UNIVERSIDAD POLITÉCNICA
SALESIANA
FACULTAD DE INGENIERÍAS
SEDE QUITO-CAMPUS SUR
CARRERA DE INGENIERÍA DE SISTEMAS
MENCIÓN TELEMÁTICA
ANÁLISIS, ESTUDIO Y SITE SURVEY PARA INVESTIGAR LA
FACTIBILIDAD CON RESPECTO A LA COBERTURA DE SEÑAL
WIRELESS BASADA EN EL ESTÁNDAR 802.11 (WI-FI) EN EL
CAMPUS SUR DE LA UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA
TESIS PREVIA A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO DE SISTEMAS
ALEX PATRICIO NOVOA REYES RODRIGO FABIÁN REYES RUIZ
DIRECTOR: JOSÉ LUIS AGUAYO
DECLARACIÓN
Nosotros, Alex Patricio Novoa Reyes y Rodrigo Fabián Reyes Ruiz, declaramos bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de nuestra autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún grado o calificación profesional; y, que hemos consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
A través de la presente declaración cedemos nuestros derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Universidad Politécnica Salesiana, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su reglamento y por la normativa institucional vigente.
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Alex Patricio Novoa Reyes y Rodrigo Fabián Reyes Ruiz bajo mi dirección.
Ingeniero José Luis Aguayo Director de Tesis
AGRADECIMIENTO
Agradecemos principalmente a Dios, por la satisfacción que sentimos con la culminación del presente proyecto.
Además este trabajo fue posible gracias al apoyo y colaboración de muchas personas que influyeron directa o indirectamente en el desarrollo de la misma.
Agradecemos de manera especial al Ingeniero José Luis Aguayo, director de tesis, el mismo que con sus consejos nos ha guiado para conseguir la culminación de la presente Tesis.
Agradecemos también a las personas, amigos y empresas que colaboraron con nosotros para la realización de las pruebas de campo.
Finalmente agradecemos a nuestras familias por su apoyo incondicional y la confianza que depositaron en nosotros.
DEDICATORIA
La vida esta llena de retos que con el apoyo de nuestras familias se hacen tareas fáciles de sobrellevar, por esta razón dedicamos este trabajo a todos quienes con su amor y palabras de aliento han sabido guiarnos en nuestras labores. Dedicamos este trabajo especialmente a nuestros Padres, Hermanos, Hijos y Esposas.
RESUMEN
El presente proyecto de tesis realiza un análisis de las áreas del Campus Sur de la Universidad Politécnica Salesiana para medir la factibilidad de la señal inalámbrica basándose en el estándar 802.11 que trabaja en las bandas de frecuencia de los 2,4Ghz y 5Ghz siendo el más usado para este tipo de aplicaciones debido a los bajos costos de implementación y a las grandes ventajas que representa, en cuanto a seguridad esta tecnología ha tenido grandes avances tecnológicos lo que las hace tan seguras como las redes cableadas. El campus universitario esta compuesto por diferentes bloques y áreas verdes, por lo cual se realizará un site survey con equipos reales para identificar la ubicación óptima de los puntos de acceso y las características físicas de los mismos, el site survey es un procedimiento muy importante antes de proponer un diseño de red inalámbrico porque se evalúan los niveles de potencia de la señal que se garantizará para el usuario y se puede detectar posibles problemas antes de una futura implementación. El diseño de red inalámbrica se basará en los mapas de cobertura que se generarán con los resultados obtenidos del estudio del sitio o site survey. Es necesario también realizar un estudio de los costos que representaría para la Universidad la futura implementación del proyecto, se debe tomar en cuenta los diferentes valores que se deben destinar para equipamiento, instalación y operación de la red inalámbrica con el propósito de analizar la factibilidad económica del mismo.
PRESENTACIÓN
El capítulo 1, describe el objetivo general y los objetivos específicos del presente proyecto de tesis, además de un estudio del estado actual de la red existente en la Universidad Politécnica Salesiana, las aplicaciones y servicio utilizados actualmente.
El capítulo 2 detalla el funcionamiento del estándar 802.11 sus características, los tipos de redes inalámbricas, sus beneficios, configuraciones, tipos de equipos y seguridades de dichas redes, este capítulo define el estándar 802.11 que será utilizado para el desarrollo del proyecto y da una pauta para la elección de la seguridad adecuada en el diseño final.
El capítulo 3 basa su estructura en analizar las áreas de cobertura, identificación de los diferentes bloques que conforman el campus sur, pruebas realizadas con equipos y muestra también los niveles de interferencia existentes en las diferentes áreas de la Universidad. Finalmente se realizan los mapas de cobertura con los datos obtenidos del site survey y el diseño de la red propuesto.
En el capítulo 4 se detalla el costo de los equipos que cumplen con las características necesarias para el diseño propuesto de la red inalámbrica. Adicionalmente se incluye un estudio económico para medir la factibilidad del proyecto en una posible implementación.
El capítulo 5 establece las conclusiones y recomendaciones obtenidas en base a los resultados del proyecto de tesis.
CONTENIDO
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LAS REDES INALÁMBRICAS ... 1
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA... 1
1.2 OBJETIVO GENERAL... 1
1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 2
1.4 JUSTIFICACIÓN ... 2
1.5 ALCANCE ... 3
1.6 SITUACIÓN ACTUAL... 4
1.6.1 APLICACIONES QUE USAN ACTUALMENTE ... 7
1.6.2 SITUACIÓN ACTUAL DE LA ADMINISTRACIÓN DE LA RED ... 9
CAPÍTULO 2. EL ESTÁNDAR IEEE 802.11 ... 11
2.1 EVOLUCIÓN DE LAS REDES INALÁMBRICAS ... 12
2.2 TIPOS DE REDES INALÁMBRICAS ... 14
2.2.1 REDES INALÁMBRICAS DE ÁREA PERSONAL (WPAN) ... 14
2.2.2 REDES INALÁMBRICAS DE ÁREA LOCAL (WLAN) ... 15
2.2.3 REDES INALÁMBRICAS DE ÁREA METROPOLITANA (WMAN) ... 16
2.2.4 REDES INALÁMBRICAS DE ÁREA AMPLIA (WWAN) ... 18
2.2.4.1 Comparación de los tipos de redes inalámbricas ...19
2.3 REDES WIRELESS LAN ... 20
2.3.1 BENEFICIOS DE UNA RED WIRELESS LAN ... 21
2.3.1.1 Movilidad ...21
2.3.1.2 Flexibilidad ...21
2.3.1.3 Reducción de Costos...21
2.3.1.4 Escalabilidad...21
2.3.2 CONFIGURACIONES WIRELESS LAN ... 22
2.3.2.1 Ad-Hoc ...22
2.3.2.2 Infraestructura...22
2.3.2.3 Infraestructura Extendida ...23
2.3.2.4 Malla ...23
2.3.3 ESTÁNDARES WIRELESS LAN ... 24
2.3.3.1 IEEE 802.11 ...24 2.3.3.1.1 IEEE 802.11a ...24 2.3.3.1.2 IEEE 802.11b ...25 2.3.3.1.3 IEEE 802.11g ...25 2.3.3.2 Home RF ...25 2.3.3.3 Hiperlan ...26
2.4.1 CAPA DE ENLACE DE DATOS... 27
2.4.1.1 Protocolo de Acceso al Medio CSMA/CA ...28
2.4.2 CAPA FISICA ... 29
2.4.2.1 Técnicas de Modulación...30
2.4.2.1.1 Técnicas de Modulación Básicas ...31
2.4.2.1.2 Espectro Expandido con Salto de Frecuencia (FHSS) ...33
2.4.2.1.3 Espectro Expandido con Secuencia Directa (DSSS) ...34
2.4.2.1.4 Multiplexado por división de Frecuencia Ortogonal (OFDM) ...35
2.5 COMPONENTES DE RED... 35
2.5.1 ACCESS POINT (AP) ... 35
2.5.2 ANTENAS ... 36
2.5.3 EQUIPOS CLIENTE ... 38
2.6 PROPAGACIÓN DE ONDAS ... 39
2.6 SEGURIDADES... 40
2.6.1 VULNERABILIDADES, AMENAZAS Y TIPOS DE ATAQUES ... 40
2.6.2 SEGURIDADES DE PRIMERA GENERACIÓN ... 42
2.6.2.1 SSID ...42
2.6.2.2 WEP ...42
2.6.2.3 Filtros MAC ...43
2.6.3 SEGURIDADES DE SEGUNDA GENERACIÒN ... 43
2.6.3.1 WPA...44
2.6.3.2 802.1X...44
CAPÍTULO 3. ESTUDIO Y ANÁLISIS DE LAS ÁREAS DE COBERTURA MEDIANTE EL SITE SURVEY... 49
3.1. INTRODUCCIÓN TEÓRICA ... 49
3.1.1 PASOS PARA LA REALIZACIÓN DEL SITE SURVEY ... 50
3.2. SELECCIÓN DEL ESTÁNDAR A UTILIZAR... 51
3.3. ESTUDIO Y DESCRIPCIÓN DE LAS ÁREAS DEL CAMPUS... 52
3.3.1. DESCRIPCIÓN DEL ÁREA DEL BLOQUE A... 55
3.3.2. DESCRIPCIÓN DEL ÁREA DEL BLOQUE B... 57
3.3.3. DESCRIPCIÓN DEL ÁREA DEL BLOQUE C (EDIFICIO DE LA CÁMARA DE COMERCIO DE QUITO) ... 58
3.3.4. DESCRIPCIÓN DEL ÁREA DE BIBLIOTECA ... 60
3.3.5. DESCRIPCIÓN DEL ÁREA DEL BLOQUE DE AUDITORIO... 61
3.3.6. DESCRIPCIÓN DEL ÁREA DEL BLOQUE H (PASTORAL)... 62
3.3.7. DESCRIPCIÓN DEL ÁREA DE PARQUEADEROS Y ESPACIOS VERDES ... 63
3.4. ANÁLISIS DE INTERFERENCIA DENTRO DEL CAMPUS ... 66
3.5. EQUIPOS PARA EL SITE SURVEY ... 73
3.4.1.1 Cálculos de propagación (Outdoor). ...74
3.4.1.2 Cálculos de propagación (Indoor)...76
3.5.2. DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS PARA EL SITE SURVEY ... 77
3.5.3. SOFTWARE Y UTILIDADES PARA EL SITE SURVEY ... 78
3.5.4. PASOS SEGUIDOS EN EL DESARROLLO DEL SITE SURVEY ... 79
3.5.4.1. Arquitectura de Pruebas para áreas exteriores ...80
3.5.4.2. Arquitectura de Pruebas para áreas interiores...81
3.5.5. RESULTADOS DEL ANÁLISIS DE COBERTURAS (DOCUMENTACIÓN)... 82
3.6. DISEÑO DE LA RED INALÁMBRICA... 96
3.6.1. DISEÑO FÍSICO DE LA RED INALÁMBRICA ... 97
3.6.1.1 Dimensionamiento de la red Inalámbrica...99
3.6.2. DISEÑO LÓGICO DE LA RED INALÁMBRICA... 100
3.6.3. MECANISMOS DE SEGURIDAD PARA LA RED INALÁMBRICA... 102
CAPÍTULO 4. ANÁLISIS DE COSTOS ... 104
4.1 COSTOS DE EQUIPOS... 104
4.2 COSTOS DE INSTALACIÓN Y PUESTA EN MARCHA... 107
4.3 COSTOS DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO ... 108
4.4 IMPREVISTOS ... 109
4.5 INVERSIÓN TOTAL... 109
4.6 RECUPERACIÓN DE LA INVERSIÓN... 110
CAPÍTULO 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES... 115
5.1 CONCLUSIONES... 115
5.2 RECOMENDACIONES………116
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 119
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LAS REDES
INALÁMBRICAS
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En la actualidad las redes inalámbricas han ido ganando mucho terreno debido al acceso de tecnología y al abaratamiento de costos de equipamiento, por esta razón muchas instituciones educativas han implementado redes inalámbricas dentro de sus campus con fines didácticos ya que estas permiten movilidad a los usuarios y hacen posible acceder a la red desde cualquier punto. Debido a esto la Universidad Politécnica Salesiana no puede rezagarse ante el avance tecnológico preponderante en la actualidad, ofreciendo de esta manera un servicio de conectividad adicional a los estudiantes y docentes que actualmente tiene dificultad en acceder a los laboratorios debido a la gran demanda y al uso que a estos se les de para las diferentes asignaturas. También es necesario dar un estudio de costos que permita la viabilidad, la permanencia y escalabilidad a futuro de la red inalámbrica.
Con la tesis que se elaborará se pretende llegar a averiguar que tan factible será la realización de una red wireless, detallando la ubicación de puntos de acceso inalámbricos externos e internos en los edificios, para en un futuro instalar una red de Campus basada en el estándar 802.11.
1.2 OBJETIVO GENERAL
Proponer el diseño óptimo para la ubicación de los puntos de acceso inalámbrico en los edificios y áreas verdes de la Universidad Politécnica Salesiana Sede Sur, basado en un estudio de factibilidad tecnológica, de costos y funcional.
1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Para lograr este propósito se deberán alcanzar los siguientes objetivos • Analizar el estándar 802.11 WI-FI sus funciones y servicios.
• Determinar los componentes de red necesarios que podrían ser utilizados en los puntos de acceso a la red de CAMPUS INALÁMBRICO.
• Analizar los mecanismos de seguridad para redes inalámbricas con el estándar 802.11.
• Investigar la calidad de la señal inalámbrica realizando el Site Survey
• Preparar el estudio detallado de las áreas de cobertura dentro de las instalaciones de la Universidad en los Edificios de Sistemas, Civil, Administrativo, Pastoral y en áreas vedes para asegurar el rendimiento y la escalabilidad de la red wireless.
• Realizar un análisis de costos de la inversión que la Universidad Politécnica Salesiana debería realizar para la implementación de una red de Campus Inalámbrica en la Sede Sur de la misma.
1.4 JUSTIFICACIÓN
Este proyecto se muestra necesario para el progreso educativo e investigativo de los estudiantes y docentes de la Universidad y que se espera sea la base para el desarrollo de posteriores aplicaciones que hagan uso de la red inalámbrica como por ejemplo acceso a la red interna para diferentes prestaciones de red, y al Internet. Independiente del sitio en el que se encuentre dentro del Campus Universitario, de esta manera se logrará mejoras en el tiempo de respuesta educativo por parte de los estudiantes y maestros en aspectos como deberes, consultas y otras actividades.
Los servicios inalámbricos se hacen cada día más necesarios dentro de la vida cotidiana y estudiantil. Además el conocimiento de la factibilidad del estudio que se realizará fomentaría la creación de más proyectos que se fundamenten en este tipo de arquitectura como son: foros, bancos de documentos, correo electrónico, e-learning, etc.
Finalmente el análisis de costos será un factor importante para que el proyecto sea tomado como base para una futura implantación de la red inalámbrica dentro del Campus Sur de la Universidad Politécnica Salesiana.
1.5 ALCANCE
El proyecto abarcará una investigación de las principales tecnologías inalámbricas 802.11 aplicables para este estudio, dispositivos de red, mecanismos de seguridad, aplicado al Campus Sur de la Universidad Politécnica Salesiana.
Además de un estudio acerca de los puntos de acceso, cobertura en las diferentes áreas como son: Edificios de Sistemas, Civil, Administrativo, Pastoral y en áreas vedes, también se realizará un análisis de la calidad de la señal en los diferentes sitios antes mencionados y la distribución de celdas para el Roaming de la red Wireless por medio de software de Site Survey utilizando equipos inalámbricos para tal finalidad (access-point, laptops, antenas).
No se cubrirá el análisis para la gestión del ancho de banda para cada usuario, ni los posibles servicios que se puedan implementar haciendo uso de la red inalámbrica. Finalmente se realizará un estudio de factibilidad de costos del proyecto.
1.6 SITUACIÓN ACTUAL
La Universidad Politécnica Salesiana Campus Sur mantiene una infraestructura de red basada en la interconexión de los departamentos administrativos y de los laboratorios del CECASIS1 a un punto central ubicado en el departamento de Informática mediante dispositivos de networking, esencialmente conmutadores (switch).
La infraestructura física de la red del Campus esta compuesta por 18 Switch. El Switch principal esta ubicado en el 6to piso y es utilizado como punto de distribución de servicios, además en este switch están configuradas las VLAN´s2 que segmentan la red. La topología de red que se emplea en la distribución es de tipo estrella extendida. La infraestructura lógica de la red del Campus Sur utiliza Ethernet como protocolo de comunicaciones y TCP/IP como protocolo de red.
Además la red tiene implementada cinco VLAN´s que segmentan el tráfico en la misma: • VLAN DEFAULT • VLAN ADMINISTRATIVA • VLAN CECASI • VLAN CISCO • VLAN MICROSOFT
Dentro del esquema de Networking se dispone de dos enlaces que interconecta al Campus Sur con el campus Girón, estos enlaces sirven únicamente como un túnel de comunicación para transmisión de datos y para la salida a Internet, este servicio lo prestan las empresas Andinadatos y Telconet, Andinadatos es el proveedor del enlace que trasmite únicamente datos de las aplicaciones que la
1
Centro de Capacitación de servicios Informáticos Campus Sur 2
Conjunto de computadoras de una red Lan separadas lógicamente. En un mismo switch físico pueden existir varias Vlan.
Universidad utiliza y Telconet provee el enlace que da el servicio de Internet a través del campus Girón.
El siguiente esquema nos muestra la forma en la que el Campus Sur accede al Internet, y los enlaces que utiliza para la comunicación con el Campus el Girón.
Com
3
Com
3
Figura 1.1 Esquema de Interconexión Campus Sur – Girón
En el siguiente esquema se detallan la configuración de la red LAN del Campus Sur y el equipamiento utilizado en la misma para la salida a Internet.
TELCONET Velocida d de conexion 1024 Kbps ROUTER Cisco 805 Com 3 SWITCH 3Com 4950 SWITCH 3Com 4950 VLAN DEFAULT VLAN ADMINISTRATIVA VLAN CECASI VLAN CISCO VLAN MICROSOFT
En el esquema siguiente se muestra la distribución de los diferentes dispositivos de networking dentro del campus. Este es el esquema de red LAN del campus Sur de la Universidad Politécnica Salesiana que provee de conectividad a los usuarios de la red.
DIAGRAMA DE LA RED LAN
1.6.1 APLICACIONES QUE USAN ACTUALMENTE
Las aplicaciones y servicios usados por la Universidad Politécnica Salesiana Campus Sur que se consideran por el consumo de recursos de red son las siguientes:
• Correo Electrónico.
La Universidad Politécnica Salesiana maneja el servicio de correo electrónico interno administrando sus usuarios desde la sede Quito, esta aplicación utiliza el canal de datos proporcionado por la empresa Andinadatos.
• Pagina WEB de la Universidad. www.ups.edu.ec.
Esta aplicación manejada desde la Sede Cuenca, proporciona información general de la Universidad, vínculos a otras áreas que manejan la Institución, departamentos y funciones internas. Esta página contiene módulos que sirven para realizar la calificación a los docentes y revisión de notas académicas. Utiliza el enlace proporcionado por Telconet.
• Intranet. www.intranet.upsq.edu.ec.
La página Web fue creada y es administrada por la Sede Quito, Campus Girón, en esta aplicación se muestran informativos de cursos, informaciones generales de la Sede, además es una página que interactúa con los estudiantes dándoles la posibilidad de subir fotos y documentos. Utiliza como canal de comunicación en enlace de Telconet.
• Servicio DNS.
La infraestructura interna de los Departamentos manejan como autenticación de usuarios el servicio DNS para cada computador, diferenciado en el Campus Sur, en Administrativos un Dominio y en el CECASIS otro dominio. Este servicio no utiliza ningún enlace externo pero es importante tomarlo en cuenta por la importancia que tiene dentro de las utilidades y servicios con los que cuenta el Campus Sur.
• Antivirus F-Secure.
Al igual que el DNS este servicio se distribuye a partir de la infraestructura interna del Campus Sur, distribuido un servidor para el área administrativa y otro para los laboratorios. Estos servidores son los únicos que utilizan el enlace de Internet para controlar y bajar sus actualizaciones, ya que posteriormente éstos son los encargados de distribuir las actualizaciones a los demás equipos.
• Aplicativos Financieros y de Matriculas.
La Universidad Politécnica Salesiana utiliza para las Matriculas y administración Financiera aplicaciones basadas en Oracle, las mismas que se encuentran centralizadas en la sede Cuenca, para la comunicación de estas aplicaciones en primera instancia el Campus Sur se comunica con los servidores que se encuentran el Campus Girón que sirven de paso de la Información hacia la ciudad de Cuenca. Estas aplicaciones administrativas utilizan el enlace de Andinadatos.
• Internet.
Este servicio utiliza el canal de Telconet, el Internet es distribuido por medio de un Proxy3 que se encuentra en el Campus Girón, y se lo administra por medio de conexión SSH4 en el Campus Sur.
En general la mayoría de los servicios y aplicaciones son administrados directamente desde el Campus el Girón sin que esto quiera decir que no consuman ancho de banda de la red interna del Campus Sur.
1.6.2 SITUACIÓN ACTUAL DE LA ADMINISTRACIÓN DE LA RED
La administración de la red actual del Campus Sur se realiza remotamente desde el Girón, la forma en que se encuentra segmentada la red es mediante VLAN´s, como se especificó anteriormente, estás VLAN´s son configuradas en los switch por medio de asignación de diferentes puertos en los mismos para cada una de ellas (VLAN estática).
La forma actual para dar acceso a Internet a los estudiantes se realiza a través del CECASIS el mismo que se realiza en forma de prepago asignando una tarjeta con un tiempo de utilización.
La seguridad de la red actual se maneja en base a una política establecida por la Universidad que se basa en permitir las conexiones a puertos determinados (www, telnet, ftp) y denegando conexiones a otros puertos. Además se usa filtraje de contenidos para controlar específicamente el acceso Web y evitar descargas masivas que consuman el ancho de banda.
Finalmente, según datos obtenidos del Departamento de Informática en una fase inicial se pretende dar cobertura a 70 usuarios concurrentes para la red inalámbrica y solo con fines de acceso Web (Internet).
3
Equipo que permite el acceso a Internet de otras computadoras a través del mismo, centralizando las peticiones en este servidor.
4
Protocolo que sirve para acceder a máquinas remotas a través de una conexión segura enviando los datos de manera cifrada.
CAPÍTULO 2. EL ESTÁNDAR IEEE 802.11
Las comunicaciones inalámbricas han tenido un avance muy significativo durante los últimos años, desde teléfonos inalámbricos para el hogar hasta los sistemas más complejos de comunicación satelital; esta tecnología prácticamente nueva y en auge ha hecho cambiar el desarrollo de la sociedad moderna.
Los dispositivos conectados a través de una tecnología inalámbrica incrementan la movilidad de los usuarios y requieren menos infraestructura, en cuanto a conexión con el usuario, con relación las redes cableadas tradicionales. Las redes inalámbricas envían y reciben los datos a través del aire, utilizando luz infrarroja (IR) u ondas de radio (RF) para proveer conectividad, minimizando la necesidad de utilizar medios cableados como son la fibra óptica, el par trenzado, etc. Reduciendo de esta manera, tiempo y recursos en el mantenimiento de dichos medios.
Con la tecnología vigente, las redes inalámbricas son altamente escalables1, confiables y fáciles de implementar, de hecho en la actualidad, el gran desarrollo tecnológico de las empresas especializadas en la fabricación de estos equipos, ha hecho posible que los precios de los dispositivos para redes inalámbricas, sean cada vez más asequibles. Los precios se han reducido drásticamente siendo en muchos casos la solución wlan más interesante que una solución wired[1].
Tiempo atrás, las redes inalámbricas y principalmente sus equipos no se regían por ningún modelo ni estándar general. Lo que hacía que las empresas fabricantes usen métodos propietarios lo que dificultaba su desarrollo y aplicación. El progreso de la tecnología llevó a estas empresas a unificar sus métodos para bienestar de las mismas y de sus usuarios, a través de la creación de normas y estándares los cuales rigen actualmente y dan las pautas para su implementación, uso y futuros avances.
1
Red con la capacidad de manejar sin problemas el crecimiento o expansión continua. [1]
FERNÁNDEZ LUIS CARLOS, Las Tecnologías WIFI: Aplicaciones modelos de negocio y Tendencias, CREDITEC, 2003, pagina 15
2.1
EVOLUCIÓN DE LAS REDES INALÁMBRICAS
El Ejército de los Estados Unidos usó señales de radio para trasmitir datos durante la segunda guerra mundial hace más de 50 años. Las Fuerzas Armadas de este país desarrollaron una tecnología de transmisión de datos mediante radio frecuencia llamada SIGSALY, la misma que tenía mecanismos de encripción muy fuertes. Hasta 1976 este tipo de comunicaciones fueron celosamente guardadas como proyectos secretos, de la misma forma se archivo cerca de 80 patentes clasificadas como confidenciales.
En 1970 el avance de las computadoras, el abaratamiento de los costos y la introducción de las mismas a instituciones académicas dio como resultado una investigación científica con el objetivo de desarrollar tecnologías que permitiesen compartir datos, recursos y que faciliten la comunicación entre ellos.
Paralelamente la red conocida como ARPANET2 fue añadiendo más nodos a su infraestructura. En 1971 ésta tecnología inspiró a un grupo de investigadores de la Universidad de Hawai a encontrar una manera de conectarse a la ARPANET, debido a la geografía que presentaban las islas era una tarea muy difícil la interconexión de los nodos a través de medios cableados. Como consecuencia de esto y para superar el inconveniente se creó la primera red de comunicaciones basada en packet-radio3 denominada ALOHANET, siendo esta la primera red inalámbrica. Esta red comunicaba siete computadoras ubicadas en cuatro islas diferentes con una computadora central ubicada en la isla de Oahu.
En Europa, un científico sueco llamado Osten Makitalo fue considerado como el creador de la primera red inalámbrica. Osten trabajó como director de investigación y desarrollo de la Compañía Telefónica Nacional de Suecia (TELEVERKET), el mismo que desarrolló una red que conectaba teléfonos
2
ARPANET, Red creada por el sistema de defensa de Estados Unidos que conectaba varios nodos de diferentes organismos de ese país.
3
móviles en todos los países escandinavos, el sistema se denominó NMT (Teléfono Móvil Nórdico) que fue lanzado en 1981.
Durante 1980 y 1990 las computadoras personales se hacían más populares y con esto, nació la necesidad de conectarlas de manera inalámbrica debido a las grandes ventajas que esto significaba. Las compañías IBM, DEC y Symbol Technologies ofrecieron a sus clientes soluciones propietarias para cubrir esta demanda.
A medida que las presiones, contra los fabricantes, para crear tecnologías interoperables aumentaba, el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) en 1997, anunció la creación del estándar 802.11 para redes locales inalámbricas, el concepto básico de este estándar se basó en Ethernet4.
El estándar 802.11 inicial, cuestionó algunos aspectos, uno de los cuales se refería al esquema de codificación que usaba cada fabricante, que daba como consecuencia el desarrollo de equipos incompatibles. 802.11 inicialmente fue limitado a una tasa de transferencia de 2 Mbps5. Durante este tiempo los adelantos de la tecnología Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS6) y la facilidad que daban las reglas de la FCC7 permitieron a la IEEE crear el estándar 802.11b en 1999, el mismo que tuvo la aceptación de las industrias de networking. A partir de estos acontecimientos, los equipos para redes inalámbricas que trabajan sobre la frecuencia de 2.4Ghz fueron altamente comercializados.
Hoy en día se ha conseguido aumentar las velocidades de transmisión a través de nuevos estándares, mejoras de hardware y perfeccionando los métodos de comunicación que usan las redes inalámbricas.
4
Tecnología para redes de área local de computadoras basado en tramas de datos 5
Megabit por segundo, se usa para medir la velocidad de transmisión entre diferentes destinos 6
Espectro ensanchado por secuencia directa 7
2.2
TIPOS DE REDES INALÁMBRICAS
Existen muchos tipos de sistemas inalámbricos de comunicaciones los cuales se pueden clasificar en varias categorías dependiendo del área física que cubren, satisfaciendo así diferentes tipos de aplicaciones y a los usuarios de las mismas.
Figura 2.1 Clasificación de las redes inalámbricas
Referencia: Currículum Cisco WLAN, versión 1.2, sección 1.2.6 Gráfico: 1
2.2.1 REDES INALÁMBRICAS DE ÁREA PERSONAL (WPAN)
Este tipo de redes tienen un rango de cobertura relativamente corto, hasta 15 metros y su rendimiento se limita a velocidades no mayores a 1Mbps.
Un ejemplo de una red WPAN se puede observar en un enlace entre un PDA8 y una computadora portátil, o un computador de escritorio. También es común encontrar computadoras que se conectan a sus periféricos9 de manera
8
Ayudante personal digital, computador de mano con sistema de reconocimiento de escritura 9
Dispositivos por medio de los cuales las computadoras realizar operaciones de entrada y salida (teclado, impresoras, etc.)
inalámbrica, con la ventaja de eliminar el exceso de cables y permitiendo la fácil movilidad de los elementos.
Figura 2.2 Redes Inalámbricas de área personal
Bluetooth10 es el ejemplo mas claro de este tipo de tecnologías, y sus especificaciones definidas por el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) en el estándar 802.15, especifican su operación en la banda de frecuencia de 2.4Ghz a una distancia de 15 metros, con una velocidad máxima de 2Mbps.
En la actualidad algunas WPAN emplean luz infrarroja para trasmitir datos de un punto a otro, según la Infrared Data Asociation (IrDa), se define para este tipo de trasmisiones una distancia no mayor a un metro, pudiendo alcanzar fácilmente tasas de transferencia de hasta 4Mbps. La ventaja de utilizar este tipo de medio es la escasa interferencia con las señales de radio frecuencia, sin embargo, es necesario mantener una línea de vista entre los dispositivos.
2.2.2 REDES INALÁMBRICAS DE ÁREA LOCAL (WLAN)
En la actualidad las redes inalámbricas de área local (WLAN) proporcionan un alto desempeño y son comúnmente utilizadas en lugares como: universidades, hospitales, aeropuertos, empresas, hoteles y hogares, para proveer conectividad a los usuarios, que generalmente poseen laptops o dispositivos móviles, permitiendo de esta manera la interacción entre ellos y el acceso a los servicios de red, sin la necesidad de utilizar medios cableados.
10
ROUTER INALÁMBRICO DSL/CABLE
MODEM
INTERNET
Figura 2.3 Redes Inalámbricas de área local
Las WLAN han alcanzado tasas de transferencias aceptables, cercanas a los 54Mbps, logrando que la gran mayoría de aplicaciones de red, como correo electrónico, transmisión de video, acceso a base de datos, etc. funcionen sin ningún problema.
El estándar IEEE 802.11 es el que predomina en las WLAN, con versiones que operan a 2.4Ghz y 5Ghz, sin embargo no es posible la interoperabilidad entre las diferentes versiones del estándar, 802.11b y 802.11a.
La alianza Wireless Fidelity (WI-FI11), la misma que reúne a las principales y más grandes empresas fabricantes de equipos de tecnología, se encarga de probar y certificar los equipos inalámbricos, para que de esta manera se asegure la compatibilidad entre todos los dispositivos que posean la aprobación.
2.2.3 REDES INALÁMBRICAS DE ÁREA METROPOLITANA (WMAN)
Las redes inalámbricas de área metropolitana, cubren un área del tamaño de una ciudad, su aplicación mas común involucra a empresas que buscan conectividad entre sus agencias que geográficamente se encuentran alejadas. Otra aplicación la podemos encontrar en la implementación de Proveedores de Servicios de Internet Inalámbricos (WISP), esta solución es ideal para situaciones en las
11
cuales no se cuenta con las facilidades físicas para la instalación de cables debido a la falta de infraestructura.
Figura 2.4 Redes Inalámbricas de área metropolitana
El desempeño de una WMAN depende directamente de la distancia y los componentes que se utilicen. En la actualidad existen muchas soluciones propietarias para este tipo de redes, pero la industria está tratando de normalizar la utilización del estándar 802.11 para satisfacer las necesidades de las WMAN; para lograr tal propósito se utilizan antenas directivas que permitan mayor alcance.
Las compañías están desarrollando productos basados en el estándar IEEE 802.1612 el mismo que es relativamente nuevo, ofreciendo grandes ventajas para el desempeño de las WMAN. El estándar 802.16 tiene una tasa de transferencia en un rango que va alrededor de los Megabits por segundo.
En un futuro IEEE 802.16 será un estándar para las redes inalámbricas de área metropolitana. De hecho en nuestro país varias empresas, especialmente para aplicaciones de telefonía, han empezado a utilizar este tipo de tecnología para proveer servicios de transmisión de datos y voz.
12
WIMAX, Estándar para redes inalámbricas de área metropolitana que no requiere línea de vista con la radio base
2.2.4 REDES INALÁMBRICAS DE ÁREA AMPLIA (WWAN)
Las redes inalámbricas de área amplia cubren generalmente países o continentes, estas aplicaciones son considerablemente costosas debido a la infraestructura que usan, por lo que comúnmente los gastos son compartidos por muchos usuarios.
Una WWAN permite la movilidad a sus usuarios dentro de un área extensa sin que los mismos pierdan la conectividad de sus aplicaciones. Unos ejemplos claros de una WWAN, son los enlaces satelitales o el servicio de telefonía celular, el cual interconecta diferentes redes de varias empresas proveedoras del servicio utilizando Itinerancia (Roaming).
Figura 2.5 Redes Inalámbricas de área amplia
El desempeño de la WWAN es relativamente bajo en rangos que van desde los 56Kbps hasta los 170Kbps, siendo este rango suficiente para el uso de aplicaciones que requiere una red de área extensa, que son ejecutados en dispositivos como teléfonos celulares y PDA’s, los mismos que poseen procesadores de bajo rendimiento y pantallas pequeñas que no necesitan trasmitir muchos datos para que la información pueda ser visualizada.
Existen varios estándares que guían el desarrollo de este tipo de redes por ejemplo CDMA2000 que es una norma para telecomunicaciones móviles utilizada para enviar voz y datos entre teléfonos celulares.
2.2.4.1 Comparación de los tipos de redes inalámbricas
Clasificadas según su cobertura, estándares y aplicaciones, estas redes pueden ser utilizadas para cubrir diferentes situaciones.
Tipo Cobertura Perfomance Estándar Aplicaciones
Wireless PAN
Alrededor de una persona. Moderado Bluetooth, IEEE 802.15, y IrDa Periféricos inalámbricos. Wireless LAN Entre edificios o en Campus. Alto IEEE 802.11 Campus inalámbricos Wireless
MAN Dentro de una ciudad Alto
Propietario, IEEE 802.16
Enlaces entre oficinas
Wireless
WAN Alrededor del Mundo. Bajo
Cellular 2G, 2.5G, and 3G
Acceso a la red desde áreas lejanas
Figura 2.6 Comparación de redes inalámbricas y desempeño
Después de analizar el tipo de redes inalámbricas existentes, y comparándolas con las necesidades y requerimientos del presente estudio, el mismo que estará aplicado a una red de campus, es conveniente enfatizar en las redes inalámbricas de área local, especialmente en el estándar 802.11, debido a la acogida que tiene en el mercado actual y a sus significativos avances.
2.3
REDES WIRELESS LAN
En la actualidad las Wireless Lan han cambiado la forma de conectividad, creando infraestructuras dinámicas con el propósito de cubrir las necesidades modernas. Las WLAN reducen significativamente los costos permitiendo conexiones de alto desempeño para las aplicaciones de red. Muchas empresas e instituciones han adoptado este tipo de tecnología para crear infraestructuras de red en espacios abiertos, con la finalidad de proveer conectividad a más usuarios, sin la necesidad de espacios fijos para los mismos.
2.3.1 BENEFICIOS DE UNA RED WIRELESS LAN
Las redes inalámbricas de área local, gozan de varios beneficios en los ambientes en los que éstas son implementadas, a continuación se analizarán las principales.
2.3.1.1 Movilidad
Esta característica permite a los usuarios moverse libremente sin perder conectividad y, acceder a la información desde cualquier punto en donde exista cobertura de una WLAN.
2.3.1.2 Flexibilidad
Esta característica permite la rápida implementación de una red en ambientes o lugares difíciles de acceder por cable o en situaciones en las que se necesita conectividad inalámbrica temporal como en ferias, conferencias, etc.
2.3.1.3 Reducción de Costos
Las redes inalámbricas de área local permiten un ahorro en varios aspectos con relación a una red cableada tradicional, como son costos de instalación, mantenimiento y cambios en la infraestructura.
2.3.1.4 Escalabilidad
La configuración de las redes inalámbricas de área local facilita la incorporación de nuevos usuarios y equipos a la red sin la necesidad de grandes cambios en sus instalaciones.
2.3.2 CONFIGURACIONES WIRELESS LAN
Existen varias maneras de conectar estaciones de trabajo de manera inalámbrica, que son usadas para la implementación de redes WLAN, sus configuraciones se detallan a continuación.
2.3.2.1 Ad-Hoc
Esta configuración se presenta cuando dos equipos se conectan a través de un medio inalámbrico de forma directa, es decir, se crean conexiones punto a punto. A esta configuración se la conoce también como Conjunto de Servicios Básicos Independientes (IBSS).
Figura 2.7 Configuración de red inalámbrica Ad-hoc
2.3.2.2 Infraestructura
Esta configuración se presenta cuando dos o más dispositivos se conectan a un punto de acceso central, el mismo que les permite la comunicación entre ellos. Si un dispositivo sale de la cobertura que le da el punto de acceso, este pierde la comunicación con los demás terminales. A este tipo de configuración también se la conoce como Conjunto de Servicios Básicos (BSS).
2.3.2.3 Infraestructura Extendida
Este tipo de configuración se presenta cuando dos o más BSS se enlazan usando un sistema de interconexión común el mismo que puede estar conectado a una red cableada. De esta forma la WLAN se puede extender en tamaño y complejidad.
Figura 2.9 Configuración de red inalámbrica de Infraestructura Extendida
2.3.2.4 Malla
Este tipo de configuración de red inalámbrica es una mezcla de las dos anteriores, ad-hoc para la conexión entre nodos e infraestructura cambiando el enlace cableado por enlaces wireless, los nodos inalámbricos se interconectan entre ellos para extender la cobertura hacia los clientes inalámbricos.
2.3.3 ESTÁNDARES WIRELESS LAN
Los estándares son especificaciones encargadas de regular la fabricación de componentes para redes inalámbricas asegurando la interoperabilidad. Entre los estándares más comunes para WLAN tenemos los siguientes.
2.3.3.1 IEEE 802.11
En 1997 se creo el estándar original IEEE 802.11, que definía el uso de la capa física y la capa de enlace de datos del modelo OSI para especificar el funcionamiento de las WLAN; manejaba velocidades de hasta 2Mbps bajo la banda de frecuencia de 2.4Ghz. Este estándar en la actualidad incluye algunas técnicas de modulación para su transmisión.
Figura 2.11 Redes inalámbricas en el modelo OSI
2.3.3.1.1 IEEE 802.11a
El estándar 802.11a fue aprobado en 1999, opera en la banda de los 5Ghz y utiliza como técnica de modulación la Multiplexación por División Ortogonal de Frecuencia (OFDM) (véase anexo 1), con una velocidad de hasta 54Mbps.
La banda de los 5Ghz generalmente se usa para realizar enlaces punto a punto o multipunto entre dos lugares separados por distancias grandes.
2.3.3.1.2 IEEE 802.11b
El estándar 802.11b fue aprobado por la IEEE en 1999, tiene una velocidad máxima de 11Mbps, maneja Espectro Amplio mediante Secuencia Directa (DSSS) como técnica de modulación bajo la banda de los 2.4Ghz, este banda tiene gran uso en la actualidad y es la mas fomentada en cuanto a la fabricación de equipos comparado con la banda de los 5Ghz del estándar 802.11a, la ventaja de este estándar radica en la facilidad de penetrar obstáculos ya que sus señales son difícilmente absorbidas.
2.3.3.1.3 IEEE 802.11g
El estándar IEEE 802.11g fue ratificado en el 2003, utiliza la banda de los 2.4Ghz al igual que el estándar 802.11b, su velocidad máxima alcanza los 54Mbps, usa OFDM como técnica de modulación. Es compatible con el estándar 802.11b, aunque la presencia de nodos del estándar 802.11b en redes 802.11g reduce significativamente la velocidad de transmisión.
Los detalles sobre el estándar 802.11 serán analizados de manera profunda en el en la sección 2.4.
2.3.3.2 Home RF
Este estándar opera en la banda de los 2.4Ghz al igual que 802.11b, en sus versiones más recientes se maneja a una velocidad de 25Mbps. Este estándar transporta voz y datos por separado al contrario de 802.11, usa FHSS13 como técnica de modulación. El grupo que desarrollaba este estándar se disolvió en el 2003.
13
2.3.3.3 Hiperlan
Este estándar opera en la banda de los 5Ghz, este estándar fue creado en 1991 por el Instituto Europeo de Estándares para Telecomunicaciones (ETSI), en la actualidad maneja dos versiones.
HIPERLAN/1 maneja velocidades de hasta 24Mbps y usa como técnica de modulación GMSK14.
HIPERLAN/2 maneja velocidades de hasta 54Mbps y usa como técnica de modulación OFDM.
La siguiente tabla muestra los diferentes estándares de las WLAN y sus respectivas características.
ESTÁNDAR FRECUENCIA QUE USA VELOCIDAD TECNICA DE MODULACIÓN
802.11a 5Ghz 54Mbps OFDM 802.11b 2.4Ghz 11Mbps DSSS 802.11g 2.4Ghz 54Mbps OFDM Homero 2.4Ghz 25Mbps FHSS HIPERLAN/1 5Ghz 24Mbps GMSK HIPERLAN/2 5Ghz 54Mbps OFDM
Tabla 2.2 Características de los estándares de redes inalámbricas de área local
2.4
DEFINICIONES DEL ESTÁNDAR 802.11
802.11 es un miembro de la familia 802, el cual define una serie de especificaciones para las redes de área local LAN. Este estándar se enfoca en la descripción de las dos capas inferiores del modelo OSI: Capa Física y Capa Enlace en particular sobre la Sub-capa MAC.
14
El estándar IEEE 802.11 describe las funciones, servicios y operación de sus dispositivos, en redes Ad-Hoc e Infraestructura.
El estándar define para la Capa Física varias técnicas de modulación cuyas funciones son controladas por la sub-capa MAC.
Figura 2.12 Redes inalámbricas dentro del modelo OSI
2.4.1 CAPA DE ENLACE DE DATOS
802.11 especifica su operación para las WLAN en la sub-capa MAC la misma que es parte de la capa de Enlace de Datos del modelo OSI y es la encargada de controlar la distribución de los datos hacia el medio físico y regular su uso. Por tal motivo la sub-capa MAC utiliza CSMA/CA como protocolo de acceso al medio.
2.4.1.1 Protocolo de Acceso al Medio CSMA/CA
El algoritmo básico es muy similar al implementado en el estándar IEEE 802.315 y es el llamado CSMA/CA (Acceso Múltiple por Detección de Portadora / Anulación de Colisiones).
Este protocolo permite que las estaciones escuchen el medio antes de trasmitir, si el medio esta ocupado, esperan un tiempo randómico y lo intentan de nuevo. Si nadie está trasmitiendo envían un mensaje corto llamado RTS (Request To Send). Este mensaje contiene la dirección de destino y la duración de la transmisión. El RTS realiza una petición al destino para que reserve el canal por el tiempo que requiera para enviar los datos. El destino, usualmente un equipo denominado Access Point, el cual responde con un CTS (Clear To Send) que es la confirmación de la reserva, este CTS es escuchado por todas las estaciones. Luego que el origen recibe el CTS, éste espera un corto tiempo para asegurarse que todas las estaciones han recibido el mensaje, posteriormente la estación origen envía los datos y espera otro mensaje llamado ACK´s (Ackowledgements) el mismo que le informa al destino sobre posibles daños o perdidas en los datos enviados, finalmente se cierra la transmisión dejando el canal libre para su uso.
Con el uso de los mensajes CTS y RTS se resuelven algunos problemas como son los siguientes.
• Nodos ocultos. Se dice cuando una estación cree que el canal está libre, pero en realidad está ocupado por otro nodo que no escucha.
• Nodos expuestos. Se denomina cuando una estación cree que el canal está ocupado, pero en realidad está libre pues el nodo al que escucha no le interferiría para transmitir a otro destino.
15
Figura 2.13 Protocolo de Acceso al Medio CSMA/CA
2.4.2 CAPA FÍSICA
La capa física es la primera gran diferencia entre una WLAN y una LAN cableada, de hecho los adaptadores o tarjetas de red funcionan de manera diferente, los unos trasmiten los datos por señales eléctricas, en el caso de las tarjetas de red para LAN cableadas, mientras los otros por medio de ondas electromagnéticas que se propagan a través del aire.
La capa física se divide en dos subcapas, la primera llamada Procedimiento de Convergencia de Capa Física (PLCP) que es la encargada de la codificación y modulación; y la segunda la conocida como Sistema Dependiente del Medio Físico (PMD) que es la responsable de trasmitir la información que recibe de la capa PLCP hacia el medio a través de las antenas.
Una onda electromagnética es energía que viaja a través de un medio no cableado como el aire o el vacío. La distancia que las ondas electromagnéticas pueden viajar, dependen de sus propiedades que son: la longitud de onda y la frecuencia.
Existen tres tipos de espectros de banda que son usados para trasmitir datos, estos pueden ser infrarrojos, microondas y señales de radio frecuencia.
Las señales infrarrojas trabajan en la banda de los 9Khz a los 300Ghz, los sistemas basados en este tipo de señales necesitan tener una línea de vista y no se ven afectadas por otro tipo de señales electromagnéticas.
Los enlaces microondas operan generalmente en la banda de 5.8Ghz, son usadas generalmente para conexiones entre dos puntos distantes. Se caracterizan por su alto desempeño sin embargo necesitan mantener una línea de vista entre sus puntos.
Las señales de radio frecuencia son el medio mas común para la transmisión de datos en redes WLAN. Estas señales varían sus atributos (fase, amplitud y frecuencia) con relación al tiempo, para trasportar la información.
Figura 2.14 Representación de una Onda Electromagnética
2.4.2.1 Técnicas de Modulación
La modulación es el proceso de convertir señales digitales eléctricas en señales de radio frecuencia (RF), de un trasmisor a un receptor.
Para trasmitir la información a través de medios inalámbricos se usa una frecuencia portadora que se combina con la señal de la información. Existen varios mecanismos de modulación a la que se somete la señal combinada para
que la información llegue a su destino y sea interpretada por el receptor, luego de realizar el proceso inverso al anterior. Además es necesaria la utilización de amplificadores que regeneren o aumenten la señal.
En las WLAN la frecuencia portadora es de 2.4Ghz o 5GHz.
Figura 2.15 Proceso de Modulación de una señal
2.4.2.1.1 Técnicas de Modulación Básicas
Existen tres propiedades básicas de la portadora que pueden utilizarse para modular la señal.
• Amplitud. • Frecuencia. • Fase.
Hay dos tipos de modulación: la modulación Análoga, que se realiza a partir de señales analógicas de información, por ejemplo la voz humana, audio y video en su forma eléctrica y la modulación digital, que se lleva a cabo a partir de señales generadas por fuentes digitales, por ejemplo una computadora.
La modulación Análoga tiene tres variantes según los parámetros de la portadora y estos son:
• AM. Amplitud Modulada • FM. Frecuencia Modulada • PM. Modulación de Fase.
En la modulación Digital también existen variantes según los parámetros de la portadora y estos son:
• ASK. Esta modulación consiste en establecer una variación de la amplitud de la frecuencia portadora según los estados significativos de la señal de datos.
• FSK. Este tipo de modulación consiste en asignar una frecuencia diferente a cada estado significativo de la señal de datos.
• PSK. Consiste en asignar variaciones de fase de una portadora según los estados significativos de la señal de datos.
• QAM. Modulación de amplitud en cuadratura, es una forma de modulación digital en donde la información digital está contenida, tanto en la amplitud como en la fase de la portadora trasmitida.
Figura 2.16 Técnicas de Modulación Básicas
Referencia: Currículum Cisco WLAN, versión 1.2, sección 3.5.2, Interactive Media Activity
Para las WLAN se usan técnicas de modulación complejas basadas en Spread Spectrum (Espectro Expandido), que consiste en tomar una señal de banda base, es decir, sin portadora o no modulada que no se ha desplazado a regiones de alta frecuencia, con ancho de banda limitado y convertirla en una señal de un ancho de banda mucho mayor con unas estadísticas similares a las del ruido, mediante la utilización de un código apropiado. El proceso es equivalente a dividir la señal original en un gran número de pedacitos llamados chips, los cuales pueden ser transmitidos a una tasa mayor o menor que la transmisión de la señal original.
2.4.2.1.2 Espectro Expandido con Salto de Frecuencia (FHSS)
Esta técnica divide el espectro de 83Mhz que rodea la banda de los 2.4Ghz en subcanales pequeños de usualmente 1Mhz dentro de la banda de frecuencia RF utilizable.
En los sistemas FHSS, la portadora cambia de frecuencia, o salta, de acuerdo a una secuencia pseudo-aleatoria, esto en ocasiones se denomina código de salto. Esta secuencia define al canal FHSS. Se trata de una lista de frecuencias, a las cuales saltará la portadora durante intervalos especificados. El transmisor utiliza esta secuencia de saltos para seleccionar su frecuencia de transmisión. La portadora permanecerá en una determinada frecuencia durante un periodo especificado, que se denomina tiempo de permanencia. El transmisor utilizará entonces una pequeña cantidad de tiempo, denominado tiempo de salto, para desplazarse a la siguiente frecuencia. Cuando la lista de frecuencias se ha atravesado completamente, el transmisor comenzará nuevamente y repetirá la secuencia.
La radio receptora se sincroniza según la secuencia de salto de la radio transmisora para permitir al receptor estar en la frecuencia correcta en el momento correcto.
2.4.2.1.3 Espectro Expandido con Secuencia Directa (DSSS)
DSSS genera un patrón de bits redundante para cada bit que sea transmitido. Este patrón de bit es llamado código chip. Entre más grande sea este chip, es más grande la probabilidad de que los datos originales puedan ser recuperados. DSSS define un canal como banda contigua de frecuencias, de 22 MHz de amplitud, cada canal opera de una a 11 frecuencias centrales definidas y extiende los 11 MHz en cada dirección.
Existe una superposición significativa entre canales adyacentes. Las frecuencias centrales están separadas sólo por 5 MHz, sin embargo cada canal utiliza 22 MHz de ancho de banda analógico. De hecho, los canales deberán compartir su ubicación sólo si los números de canal se encuentran al menos a cinco de diferencia. Los Canales 1 y 6 no se superponen, los Canales 2 y 7 no se superponen, etcétera. Existe un máximo posible de tres sistemas DSSS con ubicación compartida. Los Canales 1, 6 y 11 son canales no superpuestos.
Mientras que FHSS utiliza cada frecuencia durante un breve periodo en un patrón repetitivo, DSSS utiliza un rango de frecuencia amplio de 22 MHz todo el tiempo. La señal se expande a través de diferentes frecuencias. Cada bit de datos se convierte en una secuencia de chipping, o una cadena de chips que se transmiten en paralelo, a través del rango de frecuencia. Esto se denomina en ocasiones código de chipping. Esta técnica es utilizada en el estándar 802.11b.
Figura 2.17 Representación de canales en DSSS
Hay una distancia de 3Mhz entre canal no solapado, DSSS usa 14 canales para su trasmisión, sin embargo, los equipos han estandarizado 11 canales para su uso, de esta manera los canales 1, 6 y 11 son los únicos canales no solapados. 2.4.2.1.4 Multiplexado por división de Frecuencia Ortogonal (OFDM)
El estándar 802.11a y 802.11g utilizan ambos multiplexado por división de frecuencia ortogonal (OFDM), para lograr velocidades de datos de hasta 54 Mbps. OFDM funciona dividiendo una portadora de datos de alta velocidad en varias subportadoras de más baja velocidad, que luego se transmiten en paralelo. Cada portadora de alta velocidad tiene 20 MHz de amplitud y se divide en 52 subcanales, cada uno de aproximadamente 300 KHz de amplitud. OFDM utiliza 48 de estos subcanales para datos, mientras que los cuatro restantes se utilizan para la corrección de errores. OFDM utiliza el espectro de manera mucho más eficiente, espaciando los canales a una distancia mucho menor. El espectro es más eficiente porque todas las portadoras son ortogonales entre sí, evitando de esa forma la interferencia entre portadoras muy cercanas.
2.5
COMPONENTES DE RED
En la infraestructura de las redes WLAN son básicos y necesarios algunos tipos de componentes o equipos inalámbricos como son los siguientes:
2.5.1 ACCESS POINT (AP)
Un Access Point es un dispositivo inalámbrico que normalmente se encuentra en un punto central, el Access Point controla el tráfico en el medio inalámbrico. Los datos que intercambian los equipos de la WLAN pasan a través de este dispositivo.
Un Access Point puede enlazarse a una red cableada, puede permitir ROAMING entre diferentes Access Point, sin perder la conectividad. También proveen mecanismos de seguridad para el control de acceso de los usuarios a la red.
Este dispositivo puede ser usado como repetidor para extender la cobertura de la red WLAN.
Figura 2.18 Access Point
Referencia: Internet, página: lbis.kenyon.edu/snap/images/accesspts.jpg.
2.5.2 ANTENAS
Son dispositivos pasivos que emiten energía de radio frecuencia (RF), enfocan la energía en un área o en una dirección específica de pendiendo del tipo de antena que se use. El incremento de la energía viene especificado como Ganancia en unidades dBi o dBd (véase anexo 2), dependiendo de la referencia de medida, sea esta una antena isotrópica16 o dipolar17 respectivamente.
Las antenas trabajan conjuntamente con otros dispositivos tales como Access Point o tarjetas de red inalámbricas, aunque no todos soportan conexiones con antenas externas. Las antenas son dispositivos que se encargan del envío y recepción de la señal en las redes WLAN.
16
Antena de referencia ideal la cual irradia exactamente la misma señal en todas las direcciones. 17
´
Figura 2.19 Antenas
Referencia: Internet, página: antennas.cl/antenas2_4.jpg.
Existen básicamente dos tipos de antenas.
• Omnidireccionales. Son antenas utilizadas para proveer cobertura en toda dirección. Estas antenas generalmente irradian la señal en forma de toroide con el fin de dar mayor longitud en horizontal aunque pierden potencia en vertical.
Figura 2.20 Patrón de radiación antena omnidireccional
• Direccionales. Son antenas que emiten la energía para proveer cobertura en una sola dirección. Su funcionamiento es similar al rayo de luz de una linterna. Al igual que en las antenas omnidireccionales reciben la misma cantidad de potencia sin embargo esta energía es dirigida hacia un punto especifico. Estas antenas son generalmente usadas para enlaces punto a punto.
Figura 2.21 Patrón de radicación antena direccional
Referencia: Internet, página: unex.es/eweb/rinuex/images/radiación_direccional.jpg
En el mercado existe gran variedad de antenas con diferentes características y diferentes patrones de radiación de señal (véase anexo 3) que pueden ser usadas según la aplicación.
2.5.3 EQUIPOS CLIENTE
En el mercado existe gran variedad de alternativas de equipos para clientes de redes WLAN, como tarjetas PCMCIA para equipos portátiles o tarjetas PCI para estaciones de trabajo. En la actualidad la gran mayoría de computadoras portátiles integran tarjetas inalámbricas a sus equipos.
Figura 2.22 Tarjetas inalámbricas
2.6
PROPAGACIÓN DE ONDAS
Una parte importante antes de proponer un diseño de red wireless óptimo es conocer los diferentes fenómenos que ocurren cuando la señal se desplaza a través del aire, las ondas pueden chocar con elementos tales como árboles, edificios, paredes, etc. Pudiendo provocar problemas de cobertura y zonas oscuras18 que pueden ser detectados fácilmente con el site survey.
• Reflexión. La señal de radio frecuencia rebota al toparse con medios en el que no puede atravesar, tal como sucede con la luz del sol en una superficie metálica,
• Refracción. La señal al pasar de un medio a otro de diferente material cambio de rumbo de acuerdo al ángulo con que esta choca y a las características físicas del medio.
• Multicamino. Este fenómeno ocurre cuando las ondas se reflejan en diferentes medios, es decir existen diferentes caminos entre el emisor y el receptor por los cuales viaja la señal, causando una superposición de las ondas lo que genera una señal fuerte pero de mala calidad
18
Figura 2.23 Multicamino
2.6 SEGURIDADES
Debido a la forma de trasmisión de las WLAN la información puede ser receptada por cualquier equipo que este dentro de la cobertura. Por esta razón es necesario implementar mecanismos que mantengan la integridad, protejan la confidencialidad y aseguren la disponibilidad de los datos.
2.6.1 VULNERABILIDADES, AMENAZAS Y TIPOS DE ATAQUES
Debido a que las WLAN tienen una tecnología relativamente nueva existen algunas vulnerabilidades que afectan a su seguridad. Las principales vulnerabilidades son:
• Autenticación. En las WLAN los dispositivos terminales son los únicos que se autentican más no los usuarios de los mismos.
• Encripcion. El mecanismo de encripción (WEP) no es muy robusto, pudiendo ser vulnerada mediante software especializado, esto se va a tratar mas adelante.
• Integridad. En las WLAN se utiliza el Valor de Control de Integridad (ICV) para asegurar la integridad de los datos, sin embargo se ha comprobado que no es muy efectivo.
También existen amenazas a las que las redes WLAN están expuestas y estas son:
• Amenazas no estructuradas: Son personas sin experiencia que poseen herramientas de hacker o crackeadores de passwords.
• Amenazas estructuradas: Son personas motivadas y técnicamente competentes. Esta gente conoce las flaquezas de las WLAN en profundidad y pueden desarrollar programas o scripts.
• Amenazas externas: Son personas que son ajenas a la red y no tienen acceso autorizado a ella. Generalmente actúan en los alrededores de dicha red. las empresas gastan una gran cantidad de recursos para protegerse de este tipo de amenazas.
• Amenazas internas: Son personas autorizadas con una cuenta en un servidor o acceso físico. Cubren la mayor parte de los incidentes y pueden exponer a la red a ataques externos
Los métodos de ataques están divididos en tres categorías:
• Reconocimiento. También conocido como Wardriving19, es el descubrimiento de vulnerabilidades en los sistemas para un posible ingreso a los mismos, este tipo de ataque consiste en reunir información a través de analizadores de paquetes y protocolos.
• Ataque de acceso. Este tipo de ataque se da cuando una persona no autorizada ingresa a los sistemas sin poseer cuentas ni contraseñas de ingreso, descubriendo passwords débiles o no existentes.
19
Búsqueda de redes inalámbricas desde un punto externo equipadas con un computador portátil o pda´s con tarjeta wifi.
• Negación de Servicio. Este tipo de ataque se da cuando se desactivan o se afectan los sistemas o servicios inalámbricos, negando el servicio a los usuarios autorizados.
2.6.2 SEGURIDADES DE PRIMERA GENERACIÓN
Las seguridades en las redes inalámbricas inicialmente se basaban en técnicas que no proporcionaban una protección confiable para la seguridad de los datos. Están técnicas son simples y se las puede vulnerar por medio de software especializado.
Los métodos de seguridad de primera generación se analizarán a continuación
2.6.2.1 SSID
El SSID es una cadena de 1 a 32 caracteres alfanuméricos que es intercambiado entre el Access Point y el cliente, y está incluido en todos los paquetes de esa red. Este código debe ser el mismo entre todos los dispositivos que intenten conectarse entre si.
El SSID es considerado como el nombre de la red inalámbrica más que un sistema de seguridad porque se puede configurar los dispositivos para que no usen el SSID.
2.6.2.2 WEP
WEP (Wireless Equivalent Privacy) es un método de encriptación simétrico, es decir, usa la misma clave para encriptar y para desencriptar. WEP combina esta clave con los datos que se transmiten entre los dispositivos, esta se configura tanto en el Access Point como en el cliente. La clave WEP estándar puede ser de 64 o 128 bits. WEP usa el algoritmo RC4 para el cifrado de datos.
WEP no proporciona un nivel de seguridad alto debido a que la clave con la que se cifran los datos es estática y viaja a través de la red con los paquetes que se transmiten, esta puede ser descifrada capturando los paquetes con un Sniffer20 y usando un sistema de WEP Cracker21.
2.6.2.3 Filtros MAC
Es un mecanismo de seguridad que no está especificado en 802.11 pero algunos fabricantes lo han adoptado para incrementar el nivel de seguridad en una red inalámbrica.
El filtrado por MAC funciona de dos maneras:
- Permitiendo el tráfico de una determinada lista de direcciones MAC. - Negando el tráfico de una determinada lista de direcciones.
Las listas para el filtrado MAC se las crea en el Access Point por esta razón puede ser una tarea muy tediosa si la red cuenta con una gran cantidad de clientes.
Este no es un mecanismo de seguridad confiable, debido a que las direcciones MAC no viajan cifradas. Un atacante pueda capturar y clonar una dirección MAC válida para acceder a la red.
2.6.3 SEGURIDADES DE SEGUNDA GENERACIÒN
Debido a las falencias que constituían los mecanismos de seguridad de primera generación, que no representaban una verdadera protección para las redes inalámbricas y a la vulnerabilidades que se podían encontrar al implementarlos, se crearon mecanismos de seguridad mas robustos, los mismos que se analizarán a continuación.
20
Programa de captura de paquetes dentro de una red. 21
