7 Wi-Fi y QoS

Las redes Wi-Fi, al ser redes inalámbricas de canal compartido entre todos los clientes de una celda, implementan controles de acceso al medio, necesarios para evitar colisiones e interferencias en caso de que más de un usuario emita al mismo tiempo, como ya se pudo ver en apartados anteriores. Estos mecanismos son el CSMA/CA y el RTS/CTS que se engloban dentro de lo que se denomina DCF (Distributed Coordination Function).

Sin embargo este sistema de control de acceso al medio no previene que un cliente pueda monopolizar el medio en mucha mayor medida que el resto, afectando al servicio en la celda e imposibilitando su utilización con algunas aplicaciones sensibles al retardo y el jitter.

Una primera solución a este problema viene de la mano de un sistema de control que recibe el nombre de PCF (Point Coordination Function). Dicho mecanismo solo es funcional en redes de tipo infraestructura, nunca en redes ad-hoc, pues será el punto de acceso el encargado de realizar dicho control. Cuando se activa el PCF, el tiempo que existe entre dos paquetes “beacon” (aquellos que usa el punto de acceso para anunciar su presencia y las características de la red) enviados por el punto de acceso, se divide en dos periodos CFP (Content Free Period) y CP (Content Period). Durante el periodo CFP el funcionamiento de la red es como se ha explicado hasta el momento a lo largo del documento, mientras que durante el CP, los clientes no emitirán por iniciativa propia, si no que el punto de acceso le enviará un paquete a cada usuario por turnos, dándoles la oportunidad de emitir. El cliente aprovechara la oportunidad para emitir o, si no tiene datos para enviar, responderá con un paquete indicándolo. Con este método se permite evitar el monopolio de un cliente, permitiendo a todos la emisión de datos con una frecuencia aceptable.

Sin embargo, este sistema no es capaz de diferenciar los tipos de tráfico, solo diferencia a los clientes, y tratará igual tanto a un cliente que deba transmitir video, como al que espere emitir datos o voz. Añadido a esta limitación, existen muy pocos sistemas en el mercado que implementen este método de control.

Las necesidades de los distintos tráficos, expuestas en el apartado anterior, hacen necesario que este sea gestionado de manera eficiente para que los servicios puedan ser ofrecidos con la calidad debida.

Puesto que cada servicio, cada tipo de tráfico, tiene unas necesidades diferentes, es preciso diferenciarlo y aplicarle un tratamiento individual acorde a sus requerimientos. Este proceso recibe el nombre de calidad de servicio y se referencia por las siglas QoS (Quality of Service).

La aplicación de políticas de QoS no solo proporciona la posibilidad de ofrecer datos, voz y videos con calidad, si no que aporta herramientas para priorizar tráficos, ya sea por la naturaleza de éste (priorizar web, sobre el correo, y todas sobre las transferencias de ficheros P2P), o por el origen (el tráfico de la dirección de un centro escolar podrá ser priorizado sobre el de los alumnos).

No es suficiente con disponer de ancho de banda suficiente. Un sistema que deba transmitir datos sensibles, como voz o video, debe de implementar necesariamente QoS. La razón es simple, si durante una transferencia de voz o video, se produce una descarga de datos, esta podría ocupar todo el ancho de banda disponible. De hecho, la misma naturaleza de la transferencia de datos suele hacer deseable que así sea, pues la descarga llevará menos tiempo. La red debería sacrificar paquetes de datos en favor de los de voz o video, pues los primeros tienen mecanismos de recuperación y la única consecuencia será una ralentización del servicio y no interrupción de éste, como pasaría si el sacrificio lo realizara el tráfico de voz o video.

Sin embargo el problema no surge solo en ese caso, pues aunque la descarga de datos no demande la velocidad máxima de transferencia, emitirá tráfico, y el dispositivo de red, en nuestro caso el punto de acceso o el controlador de la red Wi-Fi, deberá tener mecanismos para decir que paquetes ha de emitir antes y/o con una cadencia fija, minimizando las perdidas, la latencia, el jitter, las ráfagas, etc.

Para conseguir este objetivo y minimizar los problemas en la transmisión de contenido multimedia, existieron protocolos propietarios, pero en un entorno como el de las redes Wi-Fi, donde es posible tener control sobre los puntos de acceso pero no sobre los clientes, donde suelen convivir distintos dispositivos y de distintos fabricantes, no resultaba funcional ni se obtenían los resultados deseados. Fue con la llegada del protocolo 802.11e y su respaldo por parte de la Wi-Fi Alliance con su certificación Wireless Multimedia Extension (WME), más conocida como Wi-Fi MultiMedia (WMM), cuando la QoS llego al mundo Wi-Fi.

7.1    802.11e (WMM)

Por lo expuesto en el punto anterior, surgió la necesidad de tener algún mecanismo, no solo para que todos los clientes pudieran transmitir sus datos eficientemente, si no también para priorizar la transmisión de los datos sensibles, razón por la cual se desarrolló la norma 802.11e.

La norma 802.11e clasifica el tráfico en cinco categorías, dependiendo las necesidades y características del tráfico. Estas categorías ordenadas de la más prioritaria a menos prioritaria son:

•  Voz (AC_VO): A esta categoría pertenecerá el tráfico de Voz.
• Video (AC_VI): Categoría en la que se encuadrará el trafico de video que necesite prioridad, lo cual, en principio, debería excluir al video Flash.
• “Best Effort” (AC_BE): Tráfico que deberá transmitirse tan pronto como sea posible, tras atender a aquel que le sea mas prioritario. Tráfico de este tipo podría ser una sesión Telnet o de control remoto de un equipo, tráfico que aunque no sea tan crítico como los anteriores si será sensible a lentitud y perdidas, dando sensación al usuario de falta de respuesta.
• “Background” (AC_BK): Es el tráfico que no entra en ninguna de las otras categorías. Es el tráfico de fondo o de relleno, de aquellas aplicaciones que no necesitan un tratamiento especial, como puede ser correo electrónico, la trasferencia de ficheros o el acceso a páginas WEB.
• “Legacy DCF”: Esta no es realmente una categoría contemplada en la norma 802.11e, pero aun así es un grupo de tráfico que recibe un tratamiento diferente. Engloba a todo el tráfico que no tenga tratamiento prioritario, normalmente gestionado por equipos que no cumplen con la norma 802.11e y por tanto no se engloba en ninguna de las categorías que la norma prevé. Por esta razón, no tener indicación de la prioridad con que ha de ser tratado, será el menos prioritario de todos.

Esta norma amplia los sistemas de control existentes hasta el momento, DCF y PCF, con un nuevo esquema denominado HCF (Hybrid Coordination Function) que define dos métodos de acceso al canal para la emisión de datos, priorizando aquellos que mas sensibles sean: Enhanced Distributed Channel Access (EDCA) y HCF Controlled Channel Access (HCCA).

Ambos métodos tienen una base común, siendo el EDCA el más extendido y obligatorio para los sistemas certificados Wi-Fi y que soporten WMM. El método HCCA incorpora un mayor control del tráfico, pero su cumplimiento es opcional y a día de hoy esta menos extendido y es soportado por un número muy reducido de sistemas.

7.1.1      Enhanced Distributed Channel Access (EDCA)

 Este método, de obligado cumplimiento para los equipos que posean la certificación WMM de la Wi-Fi Aliance, se basa en la variación de los temporizadores presentes en los controles estándar de las redes Wi-Fi.

Para comprender el funcionamiento, previamente será necesario conocer los mecanismos que regulan el momento de transmisión de los clientes y su acceso al medio.

Añadido a la regulación impuesta por los controles DCF (que a su vez se compone de los controles CSMA/CA y RTS/CTS), existe una regularización en el momento de acceso a la red, principalmente orientado a evitar la monopolización del canal por un terminal y minimizar el acceso simultáneo al canal de dos o más terminales.

Para ello, un cliente que ha transmitido datos, no podrá volver a transmitir hasta pasado un tiempo fijo, que recibe el nombre de Arbitration Inter-Frame Space (AIFS). Esta espera posibilita a otros sistemas tener la oportunidad ocupar el canal y transmitir, pues de otra forma una sola estación podría estar emitiendo continuamente no dando opción a otra a hacerlo pues siempre verían el canal ocupado y según el protocolo CSMA/CA no podrían transmitir para evitar colisiones.

Para minimizar la situación en que los terminales que deseen emitir comprueben la ocupación del canal simultáneamente y emitan colisionando, y lo que es mas importante, que entren en un bucle en el cual siempre comprueben la ocupación del canal y emitan a la vez, tras esperar el tiempo AIFS, realizarán una segunda espera, durante un tiempo aleatorio que recibe el nombre de Contention Window (CW). Este valor será obtenido como un tiempo aleatorio entre un valor máximo y uno mínimo fijado en la red. De manera que, dado su carácter de aleatoriedad evitara en gran medida que dos terminales accedan al medio en el mismo instante.

La variante de la norma 802.11e basada en el algoritmo EDCA actúa sobre estos tiempos, AIFS, CW máximo y CW mínimo. En base a las cuatro categorías que contempla la norma, fija unos valores de tiempo AIFS menores para las más prioritarias con respecto a las menos prioritarias. Así mismo los valores de CW máximo y CW mínimo serán menores cuanto más prioritaria es la clase de tráfico. Todos estos valores, claramente serán menores que los valores adjudicados para el tráfico que no cumple con la 802.11e.

Puesto que los tiempos que ha de esperar el tráfico más prioritario para volver a transmitir, será menor que el tráfico menos prioritario, estadísticamente se favorecerá la transmisión del tráfico más sensible y perteneciente a una clase de mayor prioridad que el menos sensible.

7.1.2      HCF Controlled Channel Access (HCCA)

Este sistema de QoS sobre redes Wi-Fi es más avanzado que el EDCA y permite un mejor control del tráfico emitido en la red. Sin embargo se considera opcional dentro de la certificación Wi-Fi WMM. Su carácter no obligatorio, junto con la mayor complejidad de implementación hace que pocos puntos de acceso y clientes Wi-Fi lo implementen.

Se puede entender el HCCA como una variación mas elaborada del PCF. Un punto de acceso que cumpla con HCCA, enviará una trama a cada uno de los clientes de forma secuencial, interrogándolos con el objeto de saber si disponen de tráfico para enviar, al igual que en el protocolo PCF.

La diferencia consiste en que ante esta trama los clientes no responderán con un mensaje indicando que no disponen de tráfico para transmitir, o transmitiéndolo en caso contrarío, si no que informarán al punto de acceso de si disponen de tráfico, y que tipo de tráfico, es decir, cuanto tráfico en cada una de las categorías previstas por la norma 802.11e tienen esperando para ser enviado.

El punto de acceso, con el conocimiento del tipo de tráfico que tiene cada uno de los clientes, decidirá cual de ellos ha de transmitir. Así pues será el punto de acceso quien indicara a los clientes elegidos que pueden transmitir y el intervalo de tiempo que tienen para hacerlo. Con ello, al tener un director del tráfico con conocimiento y datos objetivos de decisión, se consigue una transmisión ordenada y que proporciona la calidad de servicio deseada.

Por su parte, los clientes deberán tener varias colas de espera, donde almacenarán los paquetes de cada una de las categorías por separado, para ser enviadas cuando el punto de acceso se lo indique. Así mismo deberán implementar un algoritmo de calidad que permita priorizar el tráfico de las diversas categorías y enviarlo de la forma adecuada cuando tenga posesión del canal.

Como puede verse este método de control de la calidad de servicio implica una mayor “inteligencia” en los dispositivos, lo que se traduce en procesadores mas potentes, mas memoria, mejor y mas elaborado software y todo en ello implica un mayor coste, lo cual motiva que no suela ser implementado en los dispositivos Wi-Fi de uso general.

7.2    Sistemas propietarios

Desde la aparición de la norma 802.11e y sobre todo desde la existencia de la certificación Wi-Fi WMM no existen sistemas propietarios Wi-Fi que implementen redes ad-hoc o del tipo infraestructura. Es lógico si tenemos en cuenta que tanto el punto de acceso como los clientes han de hablar el mismo protocolo, y es fácil controlar el punto de acceso que se instala, pero, en la mayoría de los casos, tener control sobre los clientes resultará imposible y estos serán de diversos fabricantes y por tanto incompatibles con sistemas propietarios.

El escenario cambia en los enlaces punto a punto, como la unión de edificios. En ese caso ambos extremos suelen implementarse con equipos del mismo fabricante, pues de otra forma lo más probable será que aparezcan problemas de incompatibilidades, pues como se comentó en el apartado de dedicado WDS, no hay un estándar con la certificación correspondiente.

Así mismo, este escenario permite muchas optimizaciones, pues no es necesario llevar un control de asociaciones de clientes, roaming, etc. De hecho, si la organización de la transmisión se realiza con un control duro, que podría ser similar al HCCA, podrían relajarse los protocolos de acceso al medio, con lo que se pueden obtener rendimientos mas elevados e implementar algoritmos de calidad de servicios propietarios más elaborados.

Cada fabricante tiene su estrategia y esta varia con las nuevas versiones de producto, pero parece razonable que se tienda a un modelo HCCA por su funcionalidad y existencia de normativa al respecto, teniendo en cuenta que en estos sistemas punto a punto el precio es un factor menos crítico.