ГЛАВА 9. Методы анализа беспроводных компьютерных сетей

9.1 Состояние и перспективы развития беспроводных радиосетей

В последние годы беспроводные сети передачи данных становятся одним из основных направлений развития сетевой индустрии. По данным ряда фирм [268], занимающихся исследованиями рынка телекоммуникаций, в 2004 году по мобильной беспроводной связи к ресурсам Internet будут подключены 700 миллионов пользователей.

Бурное развитие сетей этого класса в России и во всем мире, о котором многие говорят как о беспроводной революции в области сетей передачи информации [24,268], объясняется наличием целого ряда присущих им достоинств. К ним относятся:

— гибкость архитектуры сети, когда обеспечивается возможность динамического изменения топологии сети при подключении, передвижении и отключении мобильных пользователей без значительных потерь времени;

— высокая скорость передачи информации (до 11 Мбит/с);

— быстрота проектирования и реализации, что критично при жестких требованиях к времени построения сети;

— высокая степень защиты от несанкционированного доступа;

— отказ от дорогостоящей прокладки или аренды оптоволоконного или медного кабеля.

В настоящее время беспроводные технологии обеспечивают эффективное решение следующих задач:

— обеспечение мобильного беспроводного доступа к ресурсам Internet;

— организация беспроводной радиосвязи между рабочими станциями локальной сети (организация беспроводного доступа к ресурсам локальной сети);

— объединение удаленных локальных вычислительных сетей и рабочих станций в единую сеть передачи данных и реализация удаленного стационарного доступа локальных сетей пользователей к Internet;

— решение проблемы «последней мили»;

— соединение АТС между собой беспроводными каналами связи со скоростью до 11 Мбит/с;

— создание территориальных сотовых радиомодемных сетей передачи данных.

Указанные достоинства беспроводных технологий в значительной мере определяются тем, что в основе беспроводных сетей, функционирующих в диапазоне 2,4 Ггц, лежит технология широкополосного или шумоподобного сигнала (ШПС). Эта технология первоначально использовалась для военных целей, а в последние годы успешно применяется в гражданских радиосетях. В рамках технологии ШПС разработано два принципиально различающихся между собой метода использования широкой полосы частот - метод прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum - DSSS) и метод частотных скачков (Frequency Hopping Spread Spectrum - FHSS). Оба этих метода предусматривают деление всей используемой широкой полосы частот на подканалов. При методе DSSS каждый бит информации кодируется в виде последовательности из бит, и все эти бит передаются параллельно по всем подканалам, причем алгоритм кодирования индивидуален для каждой пары «передатчик-приемник», обеспечивая таким образом конфиденциальность передачи. При методе FHSS станция в каждый момент времени передает только по одному из подканалов, регулярно переключаясь на другой подканал. Эти переключения (скачки) происходят синхронно на передатчике и приемнике, причем их последовательность носит псевдослучайный характер и заранее известна только данной паре «передатчик-приемник», что также гарантирует конфиденциальность передачи. Каждый из этих методов имеет свои сильные стороны.

Метод DSSS позволяет достигать большей пропускной способности и, благодаря -кратной избыточности, во-первых, обеспечивает большую устойчивость к узкополосным помехам, а во-вторых, позволяет использовать сигнал очень низкой мощности, таким образом практически не создавая помех обычным радиоустройствам. Оборудование FHSS значительно проще и дешевле, а также обладает большей устойчивостью к широкополосным помехам.

Для работы беспроводных сетей требуются специальные протоколы уровня управления доступом к среде (MAC) ввиду фундаментальных отличий от кабельной среды: отсутствует полная связность (т.е. станции могут быть скрыты друг от друга), беспроводная среда не защищена от внешних сигналов, и ее свойства по распространению сигналов асимметричны и изменчивы во времени. Для обеспечения эффективного управления доступом к беспроводной среде недавно появились ряд международных стандартов, протоколов и рекомендаций, которые специфицируют физический и MAC уровни беспроводных сетей: Bluetooth, ETSI Hiperlan [297] и IEEE 802.11 [298] для организации комнатных и локальных сетей; тот же IEEE 802.11, но с применением необходимых усилителей и параболических антенн, -для корпоративных и городских сетей; наконец, технологии сотовой телефонии, модифицированные для передачи данных и видеоизображений (GPRS и UMTS), - для городских и региональных сетей.

Среди разработчиков локальных и городских беспроводных сетей особенно популярен протокол IEEE 802.11 (называемый также Radio-Ethernet) [298], утвержденный в качестве международного стандарта в 1997 г., ввиду:

• возможности его использования как в локальных, так и в городских сетях;

• регламентации в этом стандарте обоих методов использования ШПС: как DSSS, так и FHSS;

• появления на мировых рынках программных и аппаратных продуктов ряда крупных фирм (таких, как CISCO Aironet, Lucent Technologies, BreezeCom и др.), регламентируемых этим стандартом.

В Российской Федерации примерами успешной реализации беспроводных сетей на основе протокола IEEE 802.11 являются региональные сети Москвы, Обнинска и Якутска, разработанные и реализованные Институтом проблем передачи информации РАН (ИППИ РАН) и описываемые в разделах 9.6 и 9.7.

В протоколе IEEE 802.11 фундаментальным механизмом доступа к беспроводной среде является функция распределенного управления (Distributed Coordination Function - DCF), реализующая метод CSMA/CA (множественный доступ с прослушиванием несущей и избежанием коллизий).

Согласно этому методу последовательные попытки передачи каждой станции беспроводной сети разделены интервалом задержки, а также случайным отложенным временем (backoff time). Число слотов b, составляющих это отложенное время, определяется по двоичному экспоненциальному правилу, которое будет описано в разделе 9.2. Альтернативным механизмом доступа, предусматриваемом в стандарте IEEE 802.11 в качестве возможной надстройки над DCF, является функция централизованного управления (Point Coordination Function - PCF), при которой станция-координатор ведет централизованный опрос остальных станций. Вопросам оценки производительности PCF посвящены работы [1,291], в то время как в данной главе мы ограничимся анализом пропускной способности основной схемы DCF.

В целом, как в России, так и за рубежом ведутся интенсивные научные исследования, направленные на повышение эффективности беспроводных радиосетей и выбор оптимальных параметров протокола IEEE 802.11 [1,19-21,40,145,146,155,170,223,291,297]. В имеющихся работах оценка производительности проводилась либо путем имитационного моделирования (см., например, [145,297]), либо с помощью приближенных аналитических моделей [170,223], основанных на допущениях, существенно упрощающих правило определения интервала задержки. Особенности схемы DCF наиболее полно учтены в работах [146,155], в которых разработаны аналитические методы оценки пропускной способности локальной беспроводной сети 802.11 при высокой нагрузке, когда ко всем станциям BJIC всегда имеются непустые очереди. Данный показатель производительности оценивался в [146,155] в предположении идеального канала, т.е. в отсутствии помех и скрытых станций.

Результаты указанных работ [145,146,155,170,223,297] оказываются практически неприменимы для оценки пропускной способности городских беспроводных сетей. Пренебрежение помехами обычно приводит к существенному завышению оценок пропускной способности, так как в современных городских условиях электромагнитные помехи - неизбежный фактор, ухудшающий пропускную способность сети из-за искажения пакетов. Кроме того, В типичных условиях городской беспроводной сети абонентские станции скрыты друг от друга, что резко увеличивает вероятность коллизий и приводит к рассинхронизации этих станций.

В данной главе анализируется эффективность схемы DCF в аспекте пропускных способностей, обеспечиваемых для клиентов локальных и городских радиосетей в условий помех, характерных для современного города и искажающих передаваемые пакеты. В разделах 9.3 и 9.4 описываются аналитические модели локальных и городских радиосетей, разработанные в [20, 21] и развивающие методы [40,146,155,294] в направлении учета, во-первых, влияния помех на производительность радиосетей и, во-вторых, фрагментации пакетов, применяемой для снижения этого влияния. Приводимые модели позволяют эффективно оценивать пропускные способности при различных информационных потоках, параметрах протокола и конфигураций радиосетей. В разделе 9.5 проводится сравнительный анализ результатов аналитического и имитационного моделирования городской радиосети, а также приводятся некоторые результаты исследования по выбору оптимальных параметров протокола IEEE 802.11. В разделах 9.6 и 9.7 описываются региональные беспроводные сети, спроектированные и реализованные ИППИ РАН с применением методов анализа производительности, как разработанных ранее в [1,19,40,291], так и описываемых в данной главе. Наконец, в последнем разделе проводится анализ оптоэлектронных атмосферных каналов передачи данных.