Колеников Дмитрий Николаевич

Факультет компьютерных информационных технологий и автоматики

Кафедра автоматики и телекоммуникаций

Специальность Инфокоммуникационные технологии и системы связи

Исследование показателей качества обслуживания в локальных беспроводных сетях

Научный руководитель: Доцент кафедры АТ, к.т.н., доцент Червинский В.В.

Исследование показателей качества обслуживания в локальных беспроводных сетях

Содержание

• Введение
  
• 1. Актуальность темы
  
• 2. Цель и задачи исследования
  
• 3. Выбор архитектуры сети
  
• 3.1 Автономные точки доступа
  
• 3.2 Управление сетью с помощью контроллера
  
• 3.3 Интеллектуальные точки доступа – Wi–Fi–mesh
  
• 4. Mesh–протоколы
  
• 4.1 Сравнение протоколов
  
• Выводы
  
• Список источников

Введение

Последнее десятилетие характеризуется бурным развитием беспроводных сетей передачи информации. В первую очередь это относится к сетям локального и городского масштаба, где применение беспроводных технологий обеспечивает гибкость архитектуры сети, включая поддержку мобильности, быстроту проектирования и низкие затраты на реализацию. Рост числа пользователей беспроводных сетей, а даже объёмов передаваемых данных обусловил появление новых высокоскоростных технологий. За десять лет скорость передачи в локальных и городских беспроводных сетях выросла с 1–2 Мбит/с до 50–70 Мбит/с. В скором времени ожидается появление устройств беспроводного доступа со скоростями до 500 Мбит/с. На сегодняшний день наиболее популярными технологиями построения высокоскоростных локальных и городских беспроводных сетей являются WiFi (стандарт IEEE 802.11) и WiMAX (стандарт IEEE 802.16).

Современные беспроводные протоколы должны обеспечивать не только высокоскоростную передачу данных, но и качественную доставку голосовой и видеоинформации в условиях наличия электромагнитных помех, неизбежных в локальных и городских беспроводных сетях. Под качеством понимается достижение определенных показателей производительности и надежности при передаче информации по беспроводной сети. В последних версиях стандартов беспроводных сетей появился ряд механизмов поддержки качества обслуживания. Однако, требуется детальное исследование эффективности этих механизмов, для чего необходимо разработать новые методы оценки производительности и надежности передачи данных.

1. Актуальность темы

Эффективность функционирования любых сетей передачи данных в значительной мере зависит от реализованных в них алгоритмов сетевого уровня, то есть способа маршрутизации, приемов ограничения нагрузки, передачи служебной информации.

Общее количество даих алгоритмов достаточно велико, что вызвано разнообразием требований к информационному обмену, особенностями передаваемых потоков данных и возможностями аппаратного и программного обеспечения.

Каждому из протоколов присущи свои достоинства и недостатки. Можно с уверенностью констатировать тот факт, что, идеальных алгоритмов маршрутизации пока не создано, и по–видимому в обозримом будущем не ожидается их появление.

2. Цель и задачи исследования

Целью работы является исследование показателей качества беспроводных сетей стандарта IEEE 802.11. Необходимо провести сравнение архитектур построения сетей. Анализ существующих протоколов mesh–сетей и сравнение качественных показателей для выбора оптимального для построения определенных задач.

Основные задачи исследования:

1. Выбор архитектуры
2. Анализ существующих протоколов
3. Сравнение протоколов
4. Моделирование работы протоколов
5. Моделирование на конкретном примере

3. Выбор архитектуры сети

Проведен анализ существующих методов построения архитектуры сети.

3.1 Автономные точки доступа

В случае Автономной архитектуры сети Wi–Fi решение представляет собой набор несвязанных точек доступа, каждая из которых конфигурируется и обслуживается независимо. Поэтому сложность обслуживания сети, построенной подобным образом, растет линейно, а порой и экспоненциально, с ростом количества устройств. Отсюда сети с автономной архитектурой, как правило, давно не проектируют большими. Обычно это не более 3–5 Точек Доступа Wi–Fi. Здесь существуют некоторые исключения, которые облегчают создание чуть более масштабных сетей, например, технология кластеризации точек доступа. Но даая архитектура в любом случае не имеет полноценного управления радиоресурсами да как нет единого центра. Все сводится к упрощению задачи конфигурирования сети Wi–Fi.

Некоторым развитием автономной архитектуры явились псевдо–централизованные решения, в которых в относительно небольшой группе точек доступа одна из группы выделяется как контроллер данной группы. По сути даой мини–контроллер может выполнять многие функции полноценного контроллера сети стандарта Wi–Fi. Но не надо забывать, что один и тот же процессор типовой точки доступа выполняет как собственно задачи беспроводного доступа, да и задачи контроля радиоресурсов, безопасности, интерференции всей группы точек доступа. Масштабирование даих решений, конечно, невелико.

3.2 Управление сетью с помощью контроллера

Сразу необходимо отметить, что Wi–Fi контроллер не является маршрутизатором. Это устройство администрирования сети и, как следует из названия, беспроводными точками доступа. При этом специальное граничное устройство, обеспечивающее защиту самого контроллера и возможность пользователей выйти в публичную сеть, носит название маршрутизатор или межсетевой экран.

Возможность создания масштабных беспроводных Wi–Fi – сетей, обеспечение удобства и безопасности их администрирования – все это возможно, благодаря архитектуре сети с использованием Wi–Fi–контроллера.

Основные функции Wi–Fi контроллера

даие базовые функции, как автоматический поиск, настройка Wi–Fi точек доступа, обновление программного обеспечения подключенных точек доступа берет на себя именно Wi–Fi контроллер.

У контроллера есть возможность выступать в роли DHCP сервера, выполняя автоматизированную выдачу IP–адресов. даже он анализирует диапазон Wi–Fi–сетей, автоматически регулируя мощность всех беспроводных точек доступа, время от времени обновляя данные о радиоэфире.

3.3 Интеллектуальные точки доступа – Wi–Fi–mesh

Mesh–сети – это ячеистые сети.

Mesh системы состоят из модулей. Все модули в Mesh системах одинаковые и равны между собой. Там нет главного устройства, к которому подключаются дополнительные модули. И основная отличие в том, что эти модули (в рамках одной системы) могут очень быстро соединяться между собой по беспроводной сети и раздавать Wi–Fi на большие участки. Мы можем поставить один модуль, и его работа, в принципе, ничем не будет отличаться от работы обычного Wi–Fi роутера. Но если нам необходимо, мы ставим еще один точно даой же модуль, включаем его в розетку, и буквально за 30 секунд они соединяются между собой и начинают работать в паре.

Большой радиус действия Wi–Fi сети. Именно за счет модульной системы. Например, мы установили один модуль какой–то Wi–Fi–Mesh системы, и оказалось, что у вас в дальних комнатах, на других этажах, во дворе, в гараже, или еще где–то не ловит Wi–Fi. Мы просто покупаем еще один, или несколько модулей и включаем их в зоне стабильного приема сигнала от первого модуля. Они соединяться и расширяют Wi–Fi сеть. Их работа отличается от пары Wi–Fi роутер + репитер.

Добавляем модули – расширяем Wi–Fi сеть. И что самое важное, без потери скорости, производительности, сбоев в работе и т. д. Эти устройства созданы для этого, поэтому, все работает очень стабильно. Более того, если один из модулей вылетает из сети, то система автоматически восстанавливает соединение подключаясь через другие модули.

Бесшовный Wi–Fi. Wi–Fi Mesh системы создают настоящую бесшовную Wi–Fi сеть. Сеть действительно одна в радиусе действия всех установленных модулей. Когда вы перемещаетесь по дому, или по квартире, то устройство подключается к модулю с лучшим сигналом. И что самое главное, в момент переключения на другой модуль, соединение с интернетом не пропадает. Даже если вы общаетесь через какой–то мессенджер, то обрывов не будет. Загрузка файлов не будет прерываться.

Высокая скорость Wi–Fi сети и стабильное соединение. Все новые Wi–Fi Mesh системы двух, или трехдиапазонные. С поддержкой стандарта AC. Они раздают Wi–Fi сеть на частоте 2.4 ГГц и 5 ГГц.

Когда роутера недостаточно (в плане покрытия Wi–Fi сети), самое оптимальное решение – установка репитера. Можно использовать другой роутер, который может работать в режиме усиления Wi–Fi сети, или дополнительные точки доступа, которые подключаются к главному роутеру по кабелю, что не всегда удобно. Обычный репитер тоже клонирует настройки основной Wi–Fi сети, и беспроводная сеть у нас как будто одна, но в связке роутер + репитер есть два больших минуса, по сравнению с модульными Wi–Fi сетями.

1. Репитер режет скорость примерно в половину. А если установлено два репитера или больше? Модули Mesh систем соединяются между собой без потери скорости. Ну и если вы пользовались Wi–Fi сетью в которой есть репитеры, то, наверное, знаете, насколько это нестабильная сеть. Репитеры могут отключаться, терять соединение с основной сетью, или создавать проблемы при подключении устройств.
2. Репитеры не создают бесшовную Wi–Fi сеть. Построить настоящую бесшовную Wi–Fi сеть можно только с помощью Wi–Fi Mesh системы. Да, после установки обычного репитера на устройствах отображается одна Wi–Fi сеть. Но в момент, когда устройство переключается между роутером и репитером – подключение разрывается и на некоторое время теряется соединение с интернетом. Переключение между модулями Mesh системы происходит без разрывов соединения.

4. Mesh–протоколы

В настоящее время mesh–сети переживают период бурного развития. Появляются новые протоколы маршрутизации, усовершенствуются старые.

Причем разработки ведутся как крупными компаниями, да и группами энтузиастов. В mesh–сетях преобладают два подхода к маршрутизации –проактивный и реактивный. Существуют и довольно эффективные гибридные схемы.

Чтобы понимать преимущества сетей с ячеистой топологией, необходимо сравнивать их с одноузловыми (single–hop) сетями. Например, в традиционных беспроводных сетях стандарта 802.11 несколькими клиентами идет подключение для прямого соединения с точкой доступа. Подобные сети называют одноузловыми. Для многоузловой сети любые устройства с возможностями беспроводной связи способны работать как маршрутизатор, да и точка доступа.

В случае, когда несколькими устройствами в одноузловой сети есть попытки одновременным образом использовать сеть, могут появляться виртуальные «заторы», которые замедляют ее работу. Как противоположный случай для сетей ячеистой топологии много устройств могут иметь подключение одновременным образом через разные узлы, но характеристики производительности сети не обязательно будут ухудшаться. Для более коротких расстояний передачи данных в сети с ячеистой топологией есть возможности уменьшения влияния помех и осуществления одновременной передачи по пространственно разделенным потокам информации. В таблице 1. представлены отличия традиционных WLAN и mesh–сетей.

Таблица 1 – Отличия традиционных WLAN и Mesh–сетей.

Ещё одним важным отличием mesh–сетей от других типов беспроводных сетей является её топология. Как уже было сказано, mesh–сети имеют иерархическую структуру, и этим они являются уникальными в своём роде. В mesh–сетях используется три уровня:

• Первый уровень – абонентские терминалы стационарного и мобильного исполнения;
• Второй уровень – беспроводные маршрутизаторы, обеспечивающие необходимую зону покрытия при требуемой скорости. Обеспечивают транспорт и маршрутизацию потоков между абонентскими устройствами и точкой входа в наземную опорную сеть;
• Третий уровень – беспроводные точки доступа, обеспечивающие соединение беспроводного сегмента с наземной опорной сетью и даже маршрутизацию потоков.

Высокая мобильность mesh–сетей позволяет их использовать в специфических ситуациях, например, для создания системы связи между ключевыми объектами городской инфраструктуры. Достоинства даой реализации очевидны: все мобильные объекты имеют возможность быть на связи независимо от их местоположения, скорости передвижения и да далее. А быстрое оповещение в даой сети обеспечит быстрое реагирование, а соответственно и более высокий уровень безопасности.

4.1 Сравнение протоколов

В нынешнее время самые популярные протоколы для организации Wi–Fi Mesh сетей это:

• B.A.T.M.A.N.
• cjdns
• Yggdrasil
• Netsukuku
• Hyperboria
• DTN
• OSPF

Таблица 2 – Сравнение Mesh протоколов.

• Авто–назначение адреса – клиент сам выбирает себе адрес и может не менять его, переходя из одной под сети в другую, нет единого центра выдачи адресов
• Авто–конф. Маршрутизация – нет необходимости вручную настраивать маршрутизацию в сети
• Распределенная маршрутизация – узлы обмениваются информацией о маршрутизации
• Объединение сетей – умеет объединять сети через обычный интернет
• IPv4/v6 – по какому протоколу работает сеть
• Авто–настройка – позволяет пользоваться сетью без установки какого–либо другого ПО
• Разработка – статус разработки сети
• Поддержка OS – какие операционные системы могут быть полноценными участниками сети

Выводы

В данной работе был проведен анализ архитектуры построения Wi–Fi сетей. Анализ протоколово маршрутизации используемых для построения Mesh сетей. Произведено сравнение протоколов.

Примечание

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Планируемы срок завершения работы: май 2020 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

1. Дружинин М.А. Характеристики протоколов маршрутизации MESH сетей [Текст] / Дружинин М.А. // Моделирование, оптимизация и информационные технологии. Научный журнал. – 2015. – № 2(9).
2. Wireless mesh network https://en.wikipedia.org/...
3. Протокол маршрутизации OSPF http://ciscotips.ru/...
4. Cjdns – немного теории и практики http://netwhood.online/...
5. Крылов Б.А., Курников А.Е. Задачи обеспечения качества передачи информации в DTN сетях [Текст] / Крылов Б.А., Курников А.Е. // Научно–технический вестник Санкт–Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. – 2011. – № 3(73). – С. 102–105.
6. Хоров Е.М. Анализ эффективности механизмов доставки потоковых данных с заданными требованиями к качеству обслуживания в самоорганизующихся беспроводных сетях [Текст]: дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук (05.12.13) / Хоров Е.М. // Ин–т проблем передачи информации РАН. – Москва, 2012. – 142 с.: ил. РГБ ОД, 61 12–5/2503
7. Глазунов В.В., Курочкин М.А. Программно–аппаратный стенд моделирования протоколов динамической маршрутизации сетевого уровня в мобильной гетерогенной сети [Текст] / Глазунов В.В., Курочкин М.А. // Научно–технические ведомости СПбГПУ. Информатика. Телекоммуникации. Управление. – 2014. № 4(200). – С. 29–40
8. Денисенко В.В. Компьютерное управление технологическим процессом, экспериментом, оборудованием [Текст] / Денисенко В.В. – Москва: Горячая линия–Телеком, 2009. – 608 с.