Capítulo 4 – Wi-Fi en puntos de acceso múltiples

Las mayorías de las casas hoy en día tienen un único punto de acceso, por lo que la gente piensa que los sistemas de punto de acceso múltiple son raros, pero estos son la norma en lugares de trabajo y espacios públicos y están llegando a los hogares en grandes cantidades. En este capítulo veremos las redes Wi-Fi con puntos de acceso múltiples y la tecnología detrás de esta tendencia.

¿Qué es una red de puntos de acceso múltiples?

Una red de puntos de acceso múltiples es (en mi propias palabras):

Una red inalámbrica donde varios puntos de acceso sirven el mismo SSID. En dicha red hay muchos BSSs sirviendo al mismo SSID, distribuidos en múltiples dispositivos físicos de punto de acceso.

Cuando configuras tu notebook o celular para que se conecte a una red inalámbrica, sólo configuras el SSID y la contraseña; la estación es libre de conectarse a cualquier BSS, por lo que la estación normalmente decide conectarse a un BSS u otro y reconsidera esa decisión tal cómo necesite. La estación asume que todos los BSSs del mismo SSID sirven a la misma red, por lo que prefiere quedarse en el mismo SSID.

Empresarial vs. Hogareño

Las redes empresariales sirven a la misma red con múltiples puntos de acceso desde hace ya varios años. No es práctico instalar diferentes SSIDs en diferentes cuartos o áreas, ya que los usuarios tendrán que configurar cada uno. En las empresas, negocios y Wi-Fi público cómo hoteles y aeropuertos el número de puntos de acceso puede ser bastante largo, cómo también lo es el número de usuarios y dispositivos

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En los hogares, generalmente hay un punto de acceso, que también es el router/modem. El modem es provisto por el ISP (Internet Service Provider), que también brinda las capacidades de Wi-Fi que el proveedor decide para cada hogar. La mayoría de los usuarios no se preocupan por cambiar eso. En cambio, otros usuarios deciden mejorar e incluso instalar su propia red hogareña o configurar encima de la red que ofrece el proveedor. Actualmente sólo aquellos usuarios que experimentan problemas en el hogar (p.e. el módem está demasiado lejos de algunas partes de la casa) son los que en realidad instalan otros puntos de acceso inalámbricos. Sin embargo, como la tendencia es tener cobertura total y cómo las personas dependen cada vez más de la conexión en sus móviles, se espera que esta tendencia crezca significativamente en los próximos años.

Esta serie de artículos se enfoca en el Wi-Fi hogareño, ya que el Wi-Fi empresarial tiene otros aspectos que discutir, más allá de la conectividad.

Tecnologías troncales (backbone)

Cuando en tu hogar tienes muchos puntos de acceso, y muchos de ellos esparcidos por un área extensa, hay varias formas de interconectarlos.

La forma más común es a través de Wi-Fi, pero esté método tiene sus propias limitaciones y desventajas.

También hay varias tecnologías de LAN cableada que pueden usarse en el hogar, cada una con sus propios problemas.

Repetidores

Muchas personas que han tenido varios problemas en sus hogares, han ido a un comercio y han comprado un dispositivo mágico llamado “repetidor”; el cual se supone que soluciona el problema y distribuye Wi-Fi por toda la casa.

En pocas palabras, estos repetidores actúan como un punto de acceso adicional para los dispositivos inalámbricos y cómo una estación hacia el router principal (p.e. el modem). Si colocas el repetidor dentro del rango de señal del router, va a extender el rango del Wi-Fi en un radio adicional alrededor de él.

Esta es una solución barata y fácil para muchos; el repetidor no tiene que tener todas las funcionalidades del gateway por lo que es más barato.

Los repetidores proveen de un “Troncal inalámbrico” para la red hogareña.

Desventajas del backbone inalámbrico

Capacidades limitadas: La mayoría de los repetidores que se venden en el mercado son de una única banda, generalmente 2.4GHz. Esto significa que aunque tu modem soporte 5GHz, 2.4GHz y posiblemente 802.11ac, el repetidor sólo emitirá una red 802.11n 2.4GHz. De forma similar, tu modem/router quizá tenga MIMO 3×3 o 4×4 mientras que el repetidor llegue a tener 2×2. Por lo que mientras obtienes cobertura, no siempre obtienes la misma calidad de cobertura en la parte extendida cómo si estuvieses cerca del modem.

SSIDs múltiples: La mayoría de los extensores vendidos en el mercado no extienden el SSID existente sino que crean uno nuevo. Por lo que si tienes una red llamada “MyFy” en tu modem/router, el extensor crearía una nueva red llamada “MyFy_EXT” o algo similar. Esto significa que tienes que configurar este nuevo SSID en los dispositivos que quieres asociar. Obviamente, esto es molesto pero, además crea otro problema: la estación necesita decidir entre un SSID u otro cuando tiene que “iterar” (roaming). Esto sumado al dilema de cuando hay que iterar de una banda de frecuencia a otra. Los usuarios con este tipo de extensores en el hogar reportan que muchas veces la estación permanece conectada al punto de acceso remoto aunque no esté más allí y que, algunas veces los usuarios más impacientes, apagan manualmente el Wi-Fi y lo vuelven a encender para que se conecte al punto de acceso más cercano.

Saltos múltiples: Considera una red Wi-Fi con un repetidor y además, estás viendo un video con una plataforma de streaming. El tráfico desde internet llega al modem/router y luego este lo tiene que enviar al repetidor por el canal inalámbrico entre ellos. Luego, el repetidor tiene que enviar los datos nuevamente por Wi-Fi a la estación para su recepción final. Por lo que entonces, el tráfico a y desde la estación conectada al repetidor, realmente transita por el Wi-Fi dos veces en vez de sólo una. Esto tiene un impacto de más o menos el doble en el medio disponible (para ser más preciso, el impacto depende de factores de capacidad e intensidad de señal del link troncal, pero en escenarios de la vida real, podemos decir con certeza que el impacto es el doble).

Aún así tengas el mejor repetidor con las mejores capacidades, la capacidad del Wi-Fi es generalmente reducida a la mitad por el hecho de que estás usando un troncal inalámbrico.

Por otro lado, recordando que las redes Wi-Fi modernas proveen velocidades de cientos de Mbps mientras que el tráfico que consumes desde internet es del orden de los 10 Mbps, entonces incluso con la mitad de la capacidad, no deberías notar ningún problema. Esto es a menos que tengas otras cuestiones que limiten la capacidad, cómo muchos clientes activos, interferencia o carga de vecinos. Cuando estos factores entran en juego, debes tener en cuenta cada espacio de aire que puedas ahorrar.

Entonces, ¿Cuál es la alternativa?

Backbone cableado

La alternativa a un backbone inalámbrico es, por supuesto, un backbone cableado. Con un backbone cableado, el tráfico entre los puntos de acceso no consume tiempo de aire por lo que no compite con las estaciones. Tampoco se ve afectado por los problemas de estabilidad a los que el Wi-Fi es propenso ya que no está expuesto a interferencia y carga de vecinos.

Repetidores que vienen equipados con un backbone cableado se los llama generalmente Extensores de Rango, cómo un intento por diferenciarlos de los repetidores baratos. Sin embargo, los extensores también pueden funcionar como repetidores.

La ventaja más obvia de un troncal cableado es que puede interconectar lugares remotos de la casa (p.e. el quincho al fondo del patio), a diferencia de un backbone inalámbrico, que requiere que la señal inalámbrica sea lo suficientemente fuerte entre los repetidores. Un troncal cableado es mucho más estable y no consume tiempo de aire. Sin embargo, la desventaja más notoria es que en los hogares no hay una red cableada disponible conectando esos lugares

Los backbones cableados pueden implementarse usando varias tecnologías. La más simple es ethernet, la cual es la más común para redes de área local.

Las ethernet de grade hogareño pueden proveer velocidades de 10Mbps/100Mbps o 1 Gbps dependiendo de la calidad del cableado y el tipo de equipamiento de red que se utilice. La diferencia entre un backbone de 10Mbps y uno de 1Gbps es enorme, y hoy en día un link de 100Mbps puede ser tu cuello de botella a internet (p.e. si tienes una conexión de 200 Mbps a internet y estás bajando un archivo grande desde un servidor rápido). El problema con ethernet es que requiere de un cableado especial, el cual se puede ver generalmente en las casas modernas pero no en las viejas.

Para esos hogares sin cableado ethernet, existen otras tecnologías que permiten correr ethernet sobre el cableado que está disponible en las casas (p.e. el cableado de televisión por cable, de teléfono o inclusive el cableado eléctrico). Cada uno con sus propias ventajas y desventajas en términos de precio, calidad y practicidad de implementación. Hablando en general, cuando sea posible, un backbone cableado es la mejor forma de conectar puntos de acceso por las razones antes mencionadas. Pero si aún no estás convencido, ten en cuenta la siguiente sección sobre la administración de los canales.

Administración de canales.

En un hogar con un único punto de acceso y de una sóla banda, el AP necesita elegir sólo un canal para trabajar. Esto puede hacerse de forma manual (ingresando a la página de configuración del aparato y seleccionando el canal) o lo realiza automáticamente el punto de acceso (escaneando el entorno y eligiendo el canal con menos ruido). El proceso de  selección automática de canal (ACS, Automatic Channel Selection) puede realizarse una vez cuando el punto de acceso inicia o de forma periódica para adaptarse a los cambios en las condiciones de la red. Un punto de acceso de doble banda obviamente necesita elegir un canal para cada banda.

En un entorno de múltiples puntos de acceso, la administración de los canales se torna un poco más complicada. Cada punto de acceso debe elegir su propio canal de tal forma que no interfiera con los otros puntos de acceso.

Si todos los puntos de acceso están conectados a través de una red troncal cableada, en términos generales no hay restricciones en la selección de canales: cada punto de acceso puede seleccionar su propio canal escaneando el entorno, los otros puntos de acceso que sirven el mismo SSID no hacen ninguna diferencia (despreciando detalles más sutiles para evitar interferencias mutuas, etc.).

Sin embargo, en un entorno con troncales inalámbricos, los puntos de acceso están interconectados por un canal Wi-Fi, por lo que el radio que sirve de link entre dos puntos de acceso debe usar el mismo canal. Si hay un tercer punto de acceso en el hogar, conectado también sobre Wi-Fi, debe conectarse cómo mínimo a otro punto de acceso; por lo que al menos tiene un canal en común.

Si todos los puntos de acceso (repetidores) usan la misma banda en el backbone y todos tienen una sóla placa Wi-Fi (chain), significa que toda la red usa el mismo canal. Este es el caso más común incluso con los repetidores de doble banda que sólo usan la banda de 5GHz para conectarse cómo repetidor y generalmente tienen una sola placa inalámbrica.

Por lo tanto, en una red troncal hogareña, la administración de los canales está limitada por la necesidad de usar al menos un sólo canal por banda. Esto significa que mientras extiendes el rango de cobertura agregando el repetidor, no estás extendiendo el ancho de banda de la red Wi-Fi, porque sigues usando un sólo canal.

Por el contrario, si usas un troncal cableado, cada punto de acceso puede usar diferentes canales, cada uno aprovechando la capacidad total de Wi-Fi, por consiguiente extendiendo la cobertura y el ancho de banda de la red.

Tri-banda

El término “tri-banda” se refiere actualmente a los dispositivos con tres interfaces de radio, no exactamente a 3 bandas. En general, una interfaz es usada para la banda 2.4GHz y las otras dos para 5GHz. El propósito de tener dos interfaces de radio de 5GHz, es exáctamente superar las limitaciones del canal mencionadas arriba. Un radio 5GHz puede ser usado para “servicio” mientras el otro es usado para “backbone”. El hecho de que se usen dos interfaces separadas significa que el canal usado por la interfaz del punto de acceso puede ser diferentes para cada punto de acceso.

Otra de las razones para usar un punto de acceso tri-banda, fuera del contexto de múltiples APs, es la habilidad de usar múltiples canales simplemente para obtener mayor ancho de banda para más estaciones.

Quizá la razón de que el término usado sea tri-banda en vez de tri-radio es que existe una interesante limitación alrededor de los radios tri-banda; resulta que, técnicamente es muy difícil o imposible fabricar un radio tri-banda que pueda usar dos canales 5GHz adyacentes. Si haces esto, pueden interferir entre uno y otro demasiado. Por lo tanto, cada uno de los radios 5GHz usa sub-bandas diferentes a los 5 GHz; un radio usa los canales bajos y el otro los canales altos.

Wi-Fi Mesh (malla)

En estos años, el término “Wi-Fi Mesh Technology” ha estado siendo utilizado cómo término marketinero para referirse a cualquier sistema de múltiples puntos de acceso con un backbone inalámbrico. Muchos de esos sistemas son vendidos actualmente hoy en día en mercadolibre.com.ar.

Aunque, el término técnico Wi-Fi Mesh se refiere a un estándar de tecnología específico definido en la especificación 802.11s, donde los dispositivos pueden formar una red de malla real con conexiones “cualquiera a cualquiera”, con el propósito de incrementar el alcance y la resiliencia de la red. Al ser parte o total de una malla, pueden haber múltiples caminos desde diferentes puntos, por lo que en cualquier momento, la malla encuentra el mejor camino para enviar tráfico a través de los links disponibles. Cuando 802.11s es usado, todos los puntos de acceso de una red deben soportar 802.11s, por lo que un extensor mesh no puede colocarse con modem/router normal a menos que este último haya sido mejorado de alguna manera para que soporte 802.11s.

Si bien puede haber algunas soluciones que actualmente utilicen 802.11s, la gran mayoría de los llamados “Sistemas Wi-Fi Mesh” no usan el estándar en absoluto y generalmente no forman una malla.

En cambio, estos sistemas usan una forma simple de backbone inalámbrico o algo mejorado. Por ejemplo, un punto de acceso puede ser mejorado con la creación de una conexión inalámbrica de backbone con ambas bandas de frecuencia hacia uno o más puntos de acceso y luego el sistema habilitará un sólo link por vez, entonces el ruteo (actualmente puenteo) a través de la red se mantendrá simple. Una mesh podrá mantener ambos links activos y tomar una decisión de ruteo para cada frame que se envía.

Un sistema inteligente intentará crear una topología de backbone más eficiente, para optimizar varios parámetros como son el rango y el PHY rate versus el medio disponible y el número de saltos (hops).

Sumado al control de la topología, los sistemas Mesh a menudo prometen hacerse cargo de la asociación de las estaciones, resolviendo los problemas que mencionamos anteriormente; ayudando a las estaciones a conectarse al punto de acceso “correcto” en el hogar, la banda correcta, en cualquier momento (conocido como Station Steering).

Direccionamiento de estación (Station Steering)

El direccionamiento de estación es el acto de redirigir la estación para que se asocie con un BSS específico, anulando (o influenciando) sobre la decisión de la propia estación.

Cómo mencionamos en los capítulos anteriores, generalmente la estación sólo mide la intensidad de la señal e intenta conectarse al BSS más potente. Esto ignora otros factores discutidos más arriba y también crea un sesgo hacia 2.4GHz porque las señales 2.4GHz atraviesan obstáculos mejor y se llega más lejos. Este sesgo no es óptimo porque ignora que hay velocidades mucho más altas en el rango de los 5GHz.

Los sistemas que realiza direccionamiento de estación puede hacer las cosas de forma más inteligente: 

• Puede dirigir a las estaciones a la banda correcta, considerando las diferentes capacidades de los radios.
• Puede considerar las potenciales diferencias de capacidad a través de los puntos de acceso.
• Puede considerar el medio disponible y la interferencia, no sólo la intensidad de señal.
• Puede considerar la topología (p.e. el número de saltos)
• Puede considerar lo que la estación esté haciendo.
• Puede considerar lo que otras estaciones están haciendo.

Entonces un sistema con una visión centralizada puede tomar mejores decisiones y eventualmente optimizar la red que si cada estación toma sus propias decisiones.

Especificaciones Multi-AP de Wi-Fi Alliance.

A la luz del auge de los productos con tecnología Wi-Fi Mesh, la Wi-Fi Alliance sintió la necesidad de introducir de manera acelerada una especificación que estandarice la forma en la que los sistemas de puntos de acceso múltiples trabajan, incluyendo la administración y el direccionamiento de estaciones.Tal estándar haría posible que un proveedor de servicios comprara el sistema por partes y esperara que funcione. Por ejemplo, permite comprar modem/routers de otro proveedor, extensores de otro fabricante y el software de control de direccionamiento de estaciones a otro desarrollador. Si todos esos componentes cumplen con la especificación, entonces funcionará toda la solución en su conjunto.

El estado inicial de la especificación fue una versión apurada de una especificación que olvidó muchos aspectos. Cualquier producto que realmente cumplió con la v1 de la especificación no es un producto bueno o si hace un trabajo serio en la optimización de la red, es porque tiene partes que son propietarias y no son compatibles con otros vendedores.

Actualmente hay pocas compañías y productos que están en proceso de obtener la certificación de puntos de acceso múltiples, pero se espera que crezca ya que los proveedores de servicio (quienes son grandes compradores en el segmento de redes hogareñas) tienen un gran incentivo para que suceda.

Mirando hacia delante, se espera que nuevas versiones aparezcan y más productos sean compatibles, por lo que el mercado probablemente se equilibre en torno a la versión 2 más o menos.

Resumen

En este capítulo hablamos sobre redes con puntos de acceso múltiples, específicamente equipos hogareños. Aprendimos que hay varias maneras para conectar los puntos de acceso pero que, también hay nuevos problemas que surgen de tener puntos de acceso múltiples.