Redes WI-FI: lo que siempre quisiste saber

Este es mi primer artículo de “larga duración”. En el resumí los aspectos principales de las tecnologías Wi-Fi. Hay mucho más para decir, pero aquí hago una introducción.

Hoy en día accedemos a redes inalámbricas de todo tipo, las cuales nos ofrecen conectividad a los múltiples dispositivos que utilizamos en nuestra vida diaria.

 

¿Qué aprenderás?

Al leer este artículo podrás iniciarte en estos temas.

Estándares incluídos en IEEE 802.11 (Wi-Fi). Características de los estándares utilizados en las redes inalámbricas hoy. Frecuencias y canales de operación. Método de acceso al medio. Seguridad.

Wi-Fi (IEEE 802.11)

En este artículo me refiero al grupo de tecnologías y estándares incluidos bajo la denominación “Wi-Fi”, que enumero en la lista que se muestra a continuación:

802.11a – Red inalámbrica con portadora en la banda ISM de 5 GHz y una tasa de transferencia de datos de hasta 54 Mbps.

802.11b – Red inalámbrica con portadora en la banda ISM de 2,4 GHz y una tasa de transferencia de datos de hasta 11 Mbps

802.11e – Calidad de servicio (QoS) y prioridad. 802.11f – Comunicación entre puntos de acceso (APs). 802.11g – Red inalámbrica con portadora en la banda ISM de 2,4 GHz y una

tasa de transferencia de datos de hasta 54 Mbps. 802.11h – Control de potencia para resolver problemas de interferencia con otros

sistemas en la banda de 5GHz. 802.11i – Autenticación y encriptación. 802.11j – Estandar para 4,9 – 5 GHz en el mercado japonés.

802.11k – Gestión de conexiones, para elegir el mejor AP disponible. 802.11n – Red inalámbrica con portadora en la banda ISM de 2,4 GHz y 5 GHz,

con tasas de transferencia de datos de hasta 600 Mbps. 802.11s – Redes de malla (mesh networking). 802.11ac – Red inalámbrica con portadora debajo de 6 GHz, con tasas de

transferencia de datos de al menos 1Gbps en operación multi-estación y 500 Mbps en un solo enlace.

802.11ad – Red inalámbrica con portadoras hasta de 60 GHz, que ofrecen muy alta tasa de transferencia de datos.

802.11af – Wi-Fi en el espectro blanco de TV (también llamado White-Fi).

No voy a describir todos estos estándares, sino que me centraré sobre los comúnmente utilizados o mencionados en la redes Wi-Fi y que usamos con frecuencia. Estos son:

802.11a. 802.11b. 802.11g. 802.11n. 802.11ac. 802.11i.

 

Pero antes, algunas consideraciones generales sobre comunicaciones inalámbricas.

En las comunicaciones inalámbricas “el medio” es el espacio libre y por lo tanto siempre es compartido. Esta es una diferencia fundamental con las tecnologías cableadas (cobre o fibra óptica), donde los enlaces son dedicados. Es por esto que la utilización del espacio debe regularse de forma estricta, para que las bandas de frecuencia no se solapen y evitar interferencias. Los protocolos de comunicación coordinan el acceso al medio por parte de los dispositivos que participan de la red.

La efectividad de una red inalámbrica depende de varios factores: cantidad de equipos compartiendo la red, condiciones ambientales, interferencias electromagnéticas, obstáculos, latencia, etc.

Teniendo en cuenta el punto anterior, la tasa de transferencia de datos real siempre está por debajo de lo definido en los estándares.

Como cualquiera puede acceder al medio (el espacio) la seguridad se vuelve un factor crítico y es necesario utilizar autenticación y encriptación de datos para evitar el acceso no autorizado a la red.

Las tasas máximas de transmisión de datos nunca representan la máxima tasa de transmisión de datos “útiles” (throughput), ya que parte de la trama es ocupada por información de control de acceso al medio, control de flujo, encriptación, etc.

 

802.11a

Este estándar fue desarrollado por la IEEE en 1999. Utiliza la banda no licenciada de 5 GHz. Tiene una tasa de transmisión de datos máxima de 54 Mbps, aunque la tasa de transferencia de datos útil (throughput) puede alcanzar un máximo de 25 Mbps.

La comunicación es del tipo half duplex, es decir que cada dispositivo solo puede transmitir o recibir datos en cada comunicación establecida.

Datos del estándar ValoresFecha de publicación 1999Tasa de transferencia de datos máxima (Mbps) 54Tasa de transferencia de datos útiles máxima (Mbps) 25Alcance típico en interiores (Metros) ~30Modulación OFDMBanda de frecuencia (GHz) 5Ancho de banda de los canales (MHz) 20

Tabla 1 – Características principales de 802.11a

La frecuencia de operación en la banda de los 5 GHz permite evitar interferencias ocasionadas por teléfonos inalámbricos, hornos microondas y otros dispositivos. Sin embargo, esto también hace que el rango de alcance sea menor que para el caso de las redes en 2,4 GHz, ya que al tener una longitud de onda más corta es más “susceptible” a los obstáculos.

Este estándar utiliza OFDM ( Orthogonal Frequency Division Multiplexing ) , lo que le permite generar 12 canales no superpuestos, 8 para interiores y 4 para exteriores.

La tasa de transferencia puede reducirse a 48, 36, 24, 18, 12, 9 y 6 Mbit/s en caso que sea necesario.

802.11b

Si bien este estándar se desarrolló al mismo tiempo que 802.11a, su publicación fue anterior y la industria lo adoptó rápidamente, ya que ofrecía hasta 11 Mbps (algo comparable a los 10 Mbps de Ethernet) y el hardware para implementarlo era económico porque operaba en 2,4 GHz, en vez de los 5 GHz de 802.11a.

Los dispositivos con 802.11b ofrecen muy buen nivel de alcance por operar a 2,4 GHz, aunque no a la máxima tasa de transferencia. Las velocidades de transmisión decrecen a 5.5, 2 y 1 Mbps cuando la calidad de la señal decrece (esto se conoce como Adaptive Rate Selection o ARS).

 

Datos del estandar ValoresFecha de publicación 1999Tasa de transferencia de datos máxima  (Mbps) 11Tasa de transferencia de datos útiles máxima  (Mbps) 5Alcance típico en interiores (Metros) ~30

Modulación CCK (DSSS)Banda de frecuencia (GHz) 2.4Ancho de banda de los canales (MHz) 25

Tabla 2 – Características principales de 802.11b

Uno de los principales inconvenientes de las redes en 2,4 GHz es la presencia de interferencias electromagnéticas provenientes de distintos equipos, como teléfonos inalámbricos, hornos microondas, dispositivos Bluetooth, etc.

A diferencia de 802.11a, que utiliza OFDM, 802.11b hace uso CCK (Complementary Code Keying), que es una variación de CDMA (Code Division Multiple Access) que usa como base DSSS ( Direct Sequence Spread Spectrum ). Esto es algo complicado, pero lo agrego para explicar que las modulaciones entre los distintos estandares son diferentes, lo que a su vez hace que tengan características muy distintas.

 

802.11g

Este estándar ofreció una serie de mejoras respecto de su predecesor: 802.11b. También opera en 2,4 GHz, pero con una tasa de transferencia de datos máxima de 54 Mbps, y una tasa de transferencia de datos real (throughput) alrededor de los 24 Mbps.

Es compatible con 802.11b, pero la presencia de un dispositivo operando con este estándar hace que la red 802.11g funcione muy por debajo de su máxima capacidad. Vale decir que gran parte del tiempo que se dedicó al desarrollo de 802.11g fue utilizado para lograr la compatibilidad entre ambos estándares. Este objetivo era de suma importancia, ya que el mercado WI-FI se basaba en 802.11b y no se podía pedir a fabricantes y usuarios que se deshicieran de todos sus equipos de un día para el otro.

 

Datos del estándar ValoresFecha de publicación June 2003Tasa de transferencia de datos máxima (Mbps) 54Tasa de transferencia de datos útiles máxima  (Mbps) 24Modulación CCK, DSSS, or OFDMBanda de frecuencia (GHz) 2.4Ancho de banda del canal (MHz) 20

Tabla 3 – Características principales de 802.11g

Para lograr resiliencia contra los efectos de caminos múltiples (ondas reflejadas, etc) y obtener mayores tasas de transferencia de datos, se utilizó la modulación OFDM, aunque también se incluyeron CCK y DSSS para lograr la compatibilidad con el estándar anterior.

 

802.11n

El estándar fue publicado en 2009, aunque los fabricantes comenzaron a utilizarlo en 2007, basándose en el borrador empleado por la Alianza Wi-Fi (Wi-Fi Alliance) para la certificación de productos.

Este estándar opera tanto en la banda de 5 GHz, como en la de 2,4 GHz. Utiliza antenas MIMO ( Multiple Input Multiple Output ) para mejorar el desempeño de la comunicación inalámbrica.

 

Datos del estándar ValoresTasa de transferencia de datos máxima (Mbps) 600Banda de frecuencia (GHz) 2.4 o 5Modulación CCK, DSSS, or OFDMNumber of spatial streams 1, 2, 3, or 4Ancho de banda del canal (MHz) 20 o 40

Tabla 4 – Características principales de 802.11n

Las principales innovaciones del estándar se resumen en los siguientes puntos:

Cambios en la modulación OFDM. Introducción de MIMO. Modo de ahorro de energía con MIMO. Ancho de banda de canal más amplio (40 MHz). Tecnología de antenas. Compatibilidad con estándares previos reducida para lograr mejor desempeño y

mayor tasa de transferencia de datos.

Existen tres modos en los que una AP puede operar usando 802.11g:

Modo legado (Legacy), solo en 802.11 a, b, y g. Mixto, tanto en 802.11 a, b, g, como en n. Greenfield (solo 802.11 n), ofreciendo máximo desempeño.

802.11ac

El estándar 802.11ac fue desarrollado con el objetivo de elevar la tasa de transferencia de datos a un mínimo de 1 Gbps y hasta casi 7 Gbps

Debido a la necesidad de tener mayores velocidades de transferencia, la IEEE desarrolló el estándar Gigabit 802.11ac, también conocido como VHT (Very High Throughput).

Con enlaces inalámbricos de estas capacidades (hasta 7 Gpbs), se pueden implementar servicios de videoconferencia, videovigilancia, telepresencia, etc.

Datos del estándar Valores

Banda de frecuencia 5.8 GHz ISMMáxima tasa de transferencia de datos

6.93 Gbps

Ancho de banda del canal 20, 40, & 80 MHz160 & 80 + 80 MHz opcionalModulación BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM256-QAM opcional

MIMOBoth single and multi-user MIMO with up to 8 spatial streams.

Beam-forming Opcional

Tabla 5 – Características principales de 802.11ac

Algunas características del estándar:

Modulación OFDM. MU-MIMO (Multi User – Multiple Input Multiple Output). Ancho de banda de canal hasta 160 MHz. Técnicas avanzadas de corrección de errores. Modificación del patrón de radiación (beamforming).

Canales disponibles en 2,4 GHz

En la banda de 2,4 GHz existen 14 canales, aunque su uso está restringido de acuerdo al las regulaciones de cada país, como se muestra en la siguiente tabla.

 

Número de canal Europa (ETSI) Norteamércia (FCC) Japón1 ✔ ✔ ✔2 ✔ ✔ ✔3 ✔ ✔ ✔4 ✔ ✔ ✔5 ✔ ✔ ✔6 ✔ ✔ ✔7 ✔ ✔ ✔8 ✔ ✔ ✔9 ✔ ✔ ✔10 ✔ ✔ ✔11 ✔ ✔ ✔12 ✔ No ✔13 ✔ No ✔

 

Canales Wi-Fi en 2,4 GHz

 

Estos canales se superponen, por lo que para evitar interferencia entre AP adyacentes se deben elegir canales separados (se suelen usar el 1, 6 y 11), como muestra la siguiente figura. 

Canales Wi-Fi no superpuestos en 2,4 GHz

 Canales disponibles en 5 GHz   

Número de canal Frecuencia Europa (ETSI) Norteamércia (FCC) Japón36 5180 Indoors ✔ ✔40 5200 Indoors ✔ ✔44 5220 Indoors ✔ ✔48 5240 Indoors ✔ ✔52 5260 Indoors / DFS / TPC DFS DFS / TPC56 5280 Indoors / DFS / TPC DFS DFS / TPC60 5300 Indoors / DFS / TPC DFS DFS / TPC64 5320 Indoors / DFS / TPC DFS DFS / TPC100 5500 DFS / TPC DFS DFS / TPC104 5520 DFS / TPC DFS DFS / TPC108 5540 DFS / TPC DFS DFS / TPC112 5560 DFS / TPC DFS DFS / TPC116 5580 DFS / TPC DFS DFS / TPC120 5600 DFS / TPC Sin acceso DFS / TPC124 5620 DFS / TPC Sin acceso DFS / TPC128 5640 DFS / TPC No Access DFS / TPC132 5660 DFS / TPC DFS DFS / TPC136 5680 DFS / TPC DFS DFS / TPC140 5700 DFS / TPC DFS DFS / TPC

149 5745 SRD ✔ Sin acceso153 5765 SRD ✔ Sin acceso157 5785 SRD ✔ Sin acceso161 5805 SRD ✔ Sin acceso165 5825 SRD ✔ Sin acceso

DFS = Dynamic Frequency Selection; TPC = Transmit Power Control; SRD = Short Range Devices 25 mW max power.

 

Acceso al medio

Los estándares inalámbricos IEEE 802.11 utilizan un protocolo de acceso al medio llamado CSDMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Su nombre es de hecho similar al utilizado en las redes Ethernet cableadas (CSMA/CD – Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), pero su funcionamiento es diferente. En el caso inalámbrico CA se refiere a evitar la colisión, mientras que en Ethernet se habla de detección de colisión.

Las redes Wi-Fi son half-duplex, es decir, los dispositivos no pueden transmitir y recibir al mismo tiempo en el mismo canal de radio. Un dispositivo no puede “escuchar” al mismo tiempo que está transmitiendo, por lo que no puede detectar colisiones. Debido a esto, los expertos de la IEEE utilizaron un mecanismo para evitar la colisión, llamado DCF (Distributed Control Function).

De acuerdo con DCF, un dispositivo Wi-Fi iniciará una transmisión solo si “piensa” que el canal no está en uso. Para lograr esto, todas las transmisiones son reconocidas, por lo que si un dispositivo no recibe una trama de reconocimiento, supone que hubo colisión y reintenta tras un intervalo de tiempo aleatorio.Las colisiones aumentan a medida que crece el tráfico en la red o cuando los dispositivos móviles no se pueden “escuchar” unos a otros. También debido a interferencias.

Seguridad en redes Wi-Fi

Dado que el medio de transmisión es el aire, el cual es naturalmente accesible por cualquier dispositivo, es fundamental asegurar que el acceso a la red será restringido a aquellos dispositivos autorizados.Para esto, el estándar 802.11i define distintos sistemas, como WEP, WPA y WPA2, en los cuales los dispositivos utilizan claves para autenticarse.Los AP emiten en forma períodica un aviso que contiene el SSID (Service Set Identifier), lo cual permite a los usuarios identificar al AP correcto y conectarse a el.El proceso de conexión comienza con un procedimiento de autenticación, para lo cual se genera una clave (key).

Existen tres tipos de autenticación en las redes Wi-Fi

WEP – wired-equivalent privacy key

Como su nombre lo indica, el objetivo de este método es intentar hacer que las redes inalámbricas sean tan seguras como las cableadas. Lamentablemente fue rápidamente vulnerado y en la actualidad no se recomienda su uso.Al inicio del proceso de autenticación, el dispositivo cliente envía un mensaje de texto sin encriptar, el cual es encriptado por el AP usando una clave compartida y devuelto al cliente.Las claves son usualmente de 128 o 256 bits.

El principal problema de WEP es la administración de la llave. Generalmente las llaves son distruibuidas en forma manual o a través de otra vía segura. WEP usa llaves compartidas, es decir, el AP utiliza la misma llave para todos los clientes, por lo que si la llave es descubierta, todos los usuarios son puestos en riesgo. Para obtener la llave solamente es necesario escuchar hasta obtener las tramas de autenticación devueltas.

Utilizar WEP es mejor que nada y cuando no haya nada mejor es recomendable usarlo. Después de todo, no todo el mundo quiere vulnerar redes inalámbricas. Una buena recomendación es utilizar seguridad en las capas superiores, por ejemplo mediante encriptación SSL, TSL, etc. 

WPA Wi-Fi Protected Access

Para salvar las fallas de seguridad de WEP se desarrolló WPA. Este sistema fue desarrollado con el auspicio de Wi-Fi Alliance y se utilizó una parte del estándar 802.11i y luego el estándar 802.11i se actualizó para reemplazar el protocolo WEP.Uno de los elementos clave de WPA es TKIP (Temporal Key Integrity), que forma parte del estándar 802.11i. TKIP opera generando claves dinámicas.WPA puede utilizar en forma opcional AES-CCMP (Advanced Encryption Standard – Counter Mode with Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol) como reemplazo de TKIP.

WPA2 / WPAv2

WPA2 es la mejor técnica disponible para asegurar una red Wi-Fi. Utiliza en forma obligatoria AES-CCMP y es utilizada en todos los dispositivos que se fabrican en la actualidad.

 

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