Resumen Conceptual: Bloques Arquitectónicos de una Red Wi-Fi

Este documento resume los componentes esenciales, los protocolos de acceso al medio (MAC) y la evolución de los estándares IEEE 802.11 (Wi-Fi).

1. Componentes Básicos de la Arquitectura 802.11

1.1. Piezas Fundamentales (Quién es Quién)

• STA (Station): Cualquier equipo Wi-Fi (móvil, portátil, o incluso un AP cuando actúa como cliente). La pertenencia de una STA a un BSS es dinámica.
• BSS (Basic Service Set): La célula Wi-Fi fundamental. Es un grupo de STAs sincronizadas.
• BSSID: Identificador único del BSS, que normalmente corresponde a la dirección MAC del AP.
• AP (Access Point): Coordina un BSS de infraestructura (gestiona beacons, asociación, ahorro de energía y reenvío de tramas).

1.2. Tipos de BSS

• Infraestructura: Requiere un AP. Todas las comunicaciones pasan por el AP.
• IBSS / Ad-hoc: Sin AP. Las STAs se conectan directamente entre sí (STA ↔ STA).
• PBSS (Personal BSS): Red punto a punto, como Wi-Fi Direct o un hotspot personal.
• Mesh (Malla): Varios APs conectados entre sí para ampliar la cobertura de forma dinámica.

1.3. Conexión de Células y Salida a la LAN

• DS (Distribution System): Es la “red de fondo” (cableada o inalámbrica) que une varios BSS, permitiendo la movilidad y el roaming.
• ESS (Extended Service Set): Varios BSS con el mismo SSID unidos por el DS. Para el usuario, parece una sola red lógica (ej. eduroam).
• Integration Service (Portal): Es el puente Wi-Fi ↔ LAN cableada (Ethernet). Traduce direcciones y formatos, permitiendo que el tráfico salga del DS hacia la red externa.

Mnemotecnia: Una STA se mete en un BSS, gobernado por el AP. El DS une BSS para formar un ESS. El Portal te saca a Ethernet.

1.4. Proceso de Acceso al BSS

1. Escaneo: La STA escucha los beacons (mensajes de anuncio) que envía el AP.
2. Sincronización: La STA se sincroniza con el AP, adoptando sus parámetros (canal, SSID, seguridad).
3. Asociación: La STA queda registrada en el DS a través del AP, obteniendo acceso completo a la red.

2. Tráfico y Formato de Trama

2.1. Unidad de Datos MAC (MSDU)

• MSDU (MAC Service Data Unit): Es la unidad de datos que maneja la capa MAC. Es el “paquete” que la MAC debe transportar.
• Distribución de MSDU en el DS: El AP recibe los MSDUs y el DS se encarga de redirigirlos al destino adecuado (otra STA del BSS, otro AP vía DS, o el Portal hacia la LAN cableada).

2.2. Formato de Trama (Abreviado)

Cada trama consta de:

• Cabecera MAC: Incluye control de trama, duración, direcciones (hasta 4), secuencia, QoS y control HT (opcional).
• Cuerpo: Contiene los datos, gestión o control.
• FCS (Frame Check Sequence): Verificación de redundancia cíclica (CRC de 32 bits).

Tipos de Trama:

• Gestión: Beacons, autenticación, (re)asociación, disociación.
• Control: RTS/CTS, ACK, BlockAck.
• Datos: Transporte de información (con o sin QoS).

2.3. Subcampos Típicos de Control

• More Fragments = 1: Indica que hay fragmentos siguientes 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.
• Protected Frame = 1: Indica que el cuerpo de la trama está cifrado/protegido.

3. Protocolos de Acceso al Medio (MAC)

3.1. La Idea Clave: CSMA/CA vs. CSMA/CD

• Ethernet (CSMA/CD): Transmite y detecta colisiones. Si hay colisión, detiene la transmisión y reintenta. Es posible porque en cable se puede escuchar mientras se transmite.
• Wi-Fi (CSMA/CA): En radio, no es factible detectar colisiones en curso. Por lo tanto, Wi-Fi se centra en evitar colisiones mediante:
  • IFS (Inter Frame Spaces): Tiempos de espera que definen prioridades.
  • Backoff aleatorio: Espera un número aleatorio de slots antes de transmitir.
  • RTS/CTS (opcional): Reserva el canal.

Mantra: Ethernet detecta y corrige; Wi-Fi ordena y evita.

3.2. Arquitectura MAC y Funciones

• DCF (Distributed Coordination Function): Acceso distribuido básico, best-effort (sin garantías de QoS).
• HCF (Hybrid Coordination Function): Introduce mecanismos avanzados:
  • EDCA (Enhanced Distributed Channel Access): Implementa QoS mediante prioridades de contención.
  • HCCA (HCF Controlled Channel Access): Acceso controlado centralizado (menos común).

3.3. Mecanismo DCF Básico

La secuencia de acceso típica en DCF es:

1. La STA espera a que el canal esté libre.
2. Espera un tiempo DIFS.
3. Inicia el Backoff (cuenta regresiva en slots aleatorios).
4. Si el contador llega a cero, transmite DATA.
5. El receptor espera SIFS y envía ACK.

3.4. Inter Frame Spaces (IFS) y Prioridad

Los tiempos de espera determinan la prioridad de acceso al medio:

• SIFS (Short IFS): Máxima prioridad. Usado para tramas de control (ACK, CTS).
• PIFS (PCF IFS): Usado por el coordinador (AP) en PCF.
• DIFS (DCF IFS): Usado por las STAs para iniciar una transmisión de datos normal.
• AIFS (Arbitration IFS): Usado en EDCA para diferenciar prioridades de QoS.

3.5. QoS con EDCA (Prioridades)

EDCA divide el tráfico en cuatro categorías de acceso (AC), cada una con su propio AIFS y ventana de contención (CWmin/CWmax):

• VO (Voice): Máxima prioridad (menor AIFS, menor CW).
• VI (Video): Alta prioridad.
• BE (Best Effort): Tráfico normal.
• BK (Background): Menor prioridad.

Las categorías de mayor prioridad tienen más probabilidad de ganar el acceso al medio. Además, EDCA introduce TXOP (Transmission Opportunity), que permite a las categorías prioritarias (VO, VI) enviar varias tramas seguidas.

4. Desafíos del Canal Inalámbrico y Soluciones

4.1. Problemas de Propagación

• Nodo Oculto (Hidden Node): Dos estaciones (A y C) no se oyen entre sí, pero ambas transmiten hacia un receptor común (B, generalmente el AP), causando colisiones en B. El CSMA/CA falla porque A y C creen que el canal está libre.
• Nodo Expuesto (Exposed Node): Una estación (S2) oye una transmisión cercana (S1) y se abstiene de transmitir a un receptor (R2), aunque en realidad S2 no interferiría con S1. Esto reduce la capacidad de la red.
• Efecto Captura (Capture Effect): En la vida real, si una señal llega mucho más fuerte que otra, el receptor puede decodificarla a pesar de la colisión. Esto aumenta la eficiencia, pero reduce la equidad.
• Anomalía Multi-Rate: Una estación lenta (lejana) ocupa el canal durante mucho tiempo para transmitir la misma cantidad de datos, frenando a todas las estaciones rápidas. Wi-Fi reparte “tiempo” de acceso, no throughput.

4.2. Mecanismos de Protección: RTS/CTS

El protocolo RTS/CTS (Request To Send / Clear To Send) se utiliza para mitigar el problema del nodo oculto y evitar colisiones largas:

• El emisor envía RTS.
• El receptor responde con CTS.
• Ambos mensajes contienen la duración de la transmisión de datos.
• Las estaciones que oyen el RTS o el CTS actualizan su NAV (Network Allocation Vector) y se abstienen de transmitir durante ese tiempo, reservando el canal.

4.3. Optimización del Rendimiento (Overheads)

El rendimiento real (throughput) es significativamente menor que la tasa física debido a los overheads (preámbulo, DIFS/SIFS, ACK, backoff).

Para mejorar la eficiencia, se utilizan:

• Agregación A-MSDU: Agrupa varios paquetes de capa superior (MSDUs) en una sola trama MAC. Reduce cabeceras, pero si falla, se retransmite todo.
• Agregación A-MPDU: Agrupa varias tramas MAC completas (MPDUs) en un solo envío. Es más robusto en entornos con errores.
• Block ACK: Un único ACK confirma la recepción de múltiples MPDUs (hasta 64), reduciendo drásticamente el overhead de control.

5. Evolución del Estándar Wi-Fi (802.11n a 802.11bn)

5.1. Wi-Fi 4 y 5 (802.11n/ac)

• 802.11n (Wi-Fi 4): Introdujo MIMO, 40 MHz y A-MPDU.
• 802.11ac (Wi-Fi 5): Se centró en la banda de 5 GHz, canales de 80/160 MHz y MU-MIMO (solo en downlink).

5.2. Wi-Fi 6/6E (802.11ax): Alta Eficiencia

Enfocado en entornos de alta densidad (estadios, aeropuertos).

• OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access): Divide el canal en unidades de recurso (RUs), permitiendo que múltiples usuarios transmitan simultáneamente en diferentes frecuencias.
• BSS Coloring: Permite a las estaciones diferenciar entre su red y las redes vecinas que usan el mismo canal, mejorando la reutilización espacial.
• MU-MIMO (UL y DL): Permite la transmisión multiusuario tanto en subida como en bajada.
• TWT (Target Wake Time): Permite a las estaciones programar su tiempo de actividad, ahorrando energía y reduciendo la contención.
• Modulación: 1024-QAM.

5.3. Wi-Fi 7 (802.11be): Extremely High Throughput

Objetivo: alcanzar velocidades de 30–40 Gbps.

• MLO (Multi-Link Operation): Permite a una STA usar varios enlaces/AP/canales (en 2.4, 5 y 6 GHz) a la vez para mayor ancho de banda, redundancia y menor latencia.
• Ancho de Banda: Hasta 320 MHz.
• Modulación: 4096-QAM.
• Arquitectura MLD: Divide las funciones en Upper MAC (gestión común) y Lower MACs (gestión de cada enlace físico).

5.4. Wi-Fi 8 (802.11bn): Ultra High Reliability (Futuro)

En desarrollo, se centrará en:

• Latencia ultra-baja y mayor fiabilidad.
• Movilidad fluida (handover rápido).
• Coordinación multi-AP avanzada.

6. Movilidad y Seguridad

6.1. Movilidad (Roaming)

El ESS, unido por el DS, permite que las STAs se muevan de un BSS a otro de forma transparente para la capa superior (LLC).

• 802.11r: Facilita las transiciones rápidas (fast transitions) entre APs.
• OpenRoaming: Permite la federación global de redes (similar a eduroam).

6.2. Seguridad

La seguridad ha evolucionado de WEP a WPA3 (basado en 802.11i, RSNA).

• WPA3-SAE: Reemplaza el PSK (Pre-Shared Key) tradicional, ofreciendo resistencia a ataques de diccionario y forward secrecy.
• PMF (Protected Management Frames): Protege las tramas de gestión para evitar ataques de denegación de servicio.

7. Conclusión

La arquitectura IEEE 802.11 se basa en la coordinación de células (BSS) mediante un sistema de distribución (DS). El acceso al medio se gestiona mediante CSMA/CA, priorizado por EDCA. La evolución hacia Wi-Fi 6 y 7 se centra en aumentar la eficiencia en entornos densos (OFDMA) y permitir el uso simultáneo de múltiples enlaces (MLO), garantizando mayor velocidad y menor latencia.