INSTITUTO DE COMPUINGLÉS DE ORIENTE
Seguridad en Redes Inalámbricas Programador de Sistemas y Redes
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Sesión 15 Antenas
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Comportamiento de las ondas de radio Estamos familiarizados con las vibraciones u oscilaciones de varias formas: un árbol meciéndose con el viento, las cuerdas de una guitarra, un péndulo. Cuando esas oscilaciones viajan podemos decir que hay ondas propagándose en el espacio. Una piedra arrojada al agua causa una alteración que viaja a través de la misma como una onda. Las ondas tienen velocidad, frecuencia y longitud. 3
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Comportamiento de las ondas de radio Los cantantes crean oscilaciones de sus cuerdas vocales al cantar, estas vibraciones comprimen y descomprimen el aire y ese cambio periódico de la presión del aire sale de la boca del cantante y viaja a la velocidad del sonido (aprox. 340 m/s).
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Comportamiento de las ondas de radio En el caso de las ondas de radio, son ondas electromagnéticas las que se desplazan por el vacío o por el aire. Recordarás que en la sesión tres se vieron algunas de sus características. 5
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Comportamiento de las ondas de radio La longitud de onda es la distancia entre una cresta y la siguiente (o un valle y el siguiente), se mide en metros. La frecuencia es el número de veces que la onda oscila por segundo, se mide en Hertz (ciclos por segundo).
Puede verse en el espectro electromagnético que a mayor frecuencia, menor longitud de onda y viceversa.
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Comportamiento de las ondas de radio La frecuencia y la longitud de de onda son parámetros fundamentales que están relacionados mediante la fórmula: Velocidad = Frecuencia * Longitud de onda De forma que si conocemos la frecuencia o la longitud de onda, podemos encontrar la otra muy fácilmente, lo podemos hacer porque también conocemos la velocidad de la onda, al ser una onda electromagnética, se desplaza a la velocidad de la luz, aproximadamente 300,000 Km/s o 300,000,000 m/s. 7
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Comportamiento de las ondas de radio Como las señales de WiFi funcionan a una frecuencia de 2.4 GHz, entonces podemos calcular la longitud de onda. (recuerda 1 GHz = 1,000,000,000 de Hertz y 1 Km = 1000 m.)
Velocidad = Frecuencia * Longitud de onda
Longitud de onda = Velocidad / Frecuencia Longitud de onda = 300,000,000 (m/s) / 2,400,000,000 (Hz)
Longitud de onda = 0.125 m = 12.5 cm La longitud de onda es muy importante para poder fabricar antenas. 8
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Comportamiento de las ondas de radio Algunas características de las ondas de radio: • Mientras más larga es la longitud de onda mayor alcance tiene y viaja mejor a través y alrededor de los obstáculos. • Mientras más corta es la longitud de onda, puede transportar mas datos. Las ondas son absorbidas por diferentes materiales tal como el metal o el agua (ésta es la base del funcionamiento del microondas, ya las moléculas de agua se agitan, es decir, se calientan cuando son alcanzadas por ondas de radio). 9
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Comportamiento de las ondas de radio Al igual que la luz visible, las ondas de radio son reflejadas cuando entran en contacto con ciertos materiales: para las ondas de radio, las principales fuentes de reflexión son el metal y las superficies de agua (por eso se va Sky cuando llueve). Para las ondas de radio, una reja de metal se comporta como una superficie sólida, siempre que la distancia entre las barras sea pequeña en comparación con la longitud de onda, para 2.4 GHz, una rejilla metálica con separaciones de un centímetro (1 cm) actúa igual que una placa de metal. 10
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Comportamiento de las ondas de radio Las reglas para la reflexión son bastante simples: el ángulo con el cual una onda incide en una superficie es el mismo ángulo con el cual es reflejada.
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Jaula de Faraday
Una jaula de Faraday es una caja metálica que protege de los campos eléctricos estáticos, debe su nombre al físico Michael Faraday, que construyó una en 1836.
Se usa para proteger de descargas eléctricas, ya que en su interior el campo electromagnético es nulo.
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Jaula de Faraday Cuando una onda electromagnética cruza por la jaula, la polariza (carga sus extremos), esta polarización genera un campo totalmente opuesto al externo, lo que hace que ambos se cancelen en el interior.
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Veamos este video: Funcionamiento de Jaula de Faraday
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Jaula de Faraday ¿Por qué la Jaula de Faraday no deja pasar la señal WiFi, pero si deja pasar la luz que hace que veamos el teléfono? Recordemos que la luz también es radiación electromagnética. Esto se debe a la longitud de onda, la de la señal WiFi de 2.4 GHz es de 12.5 cm = 0.125 m, mientras que la de la luz visible es de 400 a 700 nanómetros, o algo asi como 0.0000004 m a 0.0000007 m, al ser mucho mas pequeña que el entramado de la rejilla de metal, puede pasar. Como en el horno de microondas, la rejilla permite ver como se calienta la comida, pero no permite que las microondas salgan. 15
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Jaula de Faraday Al igual que un colador de arena que no deja pasar las piedras y la grava, la rejilla de la jaula de Faraday no deja pasar la radiación de longitudes de onda mucho mas grandes que el tamaño del entramado de la rejilla.
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Jaula de Faraday Muchos dispositivos que empleamos en nuestra vida cotidiana están provistos de una jaula de Faraday: los microondas, escáneres, cables, etc. Otros dispositivos también actúan como jaula de Faraday elevadores (metálicos), autos, aviones, etc. Por esta razón se recomienda permanecer en el interior de un auto durante una tormenta eléctrica: su carrocería metálica actúa como una jaula de Faraday.
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Aplicaciones de la Jaula de Faraday Las aplicaciones son muy diversas, se ocupa en el hogar, escuelas, empresas (comunicaciones), hospitales, centros de investigación, estudios de grabación, transporte (aviones, autos) y en general en cualquier lugar donde se requiera tener un ambiente libre de interferencia electromagnética. Por supuesto, no debes proteger un Access Point dentro de una caja metálica o de rejilla para evitar que se lo roben, ya que no tendrás señal. Si deseas conocer mas acerca de las aplicaciones de una jaula de faraday, consulta: http://www.jaulafaraday.com/jaula-de-faraday/jaulas-faraday-aplicaciones.html 18
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Jaula de Faraday Creando una jaula de Faraday.
En el video se mostró un teléfono con una superficie metálica, posteriormente se cubrió al teléfono con una rejilla de metal, esto creó una jaula de Faraday, de hecho es muy facil hacer una, solo se requieren: • • • •
Colador de metal (24 cm de diámetro o mas). Rollo de papel aluminio. Folder o cartulina. Lápiz adhesivo.
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Práctica 1: Creando una Jaula de Faraday. • Ve nuevamente el video para saber cómo se creó el efecto de la Jaula de Faraday. • Crea la Jaula de Faraday con los elementos que se muestran en esta sesión. Área de Investigación en Computación
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Tipos de antenas Una antena es un dispositivo que permite emitir o recibir ondas de radio
Existen diversos tipos de antenas, cada una tiene un área de uso dentro del espectro electromagnético, en nuestro caso nos centraremos en las antenas que se usan para WiFi. 21
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Direccionales: Las antenas pueden ser:
Tipos de antenas
Las antenas omnidireccionales • Irradian aproximadamente la misma señal alrededor de la antena en un patrón completo de 360.º Las antenas sectoriales • Irradian principalmente en un área específica. El haz puede ser tan amplio como 180 grados, o tan angosto como 60 grados. Las direccionales • Son antenas en las cuales el ancho del haz es mucho más angosto que en las antenas sectoriales, se utilizan para enlaces a larga distancia. 22
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Tipos de antenas
Omnidireccionales: Sectoriales: Direccionales:
• 360 grados • De 60 a 180 grados. • Haz menor de 60 grados.
Las antenas de un Access Point son omnidireccionales ya que cubren completamente áreas pequeñas. 23
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Tipos de antenas Antena direccional Hay varios modelos, sin embargo, nos centraremos en las antenas parabólicas. Recordarás que en una diapositiva anterior mencionamos el efecto de la reflexión de las ondas, como los rayos de luz en un espejo, sólo que las ondas de WiFi pueden ser reflejadas en metal o rejillas de metal cuya trama sea de almenos 1 cm de separación, debido a la longitud de onda de 12.5 cm. 24
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Tipos de antenas Antena direccional – plato parabólico Este tipo de antenas funcionan usando el efecto de la reflexión de las ondas, concentrándolas en un punto que se denomina foco, de esta manera se obtiene una antena direccional. Ya sea para transmitir o para recibir, si se emite desde el foco, las ondas al chocar en la superfice parabólica, se reflejan en un haz paralelo, si se recibe, las ondas se concentran en el foco, donde se debe colocar el receptor. 25
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Creación de una antena direccional parabólica
Tipos de antenas
Debido a que las antenas parabólicas para WiFi son caras, decidimos crear el efecto del plato parabólico usando el colador de metal de 24 cm de diámetro para enfocar la señal proveniente de un Access Point de forma que el haz se concentre en el teléfono provocando el aumento de la señal. 26
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Veamos este video: Amplificación de Señal
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Tipos de antenas Por supuesto, en lugar del teléfono se puede montar un receptor WiFi y fijarlo mediante una varilla metálica y éste conectarlo a una PC o laptop de forma que pueda tener un mayor alcance. Este es el principio básico de funcionamiento de las antenas direccionales de plato parabólico. 28
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Tipos de antenas Uso de las antenas direccionales Sobre todo se usan para tener redes punto a punto, separadas por cientos de metros, cada punto tiene una antena dirigida hacia el otro.
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Práctica 2: Creando una antena direccional • Usando el Access Point de tu plantel y con la ayuda de un colador metálico de al menos 24 cm de diámetro enfoca el haz WiFi hacia un teléfono que tenga activo su WiFi Analyzer.
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Práctica 3: Verificación de funcionamiento • Usa un teléfono con WiFi y verifica que las señales de los Access Point cercanos dejan de ser captadas por el teléfono cuando lo metes en la Jaula de Faraday.
• Verifica el aumento de señal desde diferentes áreas del plantel, también ve lo que pasa con el resto de las señales. Área de Investigación en Computación