Ampliacin Redes 71

1
Tema 7Redes Inalámbricas y Movilidad
2
Sumario

• LANs inalámbricas IEEE 802.11 y 802.15
• Redes de telefonía celular GSM, GPRS, UMTS
• IP móvil

3
LANs Inalámbricas

• Comparación tecnologías, historia y Modelo de
  Referencia
• Nivel físico
• Nivel MAC
• Ejemplos de aplicación
• Puentes inalámbricos
• Bluetooth (IEEE 802.15)

4
Comparación tecnologías inalámbricas móviles
() Las velocidades bajas (1-2 Mb/s) corresponden
a la norma 802.11 antigua
5
Alcance de las ondas de radio en función de la
frecuencia
Enlace punto a multipunto (antena omnidireccional)
Enlace punto a punto (antena direccional)
Alcance (Km)
Alcance (Km)
6
Historia de las WLAN (Wireless LANs)
7
Modelo de Referencia de 802.11
Subcapa LLC
Subcapa MAC Acceso al medio (CSMA/CA) Acuses
de recibo Fragmentación Confidencialidad (WEP)
Capa de enlace
PLCP (Physical Layer Convergence Procedure)
Capa física
PMD (Physical Media Dependent)
Infrarrojos
OFDM
DSSS
FHSS
8
LANs Inalámbricas

• Comparación tecnologías, historia y Modelo de
  Referencia
• Nivel físico
• Nivel MAC
• Ejemplos de aplicación
• Puentes inalámbricos
• Bluetooth (IEEE 802.15)

9
Nivel físico en 802.11

• Infrarrojos solo válido en distancias muy cortas
  y en la misma habitación
• Radio
• FHSS (Frequency Hoping Spread Spectrum) Sistema
  de bajo rendimiento, poco utilizado actualmente.
• DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) Buen
  rendimiento y alcance. El más utilizado hoy en
  día.
• OFDM (Orthogonal Frequency Division
  Multiplexing) Usa banda de 5 GHz (menor alcance
  que 2,4 GHz). Solo permitida en EEUU y Japón.
• Los equipos que utilizan diferentes sistemas no
  pueden interoperar entre sí. No hay equipos
  multisistema (la etapa de radio es diferente en
  cada caso).

10
Medios del nivel físico en 802.11
Las velocidades en negrita son obligatorias,
las demás son opcionales
11
Velocidad en función del alcance para 802.11

• Valores medios para interior en ambientes de
  oficina.
• En exteriores los alcances pueden ser hasta cinco
  veces mayores.
• El alcance real depende del entorno.
• Los equipos se adaptan automáticamente a la
  máxima velocidad posible en cada caso

12
Espectro electromagnético

• La mayor parte del espectro radioeléctrico está
  regulada por la ITU-R y se requiere licencia para
  emitir
• La ITU-R divide el mundo en tres regiones, Europa
  es la región 1. Cada una tiene una regulación
  diferente de las frecuencias (http//www.itu.int/b
  rfreqalloc/). Algunos países tienen normativas
  propias más restrictivas (ver p. ej.
  http//www.setsi.mcyt.es).
• Como no sería práctico pedir licencia para cada
  WLAN el IEEE decidió asignar para esto algunas de
  las bandas ISM (designadas para aplicaciones de
  tipo industrial-cientifico-médico,
  Industrial-Scientific-Medical).
• Las frecuencias exactas de la banda ISM difieren
  para cada región, e incluso para algunos países.

13
Bandas designadas por la ITU para aplicaciones ISM
Solo autorizada en región 2 (EEUU y Canadá)
14
Espectro Disperso

• Para reducir la interferencia en la banda de 2,4
  GHz las emisiones de más de 1 mW se han de hacer
  en espectro disperso
• Hay dos formas de hacer una emisión de espectro
  disperso
• Frecuency Hopping (salto de frecuencia). El
  emisor va cambiando continuamente de canal. El
  receptor ha de seguirlo.
• Direct Sequence (secuencia directa). El emisor
  emplea un canal muy ancho. La potencia de emisión
  es similar al caso anterior, pero al repartirse
  en una banda mucho mas ancha la señal es de baja
  intensidad (poca potencia por Hz).

15
Frequency Hopping vs Direct Sequence
2,4835 GHz
2,4835 GHz
C. 78
C. 73
Canal 13
C. 58
Frecuencia
Frecuencia
C. 45
Canal 7
20 ms
Interferencia
Interferencia
C. 20
Canal 1
22 MHz
1 MHz
C. 9
2,4 GHz
2,4 GHz
Tiempo
Tiempo
Frequency Hopping
Direct Sequence

• El emisor cambia de canal continuamente (unas 50
  veces por segundo)
• Cuando el canal coincide con la interferencia la
  señal no se recibe la trama se retransmite en el
  siguiente salto

• El canal es muy ancho la señal contiene mucha
  información redundante
• Aunque haya interferencia el receptor puede
  extraer los datos de la señal

16
Frequency Hopping vs Direct Sequence
17
Frequency Hopping vs Direct Sequence
1 MHz
100
Potencia (mW/Hz)
Potencia (mW/Hz)
22 MHz
5
Frecuencia (MHz)
Frecuencia (MHz)
Frequency Hopping
Direct Sequence
Señal dispersa, baja intensidad Reducida relación
S/R Área bajo la curva 100 mW
Señal concentrada, gran intensidad Elevada
relación S/R Área bajo la curva 100 mW
18
Canales 802.11b DSSS a 2,4 GHz
Anchura de canal 22 MHz
EMEA Europa, Medio Oriente y África
19
Reparto de canales DSSS a 2,4GHz
Canal ? 1 2 3 4 5 6
7 8 9 10 11 12 13
14
5
10
4
9
2,4000 GHz
2,4835 GHz
3
13
8
7
2
12
1
6
11
14
1
7
13
Europa (canales 1 a 13)
1
11
6
EEUU y Canadá (canales 1 a 11)
22 MHz
20
Canales DSSS simultáneos

• Si se quiere utilizar más de un canal en una
  misma zona hay que elegir frecuencias que no se
  solapen. El máximo es de tres canales
• EEUU y Canadá canales 1, 6 y 11
• Europa canales 1, 7 y 13
• Japón solo se puede utilizar el canal 14
• Francia y España tenían hasta hace poco (2001)
  normativas más restrictivas en frecuencias, que
  no permitían más que un canal no solapado
• Con diferentes canales se pueden constituir LANs
  inalámbricas independientes en una misma zona

21
Banda de 5 GHz (802.11a)

• Para 802.11a el IEEE ha elegido la banda de 5
  GHz, que permite canales de mayor ancho de banda
• Un equipo 802.11a no puede interoperar con uno
  802.11b. La parte de radio es completamente
  diferente
• En EEUU la FCC ha asignado esta banda para
  802.11a
• En Europa esta banda se asignó hace tiempo a
  HIPERLAN/2, WLAN de alta velocidad estandarizada
  por ETSI (European Telecommunications Standards
  Institute) poco utilizada en la práctica.
• La aprobación de 802.11a en Europa está pendiente
  de realizar modificaciones que le permitan
  coexistir con HIPERLAN/2

22
Canales 802.11a a 5 GHz
I Uso interiores E Uso exteriores
Anchura de canal 20 MHz
23
Interferencias

• Externas
• Bluetooth interfiere con FHSS (usan la misma
  banda). Interfiere menos con DSSS.
• Los hornos de microondas (funcionan a 2,4 GHz)
  interfieren con FHSS. También hay reportadas
  interferencias entre hornos de microondas y
  802.11 FHSS(misma banda). A DSSS no le afectan.
• Otros dispositivos que funciona en 2,4 GHz
  (teléfonos inalámbricos, mandos a distancia de
  puertas de garage, etc.) tienen una potencia
  demasiado baja para interferir con las WLANs
• En los sistemas por infrarrojos la luz solar
  puede afectar la transmisión
• Internas (de la propia señal)
• Debidas a multitrayectoria (rebotes)

24
Interferencia debida a la multitrayectoria

• Se produce interferencia debido a la diferencia
  de tiempo entre la señal que llega directamente y
  la que llega reflejada por diversos obstáculos.
• La señal puede llegar a anularse por completo si
  el retraso de la onda reflejada coincide con
  media longitud de onda. En estos casos un leve
  movimiento de la antena resuelve el problema.
• FHSS es más resistente a la interferencia
  multitrayectoria que DSSS. Pero hoy en día este
  problema se resuelve con antenas diversidad

25
Antenas diversidad

• El equipo (normalmente un punto de acceso)
  tiene dos antenas. El proceso es
  el siguiente
• El equipo recibe la señal por las dos antenas y
  compara, eligiendo la que le da mejor calidad de
  señal. El proceso se realiza de forma
  independiente para cada trama recibida,
  utilizando el preámbulo (128 bits en DSSS) para
  hacer la medida
• Para emitir a esa estación se usa la antena que
  dió mejor señal en recepción la última vez
• Si la emisión falla (no se recibe el ACK) cambia
  a la otra antena y reintenta
• Las dos antenas cubren la misma zona
• Al resolver el problema de la interferencia
  multitrayectoria de DSSS el uso de FHSS ha caído
  en desuso

26
LANs Inalámbricas

• Comparación tecnologías, historia y Modelo de
  referencia
• Nivel físico
• Nivel MAC
• Ejemplos de aplicación
• Puentes inalámbricos

27
Red ad hoc o BSS (Basic Service Set)
PC portátil
147.156.2.2/24
PC de sobremesa
147.156.2.1/24
Tarjeta PCI
PC portátil
147.156.2.3/24
Tarjeta PCMCIA
Las tramas se transmiten directamente de emisor a
receptor
PC portátil
147.156.2.4/24
28
Protocolo MAC de 802.11

• El protocolo MAC utiliza una variante de Ethernet
  llamada CSMA/CA (Carrier Sense Multiple
  Access/Colision Avoidance)
• No puede usarse CSMA/CD porque el emisor de radio
  una vez empieza a transmitir no puede detectar si
  hay otras emisiones en marcha (no puede
  distinguir otras emisiones de la suya propia)

29
Protocolo CSMA/CA

• Cuando una estación quiere enviar una trama
  escucha primero para ver si alguien está
  transmitiendo.
• Si el canal está libre la estación transmite
• Si está ocupado se espera a que el emisor termine
  y reciba su ACK, después se espera un tiempo
  aleatorio (siempre superior a un mínimo
  prefijado) y transmite. El tiempo en espera se
  mide por intervalos de duración constante
• Al terminar espera a que el receptor le envíe una
  confirmación (ACK). Si esta no se produce dentro
  de un tiempo prefijado considera que se ha
  producido una colisión, en cuyo caso repite el
  proceso desde el principio

30
Algoritmo de retroceso de CSMA/CA
DIFS (50ms)
SIFS (10ms)
Emisor (A)
Trama de Datos
Receptor (B)
ACK
DIFS
Segundo emisor (C)
Trama de Datos
Tiempo de retención (Carrier Sense)
Tiempo aleatorio
DIFS DCF (Distributed Coordination Function)
Inter Frame Space SIFS Short Inter Frame Space
31
Espaciado entre tramas en 802.11
32
Colisiones

• Pueden producirse porque dos estaciones a la
  espera elijan el mismo número de intervalos
  (mismo tiempo aleatorio) para transmitir después
  de la emisión en curso.
• En ese caso reintentan ampliando exponencialmente
  el rango de intervalos y vuelven a elegir. Es
  similar a Ethernet salvo que las estaciones no
  detectan la colisión, infieren que se ha
  producido cuando no reciben el ACK esperado
• También se produce una colisión cuando dos
  estaciones deciden transmitir a la vez, o casi a
  la vez. Pero este riesgo es mínimo. Para una
  distancia entre estaciones de 70m el tiempo que
  tarda en llegar la señal es de 0,23 ?s

33
Fragmentación

• En el nivel MAC de 802.11 se prevé la posibilidad
  de que el emisor fragmente una trama para
  enviarla en trozos más pequeños
• Por cada fragmento se devuelve un ACK por lo que
  en caso necesario es retransmitido por separado.
• Si el emisor ve que las tramas no están llegando
  bien puede decidir fragmentar las tramas grandes
  para que tengan mas probabilidad de llegar al
  receptor
• La fragmentación permite enviar datos en entornos
  con mucho ruido, aun a costa de aumentar el
  overhead
• Todas las estaciones están obligadas a soportar
  la fragmentación en recepción, pero no en
  transmisión

34
Envío de una trama fragmentada
La separación entre Frag n y ACK es de 10 ms
(SIFS). De esta forma las demás estaciones (C y
D) no pueden interrumpir el envío.
35
El problema de la estación oculta
A
C
B
3
70 m
70 m
1 A quiere transmitir una trama a B. Detecta el
medio libre y transmite
2 Mientras A está transmitiendo C quiere enviar
una trama a B. Detecta el medio libre (pues no
capta la emisión de A) y transmite
3. Se produce una colisión en la intersección por
lo que B no recibe ninguna de las dos tramas
36
Solución al problema de la estación oculta
1 RTS Quiero enviar a B una trama de 500 bytes
2 CTS de acuerdo A, envíame esa trama de 500
bytes que dices
A
C
B
RTS
CTS
CTS
1 Antes de transmitir la trama A envía un
mensaje RTS (Request To Send)
3. C no capta el RTS, pero sí el CTS. Sabe que no
debe transmitir durante el tiempo equivalente a
500 bytes
2 B responde al RTS con un CTS (Clear To Send)
4. A envía su trama seguro de no colisionar con
otras estaciones
37
RTS/CTS

• El uso de mensajes RTS/CTS se denomina a veces
  Virtual Carrier Sense
• Permite a una estación reservar el medio durante
  una trama para su uso exclusivo
• Si todas las estaciones se escuchan
  directamente entre sí el uso de RTS/CTS no aporta
  nada y supone un overhead importante, sobre todo
  en tramas pequeñas
• No todos los equipos soportan el uso de RTS/CTS.
  Lo que lo soportan permiten indicar en un
  parámetro de configuración a partir de que tamaño
  de trama se quiere utilizar RTS/CTS. También se
  puede deshabilitar por completo su uso, cosa
  bastante habitual

38
Detección virtual de portadora por medio de
RTS/CTS
Datos
RTS
Emisor A
CTS
ACK
Receptor B
No disponible
C
No disponible
D
Tiempo
C y B están en el área de cobertura de A, pero D
no. En cambio D está en el área de cobertura de B.
C A B D
39
Red con un punto de acceso
La comunicación entre dos estaciones siempre se
hace a través del punto de acceso, que actúa como
un puente
PC portátil
PC táctil
147.156.1.22/24
147.156.1.23/24
Punto de acceso (AP)
PDA
PC de sobremesa
147.156.1.24/24
147.156.1.21/24
147.156.1.1/24
PC de sobremesa
PC portátil
147.156.1.25/24
147.156.1.20/24
40
Puntos de acceso

• Con puntos de acceso (AP) cada trama requiere dos
  emisiones de radio (salvo que el destino esté en
  la LAN y no en la WLAN).
• Aunque haya estaciones ocultas la comunicación
  siempre es posible, pues se hace a través del AP
  que siempre está accesible para todos
• Los AP son dispositivos fijos de la red. Por
  tanto
• Sus antenas pueden situarse en lugares
  estratégicos, y pueden ser de alta ganancia.
• Se pueden dotar de antenas diversidad (para
  evitar los problemas de multitrayectoria)
• No tienen requerimientos de bajo consumo (no usan
  baterías)

41
Topología de un ESS (Extended Service Set)
Canal 1
Canal 6
Sistema de distribución (DS)
El DS es el medio de comunicación entre los
AP. Normalmente es Ethernet, pero puede ser
cualquier otra LAN
42
Formato de trama 802.11
Bytes 2 2 6
6 6 2
6 0-2312 4
Bits 2 2 4
1 1 1 1 1
1 1 1
Indica que siguen más fragmentos Indica que esta
trama es un reenvío Para dormir o despertar a
una estación Advierte que el emisor tiene más
tramas para enviar La trama está encriptada con
WEP (Wireless Equivalent Privacy) Dice cuanto
tiempo va a estar ocupado el canal por esta
trama Dirección de origen y destino. Dirección de
est. base origen y destino.
MF Reint. Pwr Mas W Duración Dirección n
43
Red con un AP cableado y un repetidor
Canal 1
Canal 1
44
Asociación de APs con estaciones

• Cuando una estación se enciende busca un AP en su
  celda. Si recibe respuesta de varios atiende al
  que le envía una señal más potente.
• La estación se registra con el AP elegido. Como
  consecuencia de esto el AP le incluye en su tabla
  MAC
• El AP se comporta para las estaciones de su celda
  como un hub inalámbrico. En la conexión entre su
  celda y el sistema de distribución el AP actúa
  como un puente

45
Itinerancia (Handover)

• Los AP envían regularmente (10 veces por segundo)
  mensajes de guía (beacon) para anunciar su
  presencia a las estaciones que se encuentran en
  su zona
• Si una estación se mueve y cambia de celda
  detectará otro AP más potente y cambiará su
  registro. Esto permite la itinerancia
  (handover) sin que las conexiones se corten.
• Los estándares 802.11 no detallan como debe
  realizarse la itinerancia, por lo que la
  interoperablidad en este aspecto no siempre es
  posible
• Para corregirlo varios fabricantes han
  desarrollado el IAPP (Inter-Access Point Protocol)

46
Tres Access Point superpuestos
Las estaciones se sintonizan a cualquiera de los
tres canales
Cada canal dispone de 11 Mb/s de capacidad
En este caso es imprescindible utilizar canales
no solapados
Canal 13
Canal 7
Los APs se pueden conectar a puertos de un
conmutador y asignar a diferentes VLANs
Canal 1
47
Ahorro de energía

• Importante en WLANs ya que muchos dispositivos
  funcionan con baterías
• Muchos equipos contemplan un modo de
  funcionamiento latente o standby de bajo
  consumo en el que no pueden recibir tramas
• Antes de echarse a dormir las estaciones deben
  avisar a su AP, para que retenga las tramas que
  se les envíen durante ese tiempo.
• Periódicamente las estaciones dormidas han de
  despertarse y escuchar si el AP tiene algo para
  ellos
• El AP descarta las tramas retenidas cuando ha
  pasado un tiempo sin que sean solicitadas

48
Rendimiento

• El rendimiento real suele ser el 50-60 de la
  velocidad nominal. Por ejemplo con 11 Mb/s se
  pueden obtener 6 Mb/s en el mejor de los casos.
• El overhead se debe a
• Mensajes de ACK (uno por trama)
• Mensajes RTS/CTS (si se usan)
• Fragmentación (si se produce)
• Protocolo MAC (colisiones, esperas aleatorias,
  intervalos entre tramas)
• Transmisión del Preámbulo (sincronización,
  selección de antena, etc.) e información de
  control, que indica entre otras cosas la
  velocidad que se va a utilizar en el envío, por
  lo que se transmite a la velocidad mínima (1 Mb/s
  en FHSS y DSSS, 6 Mb/s en OFDM). Solo por esto el
  rendimiento de DSSS a 11 Mb/s nunca puede ser
  mayor del 85 (9,35 Mb/s)

49
Seguridad

• Los clientes y el punto de acceso se asocian
  mediante un SSID (System Set Identifier) común.
• El SSID sirve para la identificación de los
  clientes ante el punto de acceso, y permite crear
  grupos lógicos independientes en la misma zona
  (parecido a las VLANs)
• Esto no es en sí mismo una medida de seguridad,
  sino un mecanismo para organizar y gestionar una
  WLAN en zonas donde tengan que coexistir varias
  en el mismo canal

50
Seguridad

• Se dispone de mecanismos de autentificación y de
  encriptación.
• La encriptación permite mantener la
  confidencialidad aun en caso de que la emisión
  sea capturada por un extraño. El mecanismo es
  opcional y se denomina WEP (Wireless Equivalent
  Privacy). Se basa en encriptación de 40 o de 128
  bits. También se usa en Bluetooth
• Recientemente se han detectado fallos en WEP que
  lo hacen vulnerable (ver http//www.cs.umd.edu/wa
  a/wireless.html). En casos donde la seguridad sea
  importante se recomienda usar túneles IPSec.
• Ver también http//www.cisco.com/warp/public/779/
  smbiz/wireless/wlan_security.shtml/

51
Salud

• La radiación electromagnética de 2,4 GHz es
  absorbida por el agua y la calienta (hornos de
  microondas). Por tanto un emisor WLAN podría
  calentar el tejido humano
• Sin embargo la potencia radiada es tan baja (100
  mW máximo) que el efecto es despreciable. Es
  mayor la influencia de un horno de microondas en
  funcionamiento.
• Un terminal GSM transmite con hasta 600 mW y se
  tiene mucho más cerca del cuerpo normalmente
  (aunque GSM no emite en la banda de 2,4 GHz).
• Los equipos WLAN solo emiten cuando transmiten
  datos. Un teléfono GSM emite mientras está
  encendido.
• Ver también http//www.cisco.com/warp/public/cc/p
  d/witc/ao340ap/prodlit/rfhr_wi.htm

52
LANs Inalámbricas

• Comparación tecnologías inalámbricas móviles,
  historia y Modelo de Referencia
• Nivel físico
• Nivel MAC
• Ejemplos de aplicación
• Puentes inalámbricos
• Bluetooth (IEEE 802.15)

53
LAN inalámbrica en un almacén (caso 1)

• Tomas RJ45 (100BASE-TX) disponibles por todo el
  almacén para conexión de los AP
• Antenas omnidireccionales de mástil de alta
  ganancia (5,2 dBi)

Canal 1
Canal 13
Canal 7
260 m
Canal 1
Canal 7
Canal 13
600 m
54
LAN inalámbrica en un almacén (caso 2)

• Tomas RJ45 (100BASE-TX) disponibles sólo en un
  lado del almacén
• Antenas Yagi (13,5 dBi) y Dipolo diversidad(2,14
  dBi)

Canal 1
Canal 13
Canal 7
260 m
Canal 13
Canal 7
Canal 1
600 m
55
LAN inalámbrica en un campus

• Antenas dipolo diversidad (2,14dBi) en las aulas
  y de parche (8,5 dBi) montadas en pared para el
  patio

Aula 1
Aula 2
Aula 3
Aula 4
Canal 6
Canal 1
Canal 11
Pasillo
260 m
Aula 6
Aula 7
Aula 8
Aula 5
Canal 1
Canal 11
Canal 6
Edificio
Patio
600 m
56
Ejemplos de antenas
Antena de parche para montaje en pared interior o
exterior (8,5 dBi) Alcance 3 Km a 2 Mb/s, 1 Km a
11 Mb/s
Antena dipolo diversidad para contrarrestar
efectos multitrayectoria (2,14 dBi)
Radiación horizontal
57
Relación antena-potencia

• Las normativas fijan una potencia máxima de
  emisión y una densidad de potencia. Por tanto con
  una antena de mucha ganancia es preciso reducir
  la potencia.
• Los límites varían según el dominio
  regulatorio. Por ejemplo en el caso de EMEA
  (Europa, Medio Oriente y África) los límites son
  los de la tabla adjunta.

58
LANs Inalámbricas

• Comparación tecnologías, historia y Modelo de
  Referencia
• Nivel físico
• Nivel MAC
• Ejemplos de aplicación
• Puentes inalámbricos
• Bluetooth (IEEE 802.15)

59
Puentes inalámbricos entre LANs

• Los sistemas de transmisión vía radio de las LANs
  inalámbricas pueden aprovecharse para unir LANs
  entre sí
• Esto permite en ocasiones un ahorro considerable
  de costos en alquiler de circuitos telefónicos
• Los dispositivos que se utilizan son puentes
  inalámbricos, parecidos a los puntos de acceso
• Como los puntos a unir no son móviles se pueden
  usar antenas muy direccionales, con lo que el
  alcance puede ser considerable

60
Configuración punto a punto
Hasta 10 Km Visión directa
Cable coaxial de 50 ? de baja atenuación lo más
corto posible (30 m max.)
Ethernet
Ethernet
Ganancia máxima 20 dBi (antena
parabólica) Potencia máxima 100 mW
Restricciones ETSI
Alcance máximo 10 Km (visión directa) Calculadora
de alcances en función de potencias, ganancias,
etc. http//www.cisco.com/warp/public/cc/pd/witc
/ao340ap/prodlit/index.shtml
61
Antenas de largo alcance
Antena Yagi exterior (13,5 dBi) Alcance 6 Km a 2
Mb/s, 2 Km a 11 Mb/s
Antena Parabólica exterior (20 dBi) Alcance 10
Km a 2 Mb/s, 5 Km a 11 Mb/s
62
Qué se entiende por visión directa?

• No basta con ver la otra antena, es preciso tener
  una visión amplia
• En realidad se requiere una elipse libre de
  obstáculos entre antenas
• La vegetación puede crecer y obstaculizar la
  visión en alguna época del año

d 2?/2
d ?/2
d
Primera zona Fresnel
Segunda zona Fresnel
Anchura zona Fresnel para 2,4 GHz
63
Técnicas para aumentar el alcance
Canal 10
Canal 11
Hasta 10 Km
Hasta 10 Km
Hasta 11 Mb/s para cada enlace
Canal 10
Canal 10
Edificio A
Edificio B
Edificio C
Hasta 10 Km
Hasta 10 Km
Hasta 11 Mb/s, compartidos entre ambos
enlaces Posible problema de estación oculta
(entre A y C). Necesidad de utilizar mensajes
RTS/CTS
64
Técnicas para aumentar la capacidad
Canal 1
Canal 7
Canal 13
Hasta 33 Mb/s
Imprescindible utilizar canales no solapados
65
Configuración multipunto
Antena omnidireccional o de parche (o varias
parabólicas)
Antena direccional (parche, yagi o parabólica)

• Capacidad compartida por todos los enlaces
• Posible problema de estación oculta. Conveniente
  utilizar RTS/CTS

66
Precios productos 802.11b (orientativos)
67
LANs Inalámbricas

• Comparación tecnologías, historia y Modelo de
  Referencia
• Nivel físico
• Nivel MAC
• Ejemplos de aplicación
• Puentes inalámbricos
• Bluetooth (IEEE 802.15)

68
Bluetooth (IEEE 802.15)

• Objetivo reemplazar cables de conexión entre
  periféricos
• Esta tecnología se creó en el seno de un Grupo de
  Trabajo creado por Nokia y Ericsson. Mas tarde lo
  adoptó el IEEE como el comité 802.15
• Bluetooth fue un rey danés que en el siglo X
  unificó Dinamarca y Noruega
• Estándar aprobado por el IEEE en junio de 2002.

69
Nivel físico en Bluetooth

• Tecnología muy similar a 802.11 FHSS
• Misma banda (2,4 GHz)
• Misma tecnología de radio (Frequency Hoping)
• Pero
• Potencias de emisión inferiores (diseñado para
  equipos portátiles, como PDAs, con baterías de
  baja capacidad)
• Alcance mucho menor (10 m)
• Velocidad más reducida (721 Kb/s)
• Cambio de frecuencias mucho más frecuente que en
  802.11 (1600 en vez de 50 veces por segundo)
• Existe probabilidad de interferencia entre
• Dos redes Bluetooth próximas
• Una red Bluetooth y una 802.11 a 2,4 GHz (sobre
  todo FHSS)
• Una red Bluetooth y un horno de microondas

70
Arquitectura y protocolo MAC de Bluetooth

• Arquitectura
• No hay puntos de acceso, solo estaciones (PCs
  portátiles, PDAs, impresoras, etc.)
• Uno de los dispositivos de la red actúa como
  maestro y el resto (máximo 7) como esclavos.
• El maestro fija el patrón de salto de frecuencias
  y da las señales de reloj para que el resto de
  dispositivos se sincronicen con él.
• Protocolo MAC
• El maestro se encarga de dar turno de palabra a
  los esclavos

71
Topología de una red Bluetooth
Dos picoredes se pueden unir para formar una
scatternet
72
Arquitectura de Bluetooth
Capa de aplicación
Capa intermedia (middleware)
Capa de enlace
Capa física
73
Formato de una trama Bluetooth
Bits 72 54

0-2744
Bits 3 4 1 1
1 8
Esta cabecera (18 bits) se envía tres veces por
seguridad
Access Code identifica al maestro (puede haber
más de uno accesible para el esclavo)
Addr Dirección (máximo 8 estaciones) Type Tipo
de trama, corrección de errores y longitud F
Control de flujo A Acknowledgment S Num.
Secuencia (protocolo de parada y espera)
74
Sumario

• LANs inalámbricas IEEE 802.11 y 802.15
• Redes de telefonía celular GSM, GPRS, UMTS
• IP móvil

75
Historia

• Años 70 los laboratorios Bell prueban la
  telefonía celular analógica (telefonía de 1ª
  generación, 1G). No estandarizada.
• Años 80 se comercializa la 1G, sobre todo en
  Norte de Europa. Aparecen incompatibilidades
  entre países. En España, aparece MoviLine.
• 1982 El CEPT (Conference of Europe Posts and
  Telecom) crea el Groupe Special Mobile (GSM) para
  estandarizar telefonía 2G
• 1989 La estandarización de GSM se traslada de
  CEPT a ETSI
• 1991 Se comercializa GSM en Europa (inicialmente
  900 MHz)
• 1993 Existen 36 redes GSM en 22 países
  diferentes
• 2000 Aparece GPRS (General Packet Radio Service,
  2,5G). Solución provisional para datos mientras
  llega UMTS (3G)

76
Objetivos de GSM

• Uso mas eficiente del espectro que la telefonía
  analógica, utilizando técnicas de multiplexación
  en tiempo y frecuencia.
• Incluir roaming internacional
• Terminales y sistema de bajo coste
• Buena calidad de voz (comparable a la telefonía
  fija)
• Ampliación de servicios
• Baja potencia de transmisión reutilización de
  canales, al no saturar canales de células vecinas
• Privacidad en las comunicaciones

77
Tipos de servicio

• Teleservicios voz, SMS (Short Message Service)
  de 160 bytes, fax, etc...
• Servicios portadores (datos)
• Servicios complementarios (llamadas en espera,
  multiconferencias, identificación de llamadas,
  etc...)

78
Radiofrecuencia (1/2)

• GSM utiliza dos bandas de frecuencia cada una de
  25 Mhz de anchura
• 890-915 Mhz, desde la estación móvil a la
  estación base (ascendente)
• 935-960 Mhz, desde la estación base a la estación
  móvil (descendente)
• Cada banda se divide en 125 canales de 200 KHz de
  anchura cada uno.
• El primer canal está reservado, por lo que hay
  disponibles 124.
• También se han definido servicios en bandas de
  1800 MHz (denominado DCS 1800) y de 1900 MHz
  (denominado PCS 1900, usado en América).

79
Asignación de frecuencias en telefonía celular
digital en el mundo
80
Asignación de frecuencias en telefonía celular
digital en Europa
DECT
GSM asc.
GSM desc.
DCS 1800 asc.
DCS 1800 desc.
UMTS (FDD-TDD-MSS)
UMTS (FDD-MSS)
890
935
1710
1785
1880
2025
2110
2200
915
960
1805
1900
MHz
81
Radiofrecuencia (2/2)

• Cada canal se divide por TDMA (Time Division
  Multiple Access, Acceso Multiple por Division de
  Tiempo) en ocho ranuras o slots que dan
  servicio a otros tantos usuarios
• La ranura asignada a una comunicación se cambia
  (en tiempo y frecuencia) a razón de 217
  cambios/seg esto se denomina frequency hopping y
  se hace para evitar interferencias.
• Cada ranura transporta 22,8 Kb/s de información
  digital en bruto por ella se puede enviar voz
  (13,2 Kb/s) o datos (9,6 Kb/s).
• La combinación de una ranura de subida y una de
  bajada permite una comunicación full dúplex. El
  número máximo de comunicaciones simultáneas es
  teóricamente de 1248992. Sin embargo muchos
  canales no se pueden usar para evitar conflicto
  con las celdas vecinas.

82
Uso de frecuencias en GSM
Trama TDM
959,8 MHz
124
. . .
Desc. (Base a Móvil)
935,4 MHz
2
935,2 MHz
1
914,8 MHz
124
. . .
Asc. (Móvil a Base)
890,4 MHz
2
890,2 MHz
1
Tiempo
Canal
Frecuencia
83
Codificación de voz en GSM

• Una conversación telefónica normal ocupa en
  formato digital 64 Kb/s ( 8.000 muestras de un
  byte por segundo)
• En GSM la voz se comprime según un algoritmo
  llamado RPE-LPC (Regular Pulse Excited Linear
  Predictive Coder) que da una calidad casi
  equivalente usando sólo 13,2 Kb/s
• Además en GSM solo se transmite cuando la persona
  habla (transmisión discontinua o supresión de
  silencios). Esto supone un ahorro del 60 en el
  canal y reduce el gasto de batería del emisor.
• Para evitar que el receptor crea que la conexión
  se ha cortado la transmisión discontinua se
  acompaña de ruido de confort.

84
Terminales GSM

• Los terminales puedes ser de tres tipos según su
  potencia
• Fijos (en vehículos) 20 W (vatios)
• Portables (de maletín) 5 y 8 W
• De mano 2 y 0,8 W
• El alcance máximo (independientemente de la
  potencia) es de 35 Km. Esto se debe al retardo
  máximo en la propagación de la señal que requiere
  el uso de TDMA.
• Los terminales siempre operan a la mínima
  potencia posible para que haya comunicación con
  la estación base. De esta forma se minimiza la
  interferencia en las celdas vecinas.
• El BER se ha de mantener entre 10-6 y 10-8 . Si
  el BER es mayor se aumenta la potencia (hasta
  llegar al máximo). Si el BER es menor se
  disminuye, hasta llegar al mínimo, que es de 20
  mW.

85
Celdas GSM

• El área atendida por una estación base (BTS) se
  denomina celda.
• Todos los usuarios de una misma celda comparten
  los canales disponibles. Cuanto mas usuarios hay
  dentro de una celda mas riesgo hay de que se
  produzca saturación.
• En zonas con elevada densidad de usuarios (ej.
  ciudades) se tiende a crear celdas pequeñas. En
  zonas rurales, con densidad pequeña, se prefiere
  crear celdas grandes.
• Las celdas vecinas se agrupan en clusters. Dentro
  de un cluster cada canales solo se utiliza una
  vez, para evitar interferencias.
• Cada cluster está formado por 4, 7, 12 o 21
  celdas, según la topología del terreno y las
  circunstancias concretas de la zona.

86
Arquitectura de una red GSM (1/2)
MSC
MSC
MSC
NSS Network Switching Subsystem
MSC Mobile Services switching Center
BSC
BSC
BSC
BSC Base Station Controller
BTS
BTS
BTS
BTS Base Transceiver Station
BSS Base Station Subsystem
Celda
MS Mobile Station
MS
MS
MS
SIM Subscriber Identity Module
87
Arquitectura de una red GSM (2/2)
HLR
VLR
BSC
RTC (Red telefónica conmutada)
BTS
MSC
BSC
BTS
MS
EIR
AuC
Estación Móvil
Interfaz Abis
Interfaz A
Interfaz Um
BSS (Subsistema de la estación base)
NSS (Subsistema de conmutación de red)
Home Location Register Visitor Location
Register Mobile Services switching
Center Equipment Identity Register Authentication
Center Network Switching Subsystem
HLR VLR MSC EIR AuC NSS
Subscriber Identity Module Mobile Station Base
Transceiver Station Base Station Controller Base
Station Subsystem
SIM MS BTS BSC BSS
88
Mobile Station (MS)

• Mobile Station (MS) con potencia de 0,8 hasta 20
  W (coches). Posee un número de serie o IMEI
  International Mobile Equipment Identity (de 15
  dígitos)
• Posee un módulo SIM (Subscriber Identity Module)
  protegido con PIN (Personal Identificacion
  Number)
• El módulo SIM contiene el International Mobile
  Subscriber Identity IMSI, que es utilizado para
  identificación del usuario.

89
Base Station Subsystem (BSS)

• Se compone de dos partes
• BTS Base Transceiver Station, que incluye
  transceptor y antenas (laminares o dipolos). Cada
  BTS define una celda.
• BSC Base Station Controller, se encarga de
  handovers, saltos de frecuencia (frequency
  hopping del CDMA). Actúa como concentrador de
  tráfico.

90
NSS Network Switching Subsystem (1/3)

• Esta formada por ocho componentes
• MSC (Mobile Services Switching Center) Es el
  componente central del NSS y se encarga de
  realizar las labores de conmutación dentro de la
  red, así como de proporcionar conexión con otras
  redes.
• GMSC (Gateway Mobile Services Switching Center)
  es un dispositivo traductor (puede ser software o
  hardware) que se encarga de interconectar dos
  redes haciendo que los protocolos de
  comunicaciones que existen an ambas redes se
  entiendan, por ejemplo con la telefonía fija.

91
NSS Network Switching Subsystem (2/3)

• AuC (Authentication Center) se encarga de la
  autentificación de los usuarios (utilizando el
  IMSI del módulo SIM).
• EIR (Equipment Identity Register) proporciona
  seguridad a nivel de equipos válidos. Contiene
  una base de datos con los IMEI de todas las MS
  autorizadas en la red. Si una MS cuyo IMEI no
  está en el EIR trata de hacer uso de la red se le
  rechaza.
• GIWU (GSM Interworking Unit) sirve como interfaz
  de comunicación entre diferentes redes para
  comunicación de datos.
• OSS (Operation Support Subsystem) controla y
  monitoriza la red GSM

92
NSS Network Switching Subsystem (3/3)

• Home Location Register (HLR) base de datos
  distribuida (única por red GSM) que contiene
  información sobre localización y características
  de los usuarios conectados a cada MSC.
• Visitor Location Register (VLR) contiene toda la
  información sobre un usuario de otra red
  necesaria para que dicho usuario acceda a los
  servicios de red (información extraída del HLR y
  MSC).

93
Roaming

• Se produce cuando tratamos de identificarnos y el
  terminal no es capaz de encontrar la red.
• Permite que un usuario haga uso de una red
  foránea (si el operador tiene acuerdo y el
  roaming está habilitado)
• La red foránea obtiene el HLR del usuario y lo
  incorpora en su VLR.
• El usuario visitante corre a cargo con el costo
  extra cuando recibe una llamada.

94
Handover

• Al menos una vez por segundo el terminal GSM
  evalúa las posibles alternativas a la estación
  base actual
• El terminal intenta cambiar a otra estación base
  cuando
• La señal actual no cumple un nivel de calidad
  mínimo, o
• Otra estación base ofrece una señal de mayor
  calidad
• El cambio de estación se denomina handover o
  handoff. Tipos de handover
• De canales en la misma celda,
• De celdas (BTS) dentro de la misma BSC
• De celdas de BSCs diferentes pero que dependen
  del mismo MSC
• De celdas que dependen de diferente MSC

95
GPRS (General Packet Radio Service)

• Es una nueva tecnología para la transmisión de
  datos en redes móviles GSM. Conexión de alta
  velocidad.
• Utiliza misma infraestructura radio que GSM.
• Supone una nueva red de conmutación superpuesta a
  la red convencional GSM.
• Uso de paquetes, no orientado a conexión --gt uso
  más eficiente del espectro
• Los usuarios están permanentemente conectados
• Conocido como GSM-IP pues utiliza la red GSM para
  acceder a Internet.

96
Conmutación de paquetes vs circuitos

• Conmutación de paquetes
• Sin establecimiento de conexión
• Canal compartido (1N / NM)
• Facturación basada en información transmitida
• Sólo permite aplicaciones en near real time
• Una sobrecarga en el sistema resulta en una
  disminución de la velocidad

• Conmutación de circuitos
• Necesidad de establecimiento de conexión
• Canal dedicado (11)
• Facturación basada en tiempo de conexión
• Posibilidad de aplicaciones en tiempo real
• Una sobrecarga en el sistema resulta en una señal
  de ocupado

97
Características de GPRS

• La facturación se realiza por cantidad de datos
  transmitidos, no por tiempo.
• El usuario puede estar siempre conectado (always
  on), ya que sólo se factura por tráfico
• Los canales son compartidos por varios usuarios
• Se puede recibir simultáneamente voz y datos
  (terminales clase A)
• Alcanza velocidades de hasta 171,2 Kb/s
• Incorpora un backbone para transmisión de datos
  en modo paquete, paralelo al de modo circuito
• Las aplicaciones GPRS pueden ser punto a punto y
  punto a multipunto (p.ej. información de tiempo,
  tráfico, noticias, ...)

98
Arquitectura GPRS (1/4)

• Los 2 elementos fundamentales de la arquitectura
  GPRS son SGSN y GGSN
• SGSN (Serving GPRS Support Node)
• Es el elemento que gestiona todas las funciones
  de movilidad, autenticación y registro en la red
  de las estaciones móviles.
• Está conectado al BSC y es el punto de acceso a
  la red GPRS cuando un terminal solicita este
  servicio.
• Cuando una estación quiere enviar/recibir datos
  hacia o desde redes externas, el SGSN intercambia
  los datos con el pertinente GGSN. Encapsula los
  paquetes.
• GGSN (Gateway GPRS Support Node)
• Se conecta a redes externas como Internet o X.25.
• Es un dispositivo de encaminamiento hacia una
  subred ya que hace que la infraestructura de la
  red GPRS sea transparente vista desde fuera.
• Cuando recibe datos dirigidos hacia un usuario
  específico, comprueba si la dirección está
  activa, y en caso afirmativo, envía los datos al
  SGSN.
• Encamina hacia la red correspondiente los datos
  que origina el móvil.

99
Arquitectura GPRS (2/4)
GPRS
GGSN
PCU
SGSN
100
Arquitectura GPRS (3/4)
El GGSN se comporta como un router, de forma que
camufla las características especiales de la
red GPRS desde el punto de vista de la red externa
Red IP 155.222.31.0/24
GGSN
Red GSM/GPRS
Red IP 131.44.15.0/24
Host móvil 155.222.31.55
Red Corporación 2
Host 191.200.44.21
Internet
Host 131.44.15.69
Red Corporación 1
Red IP 191.200.44.0/24
Routers
101
Arquitectura GPRS (4/4)
La red GPRS es una nueva red de Conmutación de
Paquetes que se superpone y convive con la actual
estructura de Conmutación de Circuitos propia de
GSM
GSM BSS
HLR
MSC/VLR
RTB/RDSI
BTS
GSM Conmutación de Circuítos
BSC
Otras redes
GMSC
Internet
GPRS Conmutación de Paquetes
Intranet
SGSN
GGSN
102
Tráfico de datos en GPRS

• GPRS utiliza las mismas ranuras TDM que GSM, con
  cuatro posibles esquemas de codificación
• Se pueden usar varias ranuras de un mismo canal
  en una misma comunicación. La velocidad máxima
  teórica es de 21,4 8 171,2 Kb/s
• El número de ranuras y la codificación empleadas
  son negociados entre la red y el usuario
• Se distingue entre la información real y la útil
  transmitida

103
Asignación de slots en GPRS

• Los slots se asignan dinámicamente según
  necesidades.
• Se asignan por separado para cada sentido,
  pudiendo establecer conexiones asimétricas.
• Ejemplos de asignación de slots en tramas TDMA

Enlace Ascendente
11
Enlace Descendente
Enlace Ascendente

22
Enlace Descendente
Enlace Ascendente

14
Enlace Descendente
104
Velocidad en GPRS
Cada canal de radio 8 ranuras

• 2 tipos de conexiones en GPRS
• Estáticas se usan única y exclusivamente para
  datos.
• Dinámicas se usan para voz o datos. La voz tiene
  prioridad.

105
Direccionamiento en GPRS

• El direccionamiento se realiza por medio de
  direcciones IP
• Según la naturaleza de estas direcciones
  tendremos
• Direcciones IP Privadas accesibles sólo dentro
  de un entorno determinado dentro de la red
• Direcciones IP Públicas accesibles desde
  cualquier punto de Internet
• Según la asignación de estas direcciones
  tendremos
• Direcciones IP Estáticas estas direcciones irán
  asociadas de forma estática vía el HLR
• Direcciones IP Dinámicas estas direcciones se
  obtienen de unos pools de direcciones gestionados
  bien por el Operador de la red bien por una
  Entidad Externa (como un servidor DHCP).

106
Clases de terminales móviles GPRS (1/2)
CLASE C El terminal sólo puede usarse para datos
o para voz (pero no ambos) en función de la
configuración elegida. Se esperan en forma de
tarjeta para introducir en PC portátil Útiles en
servicios de telemetría, telecontrol, etc ...
CLASE B Se pueden realizar y recibir llamadas en
voz o en datos de manera secuencial. Son los
terminales disponibles actualmente (año 2002)
107
Clases de terminales móviles GPRS (2/2)
CLASE A Soportan tráfico simultáneo. El usuario
puede hacer y recibir llamadas en los 2 tipos de
servicio sin interrupción de ninguno de ellos
Estos terminales aún no están disponibles Existen
dudas sobre la viabilidad de su comercialización
108
UMTS (Universal Mobile Telecom System)

• Nueva tecnología radio, red de 3ª generación (3G)
• Red con mayor capacidad, completamente basada en
  conmutación de paquetes
• Mayores velocidades de datos hasta 2 Mbps en
  condiciones estáticas (a menos de 10 km/h) y
  hasta 384 kbit/s con movilidad (en espacios
  abiertos)
• Nuevos terminales (más potentes, con posibilidad
  de ser sistemas abiertos y de ejecutar un sistema
  operativo).
• Nueva tarjeta SIM.
• Basado en la tecnología de WCDMA (Wideband Code
  Division Multiple Access) que emplea espectro
  disperso. Permite enmascarar señales con cadenas
  pseudoaleatorias para compartir mismo medio
• Utiliza IPv6 sobre backbone de ATM
• Pretende introducir VozIP (VoIP)

109
UMTS vs GPRS

• Problemas de UMTS
• Dudosa interoperabilidad de equipos de red (p.ej
  entre Europa, EEUU y Japón)
• Dudosa disponibilidad de terminales (problemas de
  consumo)
• Cobertura sólo en ciudades de más de 250.000
  habitantes
• Poca madurez y dudosa comercialización
• Ventajas de GPRS
• Desarrollo de Aplicaciones novedosas que serán
  utilizables en UMTS
• Estímulo de los usuarios (especialmente empresas)
  en el uso de aplicaciones de transmisión de datos
  en un entorno celular
• Aprendizaje del operador en este nuevo mercado y
  en la nueva tecnología de datos

110
Sumario

• LANs inalámbricas IEEE 802.11 y 802.15
• Redes de telefonía celular GSM, GPRS, UMTS
• IP móvil

111
Movilidad y Portabilidad

• Movilidad El host se traslada de una red origen
  a una red destino. Se requiere que la conexión se
  mantenga en todo momento mientras el host se
  mueve.
• Portabilidad Se requiere conexión en la red
  origen y en la red destino, pero la conexión
  puede perderse durante el cambio de una red a
  otra.
• En ambos casos se requiere una cierta
  transparencia del usuario respecto al cambio de
  ubicación

112
Qué es IP móvil?

• Mecanismo a nivel de red diseñado para permitir
  la movilidad de un host en Internet de forma que
  se mantenga en todo momento su dirección IP
  original, así como las conexiones o sesiones que
  tuviera establecidas
• El cambio de router se produce dinámicamente y de
  forma transparente a los niveles superiores. Las
  sesiones se mantienen incluso durante el cambio
  de router, siempre y cuando la comunicación se
  mantenga en todo momento, aunque la velocidad de
  movimiento puede influir en este factor
• IP móvil está diseñado para resolver el problema
  de la macro movilidad, o sea entre redes
  diferentes. La micro movilidad (entre células
  en una red inalámbrica) se resuelve mejor con
  mecanismos a nivel de enlace.

113
Movilidad en IP el problema
A 147.156.0.0/16 por A A 152.48.0.0/16 por D
A 147.156.0.0/16 por A A 152.48.0.0/16 por D
Red 147.156.0.0/16
X
A
C
B
Internet
Ping 147.156.135.22
D
Red 152.48.0.0/16
Ping 147.156.135.22
Host Y queda inaccesible al cambiar de LAN!
114
Solución DHCP DNS dinámico
A 147.156.0.0/16 por A A 152.48.0.0/16 por D
A 147.156.0.0/16 por A A 152.48.0.0/16 por D
Red 147.156.0.0/16
X
A
C
B
Internet
Ping 147.156.135.22
Y
D
147.156.135.22
Host queda inaccesible al cambiar de LAN
152.48.15.37
Red 152.48.0.0/16

• El host recibe una nueva dirección en la red
  visitada
• No requiere cambios de software en el host ni en
  los routers
• No se consigue transparencia, y las sesiones se
  interrumpen
• A pesar de eso es una solución aceptable (y
  recomendable) en la mayoría de los casos (si solo
  se requiere portabilidad)

115
Solución LAM (Local Area Mobility) Propietaria
Cisco
A 147.156.0.0/16 por A A 152.48.0.0/16 por D A
147.156.135.22/32 por D
A 147.156.0.0/16 por A A 152.48.0.0/16 por D
A 147.156.135.22/32 por B
Red 147.156.0.0/16
X
A
C
B
Internet
Ping 147.156.135.22
Y
D
A 147.156.135.22/32 por E0
147.156.135.22
Red 152.48.0.0/16

• Ofrece transparencia y portabilidad, pero no
  movilidad. No mantiene sesiones
• No requiere cambios de software en los hosts,
  solo en los routers
• Requiere propagar rutas host por toda la red
• Convergencia lenta
• Difícil realizar agregación de rutas
• Problemas de escalabilidad

116
Solución IP móvil
A 147.156.0.0/16 por A A 152.48.0.0/16 por D
A 147.156.0.0/16 por A A 152.48.0.0/16 por D
Red 147.156.0.0/16
X
A
C
B
Internet
Ping 147.156.135.22
D
Y
Red 152.48.0.0/16

• Se construye un túnel entre el router habitual
  (A) y el router visitado (D).
• Ofrece completa transparencia y movilidad
• Requiere cambios de software en el host y en los
  routers
• La ruta resultante no es en general óptima

117
Terminología de IP móvil
Home Agent (HA)
Home network (HN) 147.156.0.0/16
X
Mobile Node (MN)
A
C
B
Internet
Foreign network (FN) 152.48.0.0/16
D
Y
Correspondent Node (CN)
Foreign Agent (FA)
Home Address (HAd) 147.156.135.22
Care of Address (CoA)
La Care of Address es la dirección IP donde se
termina el túnel (en este caso la de la interfaz
ethernet del router D)
118
Ventajas de IP móvil

• Sólo el HA (Home Agent) y el FA (Foreign Agent)
  necesitan saber la ubicación del host móvil. Los
  demás routers realizan encaminamiento de paquetes
  de la manera normal.
• Solo los routers y los hosts móviles necesitan
  nuevo software. Transparente al resto de la red
• Escalable. Solo el HA y el FA almacenan
  información de estado
• El host móvil siempre está accesible en la misma
  dirección IP.
• Se produce ineficiencia por
• Encapsulado (cabecera IP adicional)
• Ruta no óptima (problema de triangulación) como
  consecuencia del túnel (sólo en el sentido CN?MN)

119
Funcionamiento de IP móvil

• Para el funcionamiento de IP móvil es fundamental
  que el MN localice a su FA. Esto se hace por
  medio de extensiones al mecanismo de Router
  Discovery (RFC 1256) que usa mensajes ICMP (Agent
  Solicitation y Agent Advertisement)
• El MN emite a intervalos regulares mensajes de
  búsqueda de agentes (Agent Solicitation). Si
  recibe respuesta del HA deduce que está en su
  casa (su HN) y no usa los servicios de IP móvil
• Si el MN recibe respuesta de un FA inspecciona el
  prefijo de red si se trata de una red extraña
  pide la CoA y envía un mensaje de registro a su
  HA para que construya el túnel
• Por otro lado los agentes (HA y FA) se anuncian
  periódicamente en el ámbito de su LAN (TTL 1) e
  indican cuales son sus posibilidades (actuar como
  HA, como FA o como ambos)
• Si el MN recibe un Agent Advertisement de un FA
  nuevo deduce que ha cambiado de zona (quizá se
  está moviendo) entonces pide una nueva CoA y se
  reregistra en su HA.

120
Proceso de IP móvil (simplificado)
HN 147.156.0.0/16
147.156.0.1
HA
CN
A
C
B
Internet
4
5
3
3
1 El MN busca y descubre al FA (Agent
Solicitation)
1
D
147.156.135.22 HA 147.156.0.1
MN
FA
3 El MN se registra en el HA a través del FA
4 El HA construye el túnel y encapsula
paquetes del CN hacia el MN
FN 152.48.0.0/16
5 En sentido contrario el FA enruta paquetes
(sin pasar por el túnel) del MN hacia el CN
Si el MN se mueve y se conecta a través de otro
FA el proceso se repite. La nueva entrada del MN
en la tabla del HA (con otra CoA) borra la
anterior. Esto permite el cambio de FA
(roaming) sin perder la comunicación.
121
Funcionamiento de IP móvil resumen
122
Seguridad en IP móvil

• La autentificación de los mensajes de registro
  entre el MN y el HA es fundamental. De lo
  contrario un impostor podría suplantar al MN
• Los mensajes de registro tienen una extensión de
  autentificación basada en una clave hash MD5 y un
  timestamp, para evitar los replay attacks.
• La autentificación es obligatoria para el
  registro del MN en el HA y opcional en los demás
  casos

123
Comunicación de hosts de la HN con el MN
1 Un datagrama de MN a X (que está en la HN)
llega sin problemas usando las rutas estándar
(D-B-A).
HN 147.156.0.0/16
HA
2 Pero un datagrama de X a MN no llega X lanza
una ARP Request (buscando la MAC de MN) que no es
respondida. X no sabe que MN está fuera de su red.
X
A
B
D
MN
FA
3 Para evitarlo se utiliza el Proxy ARP el HA
suplanta al MN y responde en su lugar a la ARP
Request, anunciando su propia MAC para la IP del
MN.
FN 152.48.0.0/16
4 Para asegurar la rápida actualización de las
ARP caches, cuando el MN se va de la HN el HA
manda un mensaje ARP anunciando su dirección MAC
para la IP del MN, sin esperar ningún ARP
Request. Esto se conoce como Gratuitous ARP.
124
Características de IP móvil

• El MN y el FA deben tener comunicación a nivel de
  enlace, sin routers intermedios.
• El túnel es unidireccional, los datagramas de
  vuelta (desde el MN al CN) siguen la ruta normal
  estándar, sin túneles (salvo que el CN sea
  también un MN).
• Pero si los routers tienen filtros rechazarán
  datagramas que vengan de la FN (Foreign Network)
  con dirección de origen HA (Home Address) en ese
  caso hay que hacer el túnel bidireccional (camino
  de vuelta a través del HA).

125
Problema de IP móvil en routers con filtros
Red 147.156.0.0/16
CN
A
C
B
Internet
D
MN
No aceptar paquetes con IP origen ? 152.48.0.0/16
permit ip 152.48.0.0 0.0.255.255 any deny ip any
any
Red 152.48.0.0/16
1 El MN envía un datagrama hacia el CN siguiendo
la ruta normal (D-B-C).
2 El router B revisa la dirección de origen del
datagrama y lo rechaza pues no cumple la
condición impuesta para esa interfaz
126
Túnel bidireccional Solución al problema de
routers con filtros
4 A desencapsula el datagrama y lo envía a CN
por la ruta normal
Red 147.156.0.0/16
CN
A
C
B
Túnel bidireccional
Internet
D
MN
permit ip 152.48.0.0 0.0.255.255 any deny ip any
any
No aceptar paquetes con IP origen ? 152.48.0.0/16
Red 152.48.0.0/16
1 MN envía a D un datagrama para CN
3 B revisa el datagrama y lo acepta pues la
dirección de origen es D. Lo envía por tanto
hacia A
2 D encapsula el datagrama y lo envía hacia A a
través del túnel
127
IP móvil sin Foreign Agent
A 147.156.0.0/16 por A A 152.48.0.0/16 por D
A 147.156.0.0/16 por A A 152.48.0.0/16 por D
Red 147.156.0.0/16
HA
CN
A
C
B
Internet
Ping 147.156.135.22
D
Red 152.48.0.0/16

• Al MN se le asigna una IP de la red visitada (por
  DHCP u otro mecanismo)
• Esta IP actúa como Care of Address (co-located
  Care of Address)
• El túnel va directamente desde el Home Agent
  hacia el Mobile Node
• Evita establecer un FA en cada red, pero requiere
  disponer en la red visitada de un rango de
  direcciones reservado para CoA y el software del
  host es más complejo

128
Encapsulado de IP Móvil
Cabecera IP original
Cabecera IP túnel
Ida
Túnel HA ? FA
Túnel HA ? MN
Vuelta
Túnel FA ? HA
Túnel MN ? HA
IP origen
Datagrama original
IP destino
129
Documentos sobre IP Móvil (IETF)

• RFCs (IPv4)
• IP Móvil
• RFC 2002 (10/96)
• RFC 3220 (1/02)
• RFC 3344 (8/02)
• Encapsulado RFC 2003, RFC 2004, RFC 1701
• Aplicabilidad de IP Móvil RFC 2005
• MIBs de IP Móvil RFC 2006
• Grupo de trabajo de IP Móvil (desarrollos en
  curso)
• http//www.ietf.org/html.charters/mobileip-charter
  .html

130
Desarrollos en curso

• Optimización de ruta ltdraft-ietf-mobileip-optim-1
  1.txtgt
• Intenta evitar el problema de la ineficiencia
  debida a la triangulación
• El HA informa al CN de la CoA asociada con el MN
  para que éste cree su propio túnel directo, sin
  hacer uso del HA
• El HA informa al CN de la nueva CoA del MN cada
  vez que ésta cambia
• Otros desarrollos
• Seguridad y autentificación
• Calidad de Servicio

131
IP móvil e IPv6

• Aún no está estandarizado para IPv6. El borrador
  está en ltdraft-ietf-mobileip-ipv6-15.txtgt
• Principales diferencias
• En vez de túneles se utiliza la cabecera de
  routing (de IPv6). El CN envía directamente los
  datagramas al MN. Esto conlleva automáticamente
  la optimización de ruta
• La cabecera de routing resuelve también el
  problema de los routers con filtros sin recurrir
  al uso de túneles inversos
• No existen Foreign Agents (pero si Home
  Agents)
• No se requiere el uso de Proxy ARP y Gratuitous
  ARP. En su lugar se emplea el protocolo
  Neighbour Discovery de IPv6 (RFC 2461)
• Los protocolos son más sencillos, robustos y
  eficientes