Анализ существующих аппаратных и программных решений построения ЛВС

В 1997 году был принят стандарт для беспроводных сетей IEEE 802.11. Сейчас этот стандарт активно развивается и включает в себя уже несколько разделов, в том числе три локальные сети (802.11a, 802.11b и 802.11g). Стандарт содержит следующие спецификации:

- 802.11 – первоначальный стандарт WLAN. Поддерживает передачу данных со скоростями от 1 до 2 Мбит/с;

- 802.11a – высокоскоростной стандарт WLAN для частоты 5 ГГц. Поддерживает скорость передачи данных 54 Мбит/с;

- 802.11b – стандарт WLAN для частоты 2,4 ГГц. Поддерживает скорость передачи данных 11 Мбит/с;

- 802.11e – устанавливает требования качества запроса, необходимое для всех радио интерфейсов IEEE WLAN;

- 802.11f – описывает порядок связи между равнозначными точками доступа;

- 802.11g – устанавливает дополнительную технику модуляции для частоты 2,4 ГГц. Предназначен для обеспечения скоростей передачи данных до 54 Мбит/с;

- v802.11h – описывает управление спектром частоты 5 ГГц для использования в Европе и Азии;

- 802.11i – исправляет существующие проблемы безопасности в областях аутентификации и протоколов шифрования;

Разработкой и поддержкой стандарта IEEE 802.11 занимается комитет Wi-Fi Alliance. Термин Wi-Fi (wireless fidelity) используется в качестве общего имени для стандартов 802.11a и 802.11b, а также всех последующих, относящихся к беспроводным локальным сетям (WLAN).

Оборудование беспроводных сетей включает в себя точки беспроводного  доступа (Access Point) и беспроводные адаптеры для каждого абонента.

Точки доступа выполняют  роль концентраторов, обеспечивающих связь между абонентами и между собой, а также функцию мостов, осуществляющих связь с кабельной локальной сетью и с Интернет. Несколько близкорасположенных точек доступа образуют зону доступа Wi-Fi, в пределах которой все абоненты, снабженные беспроводными адаптерами, получают доступ к сети. Такие зоны доступа (Hotspot) создаются в местах массового скопления людей: в аэропортах, студенческих городках, библиотеках, магазинах, бизнес-центрах.

Каждая точка доступа  может обслуживать несколько  абонентов, но чем больше абонентов, тем меньше эффективная скорость передачи для каждого из них. Метод доступа к сети – CSMA/CD. Сеть строится по сотовому принципу. В сети предусмотрен механизм роуминга, то есть поддерживается автоматическое подключение к точке доступа и переключение между точками доступа при перемещении абонентов, хотя строгих правил роуминга стандарт не устанавливает.

Поскольку радиоканал не обеспечивает высокой степени защиты от прослушивания, в сети Wi-Fi используется специальный встроенный механизм защиты информации. Он включает средства и процедуры аутентификации для противодействия несанкционированному доступу к сети и шифрование для предотвращения перехвата информации.

Стандарт IEEE 802.11b был принят в 1999 г. и благодаря ориентации на освоенный диапазон 2,4 ГГц завоевал наибольшую популярность у производителей оборудования. В качестве базовой радиотехнологии в нем используется метод DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), который отличается высокой устойчивостью к искажению данных, помехам, в том числе преднамеренным, а также к обнаружению. Поскольку оборудование 802.11b, работающее на максимальной скорости 11 Мбит/с, имеет меньший радиус действия, чем на более низких скоростях, то стандартом 802.11b предусмотрено автоматическое понижение скорости при ухудшении качества сигнала. Пропускная способность (теоретическая 11 Мбит/с, реальная – от 1 до 6 Мбит/с) отвечает требованиям большинства приложений. Расстояния – до 300 метров, но обычно – до 160 метров.

Стандарт IEEE 802.11a рассчитан  на работу в частотном диапазоне 5 ГГц. Скорость передачи данных до 54 Мбит/с, то есть примерно в пять раз быстрее сетей 802.11b. Это наиболее широкополосный из семейства стандартов 802.11. Определены три обязательные скорости – 6, 12 и 24 Мбит/с и пять необязательных – 9, 18, 36, 48 и 54 Мбит/с. В качестве метода модуляции сигнала принято ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM). Его наиболее существенное отличие от методов DSSS заключается в том, что OFDM предполагает параллельную передачу полезного сигнала одновременно по нескольким частотам диапазона, в то время как технологии расширения спектра передают сигналы последовательно. В результате повышается пропускная способность канала и качество сигнала. К недостаткам 802.11а относятся большая потребляемая мощность радиопередатчиков для частот 5 ГГц, а также меньший радиус действия (около 100 м). Кроме того, устройства для 802.11а дороже, но со временем ценовой разрыв между продуктами 802.11b и 802.11a будет уменьшаться.

Стандарт IEEE 802.11g является новым стандартом, регламентирующим метод построения WLAN, функционирующих в нелицензируемом частотном диапазоне 2,4 ГГц. Благодаря применению технологии ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM) максимальная скорость передачи данных в беспроводных сетях IEEE 802.11g составляет 54 Мбит/с. Оборудование, поддерживающее стандарт IEEE 802.11g, например точки доступа беспроводных сетей, обеспечивает одновременное подключение к сети беспроводных устройств стандартов IEEE 802.11g и IEEE 802.11b. Стандарт 802.11g представляет собой развитие 802.11b и обратно совместим с 802.11b. Теоретически 802.11g обладает достоинствами двух своих предшественников. В числе преимуществ 802.11g надо отметить низкую потребляемую мощность, большие расстояния (до 300 м) и высокую проникающую способность сигнала.

Спецификация IEEE 802.11d. устанавливает  универсальные требования к физическому  уровню (процедуры формирования каналов, псевдослучайные последовательности частот и т. д.). Стандарт 802.11d пока находится в стадии разработки.

Спецификация IEEE 802.11e позволит создавать мультисервисные беспроводные сети для корпораций и индивидуальных потребителей. При сохранении полной совместимости с действующими стандартами 802.11а и b она расширит их функциональность за счет обслуживания потоковых мультимедиа-данных и гарантированного качества услуг. Пока утвержден предварительный вариант спецификаций 802.11е.

Спецификация IEEE 802.11f описывает  протокол обмена служебной информацией между точками доступа (Inter-Access Point Protocol, IAPP), что необходимо для построения распределенных беспроводных сетей передачи данных. Находится в стадии разработки.

Спецификация IEEE 802.11h предусматривает  возможность дополнения действующих  алгоритмами эффективного выбора частот для офисных и уличных беспроводных сетей, а также средствами управления использованием спектра, контроля излучаемой мощности и генерации соответствующих отчетов. Находится в стадии разработки.

Среди изготовителей Wi-Fi оборудования такие известные компании, как Cisco Systems, Intel, Texas Instruments и Proxim.

Таким образом, беспроводные сети весьма перспективны. Несмотря на свои недостатки, главный из которых  – незащищенность среды передачи, они обеспечивают простое подключение  абонентов, не требующее кабелей, мобильность, гибкость и масштабируемость сети. К тому же, что немаловажно, от пользователей не требуется знания сетевых технологий.

 

 

 

Таблица 1.4 – Основные характеристики сетей по методам  передачи информации

Характеристики	Методы передачи информации
	Ethernet			Token Ring	ArcNet
	10Base2	10Base5	10BaseT
Топология	шина	шина	звезда-шина	звезда-кольцо	звезда-шина
Тип кабеля	RG-58 (тонкий коаксиал)	толстый коаксиал	неэкранир. витая пара 3,4 или 5 кат.	Экранир. или неэкранир. витая пара	RG-62 илиRG-59 (коаксиал. кабель)
Сопротивление терминаторов (Ом)	50	50	не применяется	не применяется	не применяется
Максимальная длина  кабеля (м)	925	2460	не использует-ся	от 45 до 200 в зависим. от типа кабеля	звезда (610), шина (305), витая пара (244)
Минимальный промежуток между ПК (м)	от 0,5	от 2,5 между трансиверами и до 50 между трансивером и ПК	до 100 – между трансивером и Hub	2,5	зависит от кабеля
Максимальное количество сегментов	5 (с испол. 4 репитеров) только к 3 сегментам м.б. подключе-ны ПК	5 (с испол. 4 репитеров) только к 3 сегментам м.б. подключе-ны ПК	не определено	33 модуля множественного доступа	не поддерживает соединенные сегменты
Максимальное количество ПК в сегменте	30 (в сети м.б. максимум 1024)	100	1 (каждый ПК имеет  собств. кабель соедин. c Hub) (макс.1024)	НВП:72 ком-ра на концентратор ЭВП: 260 ком-ов на концентратор	зависит от используемого кабеля

 

2. Исследовательская  часть

 

Разработаем математическую модель коммутатора Gigabit Ethernet – одного из основных узлов современных телекоммуникационных систем. Обратимся для этого к статье Макаренко А.В. При синтезе модели будет применен оригинальный подход, отличный от широко распространенного подхода на основе теории систем массового обслуживания /5/. Созданная модель учитывает переменный размер кадра и вариацию межкадрового интервала, а также уровень загрузки коммутационного устройства.

Для составления математической модели, детализируем исходную функциональную модель устройства коммутации трафика (рисунок 5).

Рисунок 5 - Функциональная схема коммутатора в терминах СМО

 

 Развернутая функциональная модель представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 - Детализированная модель коммутатора

 

На вход СМО поступает поток  заявок, который описывается двумя  случайными величинами: T_p[k] - длительность межкадрового интервала, и lg[k] - размер кадра. Битовая скорость коммутации V_b принимается постоянной, так как является аппаратным параметром. Время обработки T_w[k] в общем случае зависит от размера кадра, времени обработки заголовка T_pr[k] процессором (производится проверка контрольной суммы и определяется выходной порт по записи “адрес-порт” в таблице коммутации) и времени остающегося до освобождения выходного порта занятого другими процессами T_st[k]. Две последние величины в нашей модели принимаем случайными, они зависят от конкретной технической реализации коммутатора и от режима его функционирования.

Так как входной буфер коммутатора  имеет ненулевую и конечную емкость, СМО относится к классу систем с ожиданием и потерями. Для этого класса систем СМО справедлив закон баланса, выражающийся в равенстве количества поступивших в систему заявок сумме количеств обслуженных, потерянных, и находящихся в буфере. Потерянные заявки возникают в силу конечной емкости буфера, при его переполнении. В качестве математической модели закона баланса, используем выражение

 

                (2.1)

 

Оно определяет текущую длину очереди S_q(t) в битах, через функции Q_g(t) – количество поступивших битов, Q_sw(t) – количество коммутированных битов и Q_l(t) – количество потерянных битов. Так как функции Q₀(t) определяют количество битов к моменту времени t, определим их как интегралы от функций состояния F₀(0) в промежутке [0,t]:

 

                          (2.2)

 

                (2.3)

 

                                                                                         (2.4)

 

Знак означает неопределенность параметров функций на данном этапе синтеза модели. На основании свойств интеграла и формул (2.7) – (2.9), выражение (2.6) перепишем в следующем виде:

 

                                                                   (2.5)

 

Дальнейший синтез модели подразумевает  определение функций , и , как по аргументам, так и по внутренней структуре. Функция определяет состояние источника трафика следующим образом: при фазе "p-" (межкадровая пауза), и при фазе "p+" (передача кадра). Учитывая дискретность процесса генерации кадров, моменты времени наступления и окончания фазы "p+", выразятся следующим образом:

 

                                        (2.6)

                                       (2.7)

 

где – номер обрабатывающегося кадра, .

Из (2.6) и (2.7) следует, что функция имеет единичное значение внутри промежутка , вне его она равна нулю. В этом случае функция состояния источника трафика в терминах непрерывного времени выразится следующим образом:

 

                           (2.8)

 

где – функция Хевисайда.

Через функцию определяется состояние коммутатора теряющего (сбрасывающего) входящие кадры из-за переполнения его входного буфера емкостью Состояние сброса характеризуется единичным значением функции: , а нормальный режим нулевым значением функции: Состояние сброса характеризуется истинностью выражения в этом случае потеря кадра начинается в момент времени и заканчивается в момент . Принимая во внимание вышесказанное, функцию сброса кадров определим так:

 

              (2.9)

 

Функцию состояния коммутационной матрицы построим для режима коммутации с буферизацией (“store-and-forward”), так как именно этот режим применяется в большинстве магистральных коммутаторов Gigabit Ethernet. При коммутации с буферизацией, входящий кадр при приеме полностью помещается во входной буфер порта. Затем процессор проверяет буферезированый кадр на наличие ошибок (проверка производится по контрольной сумме) и обрабатывает заголовок – определяя выходной порт. И только если ошибки не были обнаружены и канал коммутирующей матрицы оказывается свободным, то начинается собственно процесс коммутации – кадр передается на выходной порт (выходной буфер). Этот режим коммутации гарантирует полную фильтрацию ошибочных кадров и позволяет управлять всеми кадрами, проходящими через коммутирующее устройство. Время собственно коммутации определяется размером кадра и битовой скоростью коммутации . Выразим

 

                  (2.10)

 

Как уже указывалось выше, время  обработки кадра в общем случае зависит от времени коммутации , времени обработки заголовка процессором (производится проверка контрольной суммы и определяется выходной порт по записи “адрес-порт” в таблице коммутации) и времени остающегося до освобождения выходного порта занятого другими процессами . Если же данный кадр был сброшен (потерян), то он отсутствует во входном буфере и время его обработки естественно равно нулю. Отсюда время обработки выразим