Побудова бездротових локальних мереж на основі пористої топології

Рубрикатор

наші новини

Підписка на новини

Бражук Андрій

Бездротові мережі є одним із найперспективніших напрямків розвитку сучасних телекомунікаційних технологій. Перспективи їх використання пов'язані, по-перше, із заміною кабельної інфраструктури на радіоефір; по-друге, з новими можливостями комунікацій між різними пристроями. При цьому поряд з побудовою централізованих мереж інтерес представляє використання елементів децентралізації, які присутні в пористих (mesh) мережах.

Особливості комірчастої топології

Бездротова мережа (Wireless Mesh Network — WMN) утворюється на основі безлічі з'єднань «точка-точка» вузлів, що знаходяться в області радіопокриття один одного (mesh peertopeer, multi-hop). Ключова властивість самоорганізації пористих мереж у тому, що, по-перше, з'єднання між вузлами встановлюються автоматично; по-друге, будь-який вузол може виконувати функції транзитної передачі пакетів (маршрутизації) інших учасників мережі.

Мережа на основі пористої топології характеризується високою надійністю, великою пропускною здатністю та зниженим енергоспоживанням. Висока надійність забезпечується надмірністю вузлів (при відмові одного вузла дані будуть передаватися в обхід, іншим шляхом). Використання кількох альтернативних маршрутів підвищує пропускну спроможність мережі. Зниження енергоспоживання досягається зниженням потужності сигналів за допомогою передачі даних через більше вузлів, розділених меншими відстанями.

основі

Однорангові mesh-мережі здатні стихійно виникати у тих місцях, де потрібна взаємодія між користувачами, і зникати, коли ця потребавідпадає. Такі мережі можуть бути побудовані на основі клієнтського бездротового обладнання. Проте більшість існуючих mesh-технологій у бездротових мережах використовуються лише на рівні пристроїв доступу до мережі (інфраструктурні мережі).

Область застосування комірчастої топології

Загальноприйнято класифікацію бездротових мереж за функціонально-територіальною ознакою (за аналогією з провідними мережами) на персональні (Wireless Personal Area Network — WPAN), локальні (Wireless Local Area Network — WLAN), міські (Wireless Metropolitan Area Network — WMAN) та глобальні (Wireless Wide Area Network - WWAN). При цьому зіставлення бездротових технологій відповідним класам мереж є досить умовним, оскільки сучасні розробки у сфері бездротових комунікацій мають широкі можливості використання. Область застосування кожної конкретної технології визначається безліччю пов'язаних один з одним параметрів, таких як пропускна здатність, енергоспоживання, вартість обладнання, дальність передачі, діапазон частот, можливі топології, якість обслуговування, безпека і т.д.

Комірчаста топологія для економічних низькошвидкісних мереж успішно реалізована в технології ZigBee. Низьке енергоспоживання дозволяє використовувати цю технологію в бездротових мережах датчиків (Wireless Sensor Network) та різних побутових пристроїв у рамках концепції цифрового дому (Digital Home), у комп'ютерних пристроях бездротових персональних мереж WPAN, що не висувають високих вимог до швидкості каналів зв'язку (пульти керування, джойстики) , миші і т. д.). Низька пропускна здатність (до 250 кбіт/c) обмежує застосування ZigBee для передачі великих обсягів даних та мультимедіа-трафіку.

З бездротовими локальними мережами WLAN традиційно пов'язуютьтехнологію Wi-Fi, побудовану на основі сімейства стандартів IEEE 802.11. В даний час для даної технології стандартизовано пропускну здатність 54 Мбіт/c (IEEE 802.11a/g), яка прийнятна для вирішення багатьох завдань, що не потребують надшвидкісних каналів зв'язку. Використання 802.11 не обмежується лише локальними мережами. Технології сімейства IEEE 802.11 успішно застосовуються як у персональних мережах для з'єднання пристроїв у межах особистого простору користувача, так і для з'єднання розділених багатьма кілометрами мереж. Пориста топологія реалізована в дослідницьких проектах з організації мереж MANET (Mobile Ad Hoc Network), що використовують режим Ad hoc IEEE 802.11b.

Питання використання пористої топології в бездротових глобальних (WWAN) та міських (WMAN) мережах також активно вивчаються. Наприклад, у рамках робочої групи IEEE 802.16, яка займається стандартизацією технології WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), проводяться дослідження mesh-технологій.

Пориста топологія в бездротових локальних мережах

Комірчаста топологія WLAN використовується для об'єднання точок доступу в бездротову систему розподілу повідомлень (Wireless Distribution System — WDS). WDS призначена для заміни дротових каналів взаємодії пристроїв доступу до мережі бездротовими.

Очевидно, що для представленої організації мережі необхідні зміни у протоколах фізичного, канального рівнів та маршрутизації. Бездротові ніздрюваті мережі мають певні особливості, пов'язані із застосуванням як бездротового середовища передачі, так і пористої топології.

Використання бездротової системи розподілу збільшує трафік, що передається каналами, що підвищує вимоги до фізичного рівня. Одним із шляхів вирішення даноїпроблеми для існуючих протоколів радіопередачі є поділ взаємодії точок доступу між собою (5 ГГц IEEE 802.11a) та точок доступу з клієнтами (2,4 МГц IEEE 802.11g/b), що й зроблено у більшості реалізацій. Альтернативний підхід полягає у використанні одного частотного діапазону для всіх комунікацій, що вимагає від розробників протоколів фізичного рівня вдосконалення та оптимізації технологій модуляції, кодування та передачі (Multiple Input Multiple Output - MIMO, багатоканальні та багатоантенні системи тощо).

Класичний протокол 802.11 MAC також має обмеження для застосування у mesh-мережі. По-перше, цей протокол орієнтований на одне з'єднання, а пориста топологія передбачає безліч одночасних з'єднань з сусідніми вузлами. По-друге, 802.11 MAC описує лише передачу даних між двома вузлами (onehope), і транзитна доставка стороннім вузлам (multi-hop) виходить за межі його застосування.

мереж

Вирішення останньої задачі (схожої з маршрутизацією у звичайних мережах) можливе як на мережевому, так і на канальному рівнях. При цьому протокол транзитної доставки повинен ефективно використовувати безліч можливих маршрутів, мати інтелектуальний механізм вибору оптимального шляху, бути надійним і стійким до відмови, в той же час бути масштабованим і сумісним з різними технологіями радіопередачі.

Маршрутизація на мережному рівні має високу сумісність і розширюваність через незалежність від нижчележачих протоколів. На мережному рівні працює протокол PWRP (Predictive Wireless Routing Protocol), розроблений компанією Tropos Networks. PWRP багато в чому аналогічний відомому протоколу маршрутизації для провідних мереж OSPF (Open Shortest Path First). Іншими протоколами маршрутизації дляmesh-мереж є TBRPF (Topology Broadcast Reverse Path Forwarding) компанії Firetide Networks, LQSR (Link Quality Source Routing) від Microsoft, AODV (Ad hoc On-demand Distance Vector) та ін.

Однак максимальна ефективність досяжна при тісній взаємодії з технологіями радіопередачі, що використовується, що можливо на канальному рівні. Прикладом може бути AWPP (Adaptive Wireless Path Protocol) компанії Cisco Systems.

Нині рішення різних виробників несумісні друг з одним. Проте, роботи зі стандартизації ведуться в рамках робочої групи IEEE 802.11s (ESS Mesh Networking Task Group). Областью дослідження цієї групи є розробка розширеного набору служб (Extended Service Set - ESS) для mesh-топології в бездротовій системі розподілу повідомлень на базі протоколів IEEE 802.11 для фізичного та канального рівнів.

Очевидно, що функціональність, пов'язана з реалізацією пористої топології, породить нові вразливості та можливості для атак. Тому захищеність протоколів транзитної доставки пакетів є актуальною для дослідження.

У той же час для централізовано керованих корпоративних mesh-мереж застосовні концепції надійно захищеної мережі (Robust Security Network - RSN), що описуються в стандарті IEEE 802.11i. Концепція RSN заснована на існуванні лише надійно захищених мережевих з'єднань (RSN Association — RSNA) між усіма учасниками мережевих взаємодій у бездротовому середовищі на рівні доступу до мережі.

RSNA використовує захищену аутентифікацію, принцип контролю доступу по порту та управління криптографічними ключами (протокол аутентифікації IEEE 802.1X). Конфіденційність і цілісність інформації, що передається, забезпечують протоколи TKIP (Temporal Key Integrity Protocol) абоCCMP (Counter Mode with CBC-MAC).

Замість ув'язнення

Подальший розвиток бездротових пористих технологій незалежно від типу та архітектури мережі визначається такими факторами:

  • удосконаленням технологій радіопередачі;
  • адаптацією існуючих та розробкою нових бездротових протоколів MAC-рівня для багатоточкових мобільних з'єднань;
  • підвищенням надійності та подолання обмежень до розширюваності та мобільності протоколів маршрутизації для mesh-мереж;
  • забезпеченням якості обслуговування (Quality of Service - QoS), чутливого до затримок трафіку;
  • забезпеченням безпеки mesh-технологій.

Саме це питання мають вирішити розробники стандарту IEEE 802.11s, видання якого може стати відправною точкою повсюдного впровадження mesh-технологій у комп'ютерних мережах.

Література

  1. Akyildiz I. Wang X. Wang W. Wireless Mesh Networks: a survey // ScienceDirect. 2004. http://www.sciencedirect.com.
  2. http://www.zigbee.org.
  3. http://www.wi-fi.org.
  4. http://www.wimaxforum.org.
  5. Побудова бездротових мереж майбутнього. Intel. http://www.intel.com.
  6. Cisco Wireless Mesh Networking Solution. http://www.cisco.com.
  7. Nortel - Wireless Mesh Network Solution. Nortel. http://www.nortel.com.
  8. Self-Organizing Neighborhood Wireless Mesh Networks – Microsoft Networking Research Group. 2005. http://research.microsoft.com/mesh/.
  9. http://www.fi retide.com/.
  10. http://tropos.com.
  11. http://strixsystems.com.
  12. http://belairnetworks.com.
  13. IEEE Std 802.11i - 2004

Інші статті на цю тему:

Якщо Ви помітили якісь неточності у статті (відсутні малюнки, таблиці, недостовірну інформацію тат.п.), прохання повідомити нам про це. Будь ласка, вкажіть посилання на сторінку та опис проблеми.