Métodos de acceso al medio para lograr calidad de servicio en redes WiFi

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(1)i. Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. Título: “Métodos de acceso al medio para lograr calidad de servicio en redes WiFi.” Autor: Alejandro Cabrera Ríos Tutores: Ms. C . Rafael Alejandro Olivera Solís Ms. C . Roberto Vázquez Sánchez. , Junio, 2018.

(2) ii. Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la mencionada casa de altos estudios. Se autoriza su utilización bajo la licencia siguiente: Atribución- No Comercial- Compartir Igual. Para cualquier información contacte con: Dirección de Información Científico Técnica. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Carretera a Camajuaní. Km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. CP. 54 830 Teléfonos.: +53 01 42281503-1419.

(3) iii. Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Tutor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) iv. PENSAMIENTO. “Nunca consideres el estudio como una obligación sino como una oportunidad para penetrar en el bello y maravilloso mundo del saber” Albert Einstein.

(5) v. DEDICATORIA. A mis padres, mis hermanos, mis abuelos mis tíos en fin a toda mi familia. A mis amigos por estar siempre presentes y a todos los que de una forma u otra contribuyeron en mi formación profesional..

(6) vi. AGRADECIMIENTOS. Agradecimientos a todos los que, de una forma u otra, me han ayudado en la realización de este trabajo. Agradecimientos especiales a: -. Mi madre, Mayelín Ríos Lugones, por el cariño, el ejemplo y la inspiración que representa.. -. Mi padre, Héctor Cabrera Céspedes, por su ejemplo y su apoyo en todo momento, sin importar las circunstancias.. -. Mi hermano Jorgito, mi tía Mariela que es como mi segunda madre, y al resto de mi familia, por su apoyo constante.. -. A mi novia Roxi por estar siempre a mi lado y apoyarme en todo momento.. -. Mi tutor, Ms.C. Rafael Alejandro Olivera Solís, por los conocimientos y el ejemplo transmitidos, y la confianza depositada en mí.. -. Mi consultante Ms.C. Roberto Vázquez Sánchez por su apoyo en la realización de este trabajo.. -. A los profesores por la enseñanza de sus conocimientos y su ejemplo de profesionalidad.. -. Mis compañeros de aula por la ayuda prestada, en especial a Yasmanis, Adriel y Antonio. -. A mis amigos de la universidad, que han compartido conmigo tantos momentos alegres en estos 5 años (LKS)..

(7) vii. TAREAS TÉCNICAS 1. Estudio de la bibliografía técnico especializada para fundamentar las bases teóricas de la calidad de servicio en las redes WiFi. 2. Determinación de los parámetros de QoS en redes WiFi. 3. Caracterización de los mecanismos de acceso al medio en 802.11e. 4. Selección de escenarios de redes WiFi con calidad de servicio. 5. Valoración de distintos métodos de acceso al medio, con el objetivo de medir el desempeño de la QoS..

(8) i. RESUMEN. El vertiginoso avance tecnológico en respuesta a los requerimientos incesantes de los usuarios ha promovido la popularización y utilización masiva de las redes inalámbricas de área local tanto en entornos de hogar como en las grandes empresas debido a las ventajas que éstas prestan resaltando entre ellas la movilidad, donde a través de un dispositivo inalámbrico (Tablets, PC o smartphones) el usuario está en la capacidad de desarrollar sus actividades laborales con absoluta normalidad y disponer de todos los servicios institucionales. Este anhelo se cristaliza inicialmente con el levantamiento de una infraestructura inalámbrica de grandes prestaciones en donde además de contar con un diseño adecuado, planificado y equipamiento robusto se requiere de algo más para poder satisfacer la demanda actual de aplicaciones críticas y en tiempo real y esto es la Calidad de Servicio. Inicialmente el estándar que define las WLANs, es decir IEEE 802.11 no consideraba este mecanismo, pero a raíz de solventar las necesidades aparece la variante 802.11e para dar fin a los inconvenientes presentados en este tipo de infraestructuras debido a la evolución y convergencia de los servicios. Es por eso que este trabajo está encaminado a profundizar en el estándar 802.11e y las nuevas técnicas de acceso al medio que se implementan en dicho estándar. En el mismo, se realizan pruebas de simulación bajo diferentes configuraciones y se comprueba la efectividad del estándar para aplicaciones de voz y de video en condiciones de moderadas tasas de transmisión..

(9) ii. TABLA DE CONTENIDOS PENSAMIENTO ...................................................................................................................iv DEDICATORIA ..................................................................................................................... v AGRADECIMIENTOS .........................................................................................................vi TAREAS TÉCNICAS ......................................................................................................... vii RESUMEN ..............................................................................................................................i TABLA DE CONTENIDOS ................................................................................................. ii INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1.. Caracterización de las Redes Inalámbricas ............................................... 5. 1.1. Redes Inalámbricas .................................................................................................. 5. 1.2. Ventajas y desventajas de las Redes Inalámbricas ................................................... 8. 1.2.1. Ventajas de las Redes Inalámbricas ......................................................................... 8. 1.2.2. Desventajas o Inconvenientes .................................................................................. 9. 1.3. Seguridad de las Redes Inalámbricas ....................................................................... 9. 1.3.1. Principales mecanismos de seguridad usados en las WLAN ................................. 11. 1.4. WiFi Alliance. ........................................................................................................ 13. 1.5. Evolución del estándar IEEE 802.11 ..................................................................... 14. 1.5.1. 802.11 Legacy: ....................................................................................................... 16. 1.5.2. 802.11 a .................................................................................................................. 16. 1.5.3. 802.11 b .................................................................................................................. 16. 1.5.4. 802.11 g .................................................................................................................. 17. 1.5.5. 802.11 n .................................................................................................................. 18. 1.5.6. 802.11 ac ................................................................................................................ 19. 1.5.7. 802.11 e .................................................................................................................. 20.

(10) iii 1.6. Consideraciones finales del Capítulo 1 .................................................................. 20. CAPÍTULO 2.. Calidad de Servicio en el Estándar IEEE 802.11e .................................. 21. 2.1. Calidad de Servicios en Redes WiFi ...................................................................... 21. 2.1.1. Parámetros de Calidad de Servicio ........................................................................ 22. 2.1.2. Requerimiento de los Servicios según su naturaleza ............................................. 25. 2.1.3. Restricciones de Calidad de Servicio en IEEE 802.11 .......................................... 26. 2.2. IEEE 802.11e ......................................................................................................... 26. 2.2.1. IEEE 802.11e MAC – Nivel de Enlace ................................................................. 27. 2.2.2. EDCA ..................................................................................................................... 29. 2.2.3. HCCA..................................................................................................................... 35. 2.3. Software de simulación escogido ........................................................................... 40. 2.4. Consideraciones finales del Capítulo 2 .................................................................. 42. CAPÍTULO 3.. Resultados y Discusión............................................................................ 43. 3.1. Condiciones de simulación .................................................................................... 43. 3.2. Primer escenario, estándar 802.11g ....................................................................... 45. 3.2.1. Resultados de la simulación ................................................................................... 45. 3.3. Segundo escenario, mecanismo EDCA por defecto .............................................. 46. 3.3.1. Resultados de la simulación ................................................................................... 46. 3.4. Tercer escenario, ajustes de prioridades en los servicios ....................................... 48. 3.4.1. Resultados de la simulación ................................................................................... 48. 3.5. Consideraciones finales del Capítulo 3 .................................................................. 50. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................... 51 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................. 53 ANEXOS .............................................................................................................................. 56.

(11) iv Anexo I Anexo II. Estándar 802.11 .............................................................................................. 56 Representación del acceso al canal para cada AC. ..................................... 57. Anexo III Categorías de Acceso (CA) .............................................................................. 58 Anexo IV Configuración Básica de la WLAN sin HCF ................................................... 59 Anexo V EDCA con parámetros QAP por defecto .......................................................... 60 Anexo VI TID para EDCA con QAP por defecto ............................................................ 61 Anexo VII Parámetros EDCA Modificados (Video, voz y datos) ................................... 62 Anexo VIII TID Modificado............................................................................................. 63 Anexo XI Parámetros BSS Modificados (Video, Voz y Datos) ....................................... 64.

(12) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. Las redes WiFi, al ser redes inalámbricas de canal compartido entre todos los clientes de una celda, implementan controles de acceso al medio, necesarios para evitar colisiones e interferencias en caso de que más de un usuario emita al mismo tiempo. Estos mecanismos son el CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) y el RTS/CTS (Request To Send/ Clear To Send) que se engloban dentro de lo que se denomina DCF (Distributed Coordination Function). Sin embargo este sistema de control de acceso al medio no previene que un cliente pueda monopolizar el medio en mucha mayor medida que el resto, afectando al servicio en la celda e imposibilitando su utilización con algunas aplicaciones sensibles al retardo y el jitter. Una primera solución a este problema viene de la mano de un sistema de control que recibe el nombre de PCF (Point Coordination Function). Con este método se permite evitar el monopolio de un cliente, permitiendo a todos, la emisión de datos con una frecuencia aceptable. Sin embargo, este sistema no es capaz de diferenciar los tipos de tráfico, solo diferencia a los clientes, y tratará igual tanto a un cliente que deba transmitir video, como al que espere emitir datos o voz. La Calidad de Servicio (QoS) es esencial para el éxito de aplicaciones avanzadas como son la voz sobre IP (VoIP) o videoconferencias, además de otras aplicaciones como el video streaming, especialmente en una red con capacidad limitada o con un gran número de usuarios, debido a que este tipo de aplicaciones demanda ciertos requerimientos, como un ancho de banda mínimo garantizado y/o un servicio diferenciado. En muchos casos es necesario garantizar que la transmisión de los datos sea realizada sin interrupción o pérdida de paquetes, para lo cual la QoS juega un papel muy importante. Igualmente, es necesaria para la gestión avanzada del tráfico de red en los accesos residencial, empresarial y público, donde se necesita garantizar diferentes exigencias de desempeño sobre una misma infraestructura de red..

(13) INTRODUCCIÓN. 2. El estándar 802.11 no proporciona soporte de QoS para las aplicaciones multimedia, para esto el IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers ) definió un grupo de trabajo con el objetivo de proveer Calidad de Servicio a dicho estándar por lo que surge la necesidad de tener algún mecanismo, no solo para que todos los clientes pudieran transmitir sus datos eficientemente, sino también para priorizar la transmisión de los datos sensibles, razón por la cual se desarrolló la norma 802.11e. Esta norma amplia los sistemas de control existentes hasta el momento, DCF y PCF, con un nuevo esquema denominado HCF (Hybrid Coordination Function) que define dos métodos de acceso al canal para la emisión de datos, priorizando aquellos que más sensibles sean: EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) y HCCA (HCF Controlled Channel Access). Ambos métodos tienen una base común, siendo el EDCA el más extendido y obligatorio para los sistemas certificados WiFi y que soporten WMM (WiFi Multimedia). El método HCCA incorpora un mayor control del tráfico, pero su cumplimiento es opcional y a día de hoy esta menos extendido y es soportado por un número muy reducido de sistemas. Otros estándares se han publicado hasta la actualidad tratando aspectos relacionados con la QoS en la capa MAC (Medium Access Control) IEEE 802.11n, 802.11ae, 802.11aa, 802.11ac, pero los principios básicos son los recogidos en IEEE 802.11e. Este tema continúa acaparando importancia debido a dos causas fundamentales. Primeramente, el despliegue vertiginoso de redes WiFi siendo una de las tecnologías inalámbricas que más han revolucionado el mundo de las telecomunicaciones y en segundo lugar, el incremento que ha seguido experimentando el tráfico de streaming en las redes actuales. Actualmente, en las áreas públicas de navegación a través de la red WiFi predomina un tráfico altamente heterogéneo y, sin embargo, se carece de mecanismos de calidad de servicio en el acceso al medio. En el diseño de las redes WiFi no siempre se tiene en cuenta los requisitos de calidad de servicio para diferentes tipos de tráfico. En ocasiones, por no contarse con el equipamiento apropiado, y en otras simplemente por no preverse la posibilidad de cursar tráficos exigentes, como puede ser el tráfico de voz, dato y video; estas aplicaciones demandan que en la implementación de las redes inalámbricas, estas tengan un comportamiento acorde a las características de los diferentes tipos de tráfico, garantizando la calidad del servicio. Por.

(14) INTRODUCCIÓN. 3. lo antes expuesto se expone la siguiente interrogante: ¿qué mecanismos de calidad de servicio garantizan el correcto funcionamiento de redes 802.11 con diferentes categorías de tráfico? El objetivo general de la investigación se orienta a: Analizar el comportamiento del estándar 802.11e en redes con tráfico heterogéneo. Objetivos específicos: 1. Fundamentar las redes inalámbricas y los estándares 802.11. 2. Describir los mecanismos de acceso al medio del estándar 802.11e. 3. Evaluar mediante simulación el impacto de 802.11e en escenarios con tráfico heterogéneo. Las interrogantes científicas son: 1. ¿Cuáles son los fundamentos del estándar 802.11? 2. ¿Cuáles son los preceptos del acceso al medio en 802.11e? 3. ¿Qué impacto tiene la implementación de QoS en el desempeño de redes WMM? El trabajo está estructurado de la siguiente forma. Introducción, tres capítulos, conclusiones, recomendaciones, bibliografía y anexos. En la introducción se dejará plasmada la importancia de las redes inalámbricas, la necesidad de la implementación de calidad de servicios en la red de acceso WiFi, así como los aspectos fundamentales de la metodología. El capítulo 1 abordará lo referido a las redes inalámbricas, las ventajas y desventajas de este tipo de redes con respecto a las alambradas, los mecanismos de seguridad usados en las redes WLAN (Wireless Local Area Network) y se realizará una breve descripción de los principales estándares de redes WiFi (IEEE 802.11). En el capítulo 2 se describen los parámetros fundamentales de Calidad de Servicio en redes WiFi, así como los servicios requeridos por este tipo de redes y las restricciones de QoS en el estándar IEEE 802.11. Además, se analizarán los mecanismos de acceso al medio incorporados por el estándar IEEE 802.11e EDCA y HCCA y quedara definido el software de simulación a utilizarse en el siguiente capítulo. En el capítulo 3 se evalúa el desempeño de los elementos que conforman la red WiFi. Se realiza un análisis de los resultados.

(15) INTRODUCCIÓN. 4. obtenidos en cada uno de los escenarios implementados. Las conclusiones estarán en correspondencia con los objetivos trazados. Las recomendaciones servirán para dejar sentadas las bases para futuros trabajos en la materia. La bibliografía es actualizada y de alto rigor científico, además está organizada de forma adecuada. Al final aparecen los anexos..

(16) CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LAS REDES INALÁMBRICAS. 5. CAPÍTULO 1. Caracterización de las Redes Inalámbricas. Introducción: En este capítulo se abordará todo lo referido a las Redes Inalámbricas, así como sus diferentes estándares, las ventajas y desventajas de este tipo de redes con respecto a las redes alambradas y la seguridad. 1.1. Redes Inalámbricas. En 1888 se realizó la primera transmisión sin cables con ondas electromagnéticas, para ello bastó con un oscilador y un resonador, el primero utilizado como emisor y el segundo en función de receptor, fue este el primer paso para llegar a lo que hoy se le llama redes inalámbricas [1]. Las Redes Inalámbricas (Wireless Networks) permiten la interconexión entre dos o más puntos, nodos o estaciones, por medio de ondas electromagnéticas que viajan a través del espacio llevando información de un lugar a otro [2]. Desde principios de 1990 se convive con tecnologías inalámbricas de comunicaciones, aunque en sus inicios fue desfavorable debido a que cada fabricante desarrollaba sus propios modelos, incompatibles con los demás. Al iniciarse este 2018 se habían vendido alrededor de 3 billones de dispositivos que incorporan el WiFi como medio de comunicación inalámbrica. Hay que destacar que las redes inalámbricas actuales se encuentran en constante desarrollo para aumentar las velocidades de transmisión, para obtener tecnologías que mejoren la conectividad, la fiabilidad, la seguridad y que resuelvan problemas de ruidos e interferencias [1]. Tal como se muestra en la Figura 1.1 las redes inalámbricas se pueden clasificar por su alcance geográfico en diferentes tipos, los cuales se describen a continuación:.

(17) CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LAS REDES INALÁMBRICAS. 6.  Wireless PAN (Personal Area Network)  Wireless LAN (Local Area Network)  Wireless MAN (Metropolitan Area Network)  Wireless WAN (Wide Area Network). Figura 1.1. Clasificación de las Redes inalámbricas [3].. 1. La WPAN (Red de Área Personal Inalámbrica) es aquella que permite interconectar dispositivos electrónicos dentro de un rango pequeño, aproximadamente entre 9 y 30 metros (como teléfonos móviles, PC, impresoras, cámaras) para comunicar y sincronizar información. La tecnología líder en esta área es el ya muy conocido Bluetooth [4]. Entre las redes Inalámbricas personales o pequeñas (WPAN) se destacan diferentes estándares: . Infrarrojos: Muy limitadas dado su cortísimo alcance, necesidad de visión sin obstáculos entre los dispositivos que se comunican y su baja velocidad (hasta 115 kbps). Se encuentran principalmente en ordenadores portátiles, PDAs (Agendas electrónicas personales), teléfonos móviles y algunas impresoras.. . Bluetooth: Estándar de comunicación entre pequeños dispositivos de uso personal, como pueden ser los PDAs, teléfonos móviles de nueva generación y ordenadores portátiles. Su principal desventaja es que su puesta en marcha se ha ido retrasando.

(18) CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LAS REDES INALÁMBRICAS. 7. desde hace años y la aparición del mismo ha ido plagada de diferencias e incompatibilidades entre los dispositivos de comunicación de los distintos fabricantes que ha imposibilitado su rápida adopción. Opera dentro de la banda de los 2.4 Ghz, por lo que presenta interferencia a las WiFi en dicha banda y por eso en la versión 1.2 se ha actualizado su especificación para que no haya interferencias en la utilización simultánea de ambas tecnologías. . Redes de Sensores (WSN): Las redes de sensores inalámbricos han ido ampliando su espectro de aplicación en la agricultura, la salud, las industrias, edificios inteligentes, el medio ambiente, etc. Por ejemplo, monitorear toxinas en lugares de difícil acceso, biosensores humanos etc. El estándar más difundido es el IEEE 802.15.4, también conocido como Zigbee [3].. 2. La WLAN (Red de Área Local Inalámbrica), es una red de alcance local que tiene como medio de transmisión el aire, implementada como una extensión o como alternativa a una red cableada. Está compuesta fundamentalmente por dos tipos de elementos, AP (Access Point) y los dispositivos clientes, como se muestra en la Figura 1.2 [5].. Figura 1.2. Elementos de una Red Inalámbrica de Área Local (WLAN) [3]. 3. La WMAN (Red de Área Metropolitana Inalámbrica) fue definida por el estándar IEEE. 802.16 en el 2004. Inicialmente propuesta como un sistema de acceso de banda ancha fijo con múltiples estaciones de abonado (SS), las cuales enlazan a las estaciones radiales centrales (BS) a través de antenas exteriores. Este tipo de redes se desarrolló.

(19) CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LAS REDES INALÁMBRICAS. 8. para reemplazar las redes de infraestructura cableadas con un despliegue más eficiente y un menor costo de mantenimiento [6]. 4. La WWAN (Red de Área Amplia Inalámbrica) es una red de computadores que abarca. un área geográfica relativamente extensa. En las WAN inalámbricas se utiliza WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), la cual propone mayores anchos de banda en dispositivos portátiles y puntos de acceso inalámbricos. WiMAX está regido por el estándar IEEE 802.16 el cual utiliza las bandas de frecuencias entre 2 y 11GHz obteniendo una cobertura de hasta 70km [4], [7]. 1.2. Ventajas y desventajas de las Redes Inalámbricas. 1.2.1 Ventajas de las Redes Inalámbricas 1. Instalación simple: Si la solución inalámbrica es del tipo plug and play y soporta el protocolo. DHCP. (Dynamic. Host. Configuration. Protocol),. el. cual. asigna. automáticamente direcciones IP a los clientes inalámbricos; la instalación resulta muy simple y no tardará más que unos pocos minutos. Una vez conectada los usuarios empezarán a gozar de inmediato de los servicios de la red. 2. Poca planificación: A diferencia de las redes cableadas antes de cablear un edificio u oficinas, se debe pensar mucho sobre la distribución física de los elementos de la red, mientras que con una red inalámbrica sólo hay que preocuparse de que el edificio o las oficinas queden dentro del ámbito de cobertura de la red. 3. Robustez: Ante situaciones inesperadas que pueden ocurrir frecuentemente como un tropezón dado por un usuario con un cable provocando que el mismo se desenchufe, o las inclemencias del tiempo ya sea huracanes, terremotos o un simple mal tiempo; una red cableada podría llegar a quedar completamente inutilizada, mientras que una red inalámbrica puede aguantar bastante mejor este tipo de percances. 4. Diseño: Debido a que los receptores utilizados en este tipo de redes son sumamente pequeños, estos pueden ser integrados en un dispositivo y llevarlo hasta en nuestra cartera si se desea trasladarlo a otro lugar. 5. Movilidad: Dentro de la zona de cobertura de la red inalámbrica se puede variar la posición y no se corre el riesgo de perder la prestación de los servicios que ofrece la red..

(20) CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LAS REDES INALÁMBRICAS. 9. 6. Reducción de costes: Aunque la inversión inicial requerida para una red inalámbrica puede llegar a ser más alta que el costo en hardware de una LAN, la inversión de toda la instalación y el costo durante el ciclo de vida pueden ser significativamente inferiores, ya que a ausencia del tendido de cables y de las costosas instalaciones los frecuentes movimientos realizados en ambientes dinámicos resultan a costos bajos. Por otra parte, tanto los puntos de acceso como las tarjetas PCMCIA tienen un coste relativamente asequible. 7. Facilidad de configuración para el usuario: El usuario que se va a conectar a la red sólo tiene que poner la llave de acceso en caso de que se tenga alguna seguridad configurada. En zonas donde la red es abierta, no es necesario configurar nada, pues la tarjeta detecta la red automáticamente [4], [8]. 1.2.2 Desventajas o Inconvenientes 1. Interferencias: Ocasionadas fundamentalmente por teléfonos inalámbricos que operen a. la misma frecuencia, por redes inalámbricas cercanas o incluso por otros equipos conectados inalámbricamente a la misma red. 2. Velocidad: Las redes cableadas alcanzan la velocidad de 100 Mbps, mientras que las redes inalámbricas alcanzan cuando mucho 54 Mbps. 3. Seguridad: En una red cableada es necesario tener acceso al medio que transmite la. información mientras que en la red inalámbrica el medio de transmisión es el aire [4]. 1.3. Seguridad de las Redes Inalámbricas. Actualmente la seguridad se ha convertido en uno de los principales problemas de los sistemas de acceso inalámbrico. Varios elementos han contribuido a ello: el hecho de que se utilice un medio de transmisión compartido sin control de las personas o dispositivos con capacidad de acceso a dicho medio lo cual trae problemas debido a los intrusos que pueden entrar en la red libremente dando una posibilidad virtual de no ser detectados, la rápida implantación de esta tecnología en la sociedad, la novedad de la tecnología empleada, y una política en su desarrollo, donde ha primado su expansión y ha dejado de lado aspectos relativos a su seguridad. Hoy en día se está realizando un gran esfuerzo en el desarrollo de.

(21) CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LAS REDES INALÁMBRICAS. 10. estándares y tecnologías que eviten estos problemas de seguridad, manteniendo la filosofía de una conexión móvil [9]. El estándar 802.11 ofrece dos métodos de autenticación: 1. OSA (Open System Authentication): Autenticación de Sistema Abierto mostrado en la Figura 1.3. Este mecanismo consiste en autenticar todas las peticiones de los usuarios. El mismo consta de dos pasos; el primero consiste en que la estación que quiere autenticarse con otra o con el AP, le envía una trama que contiene la identidad (SSID Service Set Identifier) de estación emisora. El segundo paso, la otra estación (receptora) o el AP envía a la estación emisora otra trama que indica si se reconoció o no la identidad proporcionada por ella. Tiene como inconveniente que no realiza ninguna comprobación y, además, todas las tramas de gestión son enviadas sin ningún tipo de encriptación.. Figura 1.3. Autenticación de Sistema Abierto [10].. 2. SKA (Shared Key Authentication): Autenticación de Clave Compartida mostrado en la Figura 1.4. Este mecanismo se basa en que cada estación debe poseer una clave compartida, la cual es recibida a través de un canal seguro e independiente de la red 802.11; por lo que cada estación que posea una clave va a poder autenticarse con otra por medio de un secreto compartido, el algoritmo de encriptación utilizado en este mecanismo es WEP [10]..

(22) CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LAS REDES INALÁMBRICAS. 11. Figura 1.4. Autenticación de Clave Compartida [10].. 1.3.1 Principales mecanismos de seguridad usados en las WLAN . WEP (Wired Equivalent Privacy): Es el algoritmo opcional de seguridad establecido en la norma IEEE 802.11, según el estándar los objetivos de WEP son proporcionar confidencialidad, autentificación y control de acceso en redes WLAN [11]. Fue diseñado con los objetivos de implementarse sobre hardware con un costo no elevado, así como también contar con una administración fácil y sencilla, donde cada dispositivo configurado con este mecanismo usaría una clave, la cual funciona como una contraseña de acceso a la red. Esta clave es utilizada en todos los dispositivos que están autorizados para comunicarse dentro de la red administrada por el AP, logrando así que aquellos dispositivos que no cuenten con esta clave no accedan a la WLAN [12].. El estándar IEEE 802.11 utiliza el protocolo WEP para la confidencialidad de la información. Desafortunadamente, la integridad de la información es vulnerable a los ataques y sus mecanismos de autenticación pueden ser vencidos. Además, el protocolo de encriptación usado en WEP ha sido comprometido seriamente y los software de ruptura de Claves WEP son ampliamente difundidos en Internet [11]. . WPA (WiFi Protected Access): WPA (Figura 1.5), soluciona gran parte de las debilidades de WEP y se considera suficientemente seguro. El mismo se distingue por tener una distribución dinámica de claves, utilización más robusta del vector de inicialización y nuevas técnicas de integridad y autentificación..

(23) CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LAS REDES INALÁMBRICAS. 12. Figura 1.5. Protocolo WPA [13].. WPA incluye tecnologías como: 1. IEEE 802.1X, que es un estándar del IEEE que proporciona control de acceso en rede basadas en puertos. 2. EAP (Extensible Authentication Protocol): Definido en el RFC 2284 como el protocolo de autentificación extensible, el cual tiene como propósito llevar a cabo las tareas de autentificación, autorización y contabilidad. 3. TKIP (Temporal Key Integrit Protocol): Según indica WiFi, este es el protocolo encargado de la generación de la clave para cada trama. 4. MIC (Message Integrity Code): Código que verifica la integridad de los datos de ls tramas [7], [9]. WPA2 o IEEE 802.11i: Incluye un algoritmo de cifrado AES (Advanced Encryption Standard), desarrollado por el NIS (Network Information Service). Se trata de un algoritmo de cifrado de bloque con claves de 128 bits el cual requiere un hardware potente para realizar sus algoritmos. Para el aseguramiento y autenticidad de los mensaje, WPA2 utiliza CCMP (Counter-Mode/Cipher Block Chaining/Message Authentication Code Protocol) en lugar de los códigos MIC [7]..

(24) CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LAS REDES INALÁMBRICAS. 1.4. 13. WiFi Alliance.. En 1991 compañías como Lucent, Nokia, 3Com, Cisco entre otras, crearon una asociación conocida como WECA (Wireless Ethernet Compatibility) cuyo nombre fue sustituido por WiFi Alliance posteriormente. Su objetivo fundamental es establecer estándares para que los dispositivos WLAN sean compatibles bajo IEEE 802.11 con la marca registrada WiFi. Hay que destacar que no todos los dispositivos compatibles con IEEE 802.11 son presentados para la certificación de la WiFi Alliance, a veces debido a los costes asociados al proceso de certificación. Se debe destacar que la falta del logotipo WiFi no implica necesariamente que un dispositivo sea incompatible con dispositivos WiFi. En la Figura 1.6 se muestra el logotipo que utilizan los fabricantes para certificar que sus productos son interoperables con otros.. Figura 1.6. WiFi Alliance [14].. En marzo del 2013 se creó la WiGig (Wireless Gigabit Alliance) en cooperación con la WiFi Alliance para el crecimiento y expansión de las tecnologías inalámbricas a velocidades multigigabit bajo el estándar IEEE 802.11ad, de esta forma los usuarios pueden disfrutar de aplicaciones interactivas y multimedia en tiempo real utilizando el espectro de 60Ghz con lo que se garantizaría la transmisión de grandes volúmenes de información. Los dispositivos habilitados para WiGig tribanda, que operan en las bandas de 2.4, 5 y 60 GHz, ofrecen tasas de transferencia de datos de hasta 7 Gbit/s, casi tan rápida como una transmisión 802.11ac de 8 antenas, y cerca de 50 veces más rápida que la más alta tasa 802.11 n, mientras que mantiene la compatibilidad con los dispositivos WiFi existentes. La señal de 60 GHz no puede normalmente penetrar las paredes, pero puede propagarse fuera de las reflexiones de las paredes, techos, suelos y objetos mediante la formación de haz.

(25) CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LAS REDES INALÁMBRICAS. 14. integrado en el sistema de WiGig. Cuando itinera fuera de la banda principal, el protocolo puede cambiar para hacer uso de las otras bandas inferiores a un ritmo mucho menor, pero que se puede propagar a través de las paredes. En la Figura 1.7 se presenta el logo de WiGig [14].. Figura 1.7. Wireless Gigabit Alliance (WiGig) [14].. 1.5. Evolución del estándar IEEE 802.11. En junio de 1997 fue publicado el estándar 802.11 por el IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) [15], el cual específica la capa física y la capa de enlace de datos (ver Figura 1.8), para implementar una red inalámbrica de área local (WLAN) o una red adhoc. En la primera, todos los nodos envían y reciben paquetes hacia y desde un nodo centralizado, conocido como AP. En el segundo, no existe tal nodo y las comunicaciones se pueden dar entre todos los nodos [16].. Figura 1.8. Capas del modelo OSI definidas por el estándar IEEE 802.11 [13]..

(26) CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LAS REDES INALÁMBRICAS. 15. Capa Física: La capa física se divide en dos sub-capas, la PMD (Physical Medium Dependent), que maneja las distintas bandas de frecuencia de trabajo y los esquemas de modulación disponibles y la sub-capa PLCP (Physical Layer Convergence Protocol), la cual es responsable de interactuar entre la capa MAC y la subcapa PMD, añadiendo un encabezado y un preámbulo a cada paquete. Capa Enlace: La capa de enlace se divide en dos sub-capas, una de control de acceso al medio (MAC) y otra de control del enlace lógico (LLC) la cual es común para todos los estándares 802.X. La sub-capa MAC define dos funciones de acceso al medio como se muestra en la Figura 1.9, la primera llamada Distributed Coordination Function (DCF), más conocido como CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) que es un mecanismo de detección de portadora y prevención de colisiones, llevado a cabo en cada estación de forma distribuida. La segunda función recibe el nombre de Point Coordination Function (PCF), que prácticamente no es implementado [16].. Figura 1.9. Arquitectura MAC del estándar 802.11 [15].. Después de conocer las especificaciones del estándar 802.11 se analizarán sus principales variantes: a, b, g, n, ac y e, siendo 802.11e la variante de mayor relevancia en este trabajo,.

(27) CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LAS REDES INALÁMBRICAS. 16. pero antes se verán las principales características del estándar en su versión original o legacy como lo nombran algunos autores. En el Anexo I se muestran las principales características de otros estándares 802.11. 1.5.1 802.11 Legacy: Es el estándar original que como ya se mencionó anteriormente fue publicado en el año 1997, el mismo ratifica velocidades de transmisión de 1 y 2 Mbps [14]. Funciona sobre la banda ISM (Industrial, Scientific and Medical) de 2,4Ghz (de 2.400MHz a 2.483,5MHz) [17]. También define el protocolo CSMA/CA como método de acceso al medio [18]. Utiliza FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) con modulaciones FSK (Frequency Shift Keying) Gaussiana de dos niveles para 1Mbps y FSK Gaussiana de 4 niveles para 2Mbps, también DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) con modulaciones DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying) para 1Mbps y DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying) para 2Mbps [14]. Como se aprecia este estándar ofrece velocidades de transmisión muy lentas de ahí que empezaran a surgir las quejas de los usuarios y por tanto se empezó a trabajar en estándares más veloces. 1.5.2 802.11 a Fue aprobado en el año 1999, opera en la banda de 5Ghz con velocidades de transmisión teórica de 54Mbps [18] aunque la velocidad real es de 20Mbps. Cuenta con un total de 12 canales en el espectro asignado, cada uno de 20Mhz. Usa como técnica de modulación OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), cada canal con 52 subportadoras donde: 48 son para la transmisión de datos y los 4 restantes para monitoreo de desplazamientos de frecuencia e ICI (Inter Carrier Interference). Utiliza modulaciones: BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM [14]. Las distancias de coberturas son muy reducidas alcanzando entre 30m (a 54Mbps) y 300m (a 6 Mbps) en exteriores, y entre 12m (a 54Mbps) y 90m (a 6 Mbps) en interiores [17]. 1.5.3 802.11 b Fue aprobado en 1999, aunque el grupo 802.11a se estableció primero, el estándar 802.11b se aprobó antes y su producto llegó al mercado mucho antes, por tanto este estándar.

(28) CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LAS REDES INALÁMBRICAS. 17. constituye el primer avance respecto al estándar original [18]. Opera en la banda 2,4Ghz con velocidades de transmisión capaz de variar desde 1, 2, 5.5 y 11Mbps, dichas variaciones dependen de diferentes factores. Es el primer estándar en cubrir el modo de funcionamiento Ad-Hoc y su principal ventaja con respecto al 802.11a es que puede cubrir grandes superficies con un menor número de puntos de acceso [13]. Los rangos de cobertura que ofrece este estándar dependen en gran medida de las velocidades aplicadas, del número de usuarios que se encuentren conectados y del tipo de antenas y amplificadores que sean utilizadas [17]. 1.5.4 802.11 g En junio de 2003, se ratifica un tercer estándar: 802.11g, que es la evolución de 802.11b y es compatible con este. Utiliza la misma banda de frecuencia 2,4Ghz pero con la diferencia de operar con velocidades de transmisión mayores de 20 a 54 Mbps (velocidad real 22Mbps) y a una razón máxima de datos de 24,7 Mbps. El 802.11g usa modulación OFDM y CCK (Complementary Code Keying) con una razón de datos de 1, 2, 5.5 y 11 Mbps en CCK al igual que 802.11b y de 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, y 54 Mbps en OFDM esto permite que 802.11g pueda elegir según sea conveniente en un mayor rango que el de 802.11a y el 802.11b. Este estándar cubre de 50 a 100m de distancia en interiores pero permite hacer comunicaciones de hasta 50km si se utilizan antenas parabólicas apropiadas [17]. Mientras que el estándar IEEE 802.11b usa solo tecnología DSSS, IEEE 802.11g utiliza DSSS u OFDM o ambos. El uso combinado de ellas se logra mediante la provisión de cuatro capas físicas diferentes. Estas capas, definidas en el estándar como físicas de tasa extendida, coexisten durante un intercambio de fotogramas, por lo que el emisor y el receptor tienen la opción de seleccionar y usar una de ellas. Las cuatro capas físicas definidas en el estándar IEEE 802.11g se muestran en la Figura 1.10..

(29) CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LAS REDES INALÁMBRICAS. 18. Figura 1.10. Parámetros de las diferentes capas físicas IEEE 802.11g [19].. 1.5.5 802.11 n El estándar 802.11n fue aprobado en septiembre de 2009 con una velocidad teórica máxima de 600 Mbps [20]. Trabaja en dos bandas de frecuencias: 2.4 GHz (la misma que emplean 802.11b y 802.11g) y 5 GHz (la que emplea 802.11a) por lo que le permite al estándar ser compatible con los dispositivos basados en las ediciones anteriores. Permite hacer uso de múltiples antenas de transmisión y recepción para el envío de flujo de datos, tecnología conocida como MIMO (Multiple Input/Multiple Ouput) como se muestra en la Figura 1.11.. Figura 1.11. Tecnología MIMO [14]..

(30) CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LAS REDES INALÁMBRICAS. 19. 1.5.6 802.11 ac Conocido como WiFi 5G o WiFi Gigabit este estándar fue publicado en diciembre de 2012 y constituye una propuesta mejorada de 802.11n. Alcanza velocidades de transmisión de hasta 1,3 Gbps debido a que el movimiento de información se realiza en tres flujos de 433 Mbps cada uno. Funciona en la banda de 5GHz la cual ofrece un mayor número de canales sin interferencia y está menos poblada que la de 2.4 GHz, esto le permite al estándar mayor estabilidad a la conexión, y un mayor radio de funcionamiento. Además, se amplía el ancho de banda hasta de 160 Mhz como se muestra en la Figura 1.12 (40 MHz en las redes 802.11n), hasta 8 flujos MIMO (4 en 802.11n) con modulación de alta densidad 256 QAM (64 QAM en 802.11n) [14].. Figura 1.12. Canales utilizados por 802.11ac en la banda de 5 GHz [18].. A continuación, se muestra una comparación (Figura 1.12) entre las velocidades de transmisión reales y teóricas de este estándar 802.11ac y los analizados anteriormente, o sea los estándares IEEE 802.11a, b, g y n.. Figura 1.13. Velocidades de transmisión alcanzadas en 802.11 [18]..

(31) CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LAS REDES INALÁMBRICAS. 20. 1.5.7 802.11 e Debido a que el estándar 802.11 no proporciona soporte de QoS para las aplicaciones multimedia la IEEE decide construir un estándar que mitigara este problema. Desde junio de 2003 hasta el 2005 en que fue publicado se estuvo trabajando en la creación de ese nuevo estándar, el 802.11e. El mismo introduce nuevos mecanismos a nivel de Capa MAC para soportar los servicios que requieren garantías de Calidad de Servicio. Como se había analizado anteriormente en la Figura 4, la sub-capa MAC ubicada en la Capa de Enlace de Datos del modelo de referencia OSI definía dos funciones de Acceso al Medio: DCF y PCF. El estándar 802.11e introduce una tercera función de coordinación llamada HCF (Hybrid Coordination Function), que incorpora dos nuevos mecanismos de acceso al canal: EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) y HCCA (HCF Controlled Channel Access) [17]. 1.6. Consideraciones finales del Capítulo 1. En este capítulo se realizó una descripción de los estándares de redes inalámbricas 802.11a, b, g, n, ac y e, siendo este último de gran importancia en este trabajo ya que es el que ofrece calidad de servicio, tema que será tratado con mayor profundidad en el siguiente capítulo. También se hizo un análisis de las principales ventajas y desventajas que ofrecen este tipo de redes y se abordó el tema de la seguridad..

(32) CAPÍTULO 2. CALIDAD DE SERVICIO EN EL ESTÁNDAR IEEE 802.11E. CAPÍTULO 2.. 21. Calidad de Servicio en el Estándar IEEE 802.11e. Introducción: En este capítulo será abordado el tema de la Calidad de Servicio en el Estándar IEEE 802.11e, así como sus principales parámetros, los servicios requeridos (datos, voz y video) y las restricciones de la misma en DCF y PCF. Se realizará un análisis profundo de los mecanismos de acceso al medio que ofrecen Calidad de Servicio EDCA y HCCA. Por último, se seleccionará la herramienta de simulación. 2.1. Calidad de Servicios en Redes WiFi. Las redes WiFi son redes inalámbricas donde el ancho de banda es compartido por todos los usuarios de la red lo que implica que se empleen mecanismos para el control del acceso al medio [21]. Debido a que los primeros estándares WiFi no proveían QoS en el acceso al medio como es el caso de: 802.11 Legacy, 802.11a, 802.11b y 802.11g los cuales ya fueron analizados en el epígrafe anterior, WiFi Alliance publica en el 2004 un certificado para soportar aplicaciones multimedia con calidad de servicio en redes WiFi o WMM, esto sirvió como antesala al estándar IEEE 802.11e publicado en el 2005, el cual define los mecanismos para lograr calidad de servicio en este tipo de redes [22]. En el ámbito de las Telecomunicaciones, Calidad de Servicio, según el documento E-800 de la UIT publicado en 1984 es: “el efecto colectivo del rendimiento de un servicio que determina el grado de satisfacción del usuario de dicho servicio “. Esta definición es muy aceptada ya que no deja duda alguna de que se trata de una percepción del usuario [3]. La Calidad de Servicio en una tecnología inalámbrica puede ser aplicada a nivel de capa Red o en la capa Enlace de Datos..

(33) CAPÍTULO 2. CALIDAD DE SERVICIO EN EL ESTÁNDAR IEEE 802.11E. 22. En la capa Red la organización internacional IETF (Internet Engineering Task Force) presenta dos modelos principales para el soporte de calidad de servicio: DiffServ e IntServ, los cuales son explicados a continuación: . DiffServ (Servicios Diferenciados) es una tecnología que permite dividir los flujos de datos en diferentes clases y asignar prioridades a cada paquete, esto permite que los paquetes IP en los routers sean tratados de forma diferenciada. Este modelo tiene como ventaja escalabilidad y despliegue, ya que no es obligatorio que todos los routers de la red tengan este mecanismo implementado [23].. . IntServ (Servicios Integrados) permite reservar los recursos de red en cada nodo en función de los requisitos de calidad de servicio solicitados por el flujo de datos. Debido a su falta de escalabilidad este modelo tiene un uso limitado solamente a redes pequeñas [17].. En cuanto a la capa enlace de datos la aplicación de QoS es de suma importancia, ya que ofrece soporte a los mecanismos de calidad de servicio implementados en capas superiores. Para las Redes IEEE 802.11 el estándar 802.11e es el encargado de definir los mecanismos de Calidad de Servicio [20]. 2.1.1. Parámetros de Calidad de Servicio. Para que una red sea capaz de soportar aplicaciones con calidad de servicio, se debe garantizar el cumplimiento de parámetros como: Retardos o Latencia: Tiempo que tarda un paquete en llegar desde la fuente al destino. Puede ocurrir que los paquetes tomen un largo período en alcanzar su destino, debido a que pueden permanecer en largas colas o tomen una ruta menos directa para prevenir la congestión de la red [22]. Para determinar este parámetro se considera la suma de todos los retardos generados en todo el trayecto, así se tienen los siguientes tipos de retardos que influyen directamente en la transmisión, que obviamente deben ser reducidos al mínimo para garantizar los servicios: 1. Retardo por Procesamiento: Tiempo en que tarda un dispositivo en tomar un paquete de la interfaz de entrada, examinarlo y colocarlo en la interfaz de salida..

(34) CAPÍTULO 2. CALIDAD DE SERVICIO EN EL ESTÁNDAR IEEE 802.11E. 23. 2. Retardo por encolamiento: Tiempo que se demora un paquete en la cola para ser despachado por la interfaz de salida. 3. Retardo por Serialización: Tiempo que le toma a un dispositivo en colocar los bits de un paquete sobre el medio de transmisión. 4. Retardo por Propagación: El tiempo necesario que le toma a un paquete en atravesar el medio de transmisión, éste varía dependiendo de las características del medio por ejemplo si el medio es Fibra óptica este retardo va a ser menor que un enlace inalámbrico o de radio [14]. Paquetes sueltos: Los routers pueden fallar en liberar algunos paquetes si ellos llegan cuando los buffers ya están llenos, debido a esto, algunos, ninguno o todos los paquetes pueden quedar sueltos dependiendo del estado de la red. La aplicación del receptor puede preguntar por la información que será retransmitida posiblemente causando largos retardos a lo largo de la transmisión [22]. Jitter: El jitter se define como la diferencia entre el tiempo en que llega un paquete y el tiempo que se cree que llegara el paquete, es decir es la variación en el retardo. Puede ser causado por congestión de red, pérdida de sincronización o por las diferentes rutas seguidas por los paquetes para llegar al destino. Para entenderlo mejor ver Figura 2.1 donde se muestra gráficamente la explicación mediante un ejemplo: Ejemplo: Los paquetes A y B llegan al destino cada 50 milisegundos pero el paquete C tarda 90 milisegundos, o sea con 40 milisegundos más de retardo que los dos paquetes anteriores lo que provoca un jitter de 40 milisegundos [17]..

(35) CAPÍTULO 2. CALIDAD DE SERVICIO EN EL ESTÁNDAR IEEE 802.11E. 24. Figura 2.1. Jitter [17].. Errores: En ocasiones, los paquetes son mal dirigidos, combinados entre sí o corrompidos cuando se encaminan. El receptor tiene que detectarlos y cuando el paquete es descartado, pregunta al transmisor para repetirlo [13]. Pérdida de Paquetes: Las comunicaciones en tiempo real están basadas en el protocolo UDP (User Datagram Protocol). Este protocolo no está orientado a conexión y si se produce una pérdida de paquetes no se reenvían. La pérdida de paquetes también se produce por descartes de paquetes que no llegan a tiempo al receptor, por lo que los parámetros vistos anteriormente pueden desencadenarla, en adición, en las redes inalámbricas puede estar causada por pobre nivel de señal, limitaciones de rango e interferencias provocadas por otros dispositivos compartiendo el mismo rango de frecuencias [22]. Ancho de Banda: Una medida de la capacidad de transmisión de datos, expresada generalmente en Kilobits por segundo (kbps), en Megabits por segundo (Mbps) o en Gigabits por segundo (Gbps). Indica la capacidad máxima teórica de una conexión, pero esta capacidad teórica se ve disminuida por factores negativos tales como el retardo de transmisión, que pueden causar un deterioro en la calidad. Aumentar el ancho de banda significa poder transmitir más datos, pero también implica un incremento económico y, en ocasiones, resulta imposible su ampliación sin cambiar de tecnología de red [3]..

(36) CAPÍTULO 2. CALIDAD DE SERVICIO EN EL ESTÁNDAR IEEE 802.11E. 2.1.2. 25. Requerimiento de los Servicios según su naturaleza. La transmisión de datos, como pueden ser ficheros de un servidor, correo electrónico o páginas web, es un tráfico poco exigente. Este servicio demanda la mayor velocidad de transmisión y la menor pérdida de paquetes que sea posible. Hay que tener en cuenta que una degradación de estos parámetros producto de alguna interferencia externa, o una simple colisión entre clientes, puede provocar pérdidas. En este caso, el usuario apreciaría una disminución en la velocidad de acceso a los datos, pero a no ser que esta se reduzca por debajo de un cierto umbral que la haga inaceptable, no habrá una mayor exigencia [24]. El tráfico de video es más exigente que el de datos, ya que el video ha de ser mostrado en el instante que corresponde. El hecho de que los datos lleguen más despacio, en una página web influye en que tarde menos o más en bajar, pero los fotogramas del video se han de mostrar secuencialmente, o el video no será reproducido de forma correcta, apreciándose cuadros, sonido deficiente, aceleraciones del video, pausas, etc. Además de una velocidad de transmisión mínima, dependiendo de la codificación y la calidad de la imagen, para poder transmitir el video con fiabilidad, y una ausencia de pérdida de paquetes, hará falta un cumplimiento estricto de otros parámetros como el jitter, la latencia, la duplicación y reordenación de paquetes y la emisión en ráfagas [25]. Las necesidades del tráfico de voz son análogas a la del video, ya que se trata de un servicio que no permite pérdida de información y que precisa de una temporización muy estricta. Sin embargo, existen diferencias con respecto a este, la primera es que aunque es necesario que se garantice un ancho de banda y que este dependerá del sistema de codificación de la voz que utilice el sistema, esta velocidad de transmisión será mucho menor que en caso del video [26]. Otra diferencia a tener en cuenta es que la latencia es un parámetro importante para la voz, si esta es alta, la red no será apta para conversaciones de voz, pues un retraso mínimo es percibido muy negativamente por los usuarios. De manera general, mientras en el video es posible convivir con un umbral bajo de tasa de perdida de paquetes, sin que se pierda sensiblemente la información que se recibe aunque se afecte la calidad de la imagen, en el caso de la voz la harían inteligible, y por tanto la comunicación sería imposible [22]..

(37) CAPÍTULO 2. CALIDAD DE SERVICIO EN EL ESTÁNDAR IEEE 802.11E. 2.1.3. 26. Restricciones de Calidad de Servicio en IEEE 802.11. Limitaciones de QoS en DCF: En el mecanismo DCF todos los flujos de tráfico son tratados de igual forma; o sea, si una estación tiene flujos de datos de una determinada aplicación en tiempo real, la misma optará por el medio en iguales condiciones que cualquier otra estación en la BSS (Basic Service Set). Esta falta de prioridad en acceso al medio es perjudicial en ocasiones en las cuales el tráfico en la red es elevado ya que las estaciones con aplicaciones en tiempo real sufrirían altos retrasos, jitter, pérdida de paquetes y bajas velocidades de transmisión provocando de esta forma inquietudes por parte de los usuarios que tengan acceso a dicha red en ese instante [20]. Limitaciones de QoS en PCF: A pesar de que el PCF fue creado para soportar aplicaciones en tiempo real, el mismo presenta algunos problemas en su implementación. Primeramente, no permite diferenciar algunos niveles de prioridad de tráfico. Además, al inicio de un período libre de contención el PC compite con las demás estaciones por el control del medio, y si el mismo se encuentra desocupado la transmisión del beacon se posterga provocando retardos para el resto de la comunicación algo que no favorece en la satisfacción de los usuarios. Las estaciones que reciben el mensaje de elección o polling pueden transmitir un paquete con cualquier longitud, por lo que el PC no puede predecir ni controlar el tiempo de transmisión de las estaciones y por tanto no tiene el control de la duración del período libre de contención. Esto trae como consecuencias que el PC pueda garantizar un retardo y jitter a una estación con aplicaciones en tiempo real [27]. 2.2. IEEE 802.11e. Debido a que DCF y PCF no establecen diferencias entre tipos o fuentes de tráfico, IEEE crea un nuevo estándar 802.11 que resuelva este inconveniente manteniendo la compatibilidad con los actuales estándares, por lo que en 2005 se publica el estándar IEEE 802.11e que define un conjunto de novedades. Para describir estas novedades se utiliza la siguiente nomenclatura..

(38) CAPÍTULO 2. CALIDAD DE SERVICIO EN EL ESTÁNDAR IEEE 802.11E. 27. Se denominará a cualquier estación que dispone de soporte para Calidad de Servicio como (QSTA) y a un punto de acceso que preste los servicios de QoS como (QAP). Por el contrario, una estación que no tenga soporte para calidad de servicio se le denominará (NoQoS STA) y un punto de acceso sin calidad de servicio (No-QoS AP). Las mejoras que diferencian a una QSTA de una No-QoS STA, se les llamarán en conjunto facultad de QoS. Como los QAP se encuentran dentro del conjunto de las QSTAs, a una estación que soporta calidad de servicio, pero no es un punto de acceso se le nombrará como (No-AP QSTA). Se utilizará la denominación. (STA), para hacer. referencia. a. cualquier estación. independientemente si tiene o no soporte para QoS, y la denominación de (AP) para cualquier Punto de Acceso independientemente si tiene o no soporte para QoS [20]. Dentro de 802.11e se pueden distinguir básicamente dos grupos funcionales, se trata de las funciones de acceso al canal, y la gestión de especificación de tráfico (TSPEC) [27], esta última se abordará en el epígrafe 2.2.4. 2.2.1 IEEE 802.11e MAC – Nivel de Enlace El estándar IEEE 802.11e define la función de coordinación híbrida (HCF), la cual se emplea para el conjunto de servicios básicos con soporte de QoS (QBSS). Esta tercera función de coordinación permite sondear las estaciones dentro de un período libre de contenciones mediante el cual se garantiza un tiempo de inicio específico y una duración máxima de transmisión [26]. Esta nueva técnica define dos modos de operación: . EDCA: Consiste en una función de acceso que funciona de forma concurrente junto al segundo modo de operación HCCA, presenta cuatro niveles de prioridad o categorías de acceso (AC).. . HCCA: Mecanismo de sondeo controlado por el coordinador híbrido (HC, Hybrid Coordinator) que puede proveer latencia constante para tráficos sensibles al tiempo. El HC se encuentra situado en el AP con QoS (QAP). Este modo de acceso incluye una técnica de sondeo (Polling).. Ambas funciones de acceso mejoran o extienden la funcionalidad de los métodos de acceso originales (DCF y PCF). La primera función de acceso, EDCA, fue diseñada para soportar la priorización de tráficos, tal como hace Diffserv, mientras que HCCA soporta tráfico parametrizado de la misma forma que Intserv [27]. Para asegurar la compatibilidad de redes.

(39) CAPÍTULO 2. CALIDAD DE SERVICIO EN EL ESTÁNDAR IEEE 802.11E. 28. inalámbricas con QoS y sin QoS el estándar IEEE 802.11e permite la existencia conjunta de DCF y PCF con HCF como se puede observar en la Figura 2.2 [28].. Figura 2.2. Funciones de acceso al medio en el estándar IEEE 802.11e [29].. El concepto básico de estas funciones de acceso a canal es el TXOP u Oportunidad de Transmisión. Un TXOP es un intervalo de tiempo limitado durante el cual una QSTA puede transmitir una serie de tramas. El periodo TXOP se define a través de un tiempo de inicio y una duración máxima. Si el periodo TXOP se obtiene usando el acceso a canal basado en contienda entonces recibirá el nombre de EDCA-TXOP. Si por el contrario se obtiene a través de HCCA se conocerá como HCCA-TXOP; dentro de este último si la TXOP fue particularmente asignada por un mensaje de polling pasará a llamarse polled TOXP. La duración de la TXOP está limitada por el valor TXOP limit. La duración del periodo EDCA-TXOP se controla a través del QAP y se transmite al resto de estaciones QSTA en las tramas de beacon junto con otros parámetros relacionados con EDCA. La duración del periodo HCCA-TXOP se transmite a las estaciones QSTA directamente por el HC como parte de la trama QoS CF-Poll, la cual garantiza el periodo HCCA-TXOP como se muestra en la Figura 2.3 [27]..

(40) CAPÍTULO 2. CALIDAD DE SERVICIO EN EL ESTÁNDAR IEEE 802.11E. 29. Figura 2.3. Esquema de funcionamiento HCF [27].. La principal característica de HCF es la definición de cuatro AC (Access Category) y de ocho TS (Traffic Stream) a nivel MAC [30]. Cuando un paquete procedente de las capas superiores llega a la capa MAC, es etiquetado con un TID (Traffic ID) acorde con sus necesidades de QoS. Este identificador puede tomar valores de 0 a 15. Si el TID del paquete tiene valores de 0 a 7, es mapeado con respecto a las cuatro AC, usando el método EDCA para acceder al canal. Si por el contrario el identificador TID tiene valores de 8 a 15, usará la función HCCA para acceder al medio, quedando almacenado el paquete en la cola de TS correspondiente a su TID [31]. 2.2.2 EDCA EDCA es un nuevo mecanismo de acceso que mejora el original DCF para proporcionar soporte de calidad de servicio basado en priorización de tráfico. Antes de entrar en la capa MAC, cada paquete de datos recibido desde la capa superior tiene asignado un valor de prioridad de usuario específico. En la capa MAC, EDCA introduce cuatro diferentes colas first in-first out (FIFO), llamadas ACs. Cada paquete de datos desde la capa superior debería estar mapeado en una AC correspondiente. Diferentes clases de aplicaciones (por ejemplo, tráfico background, tráfico de mejor esfuerzo (best effort), tráfico de video y tráfico de voz) pueden estar dirigidos a diferentes ACs (Ver Anexo III). En la figura 2.4 se resumen las prioridades relativas y la tabla de mapeo entre 802.1D y las categorías de acceso 802.11e [27]..

(41) CAPÍTULO 2. CALIDAD DE SERVICIO EN EL ESTÁNDAR IEEE 802.11E. 30. Figura 2.4. Mapeo de Prioridad de usuario a Categoría de Acceso [27].. Cada AC se comporta como una simple entidad DCF compitiendo con sus propios parámetros de contención. La priorización entre las diferentes categorías se consigue configurando adecuadamente los parámetros de cada cola de acceso. En la Figura 2.5 se puede ver un esquema de funcionamiento del sistema de categorías de acceso.. Figura 2.5. Manejo de los parámetros EDCA para cada tipo de categoría de acceso [20].. Cada AC ejecuta un proceso de tiempo de espera (backoff) independiente, denominado ventana de retroceso (BW: backoff window) para determinar el instante de inicio de la transmisión de sus tramas. El proceso de BW para cada AC, está definido por cuatro parámetros configurables [32]..

(42) CAPÍTULO 2. CALIDAD DE SERVICIO EN EL ESTÁNDAR IEEE 802.11E. . 31. Número de Espacio Arbitrario entre Tramas (AIFSN[AC] (Arbitrary Inter-Frame Space Number): se corresponde con el intervalo mínimo desde que el medio físico se detecta como vacío hasta que se comienza la transmisión. Su valor mínimo es 2 para una QSTA y máximo 15 (4 bits). Este campo está compuesto de varios sub-campos como se muestra en la Figura 2.6.. Figura 2.6. Campo ACI/AIFSN [20].. El valor AC index (ACI) permite identificar la AC a la cual corresponden los parámetros. La respectiva correspondencia entre el ACI y AC se exponen en la figura 2.7.. Figura 2.7. Correspondencia de ACI a AC [20]. El sub-campo ACM (Admission Control Mandatory) establece si es necesario un control de admisión para el correspondiente AC; si el valor es 0 no se requerirá control de admisión, pero si el valor es igual a 1 se deberá emplear los mecanismos de control de admisión correspondientes o sea los procedimientos de control de admisión basados en contención o en acceso controlado y planificador de referencia. . Ventana de Contensión (CWmin[AC], CWmax[AC] Contention Window): es escogido un número aleatorio en este rango para lanzar el mecanismo de espera (backoff). El formato de los sub-campos ECWmin y ECWmax permite establecer la ventana de contención mínima y máxima de acuerdo a las fórmulas siguientes: y.

(43) CAPÍTULO 2. CALIDAD DE SERVICIO EN EL ESTÁNDAR IEEE 802.11E. 32. El mínimo valor permitido para CWmin y CWmax es 0, y el máximo valor es 32767. . Límite de Oportunidad de Transmisión (TXOP limit[AC]): es la duración máxima durante la cual una QSTA puede transmitir tras haber obtenido el TXOP. El mismo es un entero sin signo, y en unidades de 32 µs.. A cada AC se le asigna un TXOP límite propio, durante el cual la estación puede transmitir tantas tramas como le sea posible mientras que la duración de las transmisiones no se extienda más allá de la duración del TXOP. Los valores asignados a cada AC se muestran en la Tabla 2.2 [33]. Tabla 2.1. Valores de TXOP por AC.. Cada categoría de acceso dispone de su propia cola de transmisión caracterizada por sus parámetros de acceso: AIFS, CW y TXOP, que toman los valores por defecto, en la Tabla 2.2. Tabla 2.2. Configuración estándar para IEEE 802.11e.. *El valor 0 indica que sólo se envía un paquete cuando se accede al medio Básicamente, a más pequeño los valores de CWmin[AC], CWmax[AC], y AIFS[AC], más cortos los retardos de acceso de canal para el correspondiente AC, y más alta la prioridad para acceder al medio (Figura 2.8). En el Anexo II se muestra la representación del acceso al canal para cada AC..

(44) CAPÍTULO 2. CALIDAD DE SERVICIO EN EL ESTÁNDAR IEEE 802.11E. 33. Figura 2.8. Relaciones de temporización en DCF y EDCA [34].. Una categoría de nivel de prioridad i (ACi) que tiene una nueva trama a transmitir, monitorea la actividad en el canal. Si el canal está ocioso por un período de tiempo igual a AIFSi, la ACi comienza el proceso de backoff inicializando al contador BW con un valor aleatorio dentro del rango (0, CWi-1), donde CWi es la ventana de contención de la ACi. BW es un contador decreciente de ranuras de tiempo (ST: slot time), que dependen de la capa física. Si el medio permanece ocioso durante CWi, la STA inicia la transmisión. CWi comienza con un valor mínimo CWi-min, y si BWi llega a cero estando el medio ocupado, CW duplica su valor para el siguiente intento hasta un máximo igual a CWi-max. Si el medio es ocupado por otra transmisión antes de que BW llegue a cero, se suspende la cuenta hasta que el medio vuelva a estar ocioso durante un tiempo AIFSi. Por otra parte, si BW llega a cero en dos o más STAs al mismo tiempo se producirá una colisión [35]. Luego de un tiempo SIFS (Short Interframe Space o tiempo corto de separación entre tramas) posterior a la correcta recepción de una trama, la STA receptora envía una trama de reconocimiento ACK (Figura 2.9). Si la STA transmisora no recibe el ACK, asume que pudo haber ocurrido una colisión o interferencia (ruido) en el medio físico y entonces es necesario efectuar una retransmisión. Esto causa una incertidumbre en el tiempo requerido para concretar una transmisión, impidiendo asegurar una latencia máxima necesaria para aquellas aplicaciones con requerimientos temporales estrictos. El tiempo de latencia se define como el tiempo transcurrido desde el arribo de una solicitud de transmisión, hasta la llegada del ACK [32]..

(45) CAPÍTULO 2. CALIDAD DE SERVICIO EN EL ESTÁNDAR IEEE 802.11E. 34. Figura 2.9. Esquema básico de EDCA con ACK [32].. A través de un ajuste adecuado de los parámetros de las colas (AC), el rendimiento del tráfico de diferentes colas puede ser ajustado, y se puede lograr la priorización de tráfico. Esto requiere un punto de coordinación central (QAP) para mantener un conjunto común de parámetros en las colas y garantizar así un acceso justo entre las diferentes estaciones que componen la red (QBSS). En la Figura 2.10 se compara el nuevo mecanismo de acceso al medio descrito por el estándar 802.11e respecto del tradicional utilizado por el estándar 802.11.. Figura 2.10. Comparación de modelo de funcionamiento en 802.11 y 802.11e [20]..

(46) CAPÍTULO 2. CALIDAD DE SERVICIO EN EL ESTÁNDAR IEEE 802.11E. 35. Además de los parámetros antes descritos, el estándar IEEE 802.11e también define una variable usada en el incremento de la CW al provocarse una colisión llamada PF (Persistence Factor), el cual dependería del TC al que pertenezca. En estándares anteriores tomaba un valor fijo de 2. Versiones anteriores: newCW = [ old CW × 2 ] Versión final usando PF: newCW = [ old CW[AC]× PF[TC]] Al ser generado de esta forma, puede ocurrir que este tiempo coincida para diferentes AC en una misma QSTA, dando lugar a una colisión interna. Debido a esto, un programador virtual interno tiene la misión de permitir en estos casos, transmitir sólo las tramas provenientes del AC mayor [36]. 2.2.3 HCCA Además de la función distribuida EDCA, el estándar IEEE 802.11e define la función HCCA (HCF Controlled Channel Access), que es un mecanismo de acceso al medio centralizado. El HC utiliza esta función para acceder al medio. Normalmente el Coordinador Híbrido se encuentra en el QAP y puede tomar el control del medio cuando la función lo requiere. De esta forma, el planificador puede asignar las TXOPs a los flujos de tráfico en el momento en que éste decida. El HC accede al medio después de detectar que el canal está libre durante un tiempo PIFS (PCF Interframe Space), que es inferior que un espacio entre tramas DIFS (DCF Interframe Space). Por tanto, tiene prioridad sobre el tráfico DCF. Además, el intervalo PIFS es inferior que cualquier espacio entre tramas AIFS, lo que implica que tiene prioridad sobre EDCA para acceder al medio. De esta forma, HCF puede comenzar el acceso al canal en los intervalos CFP (Content Free Period) y CP (Content Period) indistintamente como se muestra en la Figura 2.11, mientras que PCF sólo podía acceder al canal en el intervalo libre de contención. Se denomina Período de Acceso Controlado o CAP al período en el que HCF accede al canal en un intervalo de contención. Consiste en uno o más TXOPs, durante los cuales el punto de acceso puede transmitir SDUs (Unidades de Datos del Servicio) que pertenecen a un flujo descendente o enviar un mensaje de polling a una o más estaciones, especificando el tiempo máximo durante el que pueden ocupar el medio [37]..