Fundamentos de Redes Inalámbricas y Estándares 802.11

1. Introducción a las Redes Inalámbricas

En el mundo actual, las redes inalámbricas son omnipresentes y fundamentales para la conectividad. A lo largo de este post, profundizaremos en los diferentes tipos de redes inalámbricas, sus principios de funcionamiento, los estándares que las rigen y cómo se gestionan. Nos centraremos principalmente en las redes LAN inalámbricas (WLAN) utilizando el estándar IEEE 802.11, comúnmente conocido como Wi-Fi.

El término Wi-Fi es una marca registrada de la Wi-Fi Alliance, una organización que certifica equipos para asegurar la interoperabilidad entre dispositivos 802.11. Tanto “LANs inalámbricas” como “Wi-Fi” se utilizan indistintamente para referirse a esta tecnología.

1.1 Problemas Comunes en Redes Inalámbricas

Las redes inalámbricas presentan desafíos únicos en comparación con las redes cableadas:

  1. Alcance y Propagación: Todos los dispositivos dentro del rango de una AP (Access Point) compiten por el mismo medio. La privacidad y la seguridad de los datos dentro de la LAN son preocupaciones significativas. Se utiliza el mecanismo CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) para facilitar comunicaciones half-duplex.

  2. Regulaciones: Las comunicaciones inalámbricas están reguladas por diversas organizaciones internacionales y nacionales, lo que puede afectar el uso de frecuencias y potencias de transmisión.

  3. Cobertura: La cobertura de la señal inalámbrica es un factor crítico. Esto incluye el rango de la señal y cómo se ve afectada por fenómenos físicos como la absorción, reflexión, refracción, difracción y dispersión de la señal.

  4. Interferencia: Otros dispositivos que utilizan las mismas frecuencias pueden causar interferencia. Un ejemplo común es una WLAN vecina en el hogar o la oficina de un vecino, que puede degradar el rendimiento de nuestra propia red.

2. Propagación de Señales Inalámbricas

Las señales de radio son ondas electromagnéticas que se propagan a través del espacio. Comprender cómo interactúan estas ondas con el entorno es crucial para diseñar y solucionar problemas en redes inalámbricas.

2.1 Fenómenos de Propagación de la Señal

  • Reflexión: Ocurre cuando una señal rebota en una superficie, como un metal o una pared gruesa. Es por eso que la recepción de Wi-Fi suele ser deficiente en ascensores, ya que las ondas golpean y rebotan en las paredes metálicas. Las señales pueden penetrar ligeramente en los materiales, pero gran parte de la energía se refleja.

  • Refracción: Sucede cuando una onda se desvía al pasar de un medio a otro con diferente densidad, donde la velocidad de la señal cambia. Un ejemplo común es la luz al pasar del aire al agua.

  • Difracción: Ocurre cuando una onda encuentra un obstáculo y se curva alrededor de él. Esto puede crear “puntos ciegos” o zonas de sombra detrás del obstáculo, donde la señal es débil o inexistente.

  • Dispersión (Scattering): Sucede cuando una señal golpea un material y se dispersa en todas las direcciones. Partículas como el polvo, el smog o superficies irregulares pueden causar dispersión, debilitando la señal original y distribuyéndola de manera ineficiente.

  • Absorción: Es el proceso por el cual una señal inalámbrica pasa a través de un material y parte de su energía se convierte en calor, debilitando la intensidad de la señal original. Materiales como el agua, el hormigón y el cuerpo humano son buenos absorbentes de señales de radio.

3. Radiofrecuencia (RF)

Para enviar señales inalámbricas, el emisor aplica una corriente alterna a una antena, lo que crea ondas electromagnéticas que se propagan hacia afuera.

3.1 Medición de Ondas Electromagnéticas**

Las ondas electromagnéticas se pueden medir de varias maneras, siendo las más importantes:

  • Amplitud: Es la magnitud o fuerza máxima del campo eléctrico y magnético de la onda. Representa la potencia de la señal.

  • Frecuencia: Mide el número de ciclos de subida/bajada por unidad de tiempo. La unidad de medida más común para la frecuencia es el Hertz (Hz 1 Hz = 1 ciclo por segundo).

  • Período: Es el tiempo que tarda una onda en completar un ciclo. Es inversamente proporcional a la frecuencia. Si la frecuencia es de 4 , el período es de 0.25 segundos (1/4).

 Ondas WLAN

El rango de frecuencia visible está aproximadamente entre 400 THz y 790 THz. El rango de radiofrecuencia para comunicaciones suele estar entre 30 Hz y 300 GHz.

3.2 Bandas de Radiofrecuencia de Wi-Fi

Wi-Fi utiliza principalmente dos bandas de frecuencia:

  • Banda de 2.4 GHz:

    • El rango actual es de 2.400 GHz a 2.4835 GHz.
    • La banda de 2.4 GHz típicamente proporciona un mayor alcance y una mejor penetración de obstáculos como paredes, pero es más susceptible a la interferencia debido a que muchos otros dispositivos (microondas, Bluetooth, teléfonos inalámbricos) operan en esta misma banda.
    • El estándar Wi-Fi 6 (802.11ax) ha ampliado el espectro para incluir una banda de 6 GHz, que ofrece más canales y menos congestión.

  • Banda de 5 GHz:

    • El rango actual es de 5.150 GHz a 5.825 GHz.
    • Se divide en cuatro bandas secundarias principales: 5.150 a 5.250 GHz, 5.250 a 5.350 GHz, 5.470 a 5.725 GHz y 5.725 a 5.825 GHz.
    • La banda de 5 GHz ofrece mayores velocidades de datos y menos interferencia que la de 2.4 GHz, pero tiene un menor alcance y una menor capacidad para penetrar obstáculos.

4. Canales Inalámbricos

Cada banda de frecuencia se divide en múltiples “canales”. Los dispositivos están configurados para transmitir y recibir tráfico en uno (o más) de estos canales.

4.1 Canales en la Banda de 2.4 GHz

La banda de 2.4 GHz se divide en varios canales, cada uno con un ancho de banda de 22 MHz. Fuera de Norteamérica, y para certificaciones como la CCNA, se suelen utilizar los canales 1, 6 y 11 como canales no superpuestos.

Canales No Superpuestos: En una WLAN pequeña con un solo AP, se puede utilizar cualquier canal. Sin embargo, en WLANs más grandes con múltiples APs, es importante que los APs adyacentes no utilicen canales superpuestos para evitar interferencias.

Utilizando los canales 1, 6 y 11, se pueden colocar los APs en un patrón de “panal de abejas” para proporcionar una cobertura completa de un área sin interferencia entre canales adyacentes, tal y como muestra la figura.

 Estrustura WLAN

4.2 Canales en la Banda de 5 GHz

La banda de 5 GHz consta de canales no superpuestos, lo que facilita enormemente la mitigación de la interferencia entre APs adyacentes.

4.3 Estándares 802.11

El IEEE 802.11 es una familia de estándares que especifican las características de las redes de área local inalámbricas (WLAN). A continuación, se presenta una tabla que resume los principales estándares:

Estándar Frecuencias Max Data Rate (teórico) Nombre Alternativo
802.11 2.4 GHz 2 Mbps
802.11b 2.4 GHz 11 Mbps
802.11a 5 GHz 54 Mbps
802.11g 2.4 GHz 54 Mbps
802.11n 2.4 / 5 GHz 600 Mbps Wi-Fi 4
802.11ac 5 GHz 6.93 Gbps Wi-Fi 5
802.11ax 2.4 / 5 / 6 GHz ≈ 4×802.11ac Wi-Fi 6

Es importante destacar que el “Max Data Rate (teórico)” representa la velocidad máxima bajo condiciones ideales y puede variar en entornos reales. El nombre alternativo, como Wi-Fi 4, 5 y 6, es una nomenclatura más reciente y fácil de recordar introducida por la Wi-Fi Alliance.

5. Tipos de Servicio (Service Sets)

El estándar 802.11 define diferentes “Service Sets” (conjuntos de servicios), que son grupos de dispositivos de red inalámbrica.

Existen tres tipos principales de Service Sets:

  • Independiente (Independent)
  • Infraestructura (Infrastructure)
  • Malla (Mesh)

Todos los dispositivos en un Service Set comparten el mismo SSID (Service Set Identifier), que es un nombre legible por humanos que identifica la red inalámbrica. El SSID no tiene que ser único, pero es una buena práctica hacerlo para evitar confusiones.

5.1 Service Sets Independientes (IBSS)

Un IBSS (Independent Basic Service Set) es una red inalámbrica en la que dos o más dispositivos inalámbricos se conectan directamente sin utilizar un AP (Access Point). También se le conoce como red ad hoc.

  • Puede utilizarse para transferencia de archivos entre dispositivos cercanos.
  • No es escalable para más de unos pocos dispositivos.

 ad hoc WLAN

5.2 Service Sets Básicos (BSS)

Un BSS (Basic Service Set) es un tipo de Service Set de Infraestructura en el que los clientes se conectan a otro cliente a través de un AP (Access Point), y no directamente entre sí.

  • Un BSSID (Basic Service Set ID) se utiliza para identificar de forma única el AP.
  • Otros APs pueden usar el mismo SSID, pero no el mismo BSSID.
  • El BSSID es la dirección MAC del AP de radio.
  • Los dispositivos inalámbricos solicitan asociarse con el BSS.
  • Los clientes inalámbricos tienen direcciones que están asociadas con el BSS. A estos se les llama “clientes” o “estaciones”.
  • El área alrededor de un AP donde su señal es utilizable se denomina BSA (Basic Service Area).
  • Los clientes deben comunicarse con el AP, no directamente entre sí.

 BSS WLAN

5.3 Service Sets Extendidos (ESS)

Para crear WLANs más grandes que excedan el rango de una sola AP, utilizamos un ESS (Extended Service Set).

  • Los APs con sus propios BSSs están conectados por una red cableada.
  • Cada BSS utiliza el mismo SSID.
  • Cada BSS tiene un BSSID único.
  • Cada BSS utiliza un canal diferente para evitar interferencias.
  • Los clientes pueden pasar de un AP a otro sin perder la conexión, proporcionando una experiencia Wi-Fi fluida cuando se mueven entre APs. Esto se llama roaming.
  • Los BSAs deben superponerse entre un 10 y un 15% para asegurar un roaming efectivo y una buena cobertura.

 ESS WLAN

En la figura, cada BSS tiene canales diferentes en este caso para 2.4 GHz.

5.4 Service Sets de Malla Básicos (MBSS)

Un MBSS (Mesh Basic Service Set) se puede utilizar en situaciones en las que es difícil o poco práctico tender un cable Ethernet a cada AP.

  • Los APs de malla utilizan dos radios: una para proporcionar un BSS a clientes inalámbricos y otra para formar una “red de backhaul” de malla que está cableada al RAP (Root Access Point).
  • Al menos un AP de malla está conectado a la red cableada, y se le llama RAP.
  • Los otros APs de malla se llaman MAPs (Mesh Access Points).
  • Se utiliza un protocolo de enrutamiento de malla para determinar la mejor ruta a través de la malla (similar a cómo los protocolos de enrutamiento dinámico se utilizan para determinar la mejor ruta a un destino).

 Mesh WLAN

6. Sistema de Distribución (DS)

La mayoría de las redes inalámbricas no son autónomas. Más bien, son una forma para que los clientes inalámbricos se conecten a la infraestructura de red cableada.

  • En 802.11, el flujo de tráfico ascendente de una red inalámbrica se denomina DS (Distribution System).
  • Cada WLAN inalámbrica o ESS se mapea a una VLAN en la red cableada.

6.1 DS con Múltiples WLANs y VLANs

Es posible que un AP proporcione múltiples WLANs, cada una con un SSID único.

  • Cada WLAN se mapea a una VLAN separada y se conecta a la red cableada a través de un enlace troncal (trunk).
  • Cada WLAN utiliza un BSSID único, generalmente incrementando el último dígito del BSSID en uno para cada WLAN adicional.

 DS WLAN

7. Modos Operacionales Adicionales del AP

Los APs pueden operar en modos adicionales más allá de los que hemos introducido hasta ahora.

  • Repetidor (Repeater): Un AP en modo repetidor se puede utilizar para extender el rango de un BSS.

    • El repetidor simplemente retransmite cualquier señal que recibe del AP.
    • Un repetidor con una sola radio debe operar en el mismo canal que el AP, lo que puede reducir drásticamente el rendimiento general.
    • Un repetidor con dos radios puede recibir en un canal y retransmitir en otro.

  • Workgroup Bridge (WGB): Un WGB opera como un cliente inalámbrico de otro AP y se utiliza para conectar dispositivos cableados a la red inalámbrica.

    Existen dos tipos de WGBs:

    • Universal WGB (UWGB): Es un estándar 802.11 que permite que un dispositivo se conecte a la red inalámbrica.
    • WGB Cisco-propietario: Es una versión propietaria de Cisco del estándar 802.11 que permite que múltiples clientes cableados se conecten a la red inalámbrica.

  • Puente Exterior (Outdoor Bridge): Un puente exterior puede utilizarse para conectar redes a largas distancias sin un cable físico.

    • Los APs utilizarán antenas especializadas que enfocan la mayor parte de la potencia de la señal en una dirección, lo que permite que la conexión inalámbrica se realice a distancias mayores de lo que normalmente sería posible.
    • La conexión puede ser punto a punto (entre dos sitios) o punto a multipunto (en la que varios sitios se conectan a un sitio central).

Resumen de conceptos

  • Service Set: Grupo de dispositivos de red inalámbrica que comparten un mismo SSID.
  • SSID (Service Set Identifier): Nombre de la red inalámbrica, legible por humanos.
  • BSSID (Basic Service Set ID): Identificador único del AP, generalmente su dirección MAC.
  • AP (Access Point): Dispositivo que permite a los dispositivos inalámbricos conectarse a una red cableada.
  • IBSS (Independent Basic Service Set / Ad Hoc): Red inalámbrica donde los dispositivos se conectan directamente entre sí sin un AP.
  • BSS (Basic Service Set): Red inalámbrica con un solo AP que conecta clientes.
  • BSA (Basic Service Area): Área de cobertura de un AP.
  • ESS (Extended Service Set): Múltiples BSSs interconectados por una red cableada para proporcionar una cobertura más amplia y roaming.
  • MBSS (Mesh Basic Service Set): Red de malla donde los APs (MAPs) se interconectan entre sí y a un RAP (Root Access Point) conectado a la red cableada.
  • RAP (Root Access Point): AP de malla conectado a la red cableada.
  • MAP (Mesh Access Point): AP de malla que se conecta a otros MAPs y al RAP.
  • DS (Distribution System): Infraestructura de red cableada a la que se conectan los APs.
  • Workgroup Bridge (WGB): Modo de AP que permite a dispositivos cableados conectarse a una red inalámbrica como cliente.
  • Puente Exterior (Outdoor Bridge): Conexión inalámbrica de largo alcance para unir redes en diferentes ubicaciones, puede ser punto a punto o punto a multipunto.