Коленіков Дмитро Миколайович

Факультет комп'ютерних інформаційних технологій і автоматки

Кафедра автоматики і телекомунікацій

Спеціальність Інфокоммунікаційні технології та системи зв'язку

Дослідження показників якості обслуговування в локальних бездротових мережах

Науковий керівник: Доцент кафедри АТ, к.т.н., доцент Червінський В.В.

Дослідження показників якості обслуговування в локальних бездротових мережах

Зміст

• Вступ
  
• 1. Актуальність теми
  
• 2. Ціль та задачі дослідження
  
• 3. Вибір архітектури мережі
  
• 3.1 Автономні точки доступу
  
• 3.2 Управління мережею за допомогою контролера
  
• 3.3 Інтелектуальні точки доступу – Wi–Fi–mesh
  
• 4. Mesh–протоколи
  
• 4.1 Порівняння протоколів
  
• Висновки
  
• Перелік посилань

Вступ

Впродовж останнього десятиріччя характеризується бурхливим розвитком бездротових мереж передачі інформації. В першу чергу це відноситься до мереж локального і міського масштабу, де застосування бездротових технологій забезпечує гнучкість архітектури мережі, включаючи підтримку мобільності, швидкість проектування і низькі витрати на реалізацію. Зростання числа користувачів бездротових мереж, а також обсягів переданих даних зумовив появу нових високошвидкісних технологій. За десять років швидкість передачі в локальних і міських бездротових мережах зросла з 1–2 Мбіт/с до 50–70 Мбіт/с. Незабаром очікується поява пристроїв бездротового доступу зі швидкостями до 500 Мбіт/с. На сьогоднішній день найбільш популярними технологіями побудови високошвидкісних локальних і міських бездротових мереж є Wi–Fi (стандарт IEEE 802.11) і WiMAX (стандарт IEEE 802.16).

Сучасні бездротові протоколи повинні забезпечувати не тільки високошвидкісну передачу даних, але і якісну доставку голосової і відеоінформації в умовах наявності електромагнітних завад, неминучих в локальних і міських бездротових мережах. Під якістю розуміється досягнення певних показників продуктивності і надійності при передачі інформації по бездротовій мережі. В останніх версіях стандартів бездротових мереж з'явився ряд механізмів підтримки якості обслуговування. Однак, ще потребує детального вивчення ефективності цих механізмів, для чого необхідно розробити нові методи оцінки продуктивності і надійності передачі даних.

1. Актуальність темі

Ефективність функціонування будь-яких мереж передачі даних в значній мірі залежить від реалізованих в них алгоритмів мережевого рівня, тобто способу маршрутизації, прийомів обмеження навантаження, передачі службової інформації.

Загальна кількість таких алгоритмів досить велике, що викликано різноманітністю вимог до інформаційного обміну, особливостями переданих потоків даних і можливостями апаратного та програмного забезпечення.

Кожному з протоколів притаманні свої переваги і недоліки. Можна з упевненістю констатувати той факт, що, ідеальних алгоритмів маршрутизації поки не створено, і мабуть в осяжному майбутньому не очікується їх поява.

2. Ціль та задачі дослідження

Метою роботи є дослідження показників якості бездротових мереж стандарту IEEE 802.11. Необхідно провести порівняння архітектур побудови мереж. Аналіз існуючих протоколів mesh-мереж і порівняння якісних показників для вибору оптимального для побудови певних завдань.

Основні задачі:

1. Вибір архитектури
2. Аналіз існуючих протоколів
3. Порівняння протоколів
4. Моделювання роботи протоколів
5. Моделювання на конкретному прикладі

3. Вибір архитектури

Проведено аналіз існуючих методів побудови архітектури мережі.

3.1 Автономні точки доступу

У разі Автономної архітектури мережі Wi–Fi рішення являє собою набір незв'язаних точок доступу, кожна з яких конфігурується і обслуговується незалежно. Тому складність обслуговування мережі, побудованої подібним чином, зростає лінійно, а часом і експоненціально, зі зростанням кількості пристроїв. Звідси мережі з автономної архітектурою, як правило, давно не проектують великими. Зазвичай це не більше 3–5 Точок Доступу Wi–Fi. Тут існують деякі винятки, які полегшують створення трохи більше масштабних мереж, наприклад, технологія кластеризації точок доступу. Але така архітектура в будь-якому випадку не має повноцінного управління радиоресурсами і тп, тому що немає єдиного центру. Все зводиться до спрощення завдання конфігурації мережі Wi–Fi.

Деяким розвитком автономної архітектури з'явилися псевдо-централізовані рішення, в яких у відносно невеликій групі точок доступу одна з групи виділяється як контролер даної групи. По суті такий міні-контролер може виконувати багато функцій повноцінного контролера мережі стандарту Wi–Fi. Але не треба забувати, що один і той же процесор типовий точки доступу виконує як власне завдання бездротового доступу, так і завдання контролю радіоресурсів, безпеки, інтерференції всієї групи точок доступу. Масштабування таких рішень, звичайно, невелика.

3.2 Управління мережею за допомогою контролера

Відразу необхідно зазначити, що Wi–Fi контролер не є маршрутизатором. Це пристрій адміністрування мережі і, як випливає з назви, бездротовими точками доступу. При цьому спеціальне граничне пристрій, що забезпечує захист самого контролера і, накінець, можливість вийти в публічну мережу, носить назву маршрутизатор або міжмережевий екран.

Можливість створення масштабних бездротових Wi–Fi–мереж, забезпечення зручності та безпеки їх адміністрування – все це можливо, завдяки архітектурі мережі з використанням Wi–Fi–контролера.

Основні функції Wi–Fi контролера

Такі базові функції, як автоматичний пошук, настройка Wi–Fi точок доступу, оновлення програмного забезпечення підключених точок доступу бере на себе саме Wi–Fi контролер.

У контролера є можливість виступати в ролі DHCP сервера, виконуючи автоматизовану видачу IP–адрес. Також він аналізує діапазон Wi–Fi–мереж, автоматично регулюючи потужність всіх бездротових точок доступу, час від часу оновлюючи дані про радіоефір.

3.3 Інтелектуальні точки доступу – Wi–Fi–mesh

Mesh системи складаються з модулів. Всі модулі в Mesh системах однакові і рівні між собою. Там немає головного пристрою, до якого підключаються додаткові модулі. І основна відмінність в тому, що ці модулі (в рамках однієї системи) можуть дуже швидко з'єднуватися між собою по бездротовій мережі і роздавати Wi–Fi на великі ділянки. Ми можемо поставити один модуль, і його робота, в принципі, нічим не буде відрізнятися від роботи звичайного Wi–Fi роутера. Але якщо нам необхідно, ми ставимо ще один такий самий модуль, включаємо його в розетку, і буквально за 30 секунд вони з'єднуються між собою і починають працювати в парі.

Великий радіус дії Wi–Fi мережі. Саме за рахунок модульної системи. Наприклад, ми встановили один модуль якийсь Wi–Fi Mesh системи, і виявилося, що у вас в далеких кімнатах, на інших поверхах, у дворі, в гаражі, або ще десь не ловить Wi–Fi. Ми просто купуємо ще один, або кілька модулів і включаємо їх в зоні стабільного прийому сигналу від першого модуля. Вони з'єднуватися і розширюють Wi–Fi мережу. Їх робота відрізняється від пари Wi–Fi роутер + ретрансляція.

Додаємо модулі – розширюємо Wi–Fi мережу. І що найважливіше, без втрати швидкості, продуктивності, збоїв в роботі і так далі. Ці пристрої створені для цього, тому, все працює дуже стабільно. Більш того, якщо один з модулів вилітає з мережі, то система автоматично відновлює з'єднання підключаючись через інші модулі.

Безшовний Wi–Fi. Wi–Fi Mesh системи створюють справжню безшовну Wi–Fi мережу. Мережа дійсно одна в радіусі дії всіх встановлених модулів. Коли ви переміщується по дому, або по квартирі, то пристрій підключається до модуля з найкращим сигналом. І що найголовніше, в момент перемикання на інший модуль, з'єднання з інтернетом не пропадає. Навіть якщо ви спілкуєтеся через якийсь месенджер, то обривів не буде. Завантаження файлів не буде перериватися.

Висока швидкість Wi–Fi мережі і стабільне з'єднання. Всі нові Wi–Fi Mesh системи двох, або трьохдіапазонні. З підтримкою стандарту AC. Вони роздають Wi–Fi мережу на частоті 2.4 ГГц і 5 ГГц.

Коли роутера недостатньо (в плані покриття Wi–Fi мережі), найоптимальніше рішення – установка репитера. Можна використовувати інший роутер, який може працювати в режимі посилення Wi–Fi мережі, або додаткові точки доступу, які підключаються до головного роутера по кабелю, що не завжди зручно. Звичайний ретрансляція теж клонує встановлення основної Wi–Fi мережі, і бездротова мережа у нас начебто одна, але в зв'язці роутер + ретрансляція є два великих мінуса, в порівнянні з модульними Wi–Fi мережами.

1. Репитер ріже швидкість приблизно в половину. А якщо встановлено два репитера або більше? Модулі Mesh систем з'єднуються між собою без втрати швидкості. Ну і якщо ви користувалися Wi–Fi мережею в якій є репітери, то, напевно, знаєте, наскільки це нестабільна мережу. Репітери можуть відключатися, втрачати з'єднання з основною мережею, або створювати проблеми при підключенні пристроїв.
2. Репітери не створюють безшовну Wi–Fi мережу. Побудувати справжню безшовну Wi–Fi мережу можна тільки за допомогою Wi–Fi Mesh системи. Так, після установки звичайного репитера на пристроях відображається одна Wi–Fi мережу. Але в момент, коли пристрій перемикається між роутером і репитером – підключення розривається і на деякий час втрачається з'єднання з інтернетом. Перемикання між модулями Mesh системи відбувається без розривів з'єднання.

4. Mesh–протоколи

В даний час mesh–мережі переживають період бурхливого розвитку. З'являються нові протоколи маршрутизації, вдосконалюються старі.

Причому розробки ведуться як великими компаніями, так і групами ентузіастів. У mesh–мережах переважають два підходи до маршрутизації проактівний і реактивний. Існують і досить ефективні гібридні схеми.

Щоб розуміти переваги мереж з комірчастою топологією, необхідно порівнювати їх з одновузлових (single–hop) мережами. Наприклад, в традиційних бездротових мережах стандарту 802.11 декількома клієнтами йде підключення для прямого з'єднання з точкою доступу. Подібні мережі називають одновузлових. Для многоузловой мережі будь–які пристрої з можливостями бездротового зв'язку здатні працювати як маршрутизатор, так і точка доступу.

У разі, коли декількома пристроями в одноузловой мережі є спроби одночасним чином використовувати мережу, можуть з'являтися віртуальні затори, які уповільнюють її роботу. Як протилежний випадок для мереж комірчастої топології багато пристроїв можуть мати підключення одночасним чином через різні вузли, але наведені цифри щодо мережі не обов'язково будуть погіршуватися. Для більш коротких відстаней передачі даних в мережі з комірчастою топологією є можливості зменшення впливу перешкод і здійснення одночасної передачі по просторово розділеним потокам інформації. У таблиці 1. представлені відмінності традиційних WLAN і mesh–мереж.

Таблиця 1 – Відмінності традиційних Wlan і Mesh–мереж.

Ще однією важливою відмінністю mesh–мереж від інших типів бездротових мереж є її топологія. Як вже було сказано, mesh–мережі мають ієрархічну структуру, і цим вони є унікальними в своєму роді. У mesh–мережах використовується три рівні:

• Перший рівень – абонентські термінали стаціонарного і мобільного виконання;
• Другий рівень – бездротові маршрутизатори, що забезпечують необхідну зону покриття при необхідної швидкості. Забезпечують транспорт і маршрутизацію потоків між абонентськими пристроями і точкою входу в наземну опорну мережу;
• Третій рівень – бездротові точки доступу, що забезпечують з'єднання бездротового сегмента з наземної опорною мережею і також маршрутизацію потоків.

Висока мобільність mesh–мереж дозволяє їх використовувати в специфічних ситуаціях, наприклад, для створення системи зв'язку між ключовими об'єктами міської інфраструктури. Переваги такої реалізації очевидні: всі мобільні об'єкти мають можливість бути на зв'язку незалежно від їх місця розташування, швидкості пересування і так далі. А швидке оповіщення в такій мережі забезпечить швидке реагування, а відповідно і більш високий рівень безпеки.

4.1 Порівняння протоколів

У нинішній час найпопулярніші протоколи для організації Wi–Fi Mesh мереж це:

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

Таблица 2 – Порівняння Mesh протоколів.

• Авто–призначення адреси – клієнт сам вибирає собі адресу та може не міняти його, переходячи з однієї під мережі в іншу, немає єдиного центру видачі адрес
• Авто–конф. Маршрутизація – немає необхідності вручну налаштовувати маршрутизацію в мережі
• Розподілена маршрутизація – вузли обмінюються інформацією про маршрутизації
• Об'єднання мереж – вміє об'єднувати мережі через звичайний інтернет
• IPv4/v6 – за яким протоколом працює мережа
• Авто–настройка – дозволяє користуватися мережею без установки будь–якого іншого ПО
• Розробка – статус розробки мережі
• Підтримка OS – які операційні системи можуть бути повноцінними учасниками мережі

Висновки

У даній роботі був проведений аналіз архітектури побудови Wi–Fi мереж. Аналіз протоколово маршрутизації використовуваних для побудови Mesh мереж. Проведено порівняння протоколів.

Примітка

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Запланований термін завершення роботи: травень 2020 року. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Перелік посилань

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.