configuraciones WBX de la cuenta SIP de UniPhone contra Asterisk ... 124
Figura C.27: Cuenta de registro UniPhone contra CallManager ... 124
Figura D.1: Planilla para evaluación económica parte I ... 127
Figura D.2: Planilla para evaluación económica parte II ... 128
Figura D.3: Planilla para evaluación económica parte III ... 129
vi
Í
NDICE DE
T
ABLAS
Tabla II.1: Comparación entre tipos de estándar 802.11 ... 11
Tabla II.2: Definición de los campos del formato de Trama MAC ... 14
Tabla II.3: Definición de los campos del formato de control de Trama ... 14
Tabla II.4: Ventajas y Desventajas del uso de la telefonía IP ... 17
Tabla II.5: Tipos de servicios SIP ... 19
Tabla II.6: Ancho de Banda de los diferentes códecs de VoIP ... 21
Tabla II.7: Parámetros para el cálculo de la tasa efectiva de transmisión ... 28
Tabla II.8: Desempeño máximo para diferentes tamaños de Carga Útil con 802.11b ... 29
Tabla II.9: Desempeño máximo para diferentes tamaños de Carga Útil con 802.11a/g ... 30
Tabla II.10: Capacidad teórica máxima para redes inalámbricas bajo estándar 802.11b/a/g ... 31
Tabla II.11: Capacidad teórica al 60 % para redes inalámbricas bajo estándar 802.11b/a/g ... 31
Tabla II.12: Parámetros propuestos por estándar EDCA ... 32
Tabla II.13: Parámetros propuestos por variación del estándar EDCA para los Puntos de Acceso ... 33
Tabla II.14: Parámetros propuestos por variación del estándar EDCA para los Terminales ... 34
Tabla II.15: Parámetros del perfil “EDCA Voice Optimized” para los Puntos de Acceso ... 34
Tabla II.16: Relación entre R-Value y la satisfacción Usuario ... 34
Tabla II.17: Valores Ie y Bpl para distintos códecs ... 36
Tabla II.18: Relación entre MOS y Satisfacción Usuario... 36
Tabla II.19: Relación entre R-Value y MOS ... 36
Tabla III.1: Parámetros EDCA modificados I ... 49
Tabla III.2: Parámetros EDCA modificados II ... 49
Tabla III.3: Teléfonos duales y clientes SIP asociados ... 51
Tabla IV.1: Desempeño de red inalámbrica 802.11b únicamente en horario nocturno ... 57
Tabla IV.2: Desempeño de red inalámbrica 802.11g en horario nocturno y horario de oficina ... 57
Tabla IV.3: Desempeño de red inalámbrica para distinto número de tráficos UDP simultáneos ... 58
Tabla IV.4: Valor MOS y R-value de red inalámbrica 802.11b vs número de clientes con códec G.729 .... 59
Tabla IV.5: Valor MOS y R-value de red inalámbrica 802.11b vs número de clientes con códec G.711 .... 59
Tabla IV.6: Valor MOS y R-value de red inalámbrica 802.11g vs número de clientes con códec G.729 ... 59
Tabla IV.7: Valor MOS y R-value de red inalámbrica 802.11g vs número de clientes con códec G.711 ... 60
Tabla IV.8: Comportamiento red 802.11b para tráfico de datos y de voz ... 61
Tabla IV.9: Comportamiento red 802.11g para tráfico de datos y de voz con G.729 ... 61
Tabla IV.10: Valor MOS y R-value de red autónoma 802.11g vs número de clientes con códec G.729 ... 61
Tabla IV.11: Comportamiento red autónoma 802.11g para tráfico de datos y de voz con G.729 ... 62
Tabla IV.12: Características de los clientes SIP ... 63
Tabla IV.13: Funcionamiento clientes SIP con Servidores de aplicaciones SIP... 63
Tabla IV.14: Parámetros de Calidad de Servicio de los clientes SIP para Handoff ... 64
Tabla V.1: Capacidades medidas en red inalámbrica sin Calidad de Servicio ... 70
Tabla V.2: Capacidades medidas en la red inalámbrica con Calidad de Servicio ... 72
Tabla V.3: Clientes SIP seleccionados según requerimientos ... 75
1
CAPÍTULO I:
I
NTRODUCCIÓN
1.1 Motivación
Las plataformas inalámbricas traen diversos beneficios, no sólo implican movilidad, sino también otro tipo de aplicaciones, como la voz sobre IP (Internet Protocol), servicios de dispositivos TAG’s con identificación por radiofrecuencia, localización y la distribución de Internet. Incluso, para anchos de banda mayores, es posible fomentar la telepresencia y la videoconferencia.
A pesar de que las redes inalámbricas son tecnologías relativamente recientes, han permitido un gran desarrollo de las telecomunicaciones. Aun así existen muchas aplicaciones nuevas que necesitan ser desarrolladas sobre estas plataformas.
La voz sobre IP es una de estas aplicaciones, que a pesar de su gran avance, todavía no está solucionada para todas las redes y todos los equipos a los cuales se desee aplicar. Esto es producto de que no existe la característica de Calidad de Servicio (QoS) para la voz sobre IP (VoIP) en las redes inalámbricas tradicionales, y por ende no se puede asegurar una comunicación satisfactoria para el usuario final. Proveer al usuario de Calidad de Servicio, sin afectar negativamente la red ya existente, resulta un factor decisivo al elegir la tecnología VOIP sobre telefonía tradicional.
La característica de dualidad, por otro lado, se basa en permitir la transmisión de voz sobre IP desde otros equipos móviles externos, a través de la red inalámbrica. Un caso particular es la telefonía celular, donde la dualidad consiste en poder transmitir voz sobre la red celular como también sobre la red inalámbrica. Para poder aplicar dualidad en una red inalámbrica, es necesario que la red soporte la comunicación entre los equipos externos y los de la red, independiente de la marca y tecnología de ellos. Con esta característica extra se consigue una convergencia de los servicios utilizados diariamente en una empresa (o por un usuario particular) sobre un mismo canal (en este caso el canal IP), lográndose una mayor eficiencia en la utilización de los recursos y reducción de los costos.
Un ejemplo particular es la conexión de un teléfono móvil Apple Iphone a una red inalámbrica de oficina, la cual permite la transmisión de voz sobre IP dentro de la red, consiguiendo así que las llamadas entre los empleados de la empresa sea a costo cero y a costos muy bajos para las comunicaciones con servicios externos, como red fija o red celular.También permite la transmisión de datos, por ejemplo de servicios de email al teléfono vía IP. Para lograr lo anterior, aparte de modificar el equipo móvil para soportar este tipo de dualidad, es necesario implementar Calidad de Servicio en la red inalámbrica para asegurar que las comunicaciones mediante voz sobre IP cumplan con el estándar mínimo establecido por la Unión Internacional de Telecomunicaciones.
2
1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivos Generales
Estudiar los factores que inciden en la Calidad de Servicio, para asegurar condiciones de operación confiables cuando se implementa la convergencia de servicios en una red inalámbrica, en el caso de Telefonía Dual.
1.2.2 Objetivos Específicos
Determinar el comportamiento de una red inalámbrica 802.11x con servicios de voz sobre IP, considerando también implementación del estándar 802.11e:
Determinar el desempeño de la red para tráfico UDP (User Datagram Protocol) considerando los estándares 802.11a, 802.11b y 802.11g.
Determinar el número de llamadas máximas simultáneas por Punto de Acceso con MOS aceptable para los estándares 802.11x (considerando tanto el caso que implementa Calidad de Servicio como el caso cuando no se implementa).
Observar el comportamiento anterior para los códecs de voz sobre IP principales (G.711 y G.729).
Implementar dualidad de servicio en una red inalámbrica.
Estudiar el comportamiento de una llamada en curso al ser traspasada de un Punto de Acceso a otro (Handoff).
1.3 Planteamiento del Problema
El interés y la demanda de aplicaciones Wi-FI multimedia, con capacidades avanzadas, crece rápidamente, impulsada por la aparición de nuevos dispositivos y el deseo de los usuarios de extender las funcionalidades de las tecnologías inalámbricas existentes.
Particularmente las empresas están interesadas en el uso de aplicaciones VoIP en sus redes inalámbricas, ya que permiten ahorrar significativamente en costos de operación, mediante la capacidad de otorgar conectividad inalámbrica de voz a través de toda el área de cobertura, evitando así los altos costos que poseen los servicios celulares. También existe interés en la gestión del tráfico de la red, que permite a los administradores TI asignar diferentes niveles de prioridad a diferentes usuarios, como por ejemplo la asignación de una menor prioridad al tráfico generado por los usuarios considerados como visitas o asignar mayor prioridad a tráficos generados en una teleconferencia.
El problema surge cuando se pretende implementar aplicaciones multimedia en una red inalámbrica tradicional, ya que estas redes fueron creadas principalmente para manejar tráfico de datos y por ende consideran todos los flujos de la red con igual prioridad de transmisión. Independiente de tipo de flujo, cuando la demanda de tráfico supera el ancho de banda disponible, la tasa de transmisión efectiva de todos los flujos se reduce de manera similar. Un retardo de un segundo en la transmisión de
3
un email prácticamente no es percibido por el usuario, en cambio, un pequeño aumento en la latencia o reducción del desempeño, puede interferir en la comunicación de una llamada VoIP, o puede resultar en pérdida de tramas.
Para asegurar una buena experiencia al usuario de aplicaciones Multimedia en redes inalámbricas, el tráfico de las diferentes aplicaciones debe ser gestionado y priorizado, ya que estas aplicaciones, al ser altamente sensibles a los aumentos de latencia y reducción de la tasa de transmisión efectiva, requieren de recursos para garantizar la Calidad de Servicio.
Existe una amplia gama de aplicaciones VoIP disponibles en el mercado, dentro de las cuales se deben seleccionar las que mayor beneficio aportan a las empresas y al usuario particular. Específicamente la Telefonía Dual resulta una solución bastante adecuada para suplir esas necesidades. Un teléfono dual permite transitar entre ambientes celulares y Wi-Fi, mejorando la movilidad, productividad, comodidad, y proporcionando ahorro, tanto en equipamiento como en llamadas.
Existen variados equipos celulares en el mercado, que poseen diferentes características y capacidades, y por ende es necesario determinar qué dispositivos poseen las características necesarias para desempeñarse como un teléfono dual, qué funcionalidades permite y cómo se asocia a la red inalámbrica existente. Además, debe establecerse qué mecanismos serán utilizados para la transmisión de la voz sobre IP en esos teléfonos celulares.
1.4 Metodología
La metodología para resolver la problemática planteada anteriormente consiste en analizar los factores que determinan la Calidad de Servicio de las aplicaciones VoIP en un enlace inalámbrico, y determinar las componentes necesarias para la implementación de Telefonía Dual. Esto permite obtener las condiciones adecuadas para desarrollar la convergencia de servicios en una red inalámbrica. En particular se desarrollan los siguientes puntos:
Utilizar el estándar 802.11e que permite priorizar distintos tipos de tráfico, implementando así Calidad de Servicio para aplicaciones Multimedia en redes inalámbricas.
Diseñar un procedimiento de medición de los parámetros relevantes para el diagnóstico de Calidad de Servicio de un enlace inalámbrico y un prototipo de red común en donde se realizan las mediciones.
Efectuar un análisis de desempeño para tráfico UDP y capacidad de los Puntos de Acceso de una red inalámbrica tradicional, como también de una red con estándar 802.11e.
Estudiar las características de los dispositivos celulares que pueden operar como teléfonos duales y determinar un mecanismo que les entregue esa propiedad.
Especificar un set de pruebas que permiten analizar el comportamiento de los teléfonos duales en la red inalámbrica.
Diseñar una solución que incluye los dispositivos celulares óptimos y la metodología para implementar dualidad tanto en la red como en los dispositivos.
4
1.5 Alcances del Trabajo
Uno de los objetivos específicos de esta memoria consiste en determinar el comportamiento de una red inalámbrica 802.11a/b/g/e a con servicios VoIP, para lo cual es necesario construir un prototipo de plataforma inalámbrica y diseñar un procedimiento de medición de parámetros de Calidad de Servicio. El procedimiento de medición está restringido por el desempeño, retardo de extremo a extremo y capacidad de la red, evaluada esta última sólo por el MOS (Mean Opinion Score). Tampoco se realiza un análisis de la red para todos los tipos de tráfico, únicamente se considera tráfico de Voz y de datos.
Por otro lado, el prototipo consiste en un sistema de menor tamaño, el cual puede ser escalable a un sistema de mayor envergadura. Sin embargo, no es parte de este trabajo extrapolar la implementación de la plataforma inalámbrica a un sistema mayor, sólo se limita a una red inalámbrica compuesta de a lo más dos Puntos de Acceso, un Controlador de red inalámbrica, un Switch y dos Servidores de aplicaciones SIP.
Para la implementación de Telefonía Dual, sólo se considera el uso de equipos celulares duales dentro de la categoría Smartphones, que proporcionan características más avanzadas. Se utilizan únicamente aplicaciones VoIP que soportan de manera nativa el protocolo SIP para la generación de tráfico de voz sobre IP en los dispositivos celulares. La realización de pruebas de funcionamiento, Handoff y medición de Calidad de Servicio de la telefonía Dual está restringida a la realización exitosa de una llamada SIP y no a evaluar todas las capacidades de las aplicaciones SIP, por ende no garantiza el funcionamiento perfecto de cada aplicación.
Cabe destacar que el trabajo es desarrollado bajo una marca específica de equipamiento de red (Cisco Systems), tanto para la sección cableada de la red, como para la inalámbrica. El equipamiento de telefonía celular corresponde a un subconjunto de las posibilidades que ofrece el mercado. También es necesario señalar que se trabaja básicamente con una estructura de red unificada, donde los Puntos de Acceso son manejados por un Controlador de red inalámbrica. No se tiene como objetivo probar los conceptos desarrollados en esta memoria con equipos alternativos, esto queda para trabajos posteriores.
El equipamiento específico que se emplea en esta memoria se detalla a continuación:
Iphone 3Gs, Nokia 5800, Nokia N96, HTC magic, HTC diamond, Samsung i900, Blackberry 8900 PBX Asterisk y Callmanager
Cisco 4400 Series WLAN Controller Dos Switch Multilayer Cisco Catalyst 3560
802.11ag LWAPP AP Dual, 802.11g LWAPP AP y 802.11ag AP
Un notebook Pentium 4 con Sistema Operativo GNU/LINUX y tarjeta inalámbrica integrada Un servidor Pentium 4 con Sistema Operativo GNU/LINUX e interfaz Ethernet
5
1.6 Estructura de la Memoria
El presente Trabajo de Título tiene una estructura principal de seis capítulos, considerando desde la introducción a la Telefonía Dual y su problemática en redes inalámbricas, hasta las discusiones sobre los resultados obtenidos de la implementación de este servicio y las conclusiones finales.
El capítulo actual pretende contextualizar sobre el tema principal de este trabajo, otorgando un marco general sobre las redes inalámbricas y el desarrollo de la Telefonía Dual. Presenta además la motivación que inspira el desarrollo del tema central de esta memoria con el propósito de explicar los objetivos, tanto generales como específicos, y las aspiraciones que se tienen del desarrollo y de los resultados de esta investigación. Se plantean además los beneficios y la problemática que presenta la adopción de la Telefonía Dual en un entorno inalámbrico, junto con el detalle de la metodología que se ejecuta para resolverla.
El capítulo de Antecedentes se fundamenta en un estado del arte de las tecnologías inalámbricas, para luego profundizar en las tecnologías basadas en el estándar IEEE 802.11. También se detallan las características de la voz sobre IP y los procesos que hacen posible esa transmisión. Además se especifica el concepto de Telefonía Dual y sus implicancias. Particularmente se detalla la noción de Calidad de Servicio junto con herramientas que permiten medir y desarrollar esta capacidad en las redes inalámbricas.
En el tercer capítulo se explica en detalle la metodología empleada para desarrollar este trabajo, el equipamiento y el software utilizado. Asimismo se detallan los elementos, estructuras, procedimientos y pruebas efectuadas en el diseño e implementación de una solución a la problemática principal de esta memoria.
En el capítulo de Resultados se exhiben los resultados obtenidos de las mediciones de Calidad de Servicio sobre la red inalámbrica prototipo diseñada, junto con los resultados de las pruebas de implementación de Telefonía Dual. Además se presentan las consideraciones que deben ser tomadas al momento de efectuar estos procedimientos.
El capítulo de Análisis y Discusión señala los problemas obtenidos durante la ejecución de las mediciones y pruebas sobre la plataforma inalámbrica. Se evalúa el comportamiento obtenido de la red con el comportamiento teórico esperado, y se realiza un análisis sobre los beneficios de la implementación del estándar 802.11e. Además, se determina el desempeño y capacidad máxima de la red como fin de obtener parámetros de diseño para servicios VoIP, escogiendo finalmente una solución óptima para la implementación de Telefonía Dual.
El capítulo final presenta las conclusiones y un detalle del análisis de los resultados, en base al planteamiento de los objetivos. También se abarcan los detalles no abordados en esta memoria y los desarrollos futuros propuestos por la autora del presente trabajo.
6
CAPÍTULO II: A
NTECEDENTES
El presente capítulo tiene por finalidad exponer la totalidad de los conceptos en los cuales se basa esta memoria, considerando el modo de operación de las arquitecturas base (redes inalámbricas) que serán utilizadas, el modo en que se realiza una llamada telefónica a través de estas redes, las características propias de la Telefonía Dual y las particularidades del concepto de Calidad de Servicio que se plantean como problema.
2.1 Redes Inalámbricas
2.1.1 Definición de Red Inalámbrica
Las redes inalámbricas corresponden a sistemas de comunicación que transmiten y reciben datos por medio de ondas electromagnéticas que viajan por el aire, permitiendo así la conexión entre equipos dentro de una misma área de cobertura, sin la necesidad de utilizar el par trenzado, cables coaxiales o fibra óptica. Estas redes ofrecen las mismas características que las redes cableadas, en cuanto al acceso a la red privada o conexión a internet, pero permiten flexibilidad debido a la carencia de cables.
2.1.2 Características de las Redes Inalámbricas 802.11x
Frente a las redes cableadas, las redes inalámbricas presentan varias ventajas. Una característica es la movilidad, que permite la comunicación entre los nodos de una misma área de cobertura y fácil acceso a la red. También la planificación de estas redes es menos engorrosa, por ejemplo si se quiere cablear un edificio u oficina se debe analizar la distribución física de las máquinas para realizar el cableado, mientras que con una red inalámbrica sólo hay que analizar la cobertura deseada de las áreas importantes.
Un factor muy importante es la escalabilidad que permiten estas redes, ya que los sistemas WLAN pueden ser configurados en una variedad de topologías para suplir las necesidades de aplicaciones e instalaciones específicas. Estas configuraciones pueden ser fácilmente alteradas y pueden variar su extensión desde redes independientes de pocos usuarios hasta redes de infraestructura completa, que permitan el transito en un área amplia. Esto implica a su vez reducción en los costos de ampliación de las redes, debido a la disminución del análisis para la instalación y el uso de cableado.
Por otro lado esta tecnología presenta también desventajas, dentro de las cuales se puede mencionar, una peor Calidad de Servicio que las redes cableadas, además de una tasa de transmisión bastante menor. Generalmente se obtienen velocidades de alrededor de los 10-20 Mbps en redes inalámbricas, en comparación con las redes cableadas donde se pueden alcanzar velocidades de 100 Mbps. La tasa de error, debida a las interferencias que se producen en el medio de transmisión, es de gran importancia, y en este caso aumenta bastante para las redes inalámbricas, del orden de 10-4 frente a 10-10 de las redes cableadas.
7
2.1.3 Tipos de Redes Inalámbricas
Para representar los diferentes tipos de redes inalámbricas se agrega el término W (proveniente del Inglés Wireless, es decir inalámbrico) a las definiciones propuestas para los tipos de redes cableadas mostradas en la Figura II.1. Estas definiciones, con la modificación antes descrita, son presentadas en los puntos (a), (b) y (c).
a. WPAN (Red inalámbrica de ámbito personal): Estas redes cubren áreas pequeñas, como habitaciones, y tienen como objetivo la interconexión entre dispositivos a corta distancia.
b. WLAN (Red inalámbrica de ámbito local): Estas redes cubren áreas más extensas, como casas, oficinas y edificios. En el transcurso de esta memoria se trabaja únicamente con este tipo de redes inalámbricas.
c. WWAN (Red inalámbrica de área extensa): Para este caso el área de cobertura de la red corresponde a áreas mucho más extensas, como por ejemplo una cuidad.
Figura II.1: Ámbito de uso de las redes inalámbricas según cobertura
2.1.4 La Capa Física en las Redes Inalámbricas
2.1.4.1 La Capa Física Modelo OSI
La Capa Física del modelo de referencia OSI1 es la que se encarga de transmitir los bits de información a través del medio utilizado para la transmisión, y de las conexiones físicas respectivas. Considera tanto el medio físico (por ejemplo: cable coaxial o microondas); las características del medio (por ejemplo; tipo de cable y tipo de conectores normalizados) y la forma en la que se transmite la información (codificación de señal, niveles de tensión o intensidad de corriente eléctrica, modulación, tasa binaria, entre otras.)
1
El modelo de referencia de Interconexión de Sistemas Abiertos (OSI), lanzado en 1984, fue el modelo de red descriptivo creado por la ISO (Organización Internacional para la Estandarización). Proporcionó a los fabricantes un conjunto de estándares para asegurar una mayor compatibilidad e interoperabilidad entre los distintos tipos de tecnología de red. El modelo en sí mismo no puede ser considerado una arquitectura, ya que no especifica el protocolo que debe ser usado en cada capa, sino que corresponde a un modelo de referencia.
8
En particular se encarga de transformar una trama de datos, proveniente de la capa de Enlace, en una señal adecuada al medio físico utilizado en la transmisión. Estos impulsos pueden ser eléctricos (transmisión por cable) o electromagnéticos (transmisión sin cables). Estos últimos, dependiendo de la frecuencia o longitud de onda de la señal, pueden ser ópticos, de microondas o de radio. Cuando actúa en modo recepción el trabajo es inverso; se encarga de transformar la señal transmitida en tramas de datos binarios que serán entregados a la capa de Enlace.
2.1.4.2 Tecnologías de las Redes Inalámbricas en Capa Física
Para cada tipo de red inalámbrica, definido en el punto 2.1.3 según su área de cobertura, existen diversos estándares a nivel de Capa Física para la transmisión y recepción de datos sobre estas redes, promovidos por diferentes organismos y asociaciones.
Algunos de estos estándares, según el tipo de red donde es utilizado, se mencionan en los puntos (i), (ii) y (iii).
i. WPAN: Tradicionalmente este tipo de redes se basa en la tecnología de infrarrojo que permite la comunicación entre dos elementos de la red a baja velocidad y corta distancia. Un ejemplo de esta tecnología es el Bluetooth.
ii. WLAN: Las tecnologías más utilizadas en este tipo de redes son las tecnologías IEEE 802.11x. También se encuentran las tecnologías HIPERLAN y HomeRF.
iii. WWAN: Normalmente estas redes son utilizadas por las empresas de telefonía móvil debido a las grandes áreas de cobertura involucradas. Algunas de las tecnologías implementadas en estas redes son EDGE y GPRS.
Se debe destacar que la presente memoria se enfoca sólo en las tecnologías basadas en IEEE 802.11x, con énfasis especial en las tecnologías 802.11a/b/g sin Calidad de Servicio y también con soporte del estándar 802.11e. En la sección 2.1.4.3 se explican de forma general las características del estándar 802.11x.
2.1.4.3 Redes Inalámbricas 802.11x
El estándar IEEE 802.11x se utiliza en las Redes LAN inalámbricas denominadas Wi-Fi o “Wireless Fidelity” y fue creado con el fin de proveer conectividad a terminales móviles dentro de las redes WLAN. El término Wi-Fi proviene de una asociación internacional formada con el objetivo de asegurar la compatibilidad de los distintos productos de estas redes WLAN. Dentro de este estándar se incluyen seis tipos de modulación por el aire. En la Figura II.2 se observa la distribución del protocolo 802.11 x en equivalencia con las capas del modelo OSI.
9
Figura II.2: Modelo OSI estándar 802.11
En el año 1997 se especificaron para la capa física tres técnicas de modulación; infrarrojo y dos técnicas de corto alcance FHSS y DSSS, ambas en la banda de frecuencia de los 2.4 GHz. Estas tres técnicas soportan una tasa de transmisión de 2 Mbps. Posteriormente en 1999, dos nuevas técnicas de modulación son ingresadas, soportando tasas de transmisión mayores; OFDM con 54 Mbps (802.11a) y HR-DSSS con 11 Mbps (802.11b). En el 2001 se incluyó una nueva técnica OFDM que soporta una velocidad de 54 Mbps (802.11g).
En las secciones 2.1.4.3.1 a la 2.1.4.3.7 se explican con más detalles las características de cada uno de los estándares 802.11x mencionados anteriormente.
2.1.4.3.1 Estándar 802.11 Infrarrojo
La técnica utilizada para el infrarrojo es de transmisión difusa con longitudes de onda a 0.85 y 0.95 *μm+, soportando tasas de transmisión de 1 y 2 [Mbps]. Las señales infrarrojas no son capaces de penetrar muros y tienen un pequeño rango de cobertura.
2.1.4.3.2 Estándar 802.11 FHSS
La modulación mediante FHSS (Espectro Ensanchado por Salto de Frecuencia) utiliza 79 canales con un ancho de 1[MHz] en la banda de ISM 2.4 [GHz]. Se crea un número casi aleatorio de saltos en frecuencia, donde cada una de las estaciones posee la misma secuencia y está debidamente sincronizada en el tiempo para poder recibir correctamente la información sobre grandes distancias. Los receptores no autorizados escucharán una señal ininteligible. Produce buena resistencia al ruido, interferencia y al desvanecimiento producido por la multitrayectoria de la señal.
2.1.4.3.3 Estándar 802.11 DSSS
La modulación DSSS (Espectro Ensanchado por Secuencia Directa) también está restringida a 1 y 2 [Mbps]. Utiliza una técnica similar a CDMA2 junto con modulaciones de banda base DBPSK
2
CDMA (Acceso Múltiple Por División De Código): método de control de acceso múltiple al medio a través de técnicas de división de código para evitar colisiones.
10
(Modulación Binaria por Desplazamiento Diferencial de Fase) y DQPSK (Modulación en Cuadratura Por Desplazamiento Diferencial De Fase) para proveer las tasas de transmisión mencionadas con anterioridad. Consiste en modular una señal portadora con un código de pseudo ruido aumentando así el ancho de banda de transmisión y reduciendo el nivel de potencia de la señal. El emisor envía previamente la secuencia de manera de que los receptores puedan reconstruir la señal original.
2.1.4.3.4 Estándar 802.11a OFDM
Este esquema es utilizado en una de las primeras redes LAN inalámbricas de alta velocidad, logrando los 54 [Mbps] en la banda ISM 5[GHz]. Son utilizadas 52 frecuencias, 48 para transmisión de información y 4 para sincronización. Para la transmisión de datos se pueden utilizar 8 velocidades diferentes en Capa Física; 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 y 54 Mbps. La técnica OFDM (Multiplexión por División de Frecuencias Ortogonales) utilizada es similar a CDMA y FHSS de espectro ensanchado, transmitiendo la misma información por múltiples frecuencias simultáneamente. De esta forma la información es separada en varias bandas estrechas que poseen ventajas sobre la inmunidad a la interferencia. Pueden ser bandas de transmisión no contiguas permitiendo una mejor utilización espectral. En la Figura II.3 se muestra el Formatode Trama en Capa Física para 802.11a.
Figura II.3: Formato de Trama en Capa Física para 802.11a
2.1.4.3.5 Estándar 802.11b HR-DSSS
La técnica de modulación HR-DSSS (Espectro de Alta Velocidad Ensanchado por Secuencia Directa) utiliza 11 millones de símbolos (cada símbolo puede contener uno o más bits) por segundo en la banda de los 2.4 [GHz]. Además, este estándar soporta 1, 2, 5.5 y 11 [Mbps]. Las dos tasas de transmisión menores utilizan modulación de fase compatible con DSS (DBPSK y DQPSK) y las dos superiores utilizan modulación CCK (Codificación Complementaria en Código). Las tasas de transmisión pueden ser adaptadas según las condiciones que presente el canal (carga que está soportando y niveles de ruido e interferencia que limitan la transmisión). En la Figura II.4 se muestra el Formato de Trama en Capa Física para 802.11b.
11
2.1.4.3.6 Estándar 802.11g OFDM
Este protocolo, al igual que 802.11a, ocupa como técnica de modulación OFDM, con la diferencia que opera en la banda ISM de 2.4 [GHz] como el estándar 802.11b. Nominalmente es capaz de superar los 54 [Mbps]. En la Figura II.5 se muestran los Formatos de Trama en Capa Física para 802.11g, dependiendo de la compatibilidad con 802.11b.
Figura II.5: Formato de Trama en Capa Física para 802.11g: a) Formato de Trama para modulación CCK, b) Formato de Trama para modulación OFDM, c) Formato de Trama para modulación mixta (CCK-OFDM)
2.1.4.3.7 Estándar 802.11e
El estándar 802.11e es una mejora a los estándares 802.11a y 802.11b. Ofrece características de Calidad de Servicio, incluyendo la priorización de la transmisión de datos, voz y video. Mejora la capa MAC con una estructura TDMA (Acceso Múltiple por División de Tiempo) y agrega un mecanismo de corrección de errores para las aplicaciones sensibles al retardo como voz y video. En la Tabla II.1 se muestra la comparación entre los tipos de estándar 802.11x.
Tabla II.1: Comparación entre tipos de estándar 802.11
En particular las redes 802.11x presentan la ventaja de que utilizan bandas de frecuencias no licitadas lo que les permite operar sin la autorización de una institución. Esto a su vez puede resultar perjudicial, ya que estas bandas de frecuencias están muy propensas a interferencias y a errores de transmisión, por lo cual las tasas nominales especificadas en los estándares difícilmente son alcanzadas.
Para reducir errores, los estándares 802.11a y el 802.11b automáticamente reducen la velocidad de información de la capa física. Así por ejemplo, el estándar 802.11b puede utilizar cualquiera de sus
Estándar Tasa de transferencia Banda de frecuencia
802.11 2 Mbps 2.4 GHz
802.11b 11 Mbps 2.4 GHz 802.11a 54 Mbps 5 GHz 802.11g 54 Mbps 2.4 GHz
12
cuatro velocidades de información (11, 5.5, 2 y 1 Mbps) y el estándar 802.11a cualquiera de sus 8 (54, 48, 36, 24, 18, 12, 9 y 6 Mbps). Las velocidades máximas permisibles que muestra la Tabla II.1 sólo son posibles en un ambiente libre de interferencia y a muy corta distancia. Además la utilización de bandas de frecuencias distintas entre los estándares 802.11a y 802.11b hace que estas redes no puedan operar entre ellas. La aparición de 802.11g permite la interoperabilidad de las redes expandiendo el espectro de frecuencias que presenta 802.11b, además de aumentar las tasas de transmisión.
2.1.5 Dispositivos Inalámbricos
Existen dos tipos básicos de dispositivos inalámbricos que permiten el establecimiento de conexiones inalámbricas dentro de una red WLAN.
a. Unidad base Inalámbrica: La unidad básica inalámbrica se denomina Punto de Acceso (AP). Tiene como funcionalidad realizar la conversión de la señal proveniente de la red de datos Ethernet a señales de radio. También actúa como elemento de interconexión entre diferentes clientes inalámbricos, proporcionando un área de cobertura para estos clientes. Puede actuar como Corta-Fuegos (Firewall) y/o ofrecer mecanismos de autentificación, aumentando la seguridad de la red.
b. Clientes Inalámbricos: Corresponden a adaptadores inalámbricos que convierten las señales de datos Ethernet a señales de radio permitiendo que un equipo (PC portátil, impresora, PDA, teléfono móvil, entre otros.) acceda a la red inalámbrica. Un cliente Inalámbrico ubicado dentro del área de cobertura del Punto de Acceso puede comunicarse con los demás dispositivos asociados a ese Punto de Acceso, es decir, puede acceder a la red local sin necesidad de utilizar cables.
2.1.6 Modos de Operación de las Redes Inalámbricas 802.11x
Dependiendo de diversos factores como; área de cobertura, número de clientes y acceso a Internet, se pueden crear distintas topologías para una red inalámbrica. Existen dos modos generales de operación de las redes inalámbricas 802.11x. En los puntos (i) y (ii) se explica de manera general el funcionamiento de cada uno de ellos.
i. Modo Ordenador-Ordenador (Ad-hoc): En esta topología las estaciones se comunican entre sí directamente, sin intervención de un Punto de Acceso, tal como se observa en la Figura II.6. Es la alternativa más sencilla, pero presenta como inconveniente la creación de una red aislada entre las estaciones y no ofrece alternativas de seguridad ni gestión.
ii. Modo Infraestructura: En el modo infraestructura las estaciones acceden a la red y/o a Internet a través de uno o varios Puntos de Acceso (Figura II.7). Así los clientes inalámbricos no se comunican directamente entre ellos, sino que lo hacen a través del Punto de Acceso, lo cual permite acceder a características de seguridad y a los terminales ubicados dentro de la red cableada. Por otro lado el acceso a internet se realiza a través de la sección Ethernet de esta topología.
Cuando el área a cubrir es más extensa, se utiliza más de un Punto de Acceso, lo que permite que los clientes inalámbricos puedan desplazarse entre las diferentes áreas de cobertura
13
manteniendo la conexión. El traspaso de la conexión de cliente entre un Punto de Acceso y otro se denomina Handoff.
Figura II.6: Modos de operación Ad-Hoc Figura II.7: Modos de operación Infraestructura
2.1.7 Capa de Enlaces de Datos
La Capa de Enlaces de Datos se divide en dos subcapas: capa MAC (Control de Acceso al Medio) y la capa LLC (Control de Enlace Lógico). Las principales diferencias de Ethernet con 802.11 se presentan en la capa MAC. El formato de trama MAC se representa en la Figura II.8.
Figura II.8: Formato de Trama MAC
Parte importante de la capa MAC, está dada por los respectivos protocolos de acceso múltiple que se utilizan para ingresar al medio de propagación, los cuales pueden alterar el desempeño de los diferentes estándares, obteniéndose un valor inferior al nominal que se propuso en la sección 2.1.4.3. El detalle de cada campo que compone al formato de Trama MAC se describe en la Tabla II.2 y Tabla II.3.
14
Tabla II.2: Definición de los campos del formato de Trama MAC
Tabla II.3: Definición de los campos del formato de control de Trama
2.1.7.1 Subcapa MAC 802.11
Las redes 802.11 definen dos formas de acceso al medio en la subcapa MAC, (a) mecanismo de acceso al medio con contención, es decir, DCF distribuida y (b) mecanismo de acceso sin contención, es decir, PCF centralizada.
a. DCF (Función de Coordinación Distribuida): Está basada en un protocolo de acceso aleatorio múltiple con detección de portadora que esquiva las colisiones CSMA/CA3. No utiliza ninguna forma de control central, es decir cada estación disputa con las otras la ocupación del canal, determinando cuando acceder al canal.
DCF es obligatorio en todas las estaciones inalámbricas. Soporta transmisión asíncrona de señales sin asegurar ancho de banda y provee sólo servicios de Best-Effort (servicios donde se aplica la regla de transmisión del Mejor-Esfuerzo) a través del protocolo CSMA/CA.
b. PDF (Función de Coordinación Centralizada): Permite la transmisión síncrona de señales (tiempo real) siendo capaz de proveer un acceso al medio libre de colisiones, utilizando una estación base para controlar la actividad de un grupo. Esta función no está implementada en muchos de los dispositivos disponibles en el mercado, debido a que muchos fabricantes determinaron que esta característica inhibe la interoperabilidad con otros Puntos de Acceso y no siempre distribuye de
3
CSMA/CA (Acceso Múltiple por Detección de Portadora con Evasión de Colisiones): método de control de acceso múltiple al
medio a través de técnicas de detección de portadora que permiten evitar las colisiones.
Campos del formato
de Trama Definición
Frame Control (FC) Este campo corresponde al Formato de Control de Trama que está compuesto por la versión de protocolo y tipo de trama (gestión, datos, control).
Duration/ID El valor de Duración se usa para el cálculo del NAV. También en este campo se considera el valor ID de la estación emisora (Station ID) que se utiliza para el tipo de trama “Power-Save poll message“.
Address Fields (1-4) Contienen hasta cuatro direcciones (origen, destino, transmisión, recepción), dependiendo del campo de control de trama (bits ToDS y FromDS).
Sequence (Seq.) La secuencia de control consiste en un número de fragmento y un número de trama. Se usa para representar el orden de diferentes fragmentos pertenecientes a la misma trama, y para distinguir una posible duplicación de paquetes.
Data Este campo corresponde a la información transmitida o recibida. CRC (Check-sum) Campo de Control de Redundancia cíclica de 32 bits.
Campos del formato
de Control de Trama Definición Protocol Version Indica la versión del estándar IEEE 802.11.
Type Tipo de contenido; Gestión, Control, Datos. Subtype RTS, CTS, ACK
To DS Se utiliza este campo en valor 1 cuando la trama se transmite a un sistema de distribución (DS). From DS Se utiliza este campo en valor 1 cuando la trama se transmite desde un sistema de distribución (DS).
More Fragment (MF) Se utiliza este campo con valor 1 cuando hay más fragmentos después de éste pertenecientes a la misma trama. Retry Indica que este fragmento es una retransmisión de un fragmento previamente enviado. (Para que el receptor
reconozca la transmisión duplicada de tramas).
Power Management Indica el modo de gestión de energía en que la estación estará después de la transmisión de la trama. More Data Indica que hay más tramas en cola hacia esta estación.
WEP (W) Indica que el cuerpo de la trama está encriptado de acuerdo con el algoritmo WEP (Wired Equivalent Privacy). Order (O) Indica que la trama se está enviando usando la clase de servicio “Estrictamente ordenado”.
15
mejor manera que la función DCF el ancho de banda . En base a lo anterior, esta modalidad de acceso al medio no es considerada en la presente memoria.
2.1.7.1.1 Protocolo de Acceso al Medio CSMA/CA
El uso obligatorio de protocolo DCF implica que el acceso al medio se basa en el mecanismo CSMA, el cual considera que cada estación toma la decisión de acceder al canal individualmente. Este comportamiento puede producir colisiones cuando dos o más estaciones deciden acceder al canal al mismo tiempo al detectar que este está libre. Con el fin de disminuir la probabilidad de colisiones se utiliza el mecanismo CA (Collision Avoidance: Evasión de Colisiones) el cual posee dos métodos de operación, detallados en los puntos (i) y (ii).
i. Mecanismo de Acceso Básico: Cuando una estación desea transmitir, primero revisa el canal por lo menos un tiempo DIFS (Intervalo Distribuido Entre Tramas) como muestra la Figura II.9. Si percibe el medio desocupado, la estación elige un valor aleatorio para el contador Backoff (Contador de Inhibición de Transmisión) dentro del rango [0, CW], el valor inicial de la ventana de contención (CW) es CWmin. Luego de la elección del valor del contador de Backoff, este es disminuido en una unidad por cada vez que el medio se perciba desocupado. Si antes de que el valor del contador llegue a cero se percibe el canal ocupado, se congela la cuenta y se retoma sólo cuando el medio se percibe nuevamente desocupado por un tiempo DIFS.
En el momento en que se experimenta una transmisión exitosa, todas las estaciones de la red, que están dentro del rango de cobertura de la estación que transmite, se informan del tiempo que requerirá la transmisión y detienen la cuenta regresiva del contador de Backoff por ese intervalo de tiempo. Una vez que el contador llega hasta cero, la estación transmite.
Luego de la transmisión, la estación emisora espera recibir un ACK (Acuse de recibo) dentro de un tiempo SIFS (Intervalo Pequeño Entre Tramas). Si no se recibe el ACK se asume que el paquete se perdió y el valor de la ventana de contención se duplica hasta alcanzar el máximo valor de CWmax. Cuando ocurre una transmisión exitosa el valor de CW vuelve a CWmin.
Figura II.9: Formato CSMA/CA, método Acceso básico
ii. Método RTS/CTS: La estación A (Figura II.10), que desea transmitir, envía un RTS (Solicitud De Envío), que posee el tamaño de la trama de datos a transmitir, al receptor B. Luego B, al recibir el RTS, contesta con un CTS (Listo Para Enviar) que confirma la reserva del canal y contiene el tamaño de la trama que A desea transmitir. Cuando A recibe el CTS comienza a transmitir la trama de datos y comienza un contador ACK. Si B recibe correctamente la trama, envía a A un
16
ACK, terminando el intercambio de tramas entre las estaciones. El ACK se requiere porque las estaciones inalámbricas no pueden escuchar las colisiones mientras envían datos.
Cuando en A se supera el tiempo estimado y no se ha recibido la trama ACK, se ejecuta nuevamente el algoritmo. Las demás estaciones que están dentro del radio de cobertura de las estaciones en cuestión, perciben el RST o el CTS, notando que el canal se encuentra ocupado por lo que esperan en silencio el tiempo que dura el intercambio. Estos tiempos de silencio de C y D se denotan NAV (Vector de Ubicación de Red). El valor de NAV tiene que ser cero antes de que una estación intente enviar una trama, debido a que cada estación sabe que durante ese tiempo ya hay otra estación emitiendo y, si trata de emitir, entrará en estado de contención, cosa que trata de evitar.
Figura II.10: Formato CSMA/CA, método RTS/CTS
En canales inalámbricos muy ruidosos pueden provocarse muchas retransmisiones entre las estaciones debido a las interferencias que ocurren en las tramas. Para prevenir estos efectos se realiza un proceso de fragmentación de los datos a transmitir. Por cada fragmento enviado se debe recibir un ACK antes de transmitir el siguiente. La fragmentación aumenta el desempeño (Throughput) de la red, ya que si se realiza una retransmisión, será sólo del fragmento y no de toda la trama.
2.2 Voz sobre IP
La tecnología VoIP (voz sobre IP) es una tecnología que transmite paquetes de voz usando el protocolo de internet (IP). Tradicionalmente las comunicaciones por voz han sido transmitidas de forma dedicada a través de redes de circuitos conmutados de telefonía que son operados por las Compañías de Teléfonos. La telefonía IP, por otro lado, utiliza una única red de datos para transmitir voz y señalización, creando así una red consolidada. El desafío entonces es implementar voz sobre IP sobre un diseño de infraestructura que cumpla con los requerimientos de Calidad de Servicio.
Las redes IP fueron creadas principalmente para manejar el tráfico de datos y por ende no garantizan Calidad de Servicio para el tráfico de tiempo real, lo cual afecta significativamente la calidad de la comunicación mediante voz en estas redes. Esto se debe a que las comunicaciones de voz sobre IP utilizan los protocolos RTP sobre UDP/IP, los cuales no están orientados a la conexión y por ende sólo manejan tráfico bajo el concepto de Mejor-Esfuerzo. El protocolo RTP utilizado para la transmisión de la voz sobre IP cumple con funciones de transporte de extremo a extremo para aplicaciones de tiempo real, pero no reserva recursos para estas aplicaciones y tampoco garantiza Calidad de Servicio.
El avance de las tecnologías ha permitido un gran aumento del ancho de banda tanto para las redes cableadas, como para las redes inalámbricas, permitiendo así mantener una conversación
17
telefónica a través de Internet con bastante calidad. Además los aspectos positivos que presentan las redes inalámbricas, como es la reducción de costos de instalación, simplicidad y movilidad han creado un gran interés por utilizar la tecnología VoIP. En la Tabla II.4 se describen las ventajas y desventajas del uso de telefonía IP.
Ventajas Telefonía IP Desventajas Telefonía IP Menor costo: Esto se debe básicamente a que se utiliza la misma
red para la transmisión de datos y voz.
Necesidad conexión Banda Ancha: VoIP requiere de una conexión de banda ancha.
Movilidad: Con VoIP se puede realizar una llamada desde cualquier lado que exista conectividad a Internet.
Necesidad de conexión eléctrica: En caso de un corte eléctrico, los teléfonos de la telefonía convencional siguen funcionando, pero los teléfonos VoIP no (excepto que se trate de teléfonos inalámbricos). Otras: Permite la interoperabilidad de diversos proveedores, el uso
de las redes de datos existentes y el no pago de SLM ni larga distancia en las llamadas sobre IP.
Problemas de Calidad de Servicio: La calidad de servicio de VoIP se ve afectada por la calidad de las redes datos, es decir, puede ser afectada por problemas como la alta latencia (tiempo de respuesta) o la pérdida de paquetes.
Tabla II.4: Ventajas y Desventajas del uso de la telefonía IP
2.2.1 Arquitectura de Red
El estándar VoIP fue definido en 1996 por la Unión Internacional de Telecomunicaciones UIT, el cual explica una seria de normas orientadas a los distintos fabricantes, con el fin lograr interoperabilidad entre ellos. Se definen tres elementos fundamentales en su estructura, descritos en los puntos (a), (b) y (c) de esta sección.
a. Terminales: Corresponden a unidades de control que proporcional la señalización para manejar las llamadas mediante los protocolos de voz sobre IP. Son sustitutos de los teléfonos actuales. b. Gatekeepers: Cumplen la funcionalidad de controlar la admisión y traducir las direcciones IP de
las llamadas en números telefónicos. Son el centro de toda la organización VoIP y son análogas a las actuales centrales telefónicas.
c. Puerta de enlace (Gateway): Este elemento proporciona la traducción de los protocolos de voz y la decodificación/codificación de la comunicación de voz de un punto VoIP con un punto de telefonía conmutada. Corresponde al enlace con la red telefónica tradicional, actuando de forma transparente para el usuario.
Cuando se utiliza la tecnología VoIP, los flujos de audio se dividen en paquetes para ser transportados sobre redes basadas en IP, pero los protocolos de las redes IP no fueron diseñados para el fluido en tiempo real de audio o cualquier otro tipo de medio de comunicación. Debido a esto, fue necesario crear nuevos protocolos para VoIP, cuyo mecanismo de conexión abarca una serie de transacciones de señalización entre terminales que cargan dos flujos de audio para cada dirección de la conversación.
18
2.2.2 Protocolos de Voz sobre IP
Corresponde al lenguaje que utilizarán los distintos dispositivos VoIP para su conexión. Se utilizan para establecer, modificar y terminar las comunicaciones de voz sobre IP. También sirven para establecer presencia, transportar información de localización y negociar capacidades de red.
En los puntos (i) a (viii) se detallan, por orden de antigüedad (de más antiguo a más nuevo), los protocolos de señalización de VoIP existentes.
i. H.323: Protocolo definido por la UIT-T para comunicaciones en tiempo real sobre redes de paquetes.
ii. SIP: Protocolo definido por la IETF creado para la iniciación, modificación y finalización de sesiones multimedia.
iii. MGCP: Protocolo de control de media propietario de Cisco.
iv. Megaco (H.248): Protocolo de control MGCP avanzado, creado por la UIT-T y la IETF.
v. SCCP: Protocolo propiedad de Cisco para la comunicación entre un cliente Skinny y un Callmanager Cisco.
vi. IAX: Protocolo original para la comunicación entre PBXs Asterisk4 (obsoleto). vii. Skype Protocol: Protocolo propietario peer-to-peer utilizado en la aplicación Skype. viii. IAX2: Protocolo para la comunicación entre PBXs Asterisk en reemplazo de IAX.
Haciendo referencia al uso habitual de estos protocolos y al enfoque de la presente memoria, sólo se explica con más detalle, en la sección 2.2, el protocolo (ii) SIP.
2.2.2.1 SIP (Protocolo de inicio de sesión)
Creado en 1999 con la intención de ser el estándar para la iniciación, modificación y finalización de sesiones interactivas de usuario. Es uno de los protocolos de señalización más utilizados en la telefonía IP junto con H.323.
Funciona a nivel de la Capa de Aplicación (puerto 5060 tanto en UDP como en TCP) y es un protocolo libre, abierto a nuevas modificaciones y no ligado a ninguna empresa ni entidad privada. Se integra con otros servicios de internet como: mail, Web, correo de voz, mensajería instantánea, conferencia multi-usuarios, entre otros. Es utilizado para estableces y modificar sesiones multimedia, aportando al usuario con características de movilidad y presencia.
Las opciones de servicios que agrega SIP, a las características propias de la telefonía normal, se describen en la Tabla II.5.
4
El término PBX (Private Branch Exchange) se utiliza para denominar a un dispositivo que actúa como una central telefónica, encargándose de establecer conexiones entre terminales de una misma empresa, o cursar llamadas al exterior. Una PBX Asterisk es un dispositivo al que se le integra un software llamado Asterisk, el cual le proporciona las características de una central telefónica IP.
19
Servicios típicos de telefonía tradicional Nuevos servicios agregados por SIP ID del que realiza la llamada Integración de Voz con Web
Características de central telefónica (PBX) Servicios programables Reenvío de llamadas Ruteo multidestino Transferencia de llamadas Presencia
Características de Redes Avanzadas Inteligentes (AIN) Mensajería Instantánea
Teléfonos gratuitos Multimedia
Servicio de transferencia de llamadas avanzado (Find me/follow me) Notificación de eventos
Llamadas de conferencia Preferencias de llamada entrante y saliente
Mensajería Unificada
Tabla II.5: Tipos de servicios SIP
Usando un modelo de cliente-Servidor, SIP define entidades lógicas que pueden ser implementadas de manera separada o en conjunto en el mismo dispositivo. Algunas de las entidades funcionales más importantes se describen en los puntos (a) hasta (e).
a. User Agent: Existen dos tipos de agentes de usuario; el User Agent Client, que corresponde al usuario que inicia la solicitud SIP, y el User Agent Server, que contacta al usuario cuando acepta la solicitud SIP.
b. SIP Proxy: Actúa como cliente y Servidor de aplicaciones SIP, ya que realiza a otros Servidores SIP, las solicitudes SIP generadas a él por parte de los clientes SIP.
c. Registrar: Corresponde a un Servidor de aplicaciones SIP que recibe, autentifica y acepta las solicitudes REGISTER de los clientes SIP.
d. Location Server: Se encarga de almacenar la información de los usuarios en una base de datos y determina a que IP se le entrega la solicitud.
e. Redirect Server: Responde a las peticiones SIP con una dirección donde el solicitante puede contactar el directorio de la entidad deseada. No acepta ni inicializa sus propias solicitudes.
Los clientes envían solicitudes SIP que son aceptadas por los Servidores, ejecutando estos últimos los métodos solicitados y respondiendo. La especificación SIP define seis métodos que pueden ser solicitados (del (1) al (6)). En la Figura II.11 se muestra el establecimiento de una sesión SIP con un servidor Proxy. Para el caso particular de telefonía IP, SIP puede incluir protocolos como: TCP/UDP, RTP y SDP.
1. REGISTER: Permite al usuario o a un tercero registrar información de contacto con un servidor. 2. INVITE: Inicializa la secuencia de señalización de la llamada.
3. ACK: Maneja el establecimiento de la sesión.
4. CANCEL: También maneja el establecimiento de la sesión. 5. BYE: Termina la sesión.
