22
увеличить диапазон передаваемого сигнала, для чего несущая частота
меняется по псевдослучайному закону, и каждый пакет данных
передается на своей несущей частоте. При использовании FHSS
конструкция приемопередатчика получается очень простой, но этот метод
применим, только если пропускная способность не превышает 2 Мбит/с.
В основе способа DSSS лежит принцип фазовой манипуляции (то
есть передачи информации скачкообразным изменением начальной фазы
сигнала).
Для расширения диапазона передаваемого сигнала используется
преобразование передаваемой информации в так называемый код
Баркера, являющийся псевдослучайной последовательностью. На любой
передаваемый бит приходится 11 бит в последовательности Баркера.
Распознают прямую и инверсную последовательности Баркера. Из-
за большой избыточности при кодировке возможность того, что действие
помехи превратит прямую последовательность Баркера в инверсную,
близка к нулю. Единичные биты передаются прямым кодом Баркера, а
нулевые – инверсным.
IEEE потом дополнительно были разработаны способы модуляции,
которые в состоянии обеспечить наиболее высокие скорости передачи
данных [6]. Данный способ модуляции (ССК), в котором употребляется
64 кодовые слова. Внедрение техники CCK увеличил скорость передачи
данных до 5,5 и 11 Мбит соответственно. Также, разработаны виды
модуляции такие как OFDM и MIMO-OFDM. Что позволило увеличить
скорость передачи до 54 Мбит и более (рисунок 1.10).
Рисунок Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует..9
Модуляции на физическом уровне
1.9. Типы и разновидности соединений
23
В технологии беспроводного доступа Wi-Fi применяются
следующие типы соединений:
- соединение Ad-Hoc (точка-точка). Все компьютеры оснащены
беспроводными картами (клиентами) и соединяются впрямую друг с
другом по радиоканалу работающему по стандарту 802.11b и
обеспечивающих скорость обмена 11 Mбит/с, чего вполне достаточно для
обычной работы;
- инфраструктурное соединение. Все компьютеры оснащены
беспроводными картами и подключаются к точке доступа. Которая, в
свою очередь, имеет возможность подключения к проводной сети. Эта
модель используется когда нужно соединить более двух компьютеров.
Сервер с точкой доступа может выполнять роль роутера и самостоятельно
распределять интернет-канал (рисунок 1.11);
Рисунок Ошибка! Текст указанного стиля в документе
отсутствует..10 Инфраструктурное соединение
- точка доступа, с использованием роутера и модема. Точка доступа
включается в роутер, роутер – в модем (эти устройства могут быть
объединены в два или даже в одно). Теперь на каждом компьютере в зоне
действия Wi-Fi , в котором есть адаптер Wi-Fi, будет работать интернет;
- клиентская точка. В данном режиме точка доступа работает как
клиент и может соединятся с точкой доступа работающей в
инфраструктурном режиме. Но к ней можно подключить лишь один
МАС-адрес. Здесь задача заключается в том, чтобы соединить
исключительно два компьютера. Два Wi-Fi-адаптера могут работать
вместе напрямую без центральных антенн;
- соединение мост. Компьютеры объединены в проводную сеть. К
24
любой группе сетей подключены точки доступа, которые соединяются
друг с другом по радио каналу. Данный режим предназначен для
объединения двух и более проводных сетей. Подключение беспроводных
клиентов к точке доступа, работающей в режиме моста нереально
(рисунок 1.12);
Рисунок Ошибка! Текст указанного стиля в документе
отсутствует..11 Соединение мост
- соединение при помощи репитора. Точка доступа просто
расширяет радиус действия иной точки доступа, работающей в
инфраструктурном режиме.
1.10. Wi-Fi с ячеистой топологией
Технология WLAN IEEE 802.11s Wireless Mesh (ячеистые сети,
многоузловые сети, multi-hop сети) расширяет функциональность
беспроводного доступа в Интернет и позволяет реализовывать точки
доступа с охватом и порогом снижения пропускной способности на
порядок более высоким, чем у привычных хот-спотов [7]. Благодаря
возможности обеспечения защищенного беспроводного покрытия как
внутри помещений, так и на улицах, в городской местности или в
крупных населенных пунктах и районах, Wireless Mesh может быть
использована для быстрого развертывания, в частности, сети связи для
целей внутренней безопасности или в случаях чрезвычайных ситуаций в
городе [8].
Wireless Mesh сеть образуется на основе множества соединений
«точка-точка» узлов находящихся в области радиопокрытия друг друга.
Mesh – сетевая топология, в которой устройства объединяются
многочисленными (часто избыточными) соединениями, вводимыми по
стратегическим соображениям.
Территория покрытия разделяется на кластерные зоны, число
которых теоретически не ограничено. В одном кластере размещается от 8
25
до 16 точек доступа. Одна из таких точек является узловой (gateway) и
подключается к магистральному информационному каналу с помощью
кабеля (оптического либо электрического) или по радиоканалу (с
использованием систем широкополосного доступа). Узловые точки
доступа, так же как и остальные точки доступа (nodes) в кластере,
соединяются между собой (с ближайшими соседями) по транспортному
радиоканалу. В зависимости от конкретного решения точки доступа могут
выполнять функции ретранслятора (транспортный канал) либо функции
ретранслятора и абонентской точки доступа. Особенности Mesh-сетей:
- создание зон сплошного информационного покрытия большой
площади;
- масштабируемость сети (увеличение площади зоны покрытия и
плотности информационного обеспечения) в режиме самоорганизации;
- использование беспроводных транспортных каналов (backhaul) для
связи точек доступа в режиме"каждый с каждым";
- устойчивость сети к потере отдельных элементов.
На рисунке 1.13 представлена архитектура с компонентами Wireless
Mesh Wi-Fi сети, на котором применены следующие сокращения:
- МР (Mesh point) – mesh-узел;
- STA (IEEE 802.11s Station) – станция, мобильная станция, клиент,
ПК, сотовый телефон и т.д. элемент сети, который может присоединяться
только к точкам доступа (AP) или устройствам с функциями AP;
- AP (Access Point) – узел/точка доступа: любой объект WLAN с
функциями станции, обеспечивающий доступ STA к сервису,
распространяемому по беспроводной среде (WM);
- МAР (Mesh access point) – mesh-узел;
- MPP (Mesh-portal) – соединение в другую сеть (проводную).
Рисунок Ошибка! Текст указанного стиля в документе
отсутствует..12 Архитектура Mesh Wi-Fi сети
На рисунке 1.13 показана ячеистая сеть с точками доступа (АР).
26
Рисунок Ошибка! Текст указанного стиля в документе
отсутствует..13 Wireless Mesh Wi-Fi
Mesh Point (MP) является полноправным участником Mesh сети и
взаимодействует с своими соседями по Mesh протоколам. Mesh AP (MAP)
– позволяет подключатся STA к Mesh AP. Mesh Portal (MPP) – соединение
в другую сеть передачи данных. В mesh-сети в отличие от обычных
радиосетей с топологией "звезда" могут рассматриваться как двухсвязные
сети (two-tiers) [9], имеющие:
- связь прямого доступа (AT, Access Tier) – mesh-узел (MP) → точка
доступа (AP) → клиент/станция (STA);
- обходную связь (BT, Backhaul Tier) – mesh-узел (MPi) →
сопряженный mesh-узел (MPic) → точка доступа (AP) → клиент/станция
(STA).
Если по какой-то причине связь прямого доступа окажется
недоступна, то клиентская станция может быть достигнута по обходной
связи.
На рисунке 1.15 представлена топология обычной сети Wi-Fi.
27
Рисунок Ошибка! Текст указанного стиля в документе
отсутствует..14 Топология обычной сети Wi-Fi
Осуществим сравнение сетей с ячеистой топологией и с
одноузловыми (single-hop) сетями. Так, в традиционной беспроводной
сети стандарта 802.11 несколько клиентов подключается по прямому
соединению с точкой доступа. Такие сети называются одноузловыми.
В многоузловой сети любое устройство с возможностями
беспроводной связи способно выступать как в роли маршрутизатора, так
и точки доступа.
Если ближайшая точка доступа перегружена, данные
перенаправляются к ближайшему незагруженному узлу. Блок данных
продолжает перемещаться от одного узла к другому, пока не достигнет
места назначения. Примером многоузловой сети (только в кабельном
исполнении) может служить Интернет. Как и в случае с беспроводными
mesh-сетями, сообщение электронной почты не пересылается получателю
напрямую. Вместо этого оно передается от одного сервера к другому по
наиболее эффективному маршруту, в зависимости от загруженности
сетей.
Интеллектуальность вообще является одной из особенностей сетей
Wireless Mesh, и можно сказать, что она интегрирована непосредственно в
сеть и обеспечивает высокий уровень надежности, а это немаловажно как
в экстренных случаях, так и для мобильных удаленных сотрудников. Как
только точка доступа установлена и включена, она автоматически
обнаруживает другие точки доступа и «выясняет» свою роль в сети. Это
исключает необходимость ручного администрирования сети и играет
важную роль для оперативного развертывания оборудования. Как только
сеть запускается в эксплуатацию, она начинает автоматически управлять
своей работой, благодаря функциям самовосстановления и
самоадаптации. Если точка доступа отключается или какой-либо сегмент
сети оказывается перегруженным, сеть автоматически переопределяет
28
маршруты передачи данных между точками, что позволяет предотвратить
сбои коммуникаций.
Точка доступа (router board) имеет два радиоинтерфейса, один из
них будет использоваться режиме AP для подключения клиентов, второй
– для организации backhaul. Клиентский интерфейс авторизует
клиентские станции по протоколу 802.1x (WPA2-EAP).
1.11. Формат кадра
Формат заголовка кадра в Mesh-сети одинаковый, как и в стандарте
IEEE 802.11 кроме поля НТ Control (High Throughput Control), созданного
для поддержки стандарта IEEE 802.11n. Первые три поля заголовка и
поле контрольной суммы FCS присутствуют во всех пакетах MAC-уровня
(рисунок 1.16) [10].
МАС-пакеты 802.11s различает Mesh-заголовок в начале поля
данных. Он появляется в пакетах данных тогда и только тогда, когда они
передаются от mesh-узла к mesh-узлу по установленному соединению, а
также присоединяется к управляющим пакетам типа (Multihop Action).
Рисунок Ошибка! Текст указанного стиля в документе
отсутствует..15 Формат кадра
Mesh-заголовок имеет четыре поля. Байт mesh-флагов регулирует
обработку mesh-заголовка. Пока используются исключительно первые два
бита, которые просто характеризуют обьем расширенного mesh-адреса.
Поле "время жизни пакета в mesh-сети" (Mesh Time To Live – MTL)
содержит сохранившееся наибольшее количество шагов меж узлами,
которое может совершить пакет в mesh-сети. Таким образом
29
ограничивается время жизни пакета при многошаговой пересылке, что
помогает бороться с образованием циклических маршрутов. Номер пакета
в последовательности (Mesh Sequence Number) пресекает возникновение
дубликатов пакетов при широковещательной и многоадресной посылке.
Поле расширения mesh-адреса (Mesh Address Extension) сможет включать
вспомогательные адреса (Адрес 4–6, каждый по 6 байт), что разрешает
mesh-пакетам содержать до 6 адресов. Адрес 4 используется в
управляющих пакетах типа Multihop Action (при эстафетной передаче в
mesh-сети), так как в формате управляющих пакетов МАС-уровня поле
Адрес 4 отсутствует. Адреса 5 и 6 работают для передачи адресов
конечных отправителя и получателя, если они оба или один из них не
являются МР. Такое может быть, если через mesh-сеть общаются узлы,
находящиеся вне ее. Вероятен и вариант, когда два МР-устройства ведут
взаимодействие через корневой узел mesh-сети, тое. используются два
отдельных mesh-пути (от отправителя до корневого узла и от корневого
узла до получателя).
1.12. Преимущества Mesh-сетей
Превосходством Mesh-сетей считается следующее:
- сеть создается из сравнительно дешевых модулей, любой из
которых по радиоканалу соединен со всеми соседями в зоне видимости;
- сеть из данных модулей самоорганизуется и имеет способность
самовосстанавливаться при выходе из строя некоторых узлов;
- низкая стоимость поддержки сети – раз узлы могут всегда "видеть"
и "чувствовать" состояние соседей и соответственно с этим принимать
решение о изменении маршрутных таблиц.
- точки доступа используют стандартные радиоинтерфейсы 802.11a,
b и g, что снижает стоимость, как инфраструктуры, так и абонентских
приборов для доступа к сети;
- точка доступа имеет возможность найти «обходной маршрут»;
- «самоконфигурация» - при установке новой точки доступа сеть
автоматом обнаруживает ее и включает в топологию;
- «Самовосстановление» - сеть сама находит самый лаконичный и
надежный маршрут передачи данных.
1.13. Способы маршрутизации Mesh-сетей
В Mesh-сети была осуществлена попытка применения стандартного
протокола маршрутизации OSPF, которая не удалась так как этот
протокол разрабатывался для иных условий эксплуатации
В Mesh-сети принято делить протоколы:
- маршрутизации на проактивные (табличные). Проактивный режим
30
– регулярная процедура обновления информации в маршрутных таблицах
узлов всей сети. Процедуру инициирует корневой узел, в результате на
сети строится граф (дерево) путей с вершиной в корневом узле;
- реактивные (зондовые). Реактивный режим – построение
маршрутных таблиц в узлах mesh-сети непосредственно перед передачей
данных (по запросу);
- и их гибриды.
На рисунке 1.16 представлена топология Mesh-сети с проактивной
маршрутизацией.
Рисунок Ошибка! Текст указанного стиля в документе
отсутствует..16 Распределение запросов в проактивном режиме
На рисунке 1.18 представлена топология Mesh-сети с реактивным
режимом работы сетевых устройств.
Рисунок Ошибка! Текст указанного стиля в документе
отсутствует..17 Распределение запросов в реактивном режиме
31
К таблично-ориентированным протоколам относятся OLSR, DSDV,
WRP, BATMAN, Babel и т.п. Эти протоколы подразумевают наличие в
маршрутных таблицах информации обо всей сети сразу. Они постоянно
строят маршруты до всех известных им узлов, вне зависимости от того
нужен нам этот абонент или нет.
Зондовые протоколы это протоколы AODV, DSR, SSR, TORA,
предполагают маршрутизацию по запросу. К тому же из-за
несимметричных каналов маршрутизация должна поддерживать режим
построения множества маршрутов как от адресата-к получателю, так и в
обратном направлении. А это поддерживают только протоколы DSR и
TORA.
Гибридный беспроводной mesh-протокол маршрутизации (HWMP),
который объединяет в себе два режима построения путей, которые могут
быть использованы как по отдельности, так и одновременно в одной сети:
- реактивный режим – построение маршрутных таблиц в узлах
mesh-сети непосредственно перед передачей данных (по запросу);
- проактивный режим – регулярная процедура обновления
информации в маршрутных таблицах узлов всей сети. Процедуру
инициирует корневой узел, в результате на сети строится граф (дерево)
путей с вершиной в корневом узле.
Протокол HWMP предельно прост и хранит минимум информации.
Так, ему известен только один путь до каждого из узлов mesh-сети.
Каждый вновь прибывший от данного отправителя PREQ-пакет, если его
DSN больше предыдущего или метрика лучше, считается пришедшим по
единственно верному пути. Если же PREQ-пакет, шедший по более
короткому пути, был потерян (а для широковещательных пакетов это
явление довольно частое), то путь автоматически становится длиннее, чем
он есть на самом деле.
Cуществующие разработки протоколов маршрутизации Mesh-сетей:
- проприетарный протокол маршрутизации Cisco's Adaptive Wireless
Path Protocol (AWPP). Управление и мониторинг сети, т.е. функция
корневого узла, реализует специальное устройство – контроллер
беспроводной сети Cisco Wireless LAN Controller, компания рекомендует
использовать в mesh-сетях контроллеры серии 4400;
- DSR - реактивный протокол маршрутизации, основанный на
алгоритме динамической маршрутизации источника DSR (Dynamic Source
Routing). Он очередь похож на протокол Ad Hoc On Demand Distance
Vector (т.е. на HWMP), с той лишь разницей, что для маршрутизации от
источника до адресата используется маршрутная таблица источника, а не
промежуточных узлов;
- PWRP (Predictive Wireless Routing Protocol) работает в больших
сетях без потери пропускной способности, но он является закрытым