Redes Wi-Fi: Estructura, Componentes y Mecanismos de Acceso al Canal

Conceptos Fundamentales de Redes Wi-Fi

ESS (Extended Service Set)

Un ESS es un conjunto de varios BSS (Basic Service Set) conectados por un sistema de distribución (DS) para dar servicio en una zona geográfica mayor. La interconexión entre los puntos de acceso (AP) puede ser cableada o inalámbrica (WDS). El ESS tiene un identificador común, el SSID, de forma que el usuario no distingue si está conectado a un BSS o a un ESS.

SSID (Service Set Identifier)

El SSID es un identificador único de todos los paquetes de una red Wi-Fi para identificarlos como parte de esa red. Es equivalente a la dirección MAC del AP. Un BSS tiene un BSSID (Basic Service Set Identifier). Un BSSID con todos los valores a 1 (255.255.255.255) se usa para indicar un BSSID de difusión (broadcast) durante las peticiones de sondeo. En redes ad hoc, el BSSID es generado de forma aleatoria, ya que no tienen un AP.

BSS (Basic Service Set)

Un BSS es un grupo de estaciones que se intercomunican entre ellas. Todas las comunicaciones pasan a través del AP, el cual puede estar conectado a la infraestructura mediante un sistema inalámbrico o cableado. La distancia máxima entre estaciones es dos veces el rango de transmisión del AP. El AP genera el BSS mediante el envío de balizas (beacons). El acceso al canal está regulado por DCF (Distributed Coordination Function) o PCF (Point Coordination Function).

Ad Hoc o IBSS (Independent Basic Service Set)

Conocido como red ad hoc, está formado por un conjunto de estaciones móviles y carece de infraestructura centralizada (AP). La distancia máxima es igual al radio de transmisión de una estación, aunque la dimensión del IBSS no está limitada por el rango de una única estación. La generación de balizas (beacons) es distribuida y aleatoria, y todas las estaciones participan. El acceso al canal se realiza mediante DCF.

Estación

Una estación no ofrece servicios de distribución; normalmente son terminales de usuario. Su controlador (driver) es similar al de Ethernet. El hardware funciona con tramas 802.11 (Wi-Fi), pero estas son convertidas a tramas 802.3 (Ethernet) cuando llegan al controlador del sistema operativo (SO).

AP (Access Point)

Un AP ofrece servicios de distribución y normalmente está conectado a una red cableada. Una estación se conecta a un AP. Cuando dos estaciones se conectan a un AP, la información pasa por el AP para que ambas estaciones se comuniquen, a diferencia de una red ad hoc donde la comunicación es directa.

Mecanismos de Acceso al Medio: CSMA/CA y CSMA/CD

CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)

Detección de Colisiones

En CSMA/CA, no hay garantía de detectar las colisiones debido al problema de los nodos ocultos. La estación espera un reconocimiento (ACK). Si no lo recibe, entiende que pudo haber ocurrido una colisión.

Aplicación de Backoff

Cuando una estación intenta acceder al canal y no lo encuentra libre, espera un tiempo DIFS (Distributed Interframe Space) por esta condición, más un tiempo aleatorio de backoff. Este mecanismo ayuda a evitar colisiones.

Prioridades de Acceso al Medio

Las prioridades se fijan por los tiempos de espera entre tramas:

• SIFS (Short Interframe Space): El más corto, mayor prioridad. Utilizado para ACK, CTS, etc.
• PIFS (PCF Interframe Space): Duración intermedia, prioridad media. Utilizado por el PCF.
• DIFS (Distributed Interframe Space): El más largo, menor prioridad. Utilizado para tramas de datos normales.

Método Opcional: RTS/CTS

Este es el método básico de CSMA/CA (datos + ACK), pero puede usarse el método opcional para tramas grandes: RTS/CTS (Request To Send / Clear To Send) + Datos / ACK. Con este método, cada estación solicita la reserva del canal en exclusiva mediante un RTS, y el AP se la concede con un CTS si el medio está libre.

Resolución de Problemas con RTS/CTS

CSMA/CA con RTS/CTS resuelve dos problemas comunes en redes inalámbricas:

• Nodos Ocultos: Una estación cree que el canal está libre, pero en realidad está ocupado por otro nodo al que no "oye" (no está en su rango de transmisión). RTS/CTS asegura que todos los nodos relevantes "escuchen" la reserva del canal.
• Nodos Expuestos: Una estación cree que el canal está ocupado, pero en realidad está libre, ya que el nodo al que "oye" no le interferiría en su comunicación con el AP. RTS/CTS permite una comunicación más eficiente al aclarar la disponibilidad real del medio.

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)

Detección de Colisiones

En CSMA/CD, la estación escucha el canal mientras transmite. Si escucha algo distinto a lo que ella transmite, detecta una colisión.

Aplicación de Backoff

Tras la colisión, la estación aborta la transmisión y espera un tiempo aleatorio de backoff antes de intentar retransmitir.

Prioridades de Acceso al Medio

No existe un mecanismo de prioridades explícito como en CSMA/CA.

Ventajas

• La aplicación en Ethernet es sencilla.
• El tiempo medio para detectar una colisión es bajo.
• Si hay pocas colisiones, el rendimiento es bueno.

Desventajas

• No se puede garantizar un tiempo máximo finito para el acceso al medio.
• Al utilizarse normalmente en redes half-duplex, mientras una estación transmite no puede escuchar el medio simultáneamente.
• Es problemático en redes inalámbricas, ya que en estas redes escuchar el medio y detectar colisiones es imposible mientras se está enviando una señal (problema de la "estación que habla y no oye").