Calidad de servicio en redes WLAN para tráfico de aplicaciones en tiempo real

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA “Calidad de servicio en redes WLAN para tráfico de aplicaciones en tiempo real.” Autor: Dayma Yinet Seijido González Tutor(es): MSc. Rafael Alejandro Olivera Solís Ing. Dianelys Martínez Sed Consultante: MSc. Roberto Vázquez Sánchez. Santa Clara 2017 "Año 59 del Triunfo de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA “Calidad de servicio en redes WLAN para tráfico de aplicaciones en tiempo real.” Autor: Dayma Yinet Seijido González [email protected] Tutor(es): MSc. Rafael Alejandro Olivera Solís Profesor Asistente, Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones, [email protected] Ing. Dianelys Martínez Sed Especialista C en Telemática, ETECSA Villa Clara [email protected] Consultante: MSc. Roberto Vázquez Sánchez Especialista RAN GSM-WCDMA Centro de Gestión Regional Móvil [email protected] Santa Clara Año 59 del Triunfo de la Revolución.

(3) 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) i. PENSAMIENTO. El que no considera lo que tiene como la riqueza más grande, es desdichado, aunque sea el dueño del mundo. Epicuro.

(5) ii. DEDICATORIA. A mis padres, Eduardo y Mayda quienes supieron guiarme e impulsar cada ocasión de incertidumbre o de esfuerzo, quienes me acompañaron desde mis primeras letras, señalándome el mejor camino. A mi novio José David (tuti) por estar siempre a mi lado, preocupándose y apoyándome en todo momento. A mis suegros por su apoyo, cariño y comprensión. En general a todas aquellas personas que han estado conmigo durante estos difíciles pero maravillosos cinco años..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. A mis padres, quienes desde la distancia me daban su amor y apoyo incondicional, quienes mostraron siempre su confianza en mí, lo cual me daba fuerzas para seguir adelante. A mi tuti, por transitar y estudiar conmigo en la universidad, por enseñarme cosas nuevas y por llenar mi vida de alegría en estos dos últimos años. A mi hermana, porque a pesar de no verla mucho sé que siempre está ahí para lo que necesite. A mis abuelas por su cariño y consentimiento. A mis suegros, quienes me han acogido como una hija más y me han dado el calor de un hogar. A Ana María Torrijos, quien me acogió en su casa durante cuatro años, me trato como un miembro más de su familia y estuvo dispuesta a ayudarme siempre. A mi tutora Dianelys, a mi consultante Roberto y a la doctora Aleida por su colaboración en la tesis. A mi otro tutor Rafael, quien estuvo ahí en todo momento, quien me ayudo incondicionalmente para la realización de la tesis guiándome y brindándome sus conocimientos. A todos los profesores que de una forma u otra ayudaron a mi formación profesional. A mis compañeros de aula, en especial a Dago, Cesar, Dennier, Néstor, Manuel y Tamayo con los que estudié mucho y compartí muy buenos momentos. A Dios..

(7) iv. TAREA TÉCNICA. Para el desarrollo de la investigación se utilizarán diferentes métodos y técnicas que en unidad y diferencias particulares permitirán el abordaje del problema. Estos métodos y técnicas favorecerán el cumplimiento de las siguientes tareas:. . Revisión de la bibliografía técnico-especializada para fundamentar las bases teóricas de la calidad de servicio en redes WiFi.. . Caracterización del estándar 802.11e.. . Estudio de las técnicas de acceso al medio del estándar 802.11e que proporcionan calidad de servicio.. . Definición del escenario de simulación.. . Selección de la herramienta de simulación.. . Validación de los resultados mediante simulación.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v. RESUMEN. La QoS (Quality of Service) es un tema medular en las redes actuales, donde el ancho de banda es un recurso preciado y debe ser eficientemente distribuido. Las aplicaciones interactivas y generadoras de tráfico en tiempo real son cada vez mayores y demandan un creciente aumento de los recursos que la red debe disponer para que ellas funcionen satisfactoriamente. En Cuba las redes WiFi (Wireless Fidelity) han cobrado un auge con marcada relevancia. ETECSA pone a disposición de los usuarios una plataforma de conectividad a Internet basada en redes WiFi. Las principales aplicaciones que usan los usuarios son de contenidos multimedia, de voz y video. Esta plataforma no contempla técnicas de acceso al medio, mediante 802.11e, que garanticen QoS a los usuarios. Esta investigación está encaminada a profundizar en el estándar 802.11e y las nuevas técnicas de acceso al medio que se implementan en dicho estándar. 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 baja tasa de transmisión..

(9) vi. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii TAREA TÉCNICA ................................................................................................................iv RESUMEN ............................................................................................................................. v INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1.. FUNDAMENTOS DE LAS REDES INALÁMBRICAS ......................... 4. Introducción: ....................................................................................................................... 4 1.1. Redes Inalámbricas .................................................................................................. 4. 1.2. Redes Locales Inalámbricas (WLAN) ..................................................................... 6. 1.3. Estándar 802.11 y sus variantes ............................................................................... 9. 1.3.1. 802.11a ............................................................................................................ 13. 1.3.2. 802.11b ........................................................................................................... 13. 1.3.3. 802.11g ........................................................................................................... 14. 1.3.4. 802.11n ........................................................................................................... 16. 1.3.5. 802.11ac .......................................................................................................... 16. 1.3.6. 802.11e ............................................................................................................ 17. 1.4. Seguridad de Redes Inalámbricas .......................................................................... 18.

(10) vii Conclusiones ..................................................................................................................... 20 CAPÍTULO 2.. QoS EN REDES WIFI ............................................................................ 21. Introducción ...................................................................................................................... 21 2.1. Caracterización de la Zona WiFi desplegada por ETECSA .................................. 21. 2.1.1. Componentes de la red WiFi .......................................................................... 22. 2.2. Calidad de servicio en redes WiFi ......................................................................... 24. 2.3. Parámetros de Calidad de Servicio ........................................................................ 26. 2.4. Requerimientos de los servicios según su naturaleza ............................................ 27. 2.4.1. Datos ............................................................................................................... 27. 2.4.2 Video .................................................................................................................... 27 2.4.3 Voz ....................................................................................................................... 29 2.5. Función de Coordinación Híbrida .......................................................................... 29. 2.5.1. EDCA.............................................................................................................. 29. 2.5.2. HCCA ............................................................................................................. 35. 2.6. OPNET Modeler .................................................................................................... 37. CAPÍTULO 3.. EVALUACIÓN DE 802.11e PARA APLICACIONES DE TIEMPO. REAL. 39. Introducción ...................................................................................................................... 39 3.1. Condiciones de las Simulaciones ........................................................................... 39. 3.2. Primer escenario, estándar 802.11 ......................................................................... 41. 3.2.1 3.3. Segundo escenario, mecanismo EDCA.................................................................. 42. 3.3.1 3.4. Resultados de la simulación ............................................................................ 41. Resultados de la simulación ............................................................................ 43. Tercer escenario, cambio de parámetros EDCA .................................................... 45. 3.4.1. Resultados de la simulación ............................................................................ 45.

(11) viii Conclusiones ..................................................................................................................... 47 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 48 Conclusiones ..................................................................................................................... 48 Recomendaciones ............................................................................................................. 49 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 50 ANEXOS .............................................................................................................................. 53 Anexo I Anexo II. Estándar 802.11 .............................................................................................. 53 Diferencia entre el estándar 802.11 y 802.11e ............................................ 55.

(12) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. La tecnología de comunicaciones inalámbricas ha sido utilizada en diversas aplicaciones en las últimas tres décadas debido a su gran avance. La característica principal de esta tecnología es que utiliza aire o espacio libre para la transmisión de información. La información se transfiere en forma de una onda electromagnética. Como cualquier otro producto comercial, las WLAN (Wireless Local Area Network) son producidas por diferentes proveedores. No obstante, se requieren de los estándares que aseguran varios servicios prestados de un cierto nivel de calidad, así como la compatibilidad entre los diferentes productos de proveedores. WLAN tiene dos organizaciones principales, que produjeron dos conjuntos de estándares para estas redes. Estas organizaciones y sus estándares son: . El Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE), que produce los estándares 802.11.. . El Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones (ETSI), que produce los estándares de alto rendimiento LAN (HIPERLAN).. La popularidad de esta tecnología ha estado sustentada por un grupo de factores entre los que se destaca su relativa facilidad de instalación, la movilidad que le ofrece a los usuarios, el uso de bandas de frecuencias libres, altas velocidades de conexión, posibilidad de dar cobertura en zonas con escasa o ninguna infraestructura de telecomunicaciones, la flexibilidad de incorporar nuevos usuarios a la red, la escalabilidad de la tecnología y la posibilidad de evitar congestiones en zonas de alta densidad de tráfico. También esta tecnología ha hecho que las personas quieran poder acceder a aplicaciones multimedia como juegos en tiempo real, audio y videoconferencia a través de sus.

(13) INTRODUCCIÓN. 2. dispositivos inalámbricos, todo esto manteniendo una velocidad de datos que satisfaga sus necesidades. Para esto se hace necesario contar con infraestructuras capaces de transportar los datos hacia los clientes finales. Ello sin perder calidad. Por tanto, cada vez se hace más importante contar con un acceso a una red de datos con mayor fiabilidad, por lo que IEEE creó un grupo de trabajo con el objetivo de proveer QoS al estándar 802.11, donde se definió el protocolo 802.11e, el cual 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). Desde mediados de 2015 ETECSA ha realizado un despliegue de conectividad a Internet. Para ello utiliza el acceso inalámbrico WiFi de tecnología Huawei mediante la aplicación Nauta en áreas públicas, la cual ha tenido una gran relevancia social para la población cubana, pero esta red no cuenta con técnicas de acceso al medio, que presenten los requisitos de QoS necesarios para soportar tráfico de aplicaciones en tiempo real. Todo lo expuesto anteriormente permitió identificar como interrogante científica: ¿Qué mecanismos proporcionan calidad de servicio (QoS) en redes WiFi para tráfico de aplicaciones en tiempo real? El objetivo general de la investigación se orienta a: Evaluar el comportamiento del estándar 802.11e utilizando aplicaciones de tiempo real en redes WiFi. Objetivos específicos: 1. Caracterizar los estándares WiFi y las tecnologías asociadas. 2. Describir los elementos del estándar 802.11e que proporcionan QoS en redes WiFi. 3. Evaluar el desempeño del mecanismo EDCA mediante software de simulación. 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. En el capítulo 1 se hará referencia a lo relacionado con los fundamentos de las.

(14) INTRODUCCIÓN. 3. redes WLAN y las variantes del estándar 802.11, así como la seguridad y autenticación de la misma. El capítulo 2 abordará todo lo referido a la calidad de servicio, así como sus parámetros y las características y funcionamiento del estándar 802.11e. En el capítulo 3 se analizan los resultados obtenidos a partir de las simulaciones con el software OPNET Modeler 14.0 con diferentes escenarios experimentales. 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..

(15) CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS DE LAS REDES INALÁMBRICAS. 4. CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS DE LAS REDES INALÁMBRICAS. Introducción: En este capítulo se abordarán los fundamentos teóricos de las redes inalámbricas, haciendo énfasis en las redes WLAN. Se describen los diferentes estándares involucrados con esta tecnología. 1.1. Redes Inalámbricas. La sociedad del siglo XXI es cada día más móvil, las estadísticas de la UIT-T(International Telecommunication Union) reflejan que se acercan al 97% de la población mundial con acceso a medios de comunicaciones móviles y los internautas sobrepasan el 40% [1]. Las redes inalámbricas (Wireless Networks) corresponden a sistemas de comunicaciones 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[2]–[4]. Estas redes son una realidad en el mercado gracias a sus precios y a las enormes posibilidades que ofrece, lo que ha significado una revolución en el uso de las tecnologías de la información tal y como se conoce en los últimos años, dado que se vende el doble de puertos inalámbricos que alambrados. Las redes inalámbricas, Figura 1.1, tienen características propias debidas al impacto que tiene el medio inalámbrico sobre el desempeño y diseño de las mismas, lo que las hacen significativamente diferentes a las redes tradicionales. Esto sucede ya que el medio no es observable, no está protegido de otras señales, no es confiable, las topologías son dinámicas, la conectividad no es total y es engañosa (pueden estar escondidas las.

(16) CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS DE LAS REDES INALÁMBRICAS. 5. estaciones), la propagación de la señal es variable en el tiempo y se pueden experimentar solapamientos de otras áreas de operación[2], [3].. Figura 1.1: Elementos básicos de una Red Inalámbrica[2]. Las redes inalámbricas se pueden clasificar por su alcance en: . WPAN (Wireless Personal Area Network). . WLAN (Wireless Local Area Network). . WMAN (Wireless Metropolitan Area Network). . WWAN (Wireless Wide Area Network). La IEEE 802 (Institute of Electrical and Electronic Ingenieers) ha estado trabajando con diferentes grupos en el desarrollo de estándares de redes inalámbricas [2]: . IEEE 802.11 - Redes WLAN. . IEEE 802.15 - Redes WPAN. . IEEE 802.15.4 - Redes WSN. . IEEE 802.16 - Redes WMAN con acceso de Banda Ancha y Movilidad (BWA)..

(17) CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS DE LAS REDES INALÁMBRICAS. . 6. IEEE 802.20 - Redes WWAN con acceso de Banda Ancha Móvil (MBWA).. 1.2. Redes Locales Inalámbricas (WLAN). Una red de área local inalámbrica puede definirse, como a una red de alcance local que tiene como medio de transmisión el aire; también llamada WLAN, es un sistema flexible de comunicaciones que puede implementarse como una extensión o directamente como una alternativa a una red cableada. Este tipo de redes utiliza tecnología de radiofrecuencia, minimizando así la necesidad de conexiones cableadas[5], [6]. Las redes WLAN se componen fundamentalmente de dos tipos de elementos, AP (Access Point) y los dispositivos de cliente. Los puntos de acceso actúan como un concentrador o. hub que reciben y envían información vía radio a los dispositivos de clientes, que pueden ser de cualquier tipo, habitualmente, un PC o PDA con una tarjeta de red inalámbrica, que se instala en uno de los slots libres o bien se enlazan a los puertos USB de los equipos. La capacidad de la red debe ser determinada por la demanda de clientes; por lo tanto, esta debe estar diseñada para distribuir la carga de manera efectiva en todo el espectro disponible. Otros factores como la capacidad espectral, la utilización de canales, la interferencia, la reutilización de frecuencias y los requisitos reglamentarios se convierten en variables de diseño críticas, además de la cobertura y la intensidad de la señal. Esto requiere un análisis detallado de las capacidades del cliente, los requisitos de aplicación, las características de las instalaciones y el uso apropiado de AP suficientes. El objetivo es segmentar al máximo los dominios de los clientes utilizando radios diferentes para aumentar al máximo la capacidad espectral disponible. Las redes inalámbricas son la alternativa ideal para hacer llegar una red tradicional a lugares donde el cableado no lo permite aunque sus prestaciones son menores en lo referente a la velocidad de transmisión que se sitúa entre los 2 y los 54 Mbps, frente a los 10 y hasta los 1 Gbps ofrecidos por una red convencional. Esta tecnología LAN inalámbrica, emplea la banda Industrial, Científica y Médica (ISM), incluyendo las frecuencias 2.4 GHz y 5.8 GHz de dicha banda[7]. Las WLAN pueden ser empleadas al aire libre para cubrir usuarios exteriores, así como interiores. El uso de estas bandas ocasiona que estas sean vulnerables a las interferencias de señales exteriores (generadas por.

(18) CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS DE LAS REDES INALÁMBRICAS. 7. dispositivos como hornos de microondas, radares y redes celulares) y señales generadas por otra WLAN usada en el mismo canal.. Figura 1.2: Red WLAN[8] Ventajas de las WLAN sobre las LAN cableadas: Facilidad de instalación: Basta un dispositivo, un portátil o una agenda personal, equipado con tarjeta inalámbrica PCMCIA y un nodo de acceso de red. Además las redes inalámbricas se han simplificado en los últimos tiempos tanto en lo referente a la configuración como al uso. Movilidad: Sin cables, esta es la ventaja más clara. Además su reducida cobertura puede ampliarse a través de antenas hasta 50 Kilómetros o más. La movilidad se está extendiendo ahora a los tablet, computadoras y celulares. Los usuarios tienen acceso a los datos en cualquier lugar y en cualquier momento lo que proporciona un aumento potencial de productividad y servicio sobre las LAN tradicionales..

(19) CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS DE LAS REDES INALÁMBRICAS. 8. Libre utilización de la frecuencia de 2.4 GHz: Esta frecuencia, utilizada por el estándar 802.11b, es de uso libre en España. Cualquiera puede crear su propia red sin necesidad de solicitar licencia alguna. Tan sólo es necesaria una autorización C de la CMT para proveer de servicios de Internet a través de WiFi. Sin embargo en otros países europeos existen numerosas restricciones para la ocupación del espacio radioeléctrico. Reducción de costes: Evita el tendido de cables y costosas instalaciones. Por otra parte, tanto los AP como las tarjetas PCMCIA tienen un coste relativamente asequible. Además los proveedores WiFi pueden ofrecer acceso de banda ancha a un precio muy inferior al del acceso tradicional. Si se compara con el coste de implantación de UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), la ventaja competitiva de WiFi resulta inmensa. Velocidad simétrica: A diferencia del ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line), WiFi es bidireccional, pudiendo recibir y enviar datos a la misma velocidad. Es por tanto útil para prestar una gran variedad de servicios que requieren idéntico ancho de banda para recepción y para envío de datos. Complemento perfecto de redes tradicionales con cableado: Con la colocación de puntos de acceso conectados a la red corporativa, cualquier empleado situado en el radio de acción (en un edificio más que suficiente) tiene acceso desde su portátil a los datos de la empresa sin necesidad de estar ligado a una conexión fija. Con ello se consigue la movilidad dentro de la oficina, lo que ahora mismo se considera fundamental en las empresas.. Cobertura en zonas sin infraestructuras de telecomunicaciones: WiFi posibilita el acceso a Internet de banda ancha a explotaciones, núcleos rurales, empresas o lugares que hasta la fecha por distintas razones han quedado al margen del.

(20) CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS DE LAS REDES INALÁMBRICAS. 9. despliegue de otras infraestructuras de telecomunicaciones (ADSL, Cable o incluso línea telefónica). Escalabilidad: Puede aumentarse sin límite y de forma paulatina la cobertura de la red y su capacidad de transmisión. 1.3. Estándar 802.11 y sus variantes. En el año 1997 fue publicado el estándar IEEE 802.11 con el objetivo de proporcionar acceso inalámbrico a la redes WLAN[9]. Al igual que el resto de los estándares IEEE 802, el estándar se centra en los dos niveles inferiores del modelo OSI (Open System Interconnection): capa física y capa de enlace de datos, como muestra la Figura 1.3. La capa física se divide en dos subcapas: PMD (Physical Medium Dependant) y PLCP (Physical Layer Convergent Procedure). La subcapa PMD se ocupa de la modulación y de la aplicación de técnicas de espectro ensanchado de la señal. La subcapa PLCP se encarga de acondicionar las tramas que provienen de la capa MAC (Media Access Control) para su envío a través del medio radio, añadiéndoles un preámbulo y una cabecera[9]. La capa de enlace se divide en dos subcapas, una de control de acceso al medio (MAC) y una de control del enlace lógico (LLC) que es común para todos los estándares 802.X..

(21) CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS DE LAS REDES INALÁMBRICAS. 10. Figura 1.3: Capas del modelo OSI definidas por el estándar IEEE 802.11[6]. La subcapa MAC define dos funciones de acceso al medio, mostradas en la Figura 1.4, la primera de ellas recibe el nombre de DCF (Distributed Coordination Function) y utiliza un mecanismo de acceso al medio distribuido basado en CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), la segunda de las funciones recibe el nombre de PCF (Point Coordination Function), y utiliza la anterior como base para su funcionamiento[10].. Figura 1.4: Arquitectura MAC [10].

(22) CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS DE LAS REDES INALÁMBRICAS. 11. La función DCF debe ser implementada en todas las estaciones (STA), para su uso en cualquier tipo de topologías. Bajo este método de acceso DCF, hay un DIFS (DCF Inter Frame Space) para determinar si un paquete puede ser transmitido. Esto significa que, si el medio es sensado y está disponible por un tiempo superior a DIFS, entonces un paquete puede ser transmitido inmediatamente, en este caso por la estación A de la Figura 1.5.. Figura 1.5: Modo de operación DCF[11] Un segundo intervalo de tiempo que viene a jugar un papel importante en el método DCF es SIFS (Short IFS), para permitir que el receptor pueda enviar un reconocimiento positivo (ACK) al transmisor cuando recibió un paquete libre de error. En la parte superior de la figura se muestra a la estación A que escucha el canal y observa que no hay actividad en al menos un tiempo DIFS antes de transmitir la trama. La estación B recibe la trama y espera un tiempo SIFS antes de enviar el reconocimiento positivo ACK. Mientras que la estación C y las otras que escuchan el canal, oyen primero la transmisión de la estación A y después el reconocimiento de la estación B. Por lo que todo este tiempo significa para el transmisor C un tiempo de acceso pospuesto o diferido (Defer Access), entonces estas estaciones al escuchar el canal en reposo (a partir del DIFS) echan andar el algoritmo de Reintento (backoff), donde tienen que esperar tiempos aleatorios a partir un número entero de ranuras de tiempo aleatorias para comenzar la contienda por el acceso al.

(23) CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS DE LAS REDES INALÁMBRICAS. 12. canal. Si el canal está aún disponible cuando el temporizador llega a cero, entonces la estación comenzará la transmisión de una trama. Si un reconocimiento (ACK) no es recibido dentro de un período de tiempo, entonces el transmisor asumirá que un choque u otro problema han ocurrido. Entonces activará el contador de reintentos con el próximo incremento y repetirá el proceso. Los incrementos son siempre potencias de 2 menos uno (31, 63, 127. 255. 511 y 1023) y el contador es movido al próximo incremento con cada intento de transmisión fallido hasta que el alcanza el máximo (CWmax). Por lo que el software determinará la cantidad de intentos que se podrán realizar antes de abandonar. DCF es un mecanismo simple, en el cual todas las estaciones que intentan acceder al canal lo hacen utilizando los mismos tiempos de espera, por lo que DCF no proporciona ningún soporte de QoS[11]. Por otra parte, el mecanismo PCF mostrado en la Figura 1.6 provee una transmisión libre de contención introducido para dar soporte a las aplicaciones multimedia, aunque sólo puede usarse en modo infraestructura debido a que está basado en un esquema de polling. El tiempo es divido en intervalos periódicos llamados intervalos de beacon, compuestos por un CP (Content Period) y un CFP (Content Free Period). Durante un CP, el punto de acceso mantiene una lista de estaciones registradas sobre las cuales realiza periódicamente una “encuesta”, solo después que una estación sea encuestada podrá comenzar a transmitir. El tamaño de cada trama de datos está limitado por el tamaño máximo de trama MAC (2304 bytes) El tiempo usado por el punto de acceso para generar las tramas de beacon (TBTT) y el siguiente TBTT es anunciado por el punto de acceso dentro de la trama actual de beacon. Para brindar una mayor prioridad a PCF, se utiliza un intervalo de tiempo más pequeño llamado PIFS. (PCF Inter Frame Space)..

(24) CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS DE LAS REDES INALÁMBRICAS. 13. Figura 1.6: Mecanismo PCF[12]. 1.3.1 802.11a En el año 1999 fue aprobado el estándar 802.11a, que en sus inicios solo fue utilizado en Japón y Estados Unidos ya que no fue hasta el 2003 que se le otorgó la licencia para operar en Europa ([13]). Este estándar trabaja en la banda de 5 GHz, el tipo de modulación que utiliza es OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) que tiene una velocidad máxima de 54 Mbps debido a que la razón de datos permitida es de 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, o 54 Mbps para un espaciamiento del canal de 20 MHz, siendo obligatorio soportar 6, 12, y 24 Mbps. Para el caso de que sean 10 MHz o 5 MHz de espaciamiento del canal las razones de datos antes mencionadas se reducen en la misma proporción que el espaciamiento del canal.[14] El 802.11a cuenta con 12 canales, tiene un throughput máximo de 31 Mbps y un rango máximo de 80 metros.[15] 1.3.2 802.11b El estándar 802.11b fue aprobado en el año 1999, trabaja en la banda de 2,4 GHz y es una extensión de la modulación DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) usada por el.

(25) CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS DE LAS REDES INALÁMBRICAS. 14. estándar original, ofrece velocidades de 1, 2, 5.5 y 11 Mbps([14]). En la práctica, debido a las cabeceras de este método no era posible superar los 6 Mbps en TCP (Transmission Control Protocol) y los 7 Mbps en UDP (User Datagram Protocolo)[13]. Se producen interferencias con hornos microondas, teléfonos inalámbricos y otros equipos que trabajen en la misma frecuencia ([16]). Este estándar utiliza DSSS ya que este puede manejar mejor que FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) las señales de baja intensidad (ver anexo 1). El estándar 802.11b 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 ([17]). El reducido costo, el aumento de la velocidad y el ser una extensión de una modulación DSSS del estándar original logró un rápido aumento en la popularidad de este estándar[18]. 1.3.3 802.11g El estándar 802.11g fue aprobado en el año 2003 y opera a una velocidad máxima de 54 Mbps y a una razón máxima de datos de 24,7 Mbps. Trabaja en la misma banda de frecuencia (2.4 GHz) que 802.11b y es compatible con este. Este estándar tiene 3 canales habilitados al igual que el 802.11b y a diferencia del 802.11a que tiene 12 canales[15]. El 802.11g usa modulación OFDM y CCK (Complementary Code Keying) con una razón de datos de 1, 2, 5.5, 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. En la Figura 1.7 se puede observar la razón de datos esperada para diferentes rangos..

(26) CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS DE LAS REDES INALÁMBRICAS. 15. Figura 1.7: Razón de datos esperada a una distancia variable del AP de los estándares 802.11a, 802.11b, 802.11g[19] El estándar 802.11g alcanza los 100 metros en interiores y hasta los 300 metros en exteriores al igual que el 802.11b, mientras que el 802.11a alcanza 50 metros en interiores y 150 metros en exteriores, estos alcances máximos son teóricos debido a que en la práctica se ven afectados por interferencias electromagnéticas y por paredes u otro tipo de estructura[20]. Aunque en el diseño de este estándar se tuvo en cuenta que fuera compatible con el 802.11b cuando el punto de acceso además de comunicarse con clientes 802.11g se comunica con clientes 802.11b se reduce significativamente la velocidad de transmisión[21]. La aparición de chips y equipos multibanda, ha favorecido el aumento del uso de esta tecnología. Una característica adicional llamada SuperG permite duplicar la señal, pero en muchos casos afecta la compatibilidad con otros equipos[13]. El estándar 802.11g llegó rápidamente al mercado incluso antes de su ratificación debido a que para construir equipos bajo este estándar se podían adaptar los ya diseñados para el estándar 802.11b[21]. El estándar 802.11g demuestra una evolución en el estándar 802.11 y ha servido de base para el desarrollo de nuevos estándares que permiten mayor velocidad[20]..

(27) CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS DE LAS REDES INALÁMBRICAS. 16. 1.3.4 802.11n El estándar 802.11n fue aprobado por la IEEE en el año 2009, trabaja en las bandas de 2.4 y 5 GHz ofreciendo velocidades de más de 100 Mbps[14]. Este se construyó basándose en las versiones previas y se le añadió MIMO (Multiple Input, Multiple Output), el cual utiliza múltiples transmisiones y antenas receptoras permitiendo incrementar el tráfico de datos[21]. Este estándar tiene métodos mejorados de alta capacidad para solucionar el problema de la interferencia y de la fiabilidad necesaria para que WiFi se convierta en una tecnología de infraestructura de capa base. Debido a la robustez del ancho de banda de las redes 802.11n el modelo resultante de control centralizado ya no puede ser considerado como la mejor opción para estas redes, puesto que mientras que los dispositivos de punto final reducen su complejidad desde un punto de vista de inteligencia de red, la infraestructura de red debe aumentar la suya y automatizarse para asegurar que los dispositivos más simples no supongan un problema administrativo. 1.3.5 802.11ac Como todo proceso de perfeccionamiento, a partir de las experiencias del 802.11n se ha desarrollado el estándar 802.11ac aprobado en el 2013, con mayor razón de datos, robustez, confiabilidad, mayor ancho de banda y eficiencia. El IEEE 802.11ac adopta muchas propiedades del IEEE 802.11n, como por ejemplo la codificación de canal o los modos MIMO. A ello se añaden anchos de banda de 80 MHz y 160 MHz (en el IEEE 802.11n hasta ahora solo 40 MHz), 256 QAM, hasta ocho antenas, así como MIMO multiusuario. Con un ancho de banda de 80 MHz, una antena y 64 QAM 5/6 se alcanza ya una velocidad de transmisión neta de 293 Mbps; todos los equipos conformes al IEEE 802.11ac deben soportar este modo. En modos opcionales se pueden alcanzar bajo condiciones óptimas, con 256 QAM y ocho antenas, velocidades de hasta 3,5 Gbps. El IEEE 802.11ac está previsto únicamente para las bandas de 5 GHz no sujetas a licencia, la banda ISM (Industrial Scientific Medical) de 2,4 GHz, utilizada hasta ahora casi siempre para WLAN, ya no está incluida. [22]– [24]. En la Figura 1.8 se muestra una tabla con las versiones del estándar 802.11 desde finales del siglo pasado hasta el momento actual..

(28) CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS DE LAS REDES INALÁMBRICAS. 17. Figura 1.8: Versiones del estándar 802.11. 1.3.6 802.11e Ninguna versión del estándar 802.11 proporciona soporte de QoS para las aplicaciones multimedia, para esto el IEEE definió un grupo de trabajo con el objetivo de proveer Calidad de Servicio a estos estándares, donde se definió el protocolo 802.11e (ver anexo 2),el cual 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), como se muestra en la Figura 1.8, además, se hace una distinción entre aquellas estaciones que no utilizan los servicios QoS, que se denominan nQSTA (non Quality of Service aware Station), y aquellas que, si los utilizan, llamadas QSTA (Quality of Service aware Station)..

(29) CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS DE LAS REDES INALÁMBRICAS. 18. Figura 1.9: Funciones de coordinación[11] 1.4 Seguridad de Redes Inalámbricas Las transmisiones de las redes inalámbricas van por el aire en lugar de cables, por la que son más fáciles de interceptar por tanto es importante la implantación de políticas de uso y seguridad a través de mecanismos. El estándar IEEE 802.11i-2004 (Enhanced Security)[25] cuenta con dos protocolos: TKIP (Temporal Key Integrity Protocol) y CCMP (Counter Mode with Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol). TKIP conocido como WPA (WiFi Protected Access) y mostrado en la Figura 1.10 es un primer paso en mejorar la seguridad en las redes WiFi, comienza con una clave temporal de 128 bits que es compartida entre los clientes y los puntos de acceso. Combina la clave temporal con la dirección MAC del cliente. Luego agrega un vector de inicialización relativamente largo, de 16 octetos, para producir la clave que cifrará los datos. Este procedimiento asegura que cada estación utilice diferentes streams claves para cifrar los datos. Utiliza el algoritmo RC4 para realizar el cifrado, y cambia las claves temporales cada 10.000 paquetes..

(30) CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS DE LAS REDES INALÁMBRICAS. 19. Figura 1.10: Protocolo WPA[26] CCMP es comúnmente conocido como WPA2 (WiFi Protected Access 2), aunque su funcionamiento es similar, es más seguro y robusto que TKIP, ya que utiliza AES (Advanced Encryption Standard), que es un esquema de cifrado por bloques adoptado como un estándar de cifrado por el gobierno de los Estados Unidos. Incluye como mejoras Preautenticación (Extensible Authentication Protocol over LAN, EAPOL), negociación del cifrado entre clientes y AP, y autenticación peer-to-peer para redes ad-hoc (Independent Base Service Set, IBSS[27]. Estos dos mecanismos proveen seguridad a nivel MAC, pero para soportar VoIP y tráfico de video, es necesario equipar a la arquitectura de seguridad con un servidor centralizado para autenticación a nivel de usuario, satisface este requerimiento, permitiendo al cliente autentificarse independientemente de su punto de acceso a la red. Esto pudiera lograrse a través de un servidor RADIUS (Remote Authentication Dial-In User Service), usando EAP (Extensible Authentication Protocol) que es el procedimiento estándar de autenticación. Este mecanismo brinda integridad y confidencialidad al proceso de autenticación, pero la re-autenticación durante el hand-off usando RADIUS pudiera tardar demasiado (500.

(31) CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS DE LAS REDES INALÁMBRICAS. 20. milisegundos o más) lo que causaría interrupción de la voz, para mejorar esto se han implementado varias soluciones, por ejemplo Cisco recomienda el uso de Cisco Centralized Key Management (CCKM), el cual reduce a menos de 100 ms el tiempo de hand-off [27], otros fabricantes como Ruckus o Huawei recomiendan el uso de otras técnicas: Pairwise Master Key (PMK) Caching, y Opportunistic PMK Caching; todas estas técnicas se basan en incorporar un mecanismo centralizado de llaves que permita negociar una llave para toda la sesión, evitando tener que volver al servidor a autenticarse durante el roaming. Conclusiones En este capítulo se realizó una descripción de los estándares de redes inalámbricas 802.11 haciendo énfasis en sus características fundamentales y las mejoras de un estándar con respecto a su predecesor. Se abordó además, el tema de la seguridad..

(32) CAPÍTULO 2. QoS EN REDES WIFI. 21. CAPÍTULO 2. QoS EN REDES WIFI. Introducción En el siguiente capítulo se analizará la situación actual de las zonas de acceso WiFi desplegada por ETECSA, para el servicio de acceso público a Internet. Además, se describen las tecnologías que usa el estándar 802.11e para brindar QoS a las aplicaciones en tiempo real. Por último, se selecciona la herramienta de simulación. 2.1. Caracterización de la Zona WiFi desplegada por ETECSA. Las comunicaciones inalámbricas en sus diferentes variantes están tomando cada vez más auge en la vida de los diferentes usuarios. A medida que aumenta el interés por la conectividad inalámbrica, crece la necesidad de poder soportar también en estos entornos inalámbricos las mismas aplicaciones que corren en las redes cableadas de hoy día[28]. En este epígrafe se pretende hacer un análisis de la situación actual de las zonas de acceso WiFi, desplegadas por ETECSA, para el servicio de acceso público a Internet usando la plataforma nauta, en cuanto a los factores en su diseño e implementación que afectan la calidad del servicio. El escenario implementado cuenta con AP con antena incorporada y Lanswitch que garantizan la conectividad al Backbone IP/MPLS hasta el AC (Access Control) nacional. Se utilizan las bandas de 2,4 GHz y 5,7 GHz para los dispositivos que soportan ambas bandas. Las prestaciones son comparables a las de una red cableada, en efecto actualmente en las zonas WiFi de ETECSA es posible alcanzar un bitrate máximo de 1Mbps por usuario..

(33) CAPÍTULO 2. QoS EN REDES WIFI. 22. Para la gestión y supervisión de dicho equipamiento la empresa cuenta con el software U2000 para WLAN de Huawei, mediante el cual se accede a la Gestión de Fallas y se pueden realizar diversas consultas a la base de datos. La plataforma de gestión tiene una limitación de almacenamiento de estadísticas por un periodo corto de días, por lo que diariamente se extraen reportes en formato Excel del tráfico de todos los AP del país y se circulan a las unidades de Tráfico para su análisis. 2.1.1 Componentes de la red WiFi En las WLAN, los AP reciben los datos de las STAs a través de routers, switches, o redes IP y envían los datos hacia el AC (Access Control). El AC entonces reenvía los datos hacia Internet a través de las MAN de tal manera que las STAs puedan acceder a Internet[7] tal como se muestra en la Figura 2.1.. Figura 2.1: Red de Acceso WiFi.

(34) CAPÍTULO 2. QoS EN REDES WIFI. 23. Access Point Los AP son dispositivos para recibir y enviar señales digitales y analógicas, así como la conversión de una hacia otra, amplifican potencia y realizan filtrado del canal, entre otras funciones. Los AP pueden ser clasificados como de interior, interior distribuido o exterior. En el Proyecto WLAN ETECSA se utilizó el de exterior AP WA251DK-NE de Huawei; a continuación, se muestran algunas de sus características: Tipo: Enterprise/Service Provider Access Point[27]. . Cumple con IEEE 802.11 a/b/g/n (Wi-Fi CERTIFIED™).. . Usa módulos RF dual-band y 3x3 MIMO con antenas integradas (built-in).. . Soporta 2.4GHz y 5GHz conmutable, hasta 450 Mbit/s por cada módulo de radio.. . AP indoor, antenas omnidireccionales; AP outdoor, antenas sectoriales.. . Cumple con 802.3af/at Power over Ethernet, para facilitar su instalación.. . Soporta seguridad WPA2™, EAP-TLS, EAP-SIM, EAP-AKA, entre otras.. . Soporta WMM®-Power Save (WLAN Multimedia profile).. . Puede trabajar como Fat-AP, o como Fit-AP integrado a Access Controller (AC) y Network Management System (NMS) para implementar monitoreo en tiempo real, análisis de espectro, detección de interferencia, balance de carga, beamforming, roaming, y control de acceso flexible.. Switch de agregación S9306 Este dispositivo actúa como equipo de convergencia para transmitir paquetes de manera transparente que contienen las etiquetas de las VLAN de servicio de los usuarios y etiquetas de VLAN de gestión de los AP. BRAS Servidor de Acceso Remoto de Banda Ancha Es un dispositivo diseñado para asignar direcciones IP a las estaciones, implementar control de acceso, contiene funcionalidades de router de tipo PE (Provider Edge).En el caso de la red WLAN de ETECSA se usó el ME-60 Huawei..

(35) CAPÍTULO 2. QoS EN REDES WIFI. 24. CGN Carrier grade NAT La funcionalidad de NAT es realizada también por el ME-60. El mismo realiza la traslación de direcciones y puertos para navegación externa utilizando direcciones públicas. Controlador de Acceso (AC) Los AC autentican, monitorean, y gestionan a los AP. También actúa como intermediario en el proceso de autenticación entre el usuario y el servidor de Autenticación, Autorización y Contabilidad (AAA). En el caso de la red de ETECSA se usó el equipo MAG-9811 de Huawei. El mismo puede gestionar hasta 4096 AP y hasta 96 mil usuarios. En este momento en la red WLAN ETECSA se encuentra un solo AC en uso para la gestión de la red nacional aunque como es lógico para una solución carrier-class se conecta con balanceo de carga en el AC de manera que existe uno activo y otro en espera[7]. 2.2. Calidad de servicio en redes WiFi. En las WLAN se presentan problemas tales como la disponibilidad de ancho de banda limitada, por lo que resulta fundamental la QoS. Las mejoras introducidas por el estándar IEEE 802.11e dotan a estas de calidad de servicio, por lo que este término tiene distintos sentidos dependiendo desde qué punto de vista se analice[28]. La QoS en redes de telecomunicaciones suele implementarse por medio de mecanismos para dar un tratamiento preferente a unas clases de tráfico frente a otras, sobre todo a la hora de tratar con tráfico multimedia, el cual presenta requisitos de ancho de banda y tiempo real[27]. El sistema QoS garantiza la transmisión de datos en ciertas condiciones que ya se encuentran establecidas por diferentes entidades que controlan los servicios WiFi, una de estas condiciones es que el tiempo de retardo de extremo a extremo de los datos no exceda un nivel específico de tiempo y además garanticen un determinado ancho de banda para un servicio específico. El tráfico de datos para el que el tiempo es crítico, como la voz y el video, se beneficia de QoS, que se puede configurar para otorgar una prioridad más alta a la voz y el video. Esto permite una comunicación de voz más limpia y clara, una señal de videos sin distorsión y.

(36) CAPÍTULO 2. QoS EN REDES WIFI. 25. una entrega más fiable del correo electrónico configurado que si la configuración se realizara con una prioridad más baja[29]. En la Figura 2.2 están representadas las dos acciones fundamentales asociadas a garantizar la QoS: . Clasificación: El tráfico que entra al equipo y que se ha de transmitir se tiene que clasificar. Pueden usarse muchos criterios de clasificación: por equipo destino, por marcas en los paquetes, por aplicación. Es algo que siempre hay que hacer ya que sino el propio concepto de QoS no existe. Básicamente, la clasificación es buscar a qué parámetros de QoS negociados o contratados pertenece un paquete (o tráfico) en particular: Tráfico máximo en ráfaga, tráfico mínimo sostenido, latencia máxima, variación en la latencia.. . Asignación de recursos: Una vez que se tiene el tráfico clasificado y por tanto se saben qué parámetros de QoS se deben cumplir, hay que asignar los recursos en la interfaz. Hay que permitir que los paquetes se transmitan al medio (el aire o un cable).. La fase de clasificación es común a todos los tipos de interfaz que necesitan garantizar la QoS, pero la principal diferencia viene en la fase de asignación de recursos[28].. Figura 2.2 Esquema para análisis de QoS [28]..

(37) CAPÍTULO 2. QoS EN REDES WIFI. 2.3. 26. Parámetros de Calidad de Servicio. En las redes de transmisión de información (entiéndase transmisión de voz, video y datos) ocurren diferentes problemas que repercuten en la QoS a través de los parámetros de QoS. Algunos de ellos se relacionan a continuación: 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. Un retardo excesivo puede inutilizar aplicaciones VoIP. Paquetes sueltos: los enrutadores pueden fallar en liberar algunos paquetes si ellos llegan cuando los buffers ya están llenos. Algunos, ninguno, o todos los paquetes pueden quedar sueltos dependiendo del estado de la red. Además, es imposible determinar qué pasará de antemano. La aplicación del receptor puede preguntar por la información que será retransmitida posiblemente causando largos retardos a lo largo de la transmisión. Jitter: los paquetes del transmisor pueden llegar a su destino con diferentes retardos. Un retardo de un paquete varía impredeciblemente con su posición en las colas de los enrutadores a lo largo del camino entre el transmisor y el destino. Esta variación en retardo se conoce como jitter y puede afectar seriamente la calidad del flujo de audio y/o vídeo. Errores: En ocasiones, los paquetes son mal dirigidos, combinados entre sí o se corrompen cuando se encaminan. El receptor tiene que detectarlos y justo cuando el paquete es descartado, pregunta al transmisor para repetirlo. Pérdida de Paquetes: Las comunicaciones en tiempo real están basadas en el protocolo UDP. 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 eventos 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. Debido al uso de códecs en las aplicaciones VoIP, la pérdida de paquetes afecta sensiblemente la inteligibilidad de la voz[27]..

(38) CAPÍTULO 2. QoS EN REDES WIFI. 27. 2.4 Requerimientos de los servicios según su naturaleza En la actualidad se transmite a través de las redes de transmisión de información todo tipo de tráfico tales como dato, video y voz teniendo en cuenta las ventajas que esto reporta. A continuación, se expondrán las distintas necesidades de cada uno de los tres tipos de tráfico. 2.4.1 Datos La transmisión de datos, como pueden ser ficheros de un servidor, correo electrónico o páginas web, es un tráfico poco exigente. El servicio demanda la mayor velocidad de transmisión y la menor pérdida de paquetes posible. Es cierto que en las redes inalámbricas estos dos parámetros no son tan fáciles de optimizar como en las redes cableadas, pues las velocidades de transmisión son menores y siempre existe alguna interferencia externa, o simple colisión entre clientes, lo que provocará alguna pérdida. El usuario lo que apreciará es 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 y ese umbral dependerá de la aplicación. 2.4.2 Video El tráfico de video es más exigente. Con respecto a la transmisión de datos, este tipo de tráfico añade requerimientos extra, los cuales están motivados porque 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 cuando corresponden, o el video no será visto de forma correcta, apreciándose sonido deficiente, aceleraciones del vídeo, pausas, etc. En general, a parte de una velocidad de transmisión mínima para poder transmitir un video con fiabilidad, y una falta de perdida de paquetes, hará falta un cumplimiento de otros parámetros como el jitter, latencia, duplicación y reordenación de paquetes y emisión en ráfagas. El video, dependiendo de la codificación y la calidad de la imagen, demandará un ancho de banda mínimo, que deberá ser soportado por la red WiFi para proporcionar un buen servicio. En caso de que la red no sea capaz de proporcionar esta velocidad, se perderá información al no poder ser enviada por la red, provocando perdida de paquetes..

(39) CAPÍTULO 2. QoS EN REDES WIFI. 28. La pérdida de paquetes, ya sea por causa de un tráfico excesivo para la red, por interferencias o cualquier otra causa, provocará video de calidad deficiente, mostrándose los típicos cuadros, cortes de sonido o chasquidos El jitter es la variación en el retardo o latencia de los paquetes. Si los paquetes no llegan con la misma cadencia, el sistema receptor ha de ser capaz de ofrecer un buffer (termino para designar capacidad de almacenaje de paquetes) para no perderlos cuando lleguen más juntos de lo debido o de tener almacenados los suficientes paquetes para soportar una espera mayor en la recepción del siguiente paquete, cuando este demore su llegada más de lo esperado La latencia mide el tiempo que tarda un paquete en viajar desde el origen del video hasta el destino. No es muy importante en video a no ser que se emita un evento en directo y la simultaneidad sea importante, como es el caso de eventos deportivos. Pero en la mayoría de los casos no es un parámetro crítico para el video. Las ráfagas son algo habitual en sistemas de comunicación que adolecen de congestión. Sucede cuando el equipo de red, no puede enviar información y la almacena temporalmente, para luego enviarla de golpe cuando le sea posible, si no media ningún mecanismo de control. Esto provoca que el cliente reciba en una ráfaga más información de la que debería, por lo que, si los buffers no son del tamaño adecuado, se tiene el mismo efecto que en el jitter (De echo las ráfagas son una forma de jitter extremo, pues los paquetes no llegan con una cadencia constante, si no agrupados tras un periodo de parada o precediéndolo). En la emisión de vídeo, cuando la difusión de este se realiza a varios clientes simultáneamente, es habitual un tipo de transmisión que recibe el nombre de multicast. En este tipo de emisión se transmite un paquete con una dirección especial que capturarán los clientes interesados en recibirlo, para lo cual se subscribirán a la recepción de dicho flujo de datos. Este método permite que solo se envíe un paquete, independientemente del número de clientes que deseen recibirlo, con el consiguiente ahorro de ancho de banda. Sin embargo, como contrapartida exige más a los elementos de red, que han de ser capaces de gestionar dicho tráfico de forma correcta, lo cual les demanda mayor capacidad de proceso y memoria, así como implementar los algoritmos y protocolos adecuados..

(40) CAPÍTULO 2. QoS EN REDES WIFI. 29. 2.4.3 Voz Las necesidades del tráfico de voz, en este caso voz sobre IP (VoIP), son análogas a la del video, puesto que se trata de un servicio que no permite pérdida de información y que precisa de una temporización muy estricta. Sin embargo, existen dos diferencias con respecto al servicio de video. La primera es que, aunque es necesario que se garantice un ancho de banda y que este dependerá del sistema de codificación de voz que utilice el sistema, esta velocidad de transmisión será mucho menor que en caso del video. La segunda 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[28]. 2.5. Función de Coordinación Híbrida. 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[9]. 2.5.1 EDCA El mecanismo EDCA es diseñado para soportar la priorización de QoS sobre diferentes tráficos, a través de las cuatros AC[31]. Antes de entrar a la capa MAC, cada paquete recibido es asignado con un valor específico TID definido en el estándar 802.11d, que será luego mapeada a una determinada categoría de acceso como se indica a continuación en la Tabla 2.1..

(41) CAPÍTULO 2. QoS EN REDES WIFI. 30. Tabla 2.1: Mapeo de TC a AC. Prioridad. Categoría de. Tipo de Tráfico. de Usuario. Acceso. 1. 0 (BK). Background (BK). 2. 0 (BK). Spare or Standard. 0. 1 (BE). Best Effort (BE). 3. 1 (BE). Excellent Effort (EE). 4. 2 (VI/A_VI). 5. 2 (VI). “Video” ¡ 100ms latency and Jitter or Interactive Multimedia (VI). 6. 3 (VO). “Voice” ¡ 10ms latency and Jitter Interactive Voice (VO). 7. 3 (VO/A_VO). Controlled Load or Streaming Multimedia (CL). Network Control or Reserved (NC). Como se puede observar en la Figura 2.2, cada AC conduce a una única entidad de contienda DCF con sus propios parámetros de prioridad, los cuales son anunciados periódicamente en las tramas de beacon [32]..

(42) CAPÍTULO 2. QoS EN REDES WIFI. 31. Figura 2.2: Las 4 AC con sus correspondientes parámetros de contención [31] Estos parámetros, descritos a continuación, brindan una mayor prioridad y menor tiempo de acceso a las AC de mayor prioridad: . CWmin [AC]: Representa el valor mínimo de la ventana de contención (CW). . CWmax [AC]: Representa el valor máximo de la ventana de contención (CW). . AIFS [AC]: Este valor sustituye al intervalo de tiempo DIFS, tomando un valor diferente para cada AC para que, tras éste, cada AC empiece su proceso de backoff.. . TXOP_Limit [AC]: Un TXOP (Transmission Oportunities) representa un tiempo durante elcual una estación (QSTA) permite transmitir una ráfaga continua de tramas de datos de una misma AC. Cada TXOP obtenido tras conseguir ganar la contención EDCA, es denominado EDCA –TXOP.. Tras ello, cada AC calcula aleatoriamente su propio tiempo de backoff entre los valores de CWmin [AC] y CWmax [AC], siendo más prioritario para el mayor AC como se muestra en la Figura 2.3. Además de los 3 parámetros antes descritos, en el estándar también se 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 y que en estándares anteriores tomaba un valor fijo de 2..

(43) CAPÍTULO 2. QoS EN REDES WIFI. 32. Versiones anteriores: newCW = ⎣ old CW × 2⎦. (2.1). Versión final (usando PF): newCW = ⎣ old CW[AC]× PF[TC]⎦. (2.2). Al generarse de esta forma, puede ocurrir que este tiempo coincida para diferentes AC en una misma QSTA, dando lugar a una colisión interna. Por este motivo, un programador virtual interno será el encargado de permitir en estos casos, transmitir sólo las tramas provenientes del AC mayor.. Figura 2.3: Representación del acceso al canal para cada AC[33] Oportunidad de Transmisión: La HCF da derecho a transmitir a las QSTA´s a través de TXOP usando uno o ambos métodos de acceso. El intervalo de tiempo en el cual una QSTA tiene el derecho a inicializar una secuencia de intercambios de tramas en el medio inalámbrico se conoce.

(44) CAPÍTULO 2. QoS EN REDES WIFI. 33. como TXOP, este está definido por un tiempo de inicio y duración máxima y es obtenido ya sea por la QSTA ya sea porque esta compitió exitosamente por el medio o porque se le fue asignado por HC (Hybrid Coordinator) [34]. A cada AC se le asigna un TXOP límite propio, durante el cual la estación puede transmitir tantas tramas como le sean posibles, mientras que la duración de las transmisiones no se extienda más allá de la duración del TXOP. Los valores asignados a cada AC son los siguientes: Tabla 2.2: Valores de TXOP para cada AC AC. TXOP (ms) Para IEEE 802.11b/g. Para IEEE 802.11a. AC_BK. 0. 0. AC_BE. 0. 0. AC_VI. 6.016. 3.008. AC_VO. 3.264. 1.504. Múltiples tramas pueden ser transmitidas en un TXOP obtenido mediante EDCA, siguiendo ciertas reglas. A este procedimiento se le conoce como CFB (Contention Free Burst). Si hay más de una trama pendiente en la cola de espera de una de las AC, para el cual el canal fue adquirido, y la duración de la transmisión de esa trama en cola más cualquier ACK (Acknowledgment) esperado por el mismo es menor que el tiempo restante reservado para ocupar el canal, entonces la QSTA puede empezar a transmitir la trama encolada esperando un SIFS después de la transmisión de la trama actual como se puede ver en la Figura 2.4..

(45) CAPÍTULO 2. QoS EN REDES WIFI. 34. Figura 2.4: Ráfaga libre contención [34] Espacio Arbitrario entre tramas: El parámetro de prioridad AIFS es un intervalo arbitrario entre trama y trama, cuya duración depende de la AC a la que pertenece. Como se muestra en la Figura 2.5, para las tramas de la AC “i” se espera un tiempo AIFS[i], así mismo para las tramas de una AC “j” se esperará un AIFS[j]. [10] Una estación que desea trasmitir debe asegurarse que el medio ha estado libre durante este espacio de tiempo. Si el medio se determina como ocupado la estación debe esperar hasta el fin de la trasmisión actual..

(46) CAPÍTULO 2. QoS EN REDES WIFI. 35. Figura 2.5: Espacio entre tramas [10] 2.5.2 HCCA Si bien EDCA mejora notablemente el rendimiento de DCF, no es suficiente para garantizar una calidad de servicio óptima bajo aplicaciones de gran carga. Por este motivo, se hace necesaria la utilización de un mecanismo MAC basado en polling como HCCA. HCCA es un mecanismo de acceso al canal que utiliza un HC ( ubicado en el QAP; el cual se encarga de encuestar las QSTAs periódicamente para luego darles acceso al medio sin necesidad de competir por éste[35]..

(47) CAPÍTULO 2. QoS EN REDES WIFI. 36. Figura 2.6: Fase de Acceso Controlado al canal [33] Este mecanismo representado en la Figura 2.6 se asemeja mucho al PCF; sin embargo, HCCA incluye algunas mejoras importantes que la distinguen de ella: . HCCA, a través del HC; puede encuestar a las QSTAs tanto durante los periodos de CF y CFP, reduciendo de manera importante el retardo, ya que una estación es encuestada con mayor frecuencia que si sólo lo fuese en el CFP.. . Cuando una estación es encuestada, se le concede un TXOP durante el cual puede transmitir múltiples tramas; a diferencia de PCF en el que se transmite una sola trama.. Un QAP permite iniciar CAP (Periodos de Acceso Controlado) usando HCCA, después de detectar durante un intervalo de tiempo PIFS el medio libre. Para dejar el suficiente espacio dentro de una supertrama para el mecanismo EDCA, la duración máxima de un intervalo de beacon está limitada por la variable Tcap_limit. HCCA está diseñado para soportar QoS, por lo que una estación necesita registrar los requerimientos de QoS de cada flujo de tráfico (TS) con el HC y, en caso de ser admitido, establecer un orden de polling para conocer esos requerimientos[36]. Antes de cada transmisión se ha de establecer un flujo de tráfico (TS) y cada QSTA no permite más 8 TS (subida y bajada) con diferentes prioridades. Un TS es un conjunto.

(48) CAPÍTULO 2. QoS EN REDES WIFI. 37. específico de MSDUs transportada en una sola dirección que necesita ser entregada cumpliendo ciertas limitaciones QoS. Un TS es identificado por: . TSID (Identificador de TS) y dirección, si es TS de subida (hacia el AP). . TSID, dirección de la estación, si es TS de bajada (hacia la estación). Para iniciar un TS, una estación envía una trama de petición QoS hacia el AP que contiene una Especificación de Tráfico (TSPEC); cuyo propósito es reservar recursos dentro del HC y modificar el comportamiento de su scheduler. Los requerimientos QoS más importantes descritos en un TSPEC son: . Intervalo de servicio máximo (RSImax): tiempo máximo permitido entre TXOPs continuos asignados a la misma estación.. . Límite de retardo (D): retardo máximo permitido para el transporte de datos, incluyendo el retardo en cola.. . Otras tasas como: tasa media de datos (ρ), tasa nominal de MSDU (L), tasa mínima de PHY (R), etc.. Al recibir todas las TSPECs, el QAP determinará primero el SI (Intervalo de servicio) seleccionado, cuyo valor será igual al valor máximo submúltiplo del intervalo de beacon. Dicho valor nunca será mayor que todos los RSI max requeridos por los diferentes TS. Un intervalo de beacon es dividido en un número entero de SI, y las estaciones son “encuestadas” secuencialmente durante cada intervalo; de esta forma los TS admitidos son encuestados según el requerimiento del TS con el parámetro más restrictivo. Finalmente, el QAP calcula el valor correspondiente del HCCA-TXOP para las diferentes estaciones que realicen sus peticiones QoS [32]. 2.6. OPNET Modeler. El simulador OPNET fue lanzado en 1987 como la primera herramienta comercial de simulación disponible para las redes de comunicaciones. OPNET es una herramienta de simulación de eventos discretos, basada en el lenguaje de programación C. Esta brinda una interfaz gráfica para los usuarios, la cual puede usarse en varios modos, facilitando el desarrollo de nuevos modelos y programas de simulación..

(49) CAPÍTULO 2. QoS EN REDES WIFI. 38. Ofrece gran variedad de escenarios de simulación para el trabajo y es la parte central del proceso de análisis de resultados. OPNET ha sido diseñado para soportar el modelado y simulación de un gran rango de sistemas de comunicaciones, desde una simple LAN hasta una red global satelital [37]. OPNET permite, por medio de un editor gráfico, la construcción del modelo de la red y la fijación de las características de cada uno de los elementos del modelo. Posee una biblioteca con información de equipos de diversos fabricantes y es posible hacer el diseño con aquellos que pudieran utilizarse posteriormente. Un modelo de OPNET consiste en tres capas: el Modelo de Red, el Modelo del Nodo y el Modelo de Proceso. El modelo de red representa la topología de la red de comunicaciones, construida a partir de nodos y enlaces que los interconectan. Una de las características más importantes del modelo de red es la posibilidad de recrear redes con contexto geográfico donde se pueden definir características físicas del escenario tales como la distancia u obstáculos que puedan alterar por ejemplo el funcionamiento de nodos inalámbricos [38]. El Modelo del Nodo determina el contenido de los nodos (transmisores, generadores, receptores, etc.) y como están conectados los elementos. Algunos de estos elementos o módulos ya están predefinidos, no obstante, los usuarios pueden diseñar sus módulos. Si se entra en algún nodo se puede ver la estructura de elementos funcionales que lo componen, denominados módulos. En el Modelo de Procesos está contenida la funcionalidad de un módulo, definida por una máquina de estado finito. Conclusiones En este capítulo se realizó una descripción de las técnicas que contiene 802.11e para garantizar QoS en la capa MAC de las WLAN. Se realizó una breve descripción de la infraestructura que posee ETECSA para la WiFi y se seleccionó el software de simulación..

(50) CAPÍTULO 3. EVALUACIÓN DE 802.11e PARA APLICACIONES DE TIEMPO REAL. 39. CAPÍTULO 3. EVALUACIÓN DE 802.11e PARA APLICACIONES DE TIEMPO REAL. Introducción En este capítulo se realizan las simulaciones para comprobar la eficacia del estándar 802.11e y su mecanismo EDCA. Se obtienen resultados para un escenario que no utiliza este estándar y se comparan con dos escenarios donde si se hace uso del mismo. Al final se muestran los resultados y se llegan a conclusiones sobre los mismos. 3.1. Condiciones de las Simulaciones. Para evaluar el desempeño de la QoS en redesWLAN, se utilizó el software “OPNET Modeler 14.0–Educational Version”, el cual brinda las herramientas necesarias para la simulación de escenarios inalámbricos. En el experimento siguiente se implementaron 3 escenarios configurados de disímilesformas, con el objetivo de demostrar cuál de las configuraciones es la que presenta unmejor desempeño de las aplicaciones, mediante la implementación de mecanismos de la QoS, específicamente el mecanismo EDCA. Los escenarios de la simulación recrearán un ambiente de “oficina” de 100 x 100 m mostrado en la Figura 3.1, compuestos por una red WLAN formada por cinco estaciones que transmiten video y voz de manera simultánea hacia un AP. El primer escenario utiliza el protocolo original 802.11b, al segundo se le añaden las características de QoS, específicamente las del mecanismo EDCA y en el tercero se modifican los parámetros por defecto de dicho mecanismo..