Анализ возможностей использования беспроводных технологий при разработке программных модулей компьютерных систем

Аннотация

Габибов Р.Ю., Николаенко Д.В. Анализ возможностей использования беспроводных технологий при разработке программных модулей компьютерных систем. В статье приведён анализ современных беспроводных технологий при проектировании и разработке программных модулей компьютерных систем с использованием операционной системы Android.

Общая постановка проблемы

Анализ принципов функционирования мобильных операционных систем позволил сделать выводы о том, что многозадачность и чёткая структура являются одним из преимуществ для разработки приложений, а чрезвычайная распространённость платформы Android, поддержка её большинством переносных и мобильных устройств позволило окончательно сделать выбор в пользу данной платформы, как базовой для построения программного обеспечения.

С этой целью в работе этого необходимо исследовать доступные персональные сети, которые могут работать в рамках ОС Android, и при этом будут соответствовать условиям, которые позволят стабильно функционировать программным модулям компьютерных систем.

Анализ последних исследований и публикаций

Изучению вышеуказанных проблем посвящены труды В.Г. Олифер и Н.А. Олифер [3], Д. Гейнера [2] и др. Проанализировав данные работы, выяснилось, что требуется дальнейшее исследование проблемы, связанной с адаптацией современных беспроводных технологий к отечественным условиям мобильных и программных структур.

Целью исследования являются теоретические основы проектирования программных модулей компьютерных систем на базе операционной системы Android.

Изложение основного материала.

Прежде, чем перейти к разработке сопряжения посредством использования одной из распространённых технологий персональных сетей – стоит отметить, что рассматриваемые варианты прошли испытание временем, и каждая из них обладает характерными и незаменимыми свойствами.

Типичным примером PAN (Personal Area Network) является беспроводное соединение вычислительного устройства с периферийными, такими как принтер, наушники, мышь или клавиатура. В свою очередь мобильные телефоны также используют технологию PAN для соединения со своей периферией (чаще всего это наушники), а также с компьютером своего владельца. Последние годы некоторые марки наручных часов также стали поддерживать технологию PAN, превращаясь в универсальные устройства с функциями PDA.

Персональные сети должны обеспечивать как фиксированный доступ, например, в пределах дома, так и мобильный, когда владелец устройств PAN перемещается вместе с ними между помещениями или городами.

Более того, стоит уделить внимание особенностям топологий организации сети, которые используются в современных стандартах беспроводной передачи информации. Так в сетях с применением технологий Bluetooth и Wi-Fi сетевое взаимодействие идёт через центральный шлюз, и в случае его выхода из строя обмен данными станет невозможным. На рисунке 1 представлена схема организации топологий различных беспроводных сетей (рис.1)[1].

Учитывая особенности топологий сетей и удобство применения при проектировании программных модулей для различных компьютерных систем, то стоит выделить 2 основные технологии – Wi-Fi и Bluetooth, на которых и остановимся более детально.

Стоит отметить, что Wi-Fi – это название торговой марки компании Wi-FiAlliance для беспроводных сетей на базе стандарта IEEE 802.11. Технология Wi-Fi постоянно совершенствуется, что позволяет передавать больший поток данных, обеспечивает более надёжную связь и защиту. В последнее время Wi-Fi технологии обеспечиваются в ноутбуках, мобильных телефонах, КПК, игровых приставках и даже в компьютерных мышках.

Принцип работы данной беспроводной сети построен на использовании радиоволн, а сам обмен данными во многом напоминает переговоры с использованием радиосвязи – адаптер беспроводной связи трансформирует информацию в радиосигнал и передаёт его в эфир через антенну.

Беспроводной маршрутизатор или роутер принимает и делает обратное преобразование сигнала. Далее информация направляется в сеть Интернет по кабелю.

Подобный принцип используется и при приёме информации. После получения информации из Интернета маршрутизатор преобразует её в радиосигнал и отправляет через антенну на адаптер беспроводной связи устройства.

Отличие устройств Wi-Fi от аналогичных устройств состоит в том, что они используют частоты 2,4 ГГц или 5 ГГц, которые существенно выше, что позволяет передавать больше данных.

На данный момент используется несколько модификаций стандарта 802.11:

• Стандарт 802.11a предусматривает передачу данных на частоте 5 ГГц со скоростью до 54 Мбит/сек. Используется мультиплексирование с ортогональным разделением частот (orthogonal frequency-division multiplexing OFDM) и более эффективный алгоритм кодирования, предусматривающий разбиение исходного сигнала на несколько подсигналов на стороне передатчика, что уменьшает воздействие помех.
• Стандарт 802.11g работает в диапазоне 2,4 ГГц и обеспечивает значительно большую скорость передачи информации – до 54 мегабит в секунду. В связи с перегрузками сети реальная скорость, как правило, не превышает 24 мегабит в секунду. Увеличение скорости стало возможным благодаря использованию такого же принципа кодирования OFDM, который используется в 802.11a.
• Стандарт 802.11n, который получил наибольшее распространение и в котором существенно увеличена скорость обмена информацией (140 мегабит в секунду) и расширен частотный диапазон. Стандарт был утверждён Институтом инженеров по электротехнике и электронике IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) относительно недавно – 11 сентября 2009 года [2].

Как и у любой технологии Wi-Fi обладает рядом преимуществ и недостатков на фоне остальных. К преимуществам Wi-Fi относят возможность разворачивания сети без использования кабеля, что уменьшает стоимость дальнейшего расширения сети. Это крайне важно для места, где невозможно проложить кабель. Ещё одним достоинством данной беспроводной сети является возможность подключения в зоне действия Wi-Fi нескольких пользователей с различных устройств – телефонов, компьютеров, ноутбуков и т.п.

К недостаткам технологии относят частотный диапазон 2.4 GHz, используемый во многих других устройствах, например, в девайсах поддерживающим Bluetooth, а также в микроволновых печах, что может создавать определённые помехи при работе.

К тому же, в разных странах частотные диапазоны и эксплуатационные ограничения могут отличаться. Так, в некоторых европейских странах разрешено использование двух дополнительных каналов, в то время, как в США они запрещены. В Японии же используется ещё один канал в верхнем сегменте диапазона. В качестве примера эксплуатационных ограничений можно привести Россию, где точки беспроводного доступа и адаптеры Wi-Fi с мощностью излучения, превышающей 100 мВт подлежат обязательной регистрации.

Таким образом, можно сказать, что при использовании в качестве сопряжения персональной сети с технологией Wi-Fi разрабатываемый программный модуль потеряет в мобильности перемещения, т.к. необходимо будет находиться лишь в зоне действия маршрутизатора. Кроме того, существует вероятность наложения сигнала, что может помешать пользователю получить данные системы сбора и обработки информации окружающей среды.

Что же касается Bluetooth и его применения, то современные мобильные телефоны, наушники, ноутбуки, автомобили, медицинские аппараты и многое другое сложно представить без универсальной и одновременно недорогой технологии беспроводной передачи данных Bluetooth. Так как в нынешних реалиях все разработчики стараются применять мобильность своих компьютерных систем, то имеет смысл прибегнуть к технологии, которая есть в каждом устройстве и которая не потребует каких-то дополнительных загрузок от пользователя.

В основе технологии Bluetooth лежит объединение устройств в пикосети (piconet), которые представляют собой небольшие по количеству элементов и расстоянию между ними беспроводные сети передачи данных. Элементарная пикосеть – это два устройства с модулями Bluetooth, которые называются master (главный) и slave (ведомый). Причём master выполняет инициацию и поддержку функционирования соединения. Максимальное количество соединений для одного мастера – 7, а суммарная скорость передачи данных не превышает максимум для данной версии технологии. Функции master и slave жёстко не фиксируются за устройствами и в зависимости от загрузки могут меняться. Причём, в зависимости от структуры пикосети устройство в разных соединениях может выполнять разные роли, а также может быть в качестве slave для разных master.

Технология Bluetooth использует частотный диапазон 2.402-2.480 ГГц. При этом, в одном пространстве различные пикосети работают на одной частоте, не создавая помех друг для друга. Это стало возможным благодаря некоторым особенностям технологии Bluetooth. Во-первых, любое устройство начинает работу в пикосети с минимальной мощностью (1 мВт), что позволяет предотвратить возникновение интерференционных помех с уже работающими устройствами. В процессе работы мощность может постепенно возрастать до 3 Вт, увеличивая радиус взаимодействия до 100 метров. Во-вторых, в технологии Bluetooth на радио интерфейсе используется принцип размазывания спектра посредством перескоков по частоте (spread-spectrumfrequencyhopping), суть которого состоит в разделении доступного спектра частот на 79 подканалов. Коммутируемые устройства за секунду меняют частоту по определённому алгоритму 1600 раз. Это сводит к минимуму вероятность того, что одновременно несколько активных соединения будут работать на одной частоте. Но, даже если это и случится, такая накладка легко устраняется при помощи повтора пакета или алгоритма коррекции ошибок [3].

Немаловажным преимуществом при разработке мобильных про-граммных модулей является тот фактор, что Bluetooth обладает низ-ким энергопотреблением, а также относительную универсальность, которая проявляется следующим образом – при установке соединения и сопряжении устройств не важен тип устройства, определяющим является лишь поддерживаемый профиль.

Ну а главным недостатком сети Bluetooth является обеспечиваемый уровень безопасности. Слабость защиты Bluetooth вызвана тем, что в этой технологии делается сильный упор на распознавание устройств для безопасного обслуживания, а также на контроль устройств с Bluetooth и их конфигурацией. Данная беспроводная сеть не предлагает никакого средства опознания пользователя, что делает их особенно уязвимыми к так называемым spoofing-нападениям и радиодезинформации. Может возникнуть ситуация, когда злоумышленник перехватит передачу процесса сопряжения устройств и тем самым он получит ключ инициализации.

Таким образом, рассмотрев различные варианты обмена данными с использованием современных технологий при помощи персональных сетей хотелось бы отметить, что каждый разработчик при проектировании программного модуля компьютерной системы должен подбирать организацию беспроводной передачи данных исходя из технических характеристик аппаратной части КС.

Кроме того, разработчик должен учитывать масштабируемость и универсальность системы, чтобы конечный пользователь, потребитель – не нуждался в установке какого-то дополнительного ПО для использования разработанного программного модуля.

Список использованной литературы

1. Габибов Р.Ю., Николаенко Д.В. «Исследование персональных сетей при проектировании компьютерных систем» / Компьютерная инженерия. Сборник конференции — с. 626-630

2. Гейнер, Д. Беспроводные сети. – Вильяме, 2005. – стр.90

3. Олифер, В.Г. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы / В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. – Питер, 2010. – стр.285