Wi-Fi: estándares y conexión

01 · Objetivo

Qué es Wi-Fi

«Wi-Fi» es una marca de la Wi-Fi Alliance, una asociación de fabricantes que certifica que los equipos de distintas marcas funcionan entre sí. La tecnología se define en la familia de normas IEEE 802.11, del mismo comité del IEEE que mantiene Ethernet (802.3). La relación no es casual: las dos usan el mismo formato de direcciones MAC de 48 bits y las dos entregan al nivel superior tramas que el protocolo IP puede usar sin saber qué hay debajo.

Lo que 802.11 define son dos capas: la capa física (PHY: bandas, canales, modulaciones, velocidades) y la subcapa de acceso al medio (MAC: cómo se comparte el aire, cómo se confirman las tramas, cómo se asocia un equipo a la red, cómo se cifra). Por arriba sigue lo conocido:

Para un dispositivo embebido, Wi-Fi es la forma más directa de llegar a Internet: ya hay red en casi todos lados, no hace falta cable y los módulos (como el ESP32) cuestan pocos dólares. A cambio es la tecnología de mayor consumo de las inalámbricas del curso (tema 34) y su conexión es la más lenta de establecer, algo que se verá en los números del laboratorio.

02 · Generaciones

Los estándares 802.11

802.11 nació en 1997 con 1 y 2 Mbit/s y fue creciendo con enmiendas identificadas por una letra. Desde 2018, la Wi-Fi Alliance también numera las generaciones para el público: Wi-Fi 4 es 802.11n, Wi-Fi 5 es 802.11ac, Wi-Fi 6 es 802.11ax y Wi-Fi 7 es 802.11be.

Cada generación suma casi lo mismo, aplicando las ideas del tema 34: más ancho de banda (canales de 20 a 320 MHz), modulaciones más densas (de 64-QAM a 4096-QAM, que exigen más relación señal/ruido), más flujos espaciales (MIMO: varias antenas transmiten datos distintos en el mismo canal) y mejor reparto del tiempo (OFDMA en Wi-Fi 6, que permite atender a varios clientes en la misma transmisión). Wi-Fi 6 agrega además el Target Wake Time, que programa cuándo despierta cada dispositivo y está pensado para IoT de bajo consumo.

Compatibilidad y velocidad

Los estándares son compatibles hacia atrás: un punto de acceso 802.11n atiende a un cliente 802.11g. Pero la compatibilidad tiene un costo para todos. Un cliente lento ocupa el aire más tiempo: una trama de 1500 bytes dura 12 ms a 1 Mbit/s y solo 0,22 ms a 54 Mbit/s, y mientras una trama está en el aire nadie más habla. Una sola estación antigua o lejana, con baja velocidad, puede reducir el rendimiento de toda la red. La presencia de equipos 802.11b además obliga a los demás a usar mecanismos de protección que añaden mensajes. Por eso muchos routers permiten desactivar las velocidades más bajas.

Para una aplicación de sensores, todo esto es más que suficiente: un nodo que envía 100 bytes cada 30 segundos no usa más que una parte ínfima de los 20 Mbit/s reales que ofrece un ESP32. Lo que decide la elección es la cobertura, el consumo y la facilidad de conexión a la red existente, no la velocidad.

03 · Quién es quién

Estaciones, puntos de acceso y redes

Los términos de 802.11 aparecen en cada configuración, y conviene distinguirlos:

• Estación (STA): cualquier dispositivo con radio Wi-Fi que se conecta a una red: un teléfono, una laptop, un ESP32 en modo cliente.
• Punto de acceso (AP): el equipo que crea la red, anuncia su presencia y reenvía el tráfico entre las estaciones y la red cableada. El «router Wi-Fi» de una casa combina un punto de acceso, un conmutador, un router IP con NAT y un servidor DHCP.
• BSS (Basic Service Set): un punto de acceso con sus estaciones asociadas, es decir, una «celda». Se identifica por el BSSID, que es la dirección MAC de la radio del punto de acceso (48 bits).
• SSID (Service Set Identifier): el nombre de la red, hasta 32 bytes (no caracteres: con UTF-8, una «ñ» ocupa dos). Es lo que ve el usuario. Muchos puntos de acceso pueden compartir el mismo SSID.
• ESS (Extended Service Set): varios BSS con el mismo SSID unidos por una red cableada. Una estación puede pasar de uno al otro (roaming) sin cambiar de red: lo decide la propia estación, según la señal.
• IBSS o ad hoc: estaciones que hablan entre sí sin punto de acceso. Es raro; las alternativas modernas son Wi-Fi Direct, las redes en malla (802.11s) y ESP-NOW (tema 39).

Una consecuencia importante del modo infraestructura: todo pasa por el punto de acceso, incluso la comunicación entre dos estaciones vecinas. Dos ESP32 en la misma red que se envían un mensaje usan el aire dos veces (de uno al AP y del AP al otro). Y algunos puntos de acceso tienen activado el aislamiento de clientes («AP isolation»), que impide directamente que las estaciones se comuniquen entre sí: un error típico de «no encuentro mi dispositivo desde la computadora» en redes de invitados.

Cada punto de acceso anuncia la red con una trama de baliza (beacon) cada 100 unidades de tiempo (1 TU = 1024 µs), o sea, cada 102,4 ms. La baliza contiene el SSID, las velocidades admitidas, el canal, el tipo de seguridad y un indicador de qué estaciones dormidas tienen datos pendientes. Las estaciones la usan para encontrar redes y, con ella, para sincronizar su reloj y despertarse a tiempo en el ahorro de energía (tema 36).

04 · El espectro compartido

Bandas y canales

En la banda de 2,4 GHz hay 13 canales (14 en Japón, solo para 802.11b), con los centros a 2407 + 5·n MHz. Pero cada señal ocupa 20 MHz (OFDM) o 22 MHz (802.11b), mucho más que los 5 MHz entre centros: casi todos los canales se solapan con sus vecinos. Solo se pueden usar tres sin solape a 22 MHz: el 1, el 6 y el 11. En regiones con los 13 canales y redes OFDM de 20 MHz también caben cuatro: 1, 5, 9 y 13. En Estados Unidos solo están permitidos los canales 1 a 11.

Estar en un canal ocupado puede significar dos cosas distintas, y no son igual de graves:

• Mismo canal (co-canal). Los equipos de las dos redes se escuchan como Wi-Fi y aplican CSMA/CA: esperan su turno y se reparten el tiempo. El rendimiento baja, pero de forma ordenada.
• Canales vecinos con solape parcial. Cada red oye a la otra como ruido, que no puede decodificar ni evitar, y las tramas se corrompen y se reintentan. Suele ser peor que compartir el mismo canal.

Por eso la regla es elegir 1, 6 u 11, o dejar que el router escoja el canal menos ocupado. Y por eso el uso de canales de 40 MHz en 2,4 GHz, que ocupan casi la mitad de la banda, es poco recomendable en un lugar con muchas redes.

Un detalle práctico muy frecuente: un router de doble banda suele emitir el mismo SSID en 2,4 y 5 GHz, y a veces empuja a los clientes hacia 5 GHz («band steering»). Un ESP32 que solo sabe de 2,4 GHz puede no encontrar la red si el router, mal configurado, no la emite en esa banda. Por eso muchos fabricantes recomiendan crear un SSID separado para 2,4 GHz destinado a los dispositivos de domótica.

El ESP32 tiene una sola radio. Cuando trabaja a la vez como estación y como punto de acceso (modo AP+STA), la radio solo puede estar en un canal, así que el canal del punto de acceso se fuerza al del router al que está conectado. Si el router cambia de canal, la red propia del ESP32 se mueve con él.

05 · El diálogo

Cómo se conecta un dispositivo

Cuando se llama a WiFi.begin() ocurre, en pocos cientos de milisegundos y a veces un par de segundos, una secuencia fija de intercambios:

1. Descubrimiento (escaneo). La estación busca redes. En el escaneo pasivo escucha cada canal esperando balizas (hasta 100 ms por canal, o más). En el escaneo activo envía una solicitud de sondeo (probe request) y los puntos de acceso responden con una respuesta de sondeo. Las redes con SSID oculto no incluyen su nombre en la baliza y solo contestan a un sondeo que lo nombre: ocultar el SSID no es una medida de seguridad y complica la conexión de los dispositivos.
2. Autenticación (open system). Dos tramas sin contenido criptográfico, un vestigio de WEP: la estación pide y el punto de acceso acepta. La verdadera autenticación llega después, en el paso 4.
3. Asociación. La estación envía una solicitud con sus capacidades y velocidades; el punto de acceso responde con un identificador de asociación (AID). Desde aquí la estación pertenece al BSS.
4. Negociación de claves (WPA2/WPA3). Un intercambio de cuatro mensajes EAPOL, el handshake de cuatro vías, comprueba que los dos conocen la clave sin enviarla y deriva las claves de cifrado de la sesión.
5. Configuración IP. La estación pide dirección con DHCP (Discover, Offer, Request, Acknowledge, tema 30), con una IP, máscara, puerta de enlace y servidor DNS. Con IP estática este paso se omite.
6. Datos. Ya puede hablar IP, TCP y MQTT. Cada trama de datos unicast tiene una confirmación (ACK) de la capa MAC y, si no llega, se retransmite antes de que TCP se entere.

La desconexión es el camino inverso: el punto de acceso o la estación envían una trama de desautenticación o de desasociación, o simplemente la estación deja de oír balizas durante un tiempo (en el ESP32, el motivo BEACON_TIMEOUT). Las tramas de gestión del estándar original no van cifradas: un tercero puede falsificar una desautenticación y expulsar a un cliente. WPA3 y la enmienda 802.11w (Protected Management Frames) lo corrigen.

Tiempo y energía de la conexión

El escaneo es lo que más tarda. Recorrer 13 canales a unos 120 ms por canal son 1,5 segundos, más 40 ms de asociación, unos 100 ms del handshake y unos 500 ms de DHCP: del orden de 2 segundos con la radio de 100 mA o más encendida. Para un nodo que se conecta cada pocos minutos, esa conexión puede consumir más energía que todo el resto del ciclo. Hay dos atajos:

• Conexión rápida. Si el dispositivo guarda el canal y el BSSID de la última vez (por ejemplo, en memoria RTC, que sobrevive al sueño profundo), puede llamar a WiFi.begin(ssid, clave, canal, bssid) y saltarse el escaneo.
• IP estática con WiFi.config(): evita el intercambio DHCP, que a veces tarda más que todo lo anterior. A cambio hay que administrar las direcciones a mano y no colisionar con las que reparte el router (idealmente, una reserva en el DHCP por MAC).

La herramienta 4 del laboratorio calcula cuánto se gana: con valores razonables, la conexión rápida reduce el tiempo y la energía en casi tres cuartos. El tema 36 retoma esto junto con la reconexión y el sueño profundo.

06 · Que no escuche cualquiera

Seguridad: de WEP a WPA3

En una red cableada hace falta acceso físico al cable. En Wi-Fi basta con estar dentro del alcance: cualquiera puede escuchar todas las tramas del aire, y también inyectar las suyas. La única barrera es el cifrado y la autenticación, y su historia es una sucesión de correcciones:

En WPA2-Personal la clave de la red no se usa directamente. Con la frase de acceso (8 a 63 caracteres) y el SSID se calcula una clave maestra de 256 bits con la función PBKDF2: PMK = PBKDF2-HMAC-SHA1(frase, SSID, 4096 vueltas, 256 bits). Dos consecuencias:

• El SSID es la «sal»: la misma frase en dos redes con nombres distintos produce claves maestras distintas (el modelo de Python lo muestra con el vector de prueba del estándar). Y por eso las tablas precalculadas se hacen por nombre de red, lo que vuelve peligrosos los SSID comunes como «linksys» o «default».
• El ataque de diccionario es posible fuera de línea. Quien capture el handshake de cuatro vías (basta con estar cerca cuando un dispositivo se conecta) puede probar frases en su propia computadora, sin tocar la red. Las 4096 vueltas lo frenan, pero con 8 letras minúsculas hay 26⁸ ≈ 2,1 × 10¹¹ combinaciones, y a un millón de pruebas por segundo se agotan en unos 2,4 días; con 12 letras al azar harían falta unos 3000 años. La longitud y el azar de la clave son la defensa.

El handshake de cuatro vías no envía la clave: cada lado manda un número aleatorio (nonce), los dos calculan la clave de sesión (PTK) a partir de la clave maestra, los nonces y las direcciones MAC, y se demuestran mutuamente que la tienen. La clave de sesión es distinta para cada estación y cada conexión.

WPA3-SAE (Simultaneous Authentication of Equals) reemplaza el handshake de claves previamente compartidas por un intercambio de tipo Diffie-Hellman con contraseña: el atacante que captura el diálogo ya no puede probar frases fuera de línea (cada intento exige hablar con la red), y las claves pasadas no se pueden descifrar aunque más tarde se filtre la contraseña. Las versiones recientes del firmware del ESP32 lo soportan, y muchas redes domésticas funcionan en modo mixto WPA2/WPA3. El tema 36 retoma las buenas prácticas del lado del dispositivo y el tema 49 trata el cifrado de extremo a extremo con TLS, que sigue siendo necesario porque el cifrado de Wi-Fi solo protege el tramo del aire, no el viaje hasta el servidor.

07 · Modos de trabajo

El ESP32 como estación y como punto de acceso

La biblioteca WiFi del ESP32 maneja tres modos:

En modo estación, el ESP32 es un cliente más. Las funciones útiles son:

Importante: WiFi.begin() no espera. Retorna enseguida y el trabajo ocurre en una tarea del sistema; el programa tiene que mirar el estado (o recibir los eventos) para saber cuándo está listo, con un tiempo límite para no esperar para siempre. Lo mismo vale para la IP: la asociación termina antes de que llegue la respuesta del DHCP, y por eso WL_CONNECTED se informa cuando ya hay dirección.

En modo punto de acceso, el ESP32 anuncia un SSID, acepta hasta 10 clientes (4 por omisión) y les entrega direcciones de la red 192.168.4.0/24, quedándose él con la 192.168.4.1. No hace de router: no da acceso a Internet por sí mismo, solo una red local. La MAC del punto de acceso es distinta de la de la estación (suele diferir en el último byte). Es el mecanismo de los productos que se configuran desde el teléfono: la primera vez el dispositivo levanta su propia red, el usuario se conecta, entra a una página web, escribe el SSID y la clave de su casa, y el dispositivo los guarda y pasa a modo estación. Ese esquema se llama aprovisionamiento, y combinado con un portal cautivo (que redirige cualquier dirección a la página de configuración) es una experiencia de usuario muy cómoda.

08 · Cuando no conecta

Diagnóstico de conexiones

Una conexión que falla casi nunca es «un problema de Wi-Fi» en general: es una falla en una de las etapas de la sección 5, y el motivo se puede leer. En el ESP32, el evento de desconexión trae un código de motivo (info.wifi_sta_disconnected.reason en el sketch):

Otros problemas que no se ven como una desconexión sino como «conectado, pero no anda»:

• Sin IP o con una IP rara. El DHCP no responde (rango agotado, servidor caído) y el equipo queda con 0.0.0.0, o se usó una IP estática fuera de la subred o repetida (tema 30).
• Portal cautivo. Una red de hotel o de invitados exige aceptar condiciones en una página web: un dispositivo sin pantalla nunca llega a Internet.
• Aislamiento de clientes. Hay Internet pero los dispositivos de la misma red no se ven entre sí.
• Señal débil o ruido. Conecta, pero con muchas retransmisiones: la latencia sube y las conexiones TCP se cortan. Mirar RSSI (por debajo de −75 dBm empiezan los problemas) y probar otro canal.

Las herramientas del sistema muestran lo que ve la radio: en Windows, netsh wlan show networks mode=bssid lista las redes con sus canales y BSSID, y netsh wlan show interfaces da la señal y la velocidad del enlace actual; en Linux, nmcli dev wifi o iw dev wlan0 scan; en el teléfono, las aplicaciones de analizador de Wi-Fi dibujan los canales como en el diagrama de arriba. El escáner del ESP32 del tema 34 hace lo mismo desde el propio dispositivo. Para ver las tramas, Wireshark con una tarjeta en modo monitor captura balizas, sondeos, asociaciones y el handshake.

09 · Con el microcontrolador

Estación y punto de acceso con ESP32

Dos sketches cortos, uno para cada modo. Se compilan con el paquete de placas ESP32 de Arduino (núcleo 2.x o 3.x).

Modo estación: conectarse a la red

Se conecta con un tiempo límite, informa los eventos con el motivo de cada desconexión y, una vez conectado, muestra toda la configuración que entregó el DHCP:

#include <WiFi.h>

// ---------- Configuración ----------
const char SSID[] = "MiRed";                   // distingue mayúsculas y minúsculas
const char CLAVE[] = "mi-clave-larga";
const unsigned long TIEMPO_LIMITE = 15000;     // ms para conectar antes de rendirse

const char *textoEstado(wl_status_t estado) {
    switch (estado) {
        case WL_IDLE_STATUS:     return "en reposo";
        case WL_NO_SSID_AVAIL:   return "no se encuentra la red";
        case WL_SCAN_COMPLETED:  return "escaneo terminado";
        case WL_CONNECTED:       return "conectado";
        case WL_CONNECT_FAILED:  return "falló (¿clave incorrecta?)";
        case WL_CONNECTION_LOST: return "conexión perdida";
        case WL_DISCONNECTED:    return "desconectado";
        default:                 return "desconocido";
    }
}

void alEvento(WiFiEvent_t evento, WiFiEventInfo_t info) {   // se invoca desde la tarea de Wi-Fi, no desde loop()
    switch (evento) {
        case ARDUINO_EVENT_WIFI_STA_CONNECTED:
            Serial.println("[evento] asociado al punto de acceso");
            break;
        case ARDUINO_EVENT_WIFI_STA_GOT_IP:
            Serial.print("[evento] IP obtenida: "); Serial.println(WiFi.localIP());
            break;
        case ARDUINO_EVENT_WIFI_STA_DISCONNECTED:
            Serial.printf("[evento] desconectado, motivo %d\n", info.wifi_sta_disconnected.reason);
            break;
        default:
            break;
    }
}

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    WiFi.onEvent(alEvento);
    WiFi.mode(WIFI_STA);                       // modo estación: se conecta a un punto de acceso existente
    WiFi.setHostname("sensor-wifi");           // antes de begin(): es el nombre que verá el router
    Serial.print("MAC de la estación: "); Serial.println(WiFi.macAddress());

    unsigned long t0 = millis();
    WiFi.begin(SSID, CLAVE);                   // escanea, se asocia, negocia las claves y pide la IP
    while (WiFi.status() != WL_CONNECTED && millis() - t0 < TIEMPO_LIMITE) delay(250);   // aceptable en setup()

    if (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
        Serial.printf("Sin conexión tras %lu ms: %s\n", millis() - t0, textoEstado(WiFi.status()));
        return;                                // la reconexión automática se ve en el tema 36
    }
    Serial.printf("Conectado en %lu ms\n", millis() - t0);
    Serial.printf("Red: %s  BSSID: %s  canal %d  RSSI %d dBm\n", WiFi.SSID().c_str(), WiFi.BSSIDstr().c_str(), WiFi.channel(), WiFi.RSSI());
    Serial.print("IP: ");        Serial.println(WiFi.localIP());
    Serial.print("Máscara: ");   Serial.println(WiFi.subnetMask());
    Serial.print("Puerta: ");    Serial.println(WiFi.gatewayIP());
    Serial.print("DNS: ");       Serial.println(WiFi.dnsIP());
}

void loop() {
    static unsigned long ultimo = 0;
    if (millis() - ultimo >= 5000) {
        ultimo = millis();
        Serial.printf("Estado: %s", textoEstado(WiFi.status()));
        if (WiFi.status() == WL_CONNECTED) Serial.printf("  RSSI %d dBm", WiFi.RSSI());
        Serial.println();
    }
}

Detalles que conviene notar. WiFi.onEvent corre en la tarea de Wi-Fi, no en loop(): debe ser breve y no debería usar funciones lentas ni modificar estructuras de datos sin cuidado (una bandera volatile es la forma segura de avisar al programa principal). setHostname va antes de begin; si no, el router ve un nombre genérico como «espressif». El delay(250) de setup() es aceptable porque no hay nada más que atender; en un nodo que ya publica por MQTT, la espera sería un estado más del bucle, como en el tema 33. Y si el estado sale WL_NO_SSID_AVAIL o WL_CONNECT_FAILED, el evento ya imprimió el código de motivo de la tabla anterior.

Modo punto de acceso: crear una red

#include <WiFi.h>

// ---------- Configuración del punto de acceso ----------
const char SSID_AP[] = "Nodo-ESP32";           // hasta 32 bytes
const char CLAVE_AP[] = "clave-de-8-o-mas";    // de 8 a 63 caracteres; "" crearía una red abierta
const int CANAL = 6;                           // 1, 6 u 11 evitan solapes
const int MAX_CLIENTES = 4;                    // el ESP32 admite hasta 10

void alEvento(WiFiEvent_t evento, WiFiEventInfo_t info) {
    switch (evento) {
        case ARDUINO_EVENT_WIFI_AP_STACONNECTED:
            Serial.println("[evento] un cliente se asoció");
            break;
        case ARDUINO_EVENT_WIFI_AP_STADISCONNECTED:
            Serial.println("[evento] un cliente se fue");
            break;
        default:
            break;
    }
}

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    WiFi.onEvent(alEvento);
    WiFi.mode(WIFI_AP);                        // modo punto de acceso: el ESP32 crea la red
    bool ok = WiFi.softAP(SSID_AP, CLAVE_AP, CANAL, 0, MAX_CLIENTES);   // el 0 es «SSID visible»
    if (!ok) {
        Serial.println("No se pudo crear el punto de acceso (revisá el SSID y la clave)");
        return;
    }
    Serial.print("Red: ");           Serial.println(SSID_AP);
    Serial.print("IP del AP: ");     Serial.println(WiFi.softAPIP());          // 192.168.4.1 por omisión
    Serial.print("MAC del AP: ");    Serial.println(WiFi.softAPmacAddress());  // distinta de la de la estación
}

void loop() {
    static unsigned long ultimo = 0;
    if (millis() - ultimo >= 5000) {
        ultimo = millis();
        Serial.printf("Clientes conectados: %d de %d\n", WiFi.softAPgetStationNum(), MAX_CLIENTES);
    }
}

Al ejecutarlo, el teléfono ve la red «Nodo-ESP32»; al conectarse, recibe una dirección como 192.168.4.2 y puede hacer ping 192.168.4.1 o abrir un servidor web en el ESP32 con la biblioteca WebServer (tema 36). softAP() devuelve false si algún dato es inválido: el SSID de 0 o más de 32 bytes, una clave de menos de 8 o más de 63 caracteres, un canal fuera de 1 a 13 o una cantidad máxima de clientes mayor que 10. La herramienta 5 del laboratorio valida los mismos datos.

10 · Analogía con programación

Wi-Fi en Python

Casi todo lo que se decide en una red Wi-Fi es aritmética: los centros de los canales, el solape, la velocidad según el MCS, la modulación que sostiene una señal, el tiempo de una conexión y los datos válidos de un punto de acceso. El modelo siguiente los reproduce y calcula, además, la clave maestra WPA2 con la misma función que usa el estándar.

import hashlib

ANCHO_SD = {20: 52, 40: 108}                                 # subportadoras de datos en HT20 y HT40
MCS = [("BPSK 1/2", 0.5), ("QPSK 1/2", 1.0), ("QPSK 3/4", 1.5), ("16-QAM 1/2", 2.0),
       ("16-QAM 3/4", 3.0), ("64-QAM 2/3", 4.0), ("64-QAM 3/4", 4.5), ("64-QAM 5/6", 5.0)]   # bits útiles por subportadora
SENS_20 = [-82, -79, -77, -74, -70, -66, -65, -64]           # sensibilidad mínima de la norma 802.11n, 20 MHz


def canal_a_mhz(n):
    return 2407 + 5 * n


def solape(a, b, ancho=20):
    separacion = 5 * abs(a - b)                              # los centros están a 5 MHz de distancia
    return max(0.0, (ancho - separacion) / ancho)


def tasa_phy(mcs, flujos=1, ancho=20, gi_ns=800):
    simbolo_us = 4.0 if gi_ns == 800 else 3.6                # duración del símbolo OFDM con GI largo o corto
    return ANCHO_SD[ancho] * MCS[mcs][1] * flujos / simbolo_us


def mejor_mcs(rssi, ancho=20, margen=5):
    mejor = None
    for i, sens in enumerate(SENS_20):
        if rssi >= sens + (3 if ancho == 40 else 0) + margen:
            mejor = i
    return mejor


def tiempo_conexion(canales=13, ms_canal=120, ms_asoc=40, ms_handshake=100, ms_dhcp=500, escanear=True):
    return ((canales * ms_canal if escanear else 0) + ms_asoc + ms_handshake + ms_dhcp) / 1000


def carga_mah(segundos, ma):
    return ma * segundos / 3600


def clave_psk(clave, ssid):                                  # PBKDF2-HMAC-SHA1, 4096 vueltas: el SSID hace de sal
    return hashlib.pbkdf2_hmac("sha1", clave.encode(), ssid.encode(), 4096, 32).hex()


def validar_ap(ssid, clave):
    if not 1 <= len(ssid.encode("utf-8")) <= 32:
        return "SSID inválido (1 a 32 bytes)"
    if clave == "":
        return "red abierta: sin cifrado"
    if not 8 <= len(clave) <= 63:
        return "clave inválida (8 a 63 caracteres)"
    return "WPA2-PSK"


for a, b, ancho in ((1, 1, 20), (1, 2, 20), (1, 3, 20), (1, 5, 20), (1, 6, 22), (6, 11, 20)):
    print(f"canal {a:>2} y {b:>2} ({ancho} MHz): centros {canal_a_mhz(a)} y {canal_a_mhz(b)} MHz, solape {solape(a, b, ancho) * 100:.0f} %")

for mcs in range(8):
    print(f"MCS {mcs} {MCS[mcs][0]:>10}: {tasa_phy(mcs):6.1f} Mbit/s (20 MHz), {tasa_phy(mcs, 1, 40, 400):6.1f} (40 MHz, GI corto)")
print("máximo de 4 flujos, 40 MHz, GI corto:", tasa_phy(7, 4, 40, 400), "Mbit/s")

for rssi in (-50, -67, -75, -85):
    m = mejor_mcs(rssi)
    print(f"RSSI {rssi} dBm -> MCS {m}" + ("" if m is None else f" ({MCS[m][0]}, {tasa_phy(m):.1f} Mbit/s, unos {tasa_phy(m) * 0.6:.1f} reales)"))

normal, rapida = tiempo_conexion(), tiempo_conexion(escanear=False)
print(f"conexión completa {normal:.2f} s ({carga_mah(normal, 100):.4f} mAh); con canal conocido {rapida:.2f} s ({carga_mah(rapida, 100):.4f} mAh)")

print("PSK password/IEEE:", clave_psk("password", "IEEE"))
print("PSK password/IEEF:", clave_psk("password", "IEEF"))
for ssid, clave in (("Nodo-ESP32", "clave-de-8-o-mas"), ("Nodo", "1234"), ("Nodo", ""), ("", "clave-larga-1"), ("ñ" * 17, "clave-larga-1")):
    print(f"{ssid!r:>14}, {clave!r}: {validar_ap(ssid, clave)}")

Resultado: los canales 1 y 1 se solapan el 100 %, 1 y 2 el 75 %, 1 y 3 el 50 %, y los pares 1 y 5 (20 MHz), 1 y 6 (22 MHz) y 6 y 11 no se solapan nada. Las velocidades de 802.11n con un flujo van de 6,5 Mbit/s (MCS 0) a 65 Mbit/s (MCS 7) en 20 MHz, y de 15 a 150 Mbit/s en 40 MHz con intervalo corto; con cuatro flujos se llega a 600 Mbit/s. Con −50 dBm el modelo elige el MCS 7 (65 Mbit/s, unos 39 reales); con −67 dBm, el MCS 3 (26 y unos 15,6); con −75 dBm, el MCS 0 (6,5 y unos 3,9); y con −85 dBm no hay enlace. Una conexión completa tarda 2,20 s y gasta 0,0611 mAh a 100 mA; con canal conocido, 0,64 s y 0,0178 mAh. La clave maestra de «password» con el SSID «IEEE» es f42c6fc5…a12e, el valor del vector de prueba del estándar, y con el SSID «IEEF» sale una totalmente distinta (7155709b…3332). Por último, «Nodo-ESP32» con una clave de 16 caracteres es WPA2-PSK; la clave «1234» es inválida; la clave vacía da una red abierta; un SSID vacío o de 17 «ñ» (34 bytes) es inválido.

Esta forma de trabajar, con un modelo que se puede ejecutar y modificar antes de tocar una placa, evita muchos errores: por ejemplo, el de contar caracteres en lugar de bytes en el SSID, o el de pensar que una frase corta «alcanza» sin calcular cuánto tardaría en romperse.

11 · Exploración interactiva

Laboratorio: canales, velocidad, señal, conexión y punto de acceso

El laboratorio tiene cinco herramientas. La primera calcula el solape entre dos canales de 2,4 GHz. La segunda calcula la velocidad de enlace de 802.11n a partir del MCS, los flujos, el ancho y el intervalo de guarda. La tercera dice qué modulación y velocidad sostiene una señal dada. La cuarta estima el tiempo y la energía de una conexión. La quinta valida los datos de un punto de acceso del ESP32.

En la herramienta 1, el solape es la fracción del ancho de la señal que comparte con la otra y no considera la potencia relativa. En la 2 se aplica la fórmula del 802.11n (subportadoras de datos × bits útiles × flujos / duración del símbolo); el 60 % de eficiencia es un valor típico, y puede ser menor con muchas redes en el canal. En la 3 se usan las sensibilidades mínimas de la norma y se pide un margen; los equipos reales adaptan el MCS según las tramas que se pierden. En la 4 los tiempos son valores representativos: medí los de tu red. En la 5, los límites son los de softAP() del ESP32.

Recorrido guiado

1. En la herramienta 1, con los canales 1 y 3 de 20 MHz: 10 MHz entre centros y 50 % de solape: «Evitar». Con 1 y 2 el solape es del 75 %; con 1 y 1, 100 %, pero es un co-canal y se coordina con CSMA/CA. Con 1 y 6 a 22 MHz: separación de 25 MHz, 0 % y tres canales posibles (1, 6, 11). Con 20 MHz hay cuatro (1, 5, 9, 13) y con 40 MHz solo dos.
2. En la herramienta 2, con los valores iniciales (MCS 7, un flujo, 20 MHz, 800 ns): 65 Mbit/s de la capa física, 39 Mbit/s reales (60 %) y 0,21 s por megabyte: es lo que un ESP32 puede ofrecer en teoría. Poné 40 MHz y 400 ns: 150 Mbit/s, el máximo del ESP32 (con la advertencia de ocupar media banda). Con MCS 0: 6,5 Mbit/s y 2 s por megabyte. Con 4 flujos, 40 MHz y 400 ns: 600 Mbit/s, el máximo de 802.11n, solo para un router o una PC.
3. En la herramienta 3, con −67 dBm (20 MHz, un flujo, margen 5 dB): MCS 3, 16-QAM 1/2, 26 Mbit/s y unos 15,6 reales; la señal es «buena». Con −50 dBm: MCS 7, 65 Mbit/s. Con −75 dBm: MCS 0, 6,5 Mbit/s («justa»). Con −85 dBm: sin enlace utilizable. Con −50 dBm y 40 MHz: 135 Mbit/s con 800 ns.
4. Subí el margen a 15 dB con −67 dBm: el enlace baja al MCS 0 (necesita −67 dBm exactos): un margen mayor da una conexión más estable y más lenta.
5. En la herramienta 4, con los valores iniciales: escaneo de 1560 ms, conexión completa de 2,20 s, rápida de 0,64 s, 0,0611 mAh y 0,0178 mAh por conexión. Con 24 conexiones por día: 1,47 mAh frente a 0,43 mAh, y una reducción del 71 %. Poné DHCP en 0 (IP estática): la conexión completa baja a 1,70 s y la rápida a solo 0,14 s: un ahorro del 92 %.
6. En la herramienta 5, con los valores iniciales: SSID de 10 bytes, WPA2-PSK, canal 6 (2437 MHz), 4 clientes, 192.168.4.1; softAP() devolvería true. Con la contraseña 1234: inválida (4 caracteres). Con la contraseña vacía: funciona, pero es una red abierta. Con un SSID de 17 «ñ»: 34 bytes, excede los 32. Con el canal 14 o 11 clientes: inválido.

12 · Comprensión

Confusiones frecuentes

13 · Práctica guiada

Predecí antes de comprobar

1. Elegir canales

Tres redes vecinas usan los canales 2, 5 y 6. Con señales de 20 MHz, ¿cuánto se solapan 2 y 5, y 2 y 6?

2. Velocidad del 802.11n

¿Cuál es la velocidad de la capa física con MCS 5 (64-QAM 2/3), un flujo, 40 MHz y 800 ns? ¿Y de datos reales al 50 %?

3. Dos flujos

Un router tiene dos antenas (2 flujos) y habla con un teléfono en MCS 15, que equivale al MCS 7 con dos flujos, a 20 MHz y 400 ns. ¿A qué velocidad?

4. Señal y modulación

El ESP32 mide −72 dBm contra su punto de acceso (20 MHz, un flujo, margen 5 dB). ¿Qué MCS puede sostener?

5. Costo de conectar

Un nodo con radio de 120 mA escanea 11 canales a 100 ms, y luego gasta 30 ms en asociarse, 80 ms en el handshake y 400 ms en DHCP. Se conecta cada 10 minutos. ¿Cuánto cuesta por día con conexión completa y con conexión rápida?

6. Bytes de un SSID

¿Cabe «Sensores-Planta-Alta-ñandú-1» como SSID? ¿Y 17 «ñ» seguidas?

7. Misma clave, otra red

Dos redes, «casa» y «oficina», usan la misma contraseña. ¿Tienen la misma clave maestra? Con 8 letras minúsculas al azar y un atacante que prueba un millón de frases por segundo, ¿cuánto tarda en agotar todas las combinaciones?

14 · Síntesis

Ideas para recordar

¿Listo para el siguiente tema?

Antes de avanzar, explicá por qué los canales 1, 6 y 11 son la elección habitual y por qué un solape parcial es peor que compartir el canal; enumerá, en orden, las etapas de una conexión y cuál se puede evitar con una IP fija y cuál con el canal guardado; y decidí cómo harías que un producto sin pantalla reciba el SSID y la clave de la casa del usuario (aprovisionamiento por punto de acceso). Si podés justificar las tres respuestas, entendés cómo se une un dispositivo a una red Wi-Fi.

En el próximo tema llevamos esto a proyectos reales: cómo mantener la conexión cuando el router se reinicia, cómo servir una página web y usar WebSocket desde el microcontrolador, cuánto cuesta el Wi-Fi en energía y cómo se guarda y se protege la clave con WPA2.