Разработка интегрированной сети доступа на базе технологий Ethernet и Wi-Fi

Точка доступа может иметь порт восходящего канала (uplink port), через который BSS подключается к проводной сети (например, восходящий канал Ethernet). Поэтому BSS иногда называют инфраструктурой BSS.

На рис. 41 представлена типичная инфраструктура BSS.

Рисунок 41. Инфраструктура локальной беспроводной сети BSS

3.3.3 Расширенные зоны обслуживания (ESS)

Несколько инфраструктур BSS могут быть соединены через их интерфейсы восходящего канала. Там, где действует стандарт 802.11, интерфейс восходящего канала соединяет BBS с распределительной системой (Distribution System, DS). Несколько BBS соединенных между собой через распределительную систему, образуют расширенную зону обслуживания (ESS). Восходящий канал к распределительной системе не обязательно должен использовать проводное соединение. На рисунке 42 представлен пример практического воплощения ESS. Спецификация стандарта 802.11 оставляет возможность реализации этого канала в виде беспроводного. Но чаще восходящие каналы к распределительной системе представляют собой каналы проводной технологии Ethernet. [3]

Рисунок 42. Расширенная зона обслуживания ESS локальной

беспроводной сети

3.3.4 Распределенная функция координации (DCF)

Утвержденный IEEE механизм доступа для сетей стандарта 802.11 - это распределенная функция координации (DCF), механизм доступа к среде, основанный на методе CSMA/CA.

При работе с использованием DCF станция, намеревающаяся передать фрейм, должна выждать определенное время после того, как среда освободится. Этот интервал времени называется межкадровый зазор DCF (DCF Interframe Space, DICF). По истечении интервала времени DICF станция может принять участие в состязании за право доступа к среде (см. рис. 43).

Существует большая вероятность того, что обе станции одновременно попытаются начать передачу тотчас после освобождения среды, что приведет к возникновению коллизии. Чтобы избежать этой ситуации, DCF использует таймер случайной задержки (Random Backoff Timer).

Рисунок 43. Временная диаграмма доступа к среде с использованием

DCF

При использовании случайного алгоритма задержки случайным образом выбирается значение в диапазоне от 0 до значения, соответствующего ширине окна конкуренции (Contention Window, CW). По умолчанию значения CW устанавливаются производителем и хранятся в памяти сетевой карты станции. Диапазон значений случайной задержки начинается с 0 и заканчивается максимальным значением.

Станция случайным образом выбирает значение между 0 и текущим значением CW. Случайное значение представляет собой количество канальных интервалов по стандарту 802.11, в течение которых станция, уже после освобождения среды в окне конкуренции, должна воздерживаться от передачи (см. рис. 44). Канальный интервал (Slot Time) - это значение времени, определяемое параметрами физического уровня, основанными на характеристиках радиочастотного канала BSS.

Рисунок 44. Передача кадра по истечении времени случайной задержки

Спецификация 802.11 требует, чтобы принимающая станция передала станции-отправителю кадр подтверждения. Этот кадр подтверждения позволяет станции-отправителю непосредственно определить, произошла ли в среде передачи коллизия. Если передающая станция не получает кадр подтверждения, она считает, что в среде передачи произошла коллизия. Передающая станция обновляет значение своего счетчика числа попыток, удваивает ширину окна конкуренции и начинает процесс доступа к среде сначала.

Кадрам подтверждения разрешается не принимать участия в процессе случайной задержки, поэтому долго ждать возможности передать подтверждение после получения кадра станции не приходится. Короткий промежуток времени, который приемная станция проводит в ожидании такой возможности, называется короткий межкадровый зазор (Short Interframe Space, SIFS). Интервал SIFS короче, чем интервал DIFS, на два канальных интервала (см. рис. 45). Это гарантирует принимающей станции наибольший шанс получения доступа к среде для передачи по сравнению с другими станциями.

Рисунок 45. Передача кадра и подтверждения

3.3.5 Точечная функция координации (PCF)

Точечная функция координации (Point Coordination Function, PCF) - это опциональный, необязательный механизм доступа к среде, который используется дополнительно к механизму DCF.

Механизм PCF обеспечивает не подверженную конкуренции за среду передачу кадров к точке доступа и от нее. Большинство производителей не обеспечивают поддержку механизма PCF в своих устройствах, потому что он увеличивает нагрузку (количество передаваемых служебных, т.е. неинформационных, сигналов). В результате его распространенность невелика.

Период, свободный от конкуренции (Contention Free Period, CFP), - это временное окно, период, в течение которого осуществляется работа механизма PCF. Период CFP начинается с набора интервалов, следующих за сигнальным (маячковым) кадром (beacon frame). Частота следования периодов CFP определяется администратором сети. После начала периода CFP точка доступа начинает играть роль точки координации, а это означает, что работа PCF возможна только в инфраструктурах BSS.

В отличие от работы в соответствии с DCF, при работе под управлением механизма PCF станции не имеют свободного доступа к среде и не могут свободно передавать данные. Станции могут передавать данные (по одному кадру за один раз) только тогда, когда точка координации производит их опрос. Точка координации может посылать кадры станциям, опрашивать их на предмет передачи кадров, подтверждать прием кадров в соответствии с требованиями МАС-уровня или закончить CFP.

Когда начинается период, свободный от конкуренции, точка координации должна получать доступ к среде таким же образом, как это делает станция DCF. Но, в отличие от станции DCF, точка координации пытается получить доступ к среде через интервал времени, называемый преимущественный межкадровый интервал (Priority Interframe Space, PIFS). Интервал PIFS на один канальный интервал дольше, чем интервал SIFS, и на один канальный интервал короче, чем интервал DIFS, что позволяет PCF-станциям получать доступ к среде раньше DCF-станций. Вдобавок они могут использовать управляющие кадры, такие как кадры подтверждения, для обеспечения наивысшей вероятности получения доступа к среде.

После ожидания в продолжение интервала PIFS точка координации посылает начальный сигнальный кадр, содержащий информационный элемент с параметром функции координации (CF). Точка координации ожидает в продолжение одного интервала SIFS следующей за сигнальным кадром передачи и затем посылает опрашиваемой станции один из следующих кадров:

· Кадр данных;

· Кадр опроса;

· Комбинация кадров данных и опроса;

· Кадр конца периода CFP.

Если точка координации не имеет кадров, которые нужно передать, и ей не нужно опрашивать станции, CFP считается равным нулю и немедленно точка координации посылает кадр конца периода CFP, завершающий период CFP. [7]

3.4 Возможность соединения станций

Три сеанса обмена происходят между беспроводной станцией и точкой доступа прежде чем они соединятся в BSS:

· Процесс зондирования;

· Процесс аутентификации;

· Процесс привязки (ассоциирования).

3.4.1 Процесс зондирования

Станция-клиент посылает зондирующий кадр запроса (Probe Request Frame) стандарта 802.11. Обычно станция стандарта 802.11 посылает зондирующий кадр запроса по каждому доступному ей каналу. Этот процесс не оговорен в спецификации стандарта 802.11. Зондирующий кадр запроса содержит информацию о беспроводной станции стандарта 802.11 - какую скорость передачи данных поддерживает станция и к какой зоне обслуживания она принадлежит. На рис. 46 представлен формат зондирующего кадра запроса. Ключевые поля зондирующего запроса следующие:

· Элемент SSID, который содержит SSID, посредством которого сконфигурирована станция;

· Элемент поддерживаемых скоростей, указывающий все скорости передачи данных, поддерживаемые клиентом.

Рисунок 46. Формат зондирующего кадра запроса

Клиентские станции посылают зондирующие кадры запроса так, как будто они ничего не знают о точках доступа, которые зондируют.

Поэтому многие запросы посылаются с наименьшей возможной скоростью передачи данных, составляющей 1 Мбит/с.

Когда точка доступа получает зондирующий кадр запроса, по отношению к которому была успешно выполнена процедура проверки контрольной последовательности фрейма (Frame Check Sequence, FCS), она посылает в ответ зондирующий кадр ответа. На рис. 47 представлен зондирующего кадра ответа.

Ключевые поля зондирующего фрейма ответа следующие:

· Поле метки времени (Timestamp Field);

· Поле сигнального интервала (Beacon Interval Field). Число тактов (Time Units, TUs) между маячковыми сигналами. Длительность такта составляет 1024 мкс;

· Поле информационной способности (Capability Information Field). Указывает на возможности MAC и PHY уровня;

· Элемент SSID, указывающий SSID, с которым сконфигурирована точка доступа;

· Элемент поддерживаемых скоростей передачи. Все скорости передачи данных, поддерживаемые точкой доступа;

· Элемент набора параметров PHY (PHY Parameter Set Element). Может указывать или на технологию FHSS, или на технологию DSSS. Этот элемент обеспечивает предоставление специфической информации уровня PHY для клиентской станции.

Рисунок 47. Формат зондирующего кадра ответа

Когда клиентская станция получает зондирующий кадр ответа, она может определить уровень сигнала полученного фрейма. Эта станция сравнивает зондирующие фреймы ответа и определяет, к какой точке доступа они относятся. Механизм, благодаря которому клиентская станция выбирает точку доступа для привязки к ней, не описан в стандарте 802.11, так что он реализуется поставщиком самостоятельно. В общем случае критерий выбора точки доступа может включать согласование SSID, уровня сигналов, поддерживаемых скоростей передачи данных и собственные критерии поставщика.

3.4.2 Процесс аутентификации

Процесс аутентификации по стандарту 802.11 может выполняться в двух режимах: аутентификация с открытым ключом (open authentication) и аутентификация с совместно используемым ключом (shared-key authentication). Аутентификация в соответствии со стандартом ориентирована в основном на аутентификацию устройства (а не пользователя), и ее процесс состоит в определении, принадлежит ли данное устройство локальной сети. На рис. 48 показан формат кадра аутентификации, а на рис. 49 - кадра деаутентификации.



Рисунок 48. Формат кадра аутентификации

Рисунок 49. Формат кадра деаутентификации

3.4.3 Процесс привязки

Процесс привязки по стандарту 802.11 позволяет точке доступа выделить для беспроводной станции логический порт или присвоить ей идентификатор ассоциации (Association Identifier, AID). Процесс привязки начинается беспроводной станцией с кадра запроса на ассоциирование, содержащего информацию о возможностях клиента, и завершается кадром ответа на ассоциирование, посылаемого точкой доступа. Ответ на ассоциирование может быть положительным или отрицательным и содержать код, указывающий на причины отказа. На рис. 50 представлен формат кадра запроса на ассоциирование, а на рис. 51 -кадра ответа на ассоциирование.

Ключевые поля кадра запроса на соединение следующие:

· Интервал прослушивания (Listen Interval). Значение интервала прослушивания используется в режиме экономии энергопотребления и сообщается клиентской станцией точке доступа. Оно информирует точку доступа о том, как часто эта станция выходит из режима экономии энергопотребления, чтобы получить кадры, буферизированные в точке доступа;

· Элемент SSID. Описывает SSID клиентской станции для точки доступа. В нормальном режиме работы точка доступа не принимает запросы на ассоциацию от станций с SSID, отличающимся от тех, которые сконфигурированы в точке доступа;

· Элемент поддерживаемых скоростей передачи, указывающий точке доступа, какие скорости передачи поддерживает клиентская станция.

Рисунок 50. Формат кадра запроса на ассоциирование

Ключевые поля кадра ответа на ассоциирование следующие:

· Код состояния (Status Code). Этот элемент указывает код состояния, определяемый из фрейма ответа на ассоциирование;

· Идентификатор ассоциации (AID). Клиентская станция должна знать это значение, когда она работает в режиме энергосбережения. Точка доступа посылает оповещения в сигнальных кадрах, указывающие, какие AID имеют буферизованные фреймы;

· Элемент поддерживаемых скоростей передачи, указывающий, какие скорости передачи поддерживает точка доступа.

Рисунок 51. Формат кадра ответа на ассоциирование

На рис. 52 показан формат кадра запроса на реассоциирование, а на рис. 53 показан формат кадра ответа на реассоциирование.

Кадр запроса на реассоциирование почти идентичен кадру запроса на ассоциирование, но имеет дополнительное поле, содержащее текущий адрес точки доступа. Главная цель этого фрейма - известить точку доступа о том, что станция, ассоциирующаяся с нею в данный момент, уже имела ассоциацию ранее. Новая точка доступа может запросить старую точку доступа, имеет ли она буферизированные для этой станции фреймы с целью роуминга клиента; подобная возможность может быть реализована производителем, но она не описана в стандарте 802.11.



Рисунок 52. Формат кадра запроса на реассоциирование

Кадр ответа на реассоциирование идентичен фрейму ответа на ассоциирование.

Рисунок 53. Формат кадра ответа на реассоциирование

На рис. 54 показан формат фрейма диссоциирования. [8]

Рисунок 54. Формат кадра диссоциирования

3.5 Радиочастотный тракт

Одной из важнейших характеристик радиостанции является мощность ее передатчика. Выходная мощность измеряется в линии передачи, кабеле или антенне и обычно указывается в ваттах (Вт) или милливаттах (мВт). Для сравнения мощностей применяется логарифмическая шкала; отношение мощностей измеряется в децибелах (дБ). Производители радиостанций указывают их мощность в dBm, т.е. в децибелах по отношению к мощности в 1 мВт, или в dBW, т.е. в децибелах по отношению к мощности 1 Вт.

В таблице 9 приведены соотношения для некоторых значений мощности в абсолютных и относительных единицах.

Таблица 9. Примеры значений мощности, указанной в абсолютных и

относительных величинах

мВт	Вт	dBm	dBW
1	0.001	0	-30
2	0.002	3	-27
5	0.005	7	-23
10	0.01	10	-20
20	0.02	13	-17
50	0.05	17	-13
100	0.1	20	-10
1000	1	30	0
2000	2	33	3
4000	4	36	6

3.5.1 Антенны и их характеристики

IEEE определяет антенну так: "часть передающей или принимающей системы, предназначенная для излучения или приема электромагнитных волн". Обычно приемные и передающие свойства антенны эквивалентны; это означает, что такие параметры антенны, как коэффициент усиления, диаграмма излучения или частота, одинаковы.

Радиосигнал создается источником переменного напряжения определенной частоты, который индуцирует в антенне переменный ток, создающий, в свою очередь, электромагнитное поле.

Следует различать поле в ближней зоне, т.е. поле вблизи антенны, и поле в дальней зоне. Поле в дальней зоне, в отличие от поля в ближней зоне, характеризуется тем, что расстояние от антенны значительно превышает длину волны излучения или размеры антенны. Производители антенн, указывая их характеристики, имеют в виду поле в дальней зоне.

Удобным эталоном, применяемым при сравнении различных антенн, являются изотропный излучатель и изотропная антенна. Это - математическая абстракция, применяемая при описании идеальной антенны, одинаково излучающей во всех направлениях. Если представить сферу с изотропным излучателем в ее центре, то во всех точках поверхности сферы электромагнитное поле будет одинаковым.

Основными свойствами антенны являются диаграмма излучения, направленность, коэффициент усиления, входной импеданс, поляризация и полоса частот.

Диаграмма излучения антенны описывает "угловое изменение радиоизлучения на фиксированном расстоянии от антенны". Диаграмма излучения часто описывается в терминах направленности или коэффициента усиления. Направленность антенны описывает интенсивность излучения в определенном направлении по отношению к средней интенсивности излучения. Иначе говоря, она указывает плотность мощности излучения по отношению к однородно распределенной мощности излучения.

Коэффициент усиления описывает то же самое, но уже с учетом потерь в самой антенне.

Поскольку все реальные антенны имеют потери, коэффициент усиления, учитывающий их, является наиболее часто упоминаемым параметром антенны. Единицы измерения, используемые для указания коэффициента усиления, - это или dBi, коэффициент усиления в децибелах по отношению к изотропной антенне, или dBd, коэффициент усиления в децибелах по отношению к антенне, называемой полуволновая (симметричная) антенна (или вибратор, иногда - диполь). При преобразовании одного значения в другое нужно добавить 2,2 к значению коэффициента усиления, выраженного в dBd, чтобы получить значение коэффициента усиления, выраженное в dBi. Важно знать, как следует осуществлять такое преобразование, поскольку, хотя многие поставщики указывают коэффициент усиления в dBi, некоторые все же указывают его в dBd.

На рис. 55 представлен образец диаграммы излучения для направленной антенны.



Рисунок 55. Образец диаграммы излучения направленной антенны

Излучение осуществляется в трехмерном пространстве. Обычно антенна имеет главный лепесток, который располагается в направлении максимального коэффициента усиления, и характеризуется также второстепенными лепестками. Производители часто описывают свои антенны, сообщая коэффициент усиления именно для главного лепестка.

Электромагнитные волны, излучаемые антенной, могут по-разному распространяться в среде. Особенности распространения зависят от поляризации передающей антенны. Она может быть линейной или круговой.

Большинство антенн, используемых в WLAN, являются антеннами с линейной поляризацией, горизонтальной или вертикальной. Первое утверждение означает, что вектор электрического поля лежит в вертикальной плоскости, второе - что в горизонтальной. Чаще применяется вертикальная поляризация, хотя в некоторых ситуациях антенны с горизонтальной поляризацией эффективнее. При построении сети для линии связи, работающей в пределах прямой видимости, на обоих ее концах нужно использовать антенны с одинаковой поляризацией.

Коэффициент полезного действия антенны - это отношение общей мощности, излучаемой антенной, к полезной мощности, полученной ею от передатчика.

Если антенна соединяется с передатчиком посредством кабеля и ее импеданс согласован с импедансами передатчика и линии передачи, то в антенну передается максимальная мощность. Однако если импедансы не согласованы, часть энергии будет отражаться обратно к источнику, и лишь оставшаяся поступать на антенну. Эти отражения характеризует коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН, VSWR). Если отражения отсутствуют, КСВН равен 1. Высокий КСВН и линия передачи с высоким затуханием приводят к потерям существенной части энергии.

Полоса пропускания антенны определяется диапазоном частот, в котором антенна имеет приемлемые рабочие параметры. Обычно указываются максимальная и минимальная частоты.

3.5.2 Типы антенн

Изотропный излучатель является идеальной, нереализуемой на практике антенной, одинаково излучающей во всех направлениях.

Ненаправленная (или всенаправленная) антенна (см. рисунок 56) имеет одинаковый коэффициент усиления для всех направлений в заданной плоскости (чаще всего горизонтальной). Дипольные антенны обычно бывают ненаправленными (см. рис. 57). Ненаправленные антенны обычно используются в беспроводных LAN общего применения, поскольку они обеспечивают покрытие во всех направлениях.

Рисунок 56. Излучение от простой антенны-диполя

Антенны Уда-Яги - одни из самых распространенных направленных антенн, потому что они просты в изготовлении (см. рис. 58). Направленные антенны, такие как антенны Уда-Яги, обычно обеспечивают покрытие в труднодостижимых зонах или когда необходим больший радиус действия, чем обеспечиваемый ненаправленной антенной.

Микрополосковые антенны (Patch Antennas), еще один тип направленных антенн, формируются из двух параллельных проводников с подложкой между ними (см. рис. 58).

Рисунок 57. Всенаправленные антенны, применяемые в беспроводных

LAN

Верхний проводник представляет собой излучатель, который может быть вытравлен на печатной плате. Можно относительно просто сформировать решетку, состоящую из излучателей, диаграммы направленности которых комбинируются с целью получения лепестков различной формы. Микрополосковые антенны часто оказываются полезными, поскольку они имеют плоскую форму, в отличие от антенн Уда-Яги.

Рисунок 58. Всенаправленные антенны, применяемые в беспроводных

LAN: а - антенна типа Удо-Яги, б - микрополосковая антенна,

в - параболическая антенна

3.5.3 Основные характеристики приемника

Радиоприемники характеризуются прежде всего их чувствительностью, которая определяется как минимальный уровень сигнала, при котором приемник способен удовлетворительно декодировать информацию. Порог приемлемости определяется частотой появления ошибочных битов (Bit Error Rate, BER), частотой появления ошибочных пакетов (Packet Error Rate, PER) или частотой появления ошибочных кадров (Frame Error Rate, FER).

Чувствительность приемника указывается для конкретной скорости передачи, поскольку каждая схема модуляции имеет свои требования к отношению сигнал/шум (SNR). В общем случае, чем выше скорость передачи данных, тем больше должно быть отношение сигнал/шум и, следовательно, тем выше чувствительность приемника. Чувствительность приемника радиостанции зависит также от характера шума приемника. Все приемники имеют некоторый базовый, изначальный уровень шума, определяемый или точностью цифровой обработки, или свойствами аналоговых компонентов. Это - уровень собственных шумов приемника. При возрастании собственного шума приемника растет (ухудшается) и чувствительность приемника, потому что минимально допустимое превышение шума сигналом, SNR, - величина фиксированная для каждой схемы модуляции.

3.5.4 Минимальные характеристики радиостанции стандарта

802.11b

Стандарт 802.11b для PHY-уровня определяет минимальный уровень характеристик радиостанции, которому должно удовлетворять для обеспечения совместимости любое оборудование. Для FER менее 0,08, согласно процедуре определения соответствия требуемым параметрам физического уровня, при длине служебного элемента данных (PSDU) 1024 октета и скорости передачи данных 11 Мбит/с минимальная чувствительность приемника должна составлять -76 dBm на соединителе антенны, а подавление помех от соседнего канала другого передатчика стандарта 802.11b должно быть 35 дБ на соединителе антенны.

3.5.5 Минимальные характеристики радиостанции стандарта

802.11a

Аналогично стандарту 802.11b, стандарт 802.11а также определяет минимально допустимые параметры радиостанции. В таблице 10 приведены минимальная чувствительность приемника, степень подавления помех от соседнего канала и степень подавления перекрестных помех от соседнего канала (Alternate Adjacent Channel Rejection) на соединителе антенны для скоростей передачи данных стандарта 802.11а при PER менее 10% и длине PSDU 1000 байт.

Таблица 10. Минимально допустимые характеристики радиостанции

стандарта 802.11а

Скорость передачи данных (Мбит/с)	Минимальная чувствительность (dBm)	Подавление помех от соседнего канала (дБ)	Подавление перекрестных помех от соседнего канала (дБ)
6	-82	16	32
9	-81	15	31
12	-79	13	29
18	-77	11	27
24	-74	8	24
36	-70	4	20
48	-66	0	16
54	-65	-1	15

Основные характеристики радиостанции важные для развертывания и использования это зона уверенного приема и пропускная способность. Они напрямую связаны с радиусом действия и скоростью передачи данных. Обычно WLAN развертываются в помещениях, и прохождению сигнала мешают стены, столы, люди и другие объекты, все они уменьшают уровень сигнала и увеличивают потери. И единственный способ точно определить потери на трассе в конкретных условиях эксплуатации - это провести картирование места развертывания сети. [9]

3.6 Развертывание локальных беспроводных сетей

При принятии решений относительно развертывания беспроводных LAN (WLAN) необходимо учитывать особенности работы протокола 802.11, поведение мобильных узлов, вопросы защиты МАС-уровня, качество связи (QoS). Физический аспект выполнения картирования места работ дает возможность понять, какую зону покрытия имеет каждая точка доступа, каково количество точек доступа, необходимое для покрытия заданной области, и установить параметры каждого канала и излучаемую мощность.

На развертывание WLAN используемые приложения оказывают влияние по-разному. Ключевыми моментами являются:

· Расчетная производительность в пересчете на одного клиента;

· Потоковые и пульсирующие типы приложений;

· Конкуренция за среду передачи и задержка выполнения приложений.

Расчетная производительность каждого клиента уменьшается с вводом в базовую зону обслуживания (BSS) каждого нового клиента. Поскольку ни один пользователь не занимает гарантированно определенную часть полосы пропускания, механизм доступа к среде, основанный на использовании распределенной функции координации (DCF), обеспечивает удовлетворительный доступ к беспроводной среде; это означает, что каждый клиент имеет одинаковые права доступа к беспроводной среде (и ее части). В локальных сетях, где применяется технология Ethernet на 10 или 100 Мбит/с, совместное использование канала, обеспечивающего скорость передачи данных 11 Мбит/с или даже 54 Мбит/с (стандарт 802.l1b и 802.11а/g соответственно) одновременно 10 или 25 клиентами нецелесообразно.

Задавая для сетей стандарта 802.11b скорость передачи 11 Мбит/с и обеспечивая совместный доступ к полудуплексной среде, разумно ожидать реальной производительности не более 6 Мбит/с.

Полная доступная производительность для каждого из 25 клиентов составит приблизительно 245 Кбит/с. Принимая те же самые соотношения для BSS стандарта 802.11а со скоростью передачи данных 54 Мбит/с и реальной производительностью 22 Мбит/с, получим среднюю скорость передачи данных примерно 880 Кбит/с на одного клиента. Эти числа сугубо оценочные и получены в предположении, что все клиенты передают и принимают одинаковые объемы данных.

Приложения пульсирующего типа отличаются непостоянством и непредсказуемостью, из-за чего вычисления необходимой плотности размещения точек доступа представляются очень трудной задачей. Хотя не существует общепринятого эвристического правила для оценки будущего трафика клиента, использующего Интернет, получающего электронные письма или работающего с приложениями типа клиент/сервер, пределом считается 25 пользователей на одну точку доступа.

Конкуренция за среду по стандарту 802.11 аналогична конкуренции за среду по стандарту 802.3, относящемуся к полудуплексным проводным сетям. Все станции имеют одинаковые права доступа к среде, и чем больше станций, тем выше шансы на возникновение коллизий кадров, возврат в исходное состояние и повторную передачу.

Логическим результатом конкуренции является возникновение задержек в BSS. Станции тратят больше времени на получение доступа к среде, чем на передачу и получение кадров. Этот процесс приводит к возникновению таймаутов протокола более высокого уровня и потенциально может привести к прерыванию сеанса связи выполняемого приложения.

Поскольку подобные сценарии вполне вероятны, разумно выбирать высокую плотность размещения, чтобы избежать или уменьшить вероятность возникновения таких ситуаций. С переуплотнением точек доступа при развертывании сети ассоциируется высокая стоимость, но, учитывая дешевизну точек доступа и большое влияние их числа на производительность, имеет смысл сразу же корректно развернуть WLAN, а не выполнять повторно картирование места работ и расширять существующую сеть.

3.6.1 Планирование развертывания WLAN

Существуют две основные методологии развертывания WLAN:

· Ориентированная на максимальную зону обслуживания;

· Ориентированная на максимальную пропускную способность.

Беспроводные LAN с максимальной зоной обслуживания

Ориентированные на зону обслуживания WLAN разрабатываются с упором на обеспечение максимального покрытия при минимально возможном количестве точек доступа. В типичной ориентированной на зону обслуживания сети обеспечивается соотношение количества пользователей к числу точек доступа 25:1. Некоторые типовые особенности WLAN, развертываемых в расчете на максимальную зону обслуживания, таковы:

· В них применяются приложения пульсирующего типа с низкой скоростью передачи пакетов, такие как приложения, формирующие запросы к базам данных;

· Предъявляются низкие требования к полосе пропускания, благодаря чему скорость передачи данных может быть уменьшена до наименьших значений, таких как 1 и 2 Мбит/с;

· Обеспечивается легкость сопровождения, поскольку персонал обслуживания WLAN невелик.

В сетях, ориентированных на зону обслуживания, типичные приложения имеют низкую скорость передачи пакетов и предъявляют низкие требования к полосе пропускания. Такой подход позволяет сразу многим пользователям обращаться к услугам WLAN при сохранении последними адекватных характеристик. Такие варианты обычны для небольших или средних филиалов фирм, когда WLAN выбирается в качестве альтернативы проводной Ethernet. Простые в развертывании WLAN обеспечивают основные соединения в локальной сети, необходимые для совместного использования файлов и принтеров. Каждая точка доступа WLAN обслуживает примерно 25-30 пользователей.

Беспроводные LAN с максимальной пропускной способностью

Беспроводные LAN, ориентированные на высокую пропускную способность, должны обеспечивать максимальную производительность и скорость передачи пакетов для каждого клиента BSS. Размеры сот ориентированной на пропускную способность WLAN меньше, чем таковые для WLAN, назначение которой - обеспечить максимальную зону обслуживания, соответственно плотность размещения точек доступа выше. Ориентированные на высокую пропускную способность WLAN необходимы в случаях, когда:

· используются приложения, требующие высокой скорости передачи пакетов;

· используются приложения, чувствительные к задержкам;

· развертываются подсети меньших масштабов (или несколько подсетей в одной зоне обслуживания);

· наблюдается высокая плотность размещения пользователей.

В таких сетях количество точек доступа в несколько раз превышает число таковых для WLAN, ориентированной на зону обслуживания.

Зона обслуживания каждой точки доступа намного меньше, чем при построении сети ориентированной на максимальную зону обслуживания. Каждая точка доступа обслуживает около 12 пользователей, а не 25-30 как в предыдущем случае.

3.6.2 Картирование места развертывания сети

Все, что необходимо знать, - это число, расположение и необходимую конфигурацию точек доступа в зданиях (на местности). Чтобы получить эту информацию, нужно вначале определить, какой будет развертываемая сеть - ориентированной на максимальную зону обслуживания, высокую пропускную способность или гибридной, переходной, когда необходимо учитывать оба аспекта. Физический аспект картирования места развертывания дает представление о том, какую область покрывает каждая точка доступа, каково количество точек доступа, необходимых для обслуживания всей заданной области, какие каналы и передатчики какой мощности следует использовать, и какого типа или с каким коэффициентом усиления должны быть антенны. При рассмотрении варианта развертывания, ориентированного на достижение максимальной пропускной способности, следует начать с требуемой производительности и скорости перенаправления в пересчете на одного пользователя, а также выяснить плотность размещения пользователей, чтобы определить отношение число пользователей/число точек доступа.

3.6.3 Проблемы, возникающие при картировании места работ

Например, если не известна инфраструктура помещения, то возможно, что точки доступа размещены на расстояниях, для покрытия которых недостаточно кабеля категории 5 сети 100BASE-T длиной 100 м.

Важно не только учитывать размеры помещений, но также то, и условия распространения радиоволн, которые могут измениться со временем. Следует обратить внимание на объекты, которые отражают микроволны и вызывают многолучевое распространение, или на объекты, которые могут поглощать радиоволны, мешая их распространению в принципе.

Беспроводные телефоны, не соответствующие стандарту 802.11, - наиболее часто встречающийся источник помех для WLAN. Эти телефоны часто имеют конструкцию, позволяющую им работать или в диапазонах 2,4 ГГц, или 5,8 ГГц ISM, применяя либо технологию скачкообразной перестройки частоты, либо технологию прямой последовательности расширения спектра. Степень ухудшения связи зависит от числа и типов используемых телефонов. Если используется только один телефон, то наилучшим вариантом будет размещение базовой станции подальше от точек доступа или мест, где предполагается высокая активность пользователей. В случае большого числа телефонов общий уровень шума может вырасти, из-за чего условия передачи для WLAN ухудшатся. Наилучшим выходом будет или использование системы телефонной связи, не мешающей функционированию сетей стандарта 802.11, или использование для ваших телефонных сетей и сетей передачи данных разных частотных диапазонов.

Окружающая среда сама по себе может создать проблемы, если оборудованию придется работать при экстремальных температурах, высокой или низкой влажности или в сырости. Если создаются зоны покрытия вне помещений и нежелательно тянуть длинный радиочастотный кабель от расположенной внутри помещения точки доступа к месту расположения внешней антенны, можно расположить точку доступа в правильно выбранном стандартном корпусе NEMA (Национальная ассоциация электротехнической промышленности), чтобы предохранить ее от воздействия дождя и прочих погодных условий. Если все же используется антенный кабель, следует минимизировать его длину и не забывать о потерях, которые он вносит для сигнала на рабочей частоте. [3]

3.7 Беспроводное оборудование, применяемое при построении

Wi-Fi сетей

Сегодня беспроводные сети позволяют предоставить подключение пользователей там, где затруднено кабельное подключение или необходима полная мобильность. При этом беспроводные сети без проблем взаимодействуют с проводными сетями.

При этом при построении беспроводных сетей используется самое разнообразное оборудование, выполненное в различных форм-факторах.

3.7.1 Точки доступа Wi-Fi

Все точки доступа можно разделить по способу подключения: через USB порт и порт подключения Ethernet - RJ45.

Последние пользуются наибольшим успехом, так как наиболее просты в настройке и управлении, а также обладают большей скоростью передачи в локальную сеть. Точки доступа могут быть комнатного (in door) и всепогодного (out door) исполнения.

Для создания беспроводной сети внутри помещений используют комнатный вариант прибора. Он обладает меньшей стоимостью и, как правило, большим эстетическим видом. Работают такие точки доступа в пределах одной или нескольких комнат. На открытых участках местности (прямая видимость) возможна работа на расстоянии до 300 метров с использованием стандартных всенаправленных антенн.

Точки доступа всепогодного исполнения предназначены для создания радиосети между зданиями. В зависимости от типов антенн такие устройства способны организовывать каналы связи на расстоянии порядка 3-5 км. Максимальная дальность беспроводного канала связи заметно увеличивается при использовании усилителей. В этом случае длина радиоканала достигает 8-10 км. Внешний вид устройств типа точка доступа представлен на рис. 59.

3.7.2 Комбинированные устройства

Большой интерес вызывают беспроводные точки доступа, объединяющие в себе функции других устройств, например, высокоскоростного беспроводного широкополосного маршрутизатора со встроенным коммутатором Fast Ethernet. Маршрутизатор позволяет быстро и легко настроить общий доступ к Интернет для проводной или беспроводной сети или организовать совместное использование широкополосного канала связи и кабельного/DSL модема дома или в офисе.



Рисунок 59. Виды точек доступа: а, б - внутренние; в, г - внешние

3.7.3 Wi-Fi адаптеры

Для подключения к беспроводной сети Wi-Fi достаточно обладать ноутбуком или карманным персональным компьютером (КПК) с подключенным Wi-Fi адаптером.

Любой беспроводной Wi-Fi адаптер должен соответствовать нескольким требованиям:

· необходима совместимость со стандартами 802.11а, 802.11b или 802.11 g;

· работа в диапазоне частот 2,4 ГГц - 2,435 ГГц (или 5 ГГц);

· поддерживать протоколы WEP и желательно WPA;

· поддерживать два типа соединения "точка-точка", и "компьютер сервер";

· поддерживать функцию роуминга.

Существует три основных разновидности Wi-Fi адаптеров, различаемых по типу подключения:

· Подключаемые к USB порту компьютера. Такие адаптеры компактны, их легко настраивать, а USB интерфейс обеспечивает функцию "горячего подключения";

· Подключаемые через PCMCIA слот (CardBus) компьютера. Такие устройства располагаются внутри компьютера (ноутбука) и поддерживают любые стандарты, позволяющие передавать информацию со скоростью до 108 Мбит/с;

· Устройства, интегрированные непосредственно в материнскую плату компьютера. Самый перспективный вариант. Такие адаптеры устанавливаются на ноутбуки серии Intel Centrino. И, в настоящее время используются на подавляющем большинстве мобильных компьютеров.

Все виды беспроводных адаптеров представлены на рис. 60. [11]

Рисунок 60. Беспроводные адаптеры: а - с USB портом, б - формата

PCMCIA, в - строенный в материнскую плату

3.7.4 Нестандартные устройства

Такие устройства не соответствуют стандарту 802.11. Они используют технологию 802.11 способами, которые приводят к нарушению стандарта или его расширению, но могут оказаться полезными при построении сети. К специфическим устройствам, которые рассматриваются ниже, относятся следующие:

· Точки доступа-повторители

· Универсальные клиенты (мосты рабочих групп)

· Беспроводные мосты

3.7.5 Точки доступа-повторители

Может случиться так, что окажется неудобно или непросто соединить точку доступа с проводной инфраструктурой, или какое-либо препятствие затруднит осуществление связи точки доступа к проводной сети с местом расположения беспроводных станций-клиентов напрямую. В такой ситуации можно использовать точку доступа-повторитель.

Почти аналогично проводному повторителю его это устройство просто ретранслирует все пакеты, поступившие на его беспроводной интерфейс. Эта ретрансляция осуществляется через тот же канал, через который пакеты были получены. Точка доступа-повторитель расширяет BSS, а также домен коллизий, поэтому хотя она может оказаться эффективным средством, применять ее следует с осторожностью.

3.7.6 Универсальные клиенты и мосты рабочих групп

При переходе от проводной архитектуры к беспроводной могут обнаружиться сетевые устройства поддерживающие проводную Ethernet или последовательный интерфейс, но не имеющие интерфейсных разъемов для беспроводных NIC. Если эти устройства необходимы в беспроводной сети, можно использовать универсальный клиент или мост рабочей группы (см. рис. 61). Примерами устройств, относящихся к этой категории, могут служить кассовые терминалы магазинов, принтеры, устаревшие ПК, копировальные устройства и небольшие мобильные сети. Универсальный клиент или мост рабочей группы инкапсулирует полученные им пакеты проводной сети в пакеты беспроводной и таким образом предоставляет для точки доступа интерфейс стандарта 802.11. Термин универсальный клиент наиболее часто используется, когда речь идет о подключении одного проводного устройства; термин мост рабочей группы используется, если подключается небольшая сеть, состоящая из нескольких устройств.

Рисунок 61. Применение универсального клиента и моста рабочей

группы

3.7.7 Беспроводные мосты

Если расширить концепцию моста рабочей группы до точки, в которой соединяются две или несколько проводных сетей, можно прийти к концепции беспроводных мостов. Аналогично проводным мостам, беспроводные соединяют между собой сети. Можно соединять их без проводов, потому что соединяемые сети изначально мобильны. Сети, которые должны быть соединены, могут быть размещены на одной территории, в этом случае применение беспроводных мостов дает способ соединения таких сетей. Основное отличие между мостами и мостами рабочей группы состоит в том, что последние обеспечивают беспроводной доступ только к небольшой рабочей группе типа офиса, в то время как первые из названных способны соединять большие сети, разнесенные на расстояния, намного большие, чем характерные для локальных беспроводных сетей. На самом деле многие поставщики предлагают продукты, работоспособные на расстояниях, значительно превышающих оговоренные в стандарте 802.11. На рис. 62 приведен пример использования беспроводных мостов. [3]

Рисунок 62. Пример использования беспроводных мостов

3.8 Мобильность сети и пользователей

Мобильность - это свойство сети, позволяющее быстро перемещать ее саму и перемещаться ее пользователям с места на место. Устройства WLAN стандарта 802.11 обеспечивают такую "свободу от проводов". Мобильность описывается многими терминами, но в основном использоваться только два, мобильность и роуминг, для описания процесса перемещения пользователя от одной точки доступа к другой.

3.8.1 Характеристики роуминга

Определить или охарактеризовать станции, осуществляющие роуминг, можно двумя способами:

· Бесшовный роуминг (seamless roaming);

· Кочевой роуминг (nomadic roaming).

При бесшовном роуминге во время перехода из зоны действия одной точки доступа в зону действия другой не происходит ухудшения качества связи. Не существует заметного промежутка времени, когда из-за роуминга сеть была бы недоступна. Роуминг такого типа называется бесшовным, потому что сетевое приложение требует постоянного подключения к сети в процессе роуминга.

Кочевой роуминг отличается от бесшовного. Кочевой роуминг работает при использовании ноутбука стандарта 802.11 в офисе. Клиент стандарта 802.11 перемещается от точки доступа, ближайшей к его рабочему месту, к точке доступа, размещенной поблизости от, например, конференц-зала. Роуминг такого типа называется кочевым, поскольку пользователь использует службы сети не во время передвижения, а только по его завершении.

3.8.2 Механизм роуминга стандарта 802.11

Станция должна завершить сеанс своего обслуживания одной точкой доступа, прежде чем создавать ассоциацию с новой. Такой процесс поскольку он оставляет возможность потери данных в ходе роуминга, но благодаря этому упрощаются МАС-протокол и радиотракт.

Метод работы приложения непосредственно связан с его способностью к восстановлению функций в процессе роуминга. Требующие установления соединения приложения, например основанные на использовании протокола TCP, более толерантны к утере пакетов, происходящей во время роуминга, потому что TCP - надежный и требующий установления соединения протокол. TCP требует положительных подтверждений, точно так же как и уровень MAC стандарта 802.11. Это требование позволяет повторно передать любые данные стандарта 802.11, утерянные во время роуминга, посредством TCP - протокола более высокого уровня.

Хотя TCP обеспечивает хорошее решение для приложений, выполняемых в беспроводных LAN стандарта 802.11, некоторые приложения ориентируются на использование пользовательского протокола данных (User Data Protocol, UDP) в качестве транспортного протокола уровня 4. Протокол UDP является малоизбыточным и не требует установления соединения. Пакеты UDP используют такие приложения, как IP-телефония (Voice over IP, VoIP) и приложения, обеспечивающие передачу видеоизображений. Поэтому, роуминг с потерей данных может оказать заметное влияние на работу основанных на протоколе UDP приложений.

О точках доступа, относящихся к одному широковещательному домену и сконфигурированных так, что они имеют одинаковый идентификатор зоны обслуживания (SSID), говорят, что они относятся к одному домену роуминга. Расширенная зона обслуживания (ESS) обычно рассматривалась как несколько базовых зон обслуживания (BSS), связывающихся между собой через службу распределения (проводную/беспроводную сеть). Следовательно, доменом роуминга можно назвать ESS.

На рис. 63 показан домен роуминга уровня 2. Перемещающийся пользователь может поддерживать приложение в состоянии подключения, пока находится в пределах домена роуминга и пока поддерживается (не изменяется) сетевой адрес уровня 3.

На рис. 64 показано, как осуществляется роуминг между доменами роуминга. Перемещающийся пользователь переходит от точки доступа подсети А к точке доступа подсети В. Поскольку адрес уровня 3 изменяется, станция прекращает все сеансы связи приложений.

Механизм определения момента времени, когда необходимо начать процесс роуминга, не определен в спецификации стандарта 802.11 и, таким образом, оставлен на усмотрение поставщиков оборудования. В этих алгоритмах учитываются такие параметры, как уровень сигнала, значения счетчиков числа попыток, посланные сигнальные фреймы и другие концепции и разработки производителей.

При перемещении пользователя существуют два механизма определения новой точки доступа.

Рисунок 63. Домен роуминга уровня 2

Рисунок 64. Роуминг между доменами роуминга

· Предварительное обнаружение точки доступа

· Обнаружение точки доступа во время перемещения

Каждый из этих механизмов может в свою очередь использовать один или оба из следующих механизмов:

· Активное сканирование. Клиент активно ищет точку доступа. Этот процесс обычно включает отправку клиентом зондирующих запросов по каждому из сконфигурированных на нем каналов и ожидание ответов от точек доступа на зондирующие запросы. Затем клиент определяет, какая из точек доступа лучше всего подходит для роуминга;

· Пассивное сканирование. Клиент не передает ни одного фрейма, а просто прослушивает сигнальные фреймы, передаваемые по каждому из каналов. Клиент продолжает переходить с канала на канал через определенные интервалы времени, как при активном сканировании, но при этом не посылает зондирующие запросы.

Активное сканирование считается наиболее совершенным механизмом поиска точки доступа, потому что при его использовании активно рассылаются зондирующие запросы стандарта 802.11 по всем каналам.

Пассивное сканирование имеет преимущество, поскольку не требует от клиента передачи зондирующих запросов, но существует вероятность того, что нужная точка доступа будет пропущена, так как клиент не получил ее сигнальный фрейм в отпущенный для этого промежуток времени. Преимущество активного сканирования состоит в том, что клиент активно ищет точки доступа, с которыми может ассоциироваться, но при этом он должен передавать зондирующие фреймы. В зависимости от особенностей применения клиента стандарта 802.11 один из механизмов может подходить больше, чем другой.

3.8.3 Предварительное обнаружение точки доступа

Предварительный роуминг - это функция, которая наделяет клиента способностью переходить к обслуживанию предварительно определенной точкой доступа после того, как клиент примет решение перемещаться. Этот процесс требует минимального общего времени роуминга, благодаря чему снижается воздействие роуминга на работу приложений. Однако предварительный роуминг не свободен от недостатков.

Для того чтобы клиент мог определить, к какой точке доступа нужно осуществлять роуминг, он должен сканировать точки доступа в течение периода нормальной работы (без роуминга). Когда клиент осуществляет сканирование, он должен переходить с канала на канал, чтобы или прослушивать другие точки доступа, или рассылать зондирующие запросы. Такое изменение может потенциально привести к возникновению нескольких проблем для клиента, которые могут повлиять на работу приложений (см. рис. 63).

· Клиент не может получать данные от точки доступа, с которой он в данное время ассоциирован, пока он сканирует каналы (активно или пассивно). Если точка доступа посылает данные клиенту в то время, когда он сканирует каналы (предполагается, что клиент работает на другом канале, нежели точка доступа), клиент пропустит эти данные и потребуется повторная передач их точкой доступа;

· Приложение клиента может испытать воздействие снижения пропускной способности. Клиент не может передавать данные во время сканирования каналов (активного либо пассивного), поэтому некоторые приложения, выполняемые клиентом, могут ощутить снижение пропускной способности;

· Работа механизма предварительного обнаружения точки доступа может быть нарушена быстро перемещающимся клиентом. Клиент может двигаться с такой скоростью, что предварительно выбранная точка доступа перестанет быть наиболее предпочтительной с точки зрения роуминга, что приведет к повышению частоты принятия решений относительно роуминга и снижению пропускной способности для приложений.

3.9 Обнаружение точки доступа во время перемещения

Обнаружение точки доступа во время перемещения не приводит к повышению накладных расходов, характерному для предварительного обнаружения точки доступа (в то время, когда роуминг не осуществляется), потому что клиент не знает, с какой точкой доступа он должен реассоциироваться, но зато больше времени тратится на сам процесс роуминга.

3.9.1 Процесс роуминга уровня 2

Роуминг включает больше процессов, чем необходимо для поиска точки доступа, с которой можно связаться.

1. Предыдущая точка доступа должна определить, что клиент уходит из ее области действия

2. Предыдущая точка доступа должна буферизировать данные, предназначенные для клиента, осуществляющего роуминг уровня 2

3. Новая точка доступа должна известить предыдущую, что клиент успешно переместился в ее зону. Этот этап обычно выполняется с помощью одно- или многоадресатных пакетов, передаваемых старой точкой доступа для новой и содержащих МАС-адрес источника, указывающий МАС-адрес перемещающегося клиента

4. Предыдущая точка доступа должна послать буферизированные данные новой точке доступа

5. Предыдущая точка доступа должна определить, что клиент покинул ее зону действия

6. Точка доступа должна обновить таблицы МАС-адресов на коммутаторах инфраструктуры, чтобы избежать потери данных перемещающегося клиента

3.9.2 Роуминг между доменами роуминга

Домен роуминга определяется как совокупность точек доступа, которые относятся к одному и тому же широковещательному домену и сконфигурированы с одним и тем же SSID.