Аннотация
Габибов Р.Ю., Николаенко Д.В. Исследование персональных сетей при проектировании компьютерных систем. Выполнен анализ области применения технологии беспроводной передачи данных Bluetooth. Определены аспекты практического применения при проектировании КС. .
Общая постановка проблемы
В процессе проектирования компьютерных систем разработчики сталкиваются с проблемой приема-передачи различной информации. Таким образом, возникает необходимость исследования и анализа современных технологий для последующего применения в области компьютерной инженерии. Для реализации этого необходимо выполнить следующее:
- проанализировать распространенные технологии беспроводной передачи данных
- определить правила и требования, помогающие выбрать наиболее подходящий стандарт при проектировании КС
Цель статьи
Провести анализ современной технологии беспроводной передачи информации Bluetooth, и определить преимущества и недостатки исходя их способов последующего использования при проектировании компьютерных систем.
Анализ концепции беспроводной передачи данных
Сейчас можно говорить о том, что все распространенные технологии персональных сетей прошли испытание временем, и каждая из них обладает характерными незаменимыми свойствами. Типичным примером PAN 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.
Разработкой стандартов для беспроводных персональных сетей и координацией их с другими стандартами занимается рабочая группа IEEE по стандартам серии 802.15, которая в свою очередь состоит из следующих групп:
- 802.15.1. Рабочая группа 1, определяет стандарты на беспроводную персональную сеть, основанную на использовании спецификаций Bluetooth версии 1.1. В основе этой технологии с расширением спектра лежит скачкообразное изменение частоты (FHSS), скорость передачи не превышает 1 Мбит/с. Группа 802.15 опубликовала стандарт 802.15.1 в июне 2002 года; на его основе и осуществляется разработка Bluetooth-устройств.
- 802.15.2. Группа, отвечающая за разработку этого стандарта, Рабочая группа 2, дает практические рекомендации, способствующие сосуществованию сетей стандартов 802.15 и 802.11. Проблема состоит в том, что обе сети работают в одном и том же диапазоне 2,4 ГГц, поэтому координация между их работой жизненно необходима. Группа проводит оценку возможных помех и предлагает методы противодействия им.
- 802.15.3. Рабочая группа 3 работает над проектами новых стандартов на высокоскоростные беспроводные персональные сети. Скорость передачи может составлять 11, 22, 33, 44 и 55 Мбит/с. Наряду с этими повышенными скоростями передачи стандарты регламентируют применение механизмов обеспечения качества связи (QoS), что делает их хорошей основой для обеспечения работы мультимедийных приложений. Эта группа занимается также снижением стоимости и потребляемой мощности. Проект стандарта 802.15.3 уже готов для распространения.
- 802.15.4. Рабочая группа 4 работает над стандартами, предусматривающими низкую скорость передачи данных, но зато при экстремально низком энергопотреблении для малогабаритных устройств, рассчитанных на работу без замены батареи питания в течение месяцев и даже лет. Кандидатами на применение этой технологии могут быть всевозможные датчики, "умные" идентификационные жетоны и системы бытовой автоматизации. Скорость передачи данных составляет 20, 40 и 250 Кбит/с. Проект стандарта 802.15.4 уже можно приобрести. [1]
Определение правил и требований предъявляемых к персональным сетям
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.
Конечно, персональные сети во многом имеют общие свойства и частично схожи на локальные, но тем не менее у них есть и свои особенности:
- Многие из устройств, которые могут входить в персональную сеть, гораздо проще, чем традиционный узел LAN — компьютер. Кроме того, такие устройства обычно имеют небольшие габариты и стоимость. Поэтому стандарты PAN должны учитывать, что их реализация должна приводить к недорогим решениям, потребляющим небольшую энергию.
- Область покрытия PAN меньше области покрытия LAN, узлы PAN часто находятся на расстоянии нескольких метров друг от друга
- Высокие требования к безопасности. Персональные устройства, путешествуя вместе со своим владельцем, попадают в различное окружение. Иногда они должны взаимодействовать с устройствами других персональных сетей, например, если их владелец встретил на улице своего знакомого и решил переписать из его устройства PDA в свое несколько адресов общих знакомых. В других случаях такое взаимодействие явно нежелательно, так как может привести к утечке конфиденциальной информации. Поэтому протоколы PAN должны обеспечивать разнообразные методы аутентификации устройств и шифрования данных в мобильной обстановке
- При соединении малогабаритных устройств между собой желание избавиться от кабелей проявляется гораздо сильнее, чем при соединении компьютера с принтером или концентратором. Из-за этого персональные сети в гораздо большей степени, чем локальные, тяготеют к беспроводным решениям
- Если человек постоянно носит устройство PAN с собой и на себе, то оно не должно причинять вред его здоровью. Поэтому такое устройство должно излучать сигналы небольшой мощности, желательно не более 100 мВт (обычный сотовый телефон излучает сигналы мощностью от 600 мВт до 3 Вт).
Сегодня самой популярной технологией PAN является Bluetooth, которая обеспечивает взаимодействие 8 устройств в разделяемой среде диапазона 2,4 МГц со скоростью передачи данных до 723 Кбит/с. [2]
Также стоит уделить внимание особенностям топологий организации сети, которые используются в современных стандартах беспроводной передачи информации. Так в сетяхс применением технологий Bluetooth и Wi-Fi сетевое взаимодействие идет через центральный шлюз, и в случае его выхода из строя обмен данными станет невозможным. Кроме этого отдельные узлы могут остаться без связи, если неожиданно возникнет какая-то преграда на пути следования радиосигнала.
Что же касается сетей ZigBee и Thread, то в данных технологиях надежность связи повышается за счет наличия избыточных связей между устройствами. Все устройства, которые не уходят в спящий режим, выполняют роль роутеров, которые ответственны за маршрутизацию сетевого трафика, выбора оптимального маршрута следования и ретрансляцию пакетов. Даже если из строя выйдет устройство, которое выступало в качестве организатора сети, ZigBee-сеть продолжит функционировать дальше. Возникновение помехи или преграды, а также выход какого-либо из роутеров из строя не является критичным за счет наличия избыточных связей. Поэтому с введением дополнительных узлов, которые имеют стационарное питание и могут выполнять задачи роутера, сеть становится надежнее.
На рисунке 1 наглядно продемонстрировано применения различных топологий персональных сетей в различных технологиях.[3]
Рисунок 1 – Сетевые топологии WPAN
Достоинства и недостатки современных стандартов персональных сетей
Технология Bluetooth обеспечивает рабочие характеристики, сходные с таковыми беспроводных локальных сетей. За счет использования высокомощной версии Bluetooth производители в дальнейшем смогут предлагать точки доступа и маршрутизаторы Bluetooth с радиусом действия таким же, какой обеспечивают сети стандарта 802.11. Однако предлагаемые в настоящее время изделия Bluetooth имеют намного меньшую потребляемую мощность и ориентированы на выполнение функций, характерных для беспроводных персональных сетей. Кроме того, компьютерным системам, поддерживающим технологию Bluetooth, будет трудно завоевать существенную долю рынка, поскольку системы с использованием стандарта 802.11 уже достаточно широко распространены.
В чем уступает технология Bluetooth изделиям стандарта 802.11, так это в радиусе действия и производительности. Компоненты сетей 802.11 могут обеспечивать скорость передачи до 54 Мбит/с, Bluetooth — в лучшем случае 1 Мбит/с. Этого может оказаться вполне достаточно в большинстве случаев замены кабельных соединений, но для просмотра Web-технологий с использованием широкополосного соединения или создания корпоративной сети нужны более высокие характеристики. Кроме того, радиус действия устройств стандарта 802.11 в условиях ЛВС обычно составляет примерно 90 м (300 футов), что намного превышает возможности Bluetooth. Для организации беспроводной сети на основе технологии Bluetooth на достаточно обширной площади разработчикам КС необходимо будет развернуть слишком много точек доступа.
Выводы
Произведен анализ распространенных стандартов персональных сетей. Определены правила выбора подходящей технологии, в зависимости от предназначения разрабатываемой компьютерной системы. Проведена оценка качества и сравнение современных стандартов PAN. Результаты показали, что при проектировании КС с высоким уровнем надежности беспроводной передачи информации имеет смысл использовать технологию ZigBee или Thread. Если же более приоритетным фактором является скорость передачи данных, компактность и масштабируемость системы, то стоит прибегнуть к технологиям WiFi или Bluetooth . В результате, при наложении объектов, данные о полупрозрачности были утеряны.
Список использованной литературы
1. Книга Беспроводные сети. Автор: Джим Гейнер. Издательство: 2005, Вильяме.
2. Книга Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы, 4-е издание. Автор: Олифер В.Г., Олифер Н.А.. Издательство: 2010, Питер.
3. Блог компании «ЭФО» [электронный ресурс] // Хабрахабр: [сайт]. [2006-2017]. URL: https://habrahabr.ru/company/efo/blog/281048/