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Fuente: IDG.es Por Ramón A. Fernández LAN, un terreno de cultivo para la tecnología inalámbrica Una de las tecnologías más prometedoras en esta próxima década es la que
permite comunicar sistemas informáticos mediante tecnología inalámbrica.
La conexión de ordenadores mediante ondas de radio o luz infrarroja está
siendo ampliamente investigada en la actualidad. Indudablemente, la
principal ventaja de las redes inalámbricas frente a las redes
tradicionales es su movilidad, facilitando la conectividad en aquellos
lugares donde el ordenador no va a permanecer mucho tiempo en un mismo
lugar, o donde por la especial configuración del entorno no se pueda, o no
esté permitido, el tendido de cables, como suele ocurrir entre sucursales
de edificios anexos o en oficinas que se encuentren repartidas en varios
pisos. En un breve espacio de tiempo, las empresas han ido informatizando sus sistemas a todos los niveles, pasando de tener un reducido número de equipos independientes entre si, a configurar redes LAN de relativa complejidad. En un principio, estas redes contaban con pocos equipos enlazados mediante concentradores (hubs), pero el desproporcionado crecimiento de éstas ha ocasionado que aumente el número de nodos conectados a un servidor. Esta adición de ordenadores a la red suele causar numerosos problemas si en el diseño o concepción inicial de la infraestructura de la red no se tuvieron en cuenta una amplias posibilidades de crecimiento. Otra necesidad, acorde con las nuevas formas de negocio, es la recolocación de puestos de trabajo y el establecimiento de grupos de trabajos temporales. Para dar cabida a este tipo de solicitudes, el administrador de la red tiene que analizar la estrategia más adecuada para el redimensionamiento del sistema. Cuando la instalación se basa en un sistema de cableado estructurado, el proceso se reduce a la adquisición de la tarjeta adaptadora, el tendido del cable necesario y la asignación de un conector en el hub o switch correspondiente. Si el sistema, como ocurre generalmente, no permite la ampliación debido a la mala concepción inicial la solución se complica, ya que dependiendo del tipo o topología de red, puede ser necesaria hasta la interrupción total de la actividad del servicio, con la consiguiente pérdida en la productividad de la empresa. Un sistema inalámbrico puede perfectamente acoplarse al sistema tradicional de cable para dar continuidad a los servicios informáticos mientras duren los ajustes, o para sustituir permanente ciertos segmentos de red. Lo más común es diseñar ambientes híbridos en los que conviven ambas tecnologías, de tal modo que cubran plenamente las necesidades de conectividad y flexibilidad propias de cada situación. Como ocurre con la telefonía, no se espera que las redes inalámbricas lleguen a remplazar a las redes cableadas, principalmente porque las velocidades de transmisión logradas con la tecnología inalámbrica no son comparables con las que actualmente pueden alcanzarse con los diferentes medios físicos de transmisión que utilizan cable o fibra óptica. Mientras que las redes inalámbricas actuales ofrecen velocidades de 10 Mbps, las redes cableadas de mayor uso y estandarización ofrecen como mínimo esta misma velocidad, si bien en la mayoría de las ocasiones alcanzan los 100 Mbps sin mayores complicaciones. Sin embargo, una acertada solución puede pasar por mezclar las redes cableadas y las inalámbricas, y de esta manera generar una "red híbrida para resolver los segmentos o puntos más problemáticos de la red. Se puede considerar que el sistema de cableado sea la parte principal y la inalámbrica proporcione la movilidad adicional al equipo o segmento de red para que los posibles usuarios puedan desplazarse con facilidad dentro de un almacén o una oficina. WLAN, redes inalámbricas de área local Surge entonces el concepto de WLAN, acrónimo de las siglas en inglés de Wireless Local Area Network, y no es otra cosa que el sistema de comunicación de datos flexible utilizado como alternativa a la LAN cableada o como una extensión de ésta. Las WLAN han sido utilizadas tanto en la industria y la oficina como en centros de investigación desde hace más de 15 años. Hasta hace relativamente poco tiempo, estas redes habían tenido una aceptación marginal en el mercado. Se espera, sin embargo, un crecimiento explosivo en su utilización debido, principalmente, a los grandes avances que se han logrado en tecnologías inalámbricas de interconexión, así como a la gran penetración de los dispositivos personales para informática móvil. Medios de transmisión No descubrimos nada nuevo al decir que una de las cualidades de utilizar la energía eléctrica es su capacidad de generar ondas para la transmisión de cierta cantidad de información, ya sea por medio de cables, ondas de radio o de luz. En los modernos sistemas de comunicación inalámbricos utilizan ondas de radio o infrarrojos para llevar la información de un punto a otro sin necesidad de un medio físico. Las ondas de radio son normalmente referidas a portadoras de radio ya que éstas únicamente realizan la función de llevar la energía a un receptor remoto. Los datos a transmitir se superponen a la portadora de radio y de este modo pueden ser extraídos en el receptor final. Esto es llamado modulación de la portadora por la información que está siendo transmitida. Por este motivo, la señal ocupa más ancho de banda que una sola frecuencia. Además, varias ondas portadoras pueden existir en el mismo tiempo y espacio sin interferir entre ellas, siempre que estas ondas sean transmitidas a distintas frecuencias de radio. Existen, básicamente, dos opciones de transmisión en las WLAN: infrarrojo y radio frecuencia. De acuerdo al ángulo de apertura con que se emite la información en el transmisor, los sistemas de infrarrojos pueden clasificarse en sistemas de corta apertura, también llamados de rayo dirigido o de línea de vista (line of sight, LOS) y en sistemas de gran apertura, reflejados o difusos (diffused). Por su parte, las redes inalámbricas que utilizan radio frecuencia pueden clasificarse en sistemas de banda ancha (narrow band) o de frecuencia dedicada, y en sistemas basados en espectro disperso o extendido (spread spectrum). Sistemas infrarrojos Los sistemas de infrarrojos de corta apertura funcionan de manera similar a los controles remotos de los televisores. Mediante este sistema, el emisor debe orientarse hacia el receptor antes de transferir información, lo que limita un tanto su funcionalidad. Por ejemplo, resulta muy complicado utilizar esta tecnología en dispositivos móviles, pues el emisor debe reorientarse constantemente. Por otra parte, este mecanismo permite enlaces punto a punto exclusivamente. Los sistemas de gran apertura permiten la transmisión de información en un ángulo mucho más amplio, por lo que el transmisor no tiene que estar alineado con el receptor. Una topología muy común para redes locales inalámbricas basadas en esta tecnología, consiste en colocar en el techo de la oficina un nodo central llamado punto de acceso, hacia el cual los dispositivos inalámbricos dirigen su información, y desde el cual ésta es difundida hacia esos mismos dispositivos. Desgraciadamente, la dispersión utilizada en este tipo de red hace que la señal transmitida rebote en techos y paredes, introduciendo un efecto de interferencia en el receptor que limita notablemente la velocidad de transmisión. La tecnología de infrarrojos cuenta con muchas características sumamente atractivas para utilizarse en WLAN, y otras que no lo son tanto. En principio, los infrarrojos tienen una longitud de onda cercana a la de la luz y, por lo tanto, con un comportamiento similar, es decir, no pueden atravesar objetos sólidos como paredes, por lo cual es un sistema seguro contra receptores no deseados, aunque esta característica también supone un serio inconveniente a su capacidad de difusión. Asimismo, y debido a su alta frecuencia, presenta una fuerte resistencia a las interferencias electromagnéticas artificiales radiadas por otros dispositivos. Además, se pueden alcanzar grandes velocidades de transmisión, de hecho, se han desarrollado sistemas que operan a 100 Mbps. En cuanto a las restricciones de uso, la transmisión de infrarrojos con láser o con diodos no requiere autorización especial en ningún país, excepto por los organismos de salud que limitan la potencia de la señal transmitida. Y, por último, y como atractivo reclamo todo tipo de fabricantes, utiliza componentes sumamente económicos y de bajo consumo energético, importantes características muy a tener en cuenta en aquellos dispositivos que deban formar parte de equipos móviles portátiles. Entre las limitaciones principales que se encuentran en esta tecnología se puede señalar que es sumamente sensible a objetos móviles que interfieren y perturban la comunicación entre emisor y receptor. Además, las restricciones en la potencia de transmisión limitan la cobertura de estas redes a unas cuantas decenas de metros, y lo que de aún más grave, la luz solar directa, las lámparas incandescentes y otras fuentes de luz brillante pueden interferir seriamente la señal. En conclusión, a pesar de sus buenas cualidades y características, la gran influencia del entorno representa un enorme contratiempo para la fiabilidad de las comunicaciones y, por tanto, reduce sus posibilidades de implantación masiva. Sistemas de radio frecuencia Como ya hemos comentado, según el diseño requerido, se tienen distintas tecnologías aplicables: banda ancha y espectro disperso. Por otra parte, y con independencia del sistema empleado, según la banda que utilicen para la emisión y recepción de la información necesitarán, o no, permisos de la autoridades competentes en el asunto. Para paliar este inconveniente, más de las dos terceras partes de los productos comerciales que utilizan cualquiera de estos dos sistemas, transmiten la información en bandas del espectro que no requieren autorización para su uso, las llamadas bandas para aplicaciones industriales, científicas y médicas (ICM). Algunas de estas frecuencias están siendo extensamente utilizadas por otros dispositivos como teléfonos inalámbricos, puertas de garaje automáticas, sensores remotos, etc., por lo que las redes inalámbricas que operan en estas bandas deben ser diseñadas para trabajar bajo interferencias considerables. Por ello, buena parte de estas redes utilizan una tecnología desarrollada en los años 40 para proteger comunicaciones militares, llamada Técnica de Espectro Disperso. Pero antes de adentrarnos en la explicación de la tecnología de espectro disperso, no está demás explicar que el sistema de banda ancha se transmite y recibe en una banda específica de frecuencias para el paso de información. Los usuarios tienen distintas frecuencias de comunicación para evitar las interferencias. Asimismo, un filtro en el receptor se encarga de dejar pasar únicamente la señal esperada en la frecuencia asignada. En cambio, la técnica del espectro disperso difiere de otras tecnologías de radio en que dispersa la señal transmitida sobre una amplia gama de frecuencias, utilizando un ancho de banda mucho mayor que el necesario por la velocidad de transmisión utilizada. Para ello, mezcla la información transmitida con un patrón de dispersión que permite modificar la frecuencia o la fase (o ambas) de la información original, haciendo que ésta sea extremadamente difícil de detectar por cualquier sistema que no tenga el mismo código de dispersión utilizado en el transmisor. Por otra parte, al distribuir la señal en una gama de frecuencias, se está también dispersando la potencia media transmitida, lo que es visto por otros dispositivos no acoplados con el transmisor como una pequeña interferencia que bien puede descartarse, permitiendo así que varios sistemas coexistan compartiendo las mismas frecuencias. Todos los elementos de las redes locales inalámbricas basadas en espectro disperso utilizan el mismo código de dispersión, junto con alguno de los mecanismos de control de acceso. El hecho de utilizar un código de dispersión único, permite que esa red coexista con otras redes o con otros sistemas en la misma banda de frecuencias. Para las aplicaciones comerciales, existen dos técnicas de modulación en espectro disperso: salto de frecuencia (FHSS - Frecuency-Hopping Spread Spectrum) y secuencia directa (DSSS). En la primera, la información se transmite a saltos de manera pseudo aleatoria en intervalos de tiempo fijos, llamados chips, de un canal de frecuencia a otro dentro de la banda, que cambia según un patrón conocido por transmisor y receptor. Convenientemente sincronizado, es como tener un único canal lógico. Únicamente aquel receptor sincronizado con el transmisor, y que tenga exactamente el mismo código de salto, podrá acceder a las frecuencias correspondientes y extraer la información. En cambio, para un receptor no sincronizado FHSS es como un ruido de impulsos de corta duración. Por su parte, en la técnica de secuencia directa (DSSS - Direct-Sequence Spread Spectrum) se genera un bit redundante por cada bit transmitido. Estos bits redundantes son llamados chipping code. Cuanto mayor sea esta secuencia mayor es la probabilidad de reconstruir los datos originales. En otras palabras, la información se mezcla con un patrón pseudo aleatorio de bits con una frecuencia mayor que la de la información a transmitir. Al igual que con el salto de frecuencia, solamente aquél receptor que tenga el mismo código de extensión, será capaz de regenerar la información original. Incluso si uno o más bits son perturbados en la transmisión, las técnicas implementadas en radio pueden reconstruir los datos originales sin necesidad de retransmitir, mientras que para un receptor cualquier emisión DSSS es un ruido de baja potencia que resulta ignorado. La elección entre FHSS y DSSS dependerá de diversos factores relacionados con la aplicación de los usuarios y el entorno en el que el sistema esté operando. Aunque como referencia sirva decir que la tasa de transferencia datos de la capa física para sistemas FHSS es de 1Mbps, mientras que para DSSS soporta tanto tasas de 1 como de 2 Mbps. En general, los productos comerciales que utilizan estas tecnologías limitan la fuerza radiada (RF) en la antena debido a las normativas existentes. También se limita el aumento de la antena a un máximo de 6 dBi. La fuerza radiada está limitada a 1 W para los Estados Unidos, 10 mW por 1MHz en Europa y 10mW para Japón. Hay diferentes frecuencias aprobadas para el uso en Japón, Estados Unidos y Europa y cualquier producto de WLAN deben reunir los requisitos para el país donde se vende. Topologías WLAN La mayor parte de las WLANs pueden configurarse de dos formas diferentes,
redes ad-hoc y redes basadas en infraestructura. En las primeras, también
llamadas redes entre pares, varios dispositivos conforman una red para
intercambiar información sin contar con el apoyo de elementos auxiliares.
Este tipo de red resulta ideal para conformar grupos de trabajo temporales
en reuniones, o conferencias. Por otro lado, diseñar un protocolo de acceso para WLAN resulta mucho más complejo que hacerlo para redes locales basadas en cable. En el caso que nos ocupa, se deben considerar otros factores que influyen enormemente en el funcionamiento de estos sistema, tales como perturbaciones ambientales, interferencias y variaciones en la potencia de la señal, que introducen importantes variaciones en el tiempo de acceso y en la tasa de errores de transmisión. Igualmente, al contar con equipos móviles se pueden presentar conexiones y desconexiones repentinas en la red, como también deben tenerse en cuenta mecanismos de relevo entre puntos de acceso para atender a nodos móviles que pasan de un área a otra de cobertura. Los diversos mecanismos de acceso que se han propuesto e implantado para WLAN se agrupan en dos categorías: protocolos con arbitraje (FDMA, TDMA) y protocolos por contención (CDMA/CD, CDMA/CA), aunque también se han diseñado protocolos que son una combinación de estas dos categorías. Aunque ya no es habitual su utilización dentro de los sistemas WLAN, el mecanismo de mulitplexación en frecuencia, FDMA, divide todo el ancho de banda asignado en distintos canales individuales. Este es un mecanismo simple que permite el acceso inmediato al canal, pero poco eficiente para su utilización en sistemas que presentan un comportamiento típico de transmisión de información por breves períodos de tiempo (ráfagas). Una alternativa algo más factible sería asignar todo el ancho de banda disponible a cada nodo durante un breve intervalo de tiempo de manera cíclica. Este sistema, llamado multiplexación en el tiempo (TDMA), requiere mecanismos muy precisos de sincronización entre los nodos participantes para evitar interferencias. Este último esquema ha sido utilizado con cierto éxito, sobre todo en las redes inalámbricas basadas en infraestructura, donde el punto de acceso puede realizar las funciones de coordinación entre los nodos remotos. Por el contrario, el protocolo de acceso múltiple por división de código (CDMA), es el mecanismo de acceso por excelencia para que puedan coexistir diferentes redes. Las WLAN que emplean mecanismos de contención como acceso al medio, están basadas en el modelo utilizado por la tecnología de red local más difundida en la actualidad, Ethernet IEEE 802.3. Varias de las primeras redes utilizaban el algoritmo de acceso al medio,
CSMA/CD. El cual se caracterizaba por comprobar previamente que el medio
de comunicación estaba libre, antes de iniciar la transmisión. Si se daba
esta condición, entonces se transmitía la información y si no, se esperaba
a que se liberase el medio. Como existía la posibilidad de que dos
estaciones transmitieran información simultáneamente, este mecanismo
exigía que a pesar de iniciar la transmisión se debiera continuar con la
vigilancia del canal para detectar posibles colisiones. Cuando esto
ocurría, la transmisión era suspendida y las estaciones involucradas en el
conflicto debían esperan un tiempo aleatorio antes de repetir nuevamente
el algoritmo. A pesar del buen comportamiento general de este sistema, presenta una deficiencia debida al problema conocido como Terminal Oculto. Este problema se presenta cuando un dispositivo inalámbrico transmite con la potencia justa para que sea escuchado por un nodo receptor, pero no con la suficiente como para que otra estación, que se encuentra a la espera, sepa que hay otra unidad que está transmitiendo. Para resolver este conflicto, se ha añadido al protocolo de acceso CSMA/CA un mecanismo de intercambio de mensajes con reconocimiento positivo. A grandes rasgos, este proceso hace que cuando una estación está lista para transmitir, primero envía una solicitud al punto de acceso (RTS - Request to Send)) quien, si no encuentra problemas, responde con una autorización (CTS – Clear to Send) que permite al solicitante enviar su datos. Cuando el punto de acceso ha recibido correctamente la información, envía una trama de reconocimiento (ACK – acknowledgment packet) notificando al transmisor el éxito de la transmisión. Independientemente de los protocolos de acceso al medio y para dar soporte a las medidas de seguridad tan necesarias en este tipo de redes, los sistemas inalámbricos, como complemento adicional y característica optativa para evitar las escuchas indiscretas, disponen de una herramienta de codificación de la información. La seguridad de los datos se realiza mediante una compleja técnica de codificación conocida como WEP (Wired Equivalent Privacy Algorithm). El sistema WEP se basa en proteger los datos transmitidos en el medio RF, usando una clave generada por un número pseudo aleatorio y el algoritmo de encriptación RC4. Cuando se habilita este sistema, sólo se protege la información del paquete de datos y no protege el encabezamiento de la capa física para que las demás estaciones puedan escuchar el control de datos necesario para la adecuada gestión de la red. IEEE 802.11, la consolidación bajo estándares Pero a pesar del atractivo y funcionalidad de las WLAN, la falta de estándares que diesen confianza a los potenciales usuarios de esta tecnología, fue otra de las razones de la lenta acogida que tuvieron en el pasado. En la actualidad se han definido normas internacionales que regulan la operación y funcionamiento de los elementos y protocolos de WLAN. Entre las normas más importantes para este tipo de redes tenemos la realizada por el subcomité 802.11 del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos de los Estados Unidos (IEEE). Este fue creado en septiembre de 1990 con el fin de producir una especificación de red local inalámbrica capaz de transmitir información a velocidades entre 1 y 10 Mbps, y que, además, pudiese adecuarse a gran cantidad de ambientes, desde extensiones de redes locales basadas en cable hasta conexiones entre pares y automatización industrial, así como proporcionar el soporte necesario para la transferencia de archivos, conversaciones de voz y control de procesos en tiempo real. El estándar IEEE 802.11, cuya revisión final fue aprobada el en junio de 1997, define el funcionamiento e interoperatividad de las redes inalámbricas. La especificación del IEEE ha elegido la banda ICM (uso Industrial, Científico y Médico) para la definición del estándar de Wireless LAN, lo que garantiza su validez global por ser una banda disponible a nivel mundial. La banda ICM es para uso comercial sin licencia, limitando la potencia de transmisión para las redes locales inalámbricas a 100 mW. La norma no especifica tecnologías ni aplicaciones, sino simplemente las especificaciones para la capa física para la transmisión inalámbrica y la capa de control de acceso al medio MAC, representando el primer estándar para los productos WLAN de una conocida organización independiente. Este hecho representó un hito importante en la consolidación de los sistemas WLAN y la posterior expansión de estas soluciones en amplios sectores de negocio. Utiliza un modelo de referencia multicapas, en el que las capas más bajas corresponden a las especificaciones de capa física y aspectos dependientes del medio particular utilizado. La siguiente capa corresponde al protocolo de acceso al medio y es común a todas las redes independientemente del medio físico utilizado, presentando así una visión unificada a las capas superiores. La capa de acceso al medio se divide en dos subcapas. En el nivel más bajo se define la llamada Función de Coordinación Distribuida (DCF), que proporciona una comunicación asíncrona entre estaciones que utilizan el protocolo CSMA/CA. Los servicios de transferencia de datos sin restricciones de tiempo, utilizan directamente este protocolo para intercambiar información. Para aquellas aplicaciones con restricciones de tiempo, como conversaciones de voz o control de procesos, se propone el uso opcional de la Función de Coordinación en el Punto (PCF), que se utiliza para otorgar prioridades en el acceso al canal. También, se define el concepto de supertrama, un período de tiempo en el que durante cierto intervalo la estación puede transmitir información crítica con restricciones de tiempo en base a las reglas de PCF, y tras el cual queda un intervalo donde participa DCF para acceder al canal por contención. El modelo de referencia propuesto por el subcomité 802.11 de la IEEE es mucho más ambicioso y profundo de lo aquí mostrado. Los criterios de diseño para la base del protocolo de acceso abarcan una larga lista de requerimientos técnicos que enmarcan las necesidades de una gran diversidad de usuarios y aplicaciones. De la aceptación que este modelo tenga entre los fabricantes de equipos para redes inalámbricas, y de la eficiencia con que este modelo permita comunicar aplicaciones, dependerá en buena medida la velocidad con que este tipo de redes siga penetrando en el mundo de la interconexión de dispositivos informáticos.
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