Arquitectura y Componentes Esenciales de Redes Wi-Fi 802.11: De BSS a Multi-Link (MLO)

Resumen Ejecutivo: Bloques Arquitectónicos de una Red Wi-Fi

Este documento describe los componentes fundamentales, la estructura de interconexión y el flujo de datos dentro de una red inalámbrica basada en el estándar IEEE 802.11, incluyendo las innovaciones introducidas por Wi-Fi 7 (MLO).

Una Frase Clave para Recordar

Una STA entra y se asocia a un BSS (identificado por el BSSID, casi siempre la MAC del AP). Varios BSS con el mismo SSID forman un ESS a través del DS para permitir el roaming. El portal conecta el DS con la LAN cableada. La MAC mueve MSDUs entre STAs/AP/portal. En Wi-Fi 7, MLO permite usar varios enlaces a la vez.

1) Componentes Fundamentales (Quién es Quién)

• STA (Station): Cualquier equipo Wi-Fi (móvil, portátil, etc.). Incluso un AP tiene funcionalidad STA. Es una entidad lógica que es una instancia direccionable individualmente de un control de acceso al medio (MAC) y una capa física (PHY) que interactúa con el medio inalámbrico (WM).
• BSS (Basic Service Set): La célula Wi-Fi o bloque fundamental. Es un grupo de STAs sincronizadas. La pertenencia a un BSS no implica que la comunicación inalámbrica con todos los miembros sea posible directamente. La colección de todas las transmisiones direccionales posibles por parte de una STA miembro define el área de cobertura.
• BSSID: Identificador del BSS. Normalmente es la MAC del AP (en modo infraestructura) o la MAC de una de las STAs (en modo ad-hoc).
• AP (Access Point): Coordina un BSS de infraestructura (gestiona beacons, asociación, ahorro de energía y reenvío). Es cualquier entidad con funcionalidad STA y función de acceso al sistema de distribución (DSAF).

Tipos de BSS

• Infraestructura (con AP): Requiere soporte de red. Todas las comunicaciones pasan por el AP. Las STAs solo mantienen relación con el AP. El medio se usa dos veces (STA → AP, AP → STA).
• IBSS / Ad-hoc: Sin AP. Las estaciones se conectan directamente entre sí (STA ↔ STA directo). Es una conexión de red temporal creada para un propósito específico.
• PBSS (Wi-Fi Direct): Punto a punto “personal” (ej. hotspot).
• Mesh (Malla): Varios AP conectados entre sí para ampliar cobertura.

Mnemotecnia: Una STA se mete en un BSS, gobernado por el AP (si lo hay).

2) Conexión de Células y Salida a la LAN

• DS (Distribution System): La “red de fondo” que une varios BSS. Habilita el soporte a dispositivos móviles proporcionando los servicios lógicos necesarios para manejar el mapeo de direcciones y la integración transparente de múltiples BSSs, permitiendo la movilidad/roaming. Los APs están conectados entre sí mediante el DS (cableado o inalámbrico).
• ESS (Extended Service Set): Varios BSS con el mismo SSID unidos por el DS. Para el usuario parece una sola red, permitiendo que las STAs móviles se muevan de un BSS a otro de manera transparente. El ESS no incluye el DS.
• SSID: Es el nombre de la red Wi-Fi.
• Integration Service (Portal): Es el puente Wi-Fi ↔ LAN cableada. Conecta la arquitectura IEEE 802.11 con una LAN no IEEE-802.11. El portal traduce direcciones/formatos y es el punto por donde los datos salen del DS hacia la red cableada.

Mnemotecnia: El DS une BSS; el ESS es “varios BSS, un SSID”; el portal te saca a Ethernet.

3) Proceso de Pertenencia y Asociación de una STA

La pertenencia de una STA a un BSS es dinámica (las STAs se encienden, apagan, entran en rango y salen de rango). Para unirse a un BSS de infraestructura, una STA sigue el procedimiento de sincronización y asociación:

1. Escaneo: La STA escanea el aire buscando beacons (mensajes que manda el AP).
2. Sincronización: Se sincroniza con el AP y adopta sus parámetros (canal, SSID, seguridad, cifrado).
3. Asociación: La STA queda registrada en el DS para tener acceso completo a la red.

4) Flujo de Datos en la Capa MAC

• MSDU (MAC Service Data Unit): Es la unidad de datos que maneja la capa MAC en Wi-Fi. Es el “paquete que la MAC debe transportar”.
• Distribución de MSDU en el DS: Los MSDUs son recibidos por el AP, que los pasa al DS. El DS se encarga de reenviarlos al destino correcto: otra STA del BSS, otro AP vía DS, o el portal hacia la LAN.
• Regla práctica (Pre-Wi-Fi 7): Una STA está asociada a un solo AP a la vez.

5) Formato de Trama 802.11 (Muy Abreviado)

Cada trama consiste en los siguientes componentes básicos:

• Cabecera MAC: Incluye control de trama, duración, direcciones, control de secuencia, control QoS y control HT opcional.
• Cuerpo de Trama: Longitud variable con datos, gestión o control.
• FCS (Frame Check Sequence): Verificación de redundancia cíclica (CRC) de 32 bits.

Tipos de Trama

• Gestión: Beacon, autenticación, (re)asociación, disociación, etc.
• Control: RTS/CTS/ACK, BlockAck, PS-Poll, CF-End.
• Datos: Con o sin QoS.

Subcampos Típicos de Control

• More Fragments = 1: Indica que hay siguientes fragmentos del mismo MSDU/MMPDU.
• Retry = 1: Indica que la trama es una retransmisión.
• Power Management: Indica el modo de gestión de energía de la STA.
• More Data = 1: Indica que hay más datos en buffer para esa STA.
• Protected Frame = 1: Indica que el cuerpo está cifrado/protegido.
• +HTC = 1: Indica que la trama incluye el campo HT Control.

6) Wi-Fi 7 (11be): Multi-Link Operation (MLO)

MLO es una innovación clave de Wi-Fi 7 que rompe la regla de un solo AP por STA.

• MLD (Multi-Link Device): Una STA puede usar varios enlaces/AP/canales a la vez.
• MLD Upper MAC: Maneja funciones comunes (autenticación, asociación, seguridad, reordenamiento de paquetes).
• MLD Lower MACs: Gestionan cada enlace físico (beacons, control, acceso al medio).
• Beneficios: Más ancho de banda, redundancia, menor latencia.

Mnemotecnia: Antes 1 AP por STA; con MLO, varios a la vez.

7) Servicios Adicionales y Gestión WLAN

El estándar 802.11 soporta extensiones que van más allá de la simple transmisión de datos:

• Arquitectura (No-MLO): Arquitectura MAC tradicional que incluye servicios como Agregación (A-MSDU, A-MPDU), Fragmentación / Reensamblado, Protección de integridad y cifrado (ej. TKIP, AES), y Bloqueo con ACK acumulados (Block Ack).
• WNM (Wireless Network Management): Conjunto de mecanismos para gestionar movilidad, consumo y calidad de servicio. Ejemplos clave: BSS transition, location services, proxy ARP, y multicast mejorado.