1.1.    Анализ поставленной задачи и исходных данных, выявление особенностей работы системы. Цель – проработка идеи создания сети как целостной системы. Краткое описание концепции функционирования системы на основе проведенного анализа. Определение списка основных и дополнительных услуг системы, предоставляемых пользователям.

Темой данного курсового проекта является «Локальная радиосеть». Приведем краткое описание темы. Система предназначается для объединения в единую радиосеть персональных компьютеров или других электронных устройств посредством любого стандартного интерфейса. Каждый участник сети должен получать в реальном масштабе времени информацию о других активных абонентах и иметь возможность соединения с любым из них. Основные требования к системе:

-    минимальный диапазон используемых частот;

-    возможность адаптивного изменения мощности передачи;

-    возможность адаптивного изменения скорости передачи.

Исходными  данными являются:

-         Максимальное количество абонентов  в сети: 40;

-         Радиус зоны обслуживания: 60 м;

-         Гарантируемая скорость передачи данных в обоих направлениях:

2 Мбит/с;

-         Модель предсказания потерь: в соответствии с рекомендациями МСЭ;

-         Тип местности: городская застройка, помещения;

-         Вероятность ошибки на бит Pb:  5*10^-7;

-         Мощность излучения подвижной станции  Ризл< 0.1 Вт;

-         Рекомендуемая технология передачи: OFDM.

Начнем с небольшого введения. Локальная радиосеть – это беспроводная сеть, в которой передача сигналов осуществляется на границах высоких частот. Использование в учреждениях и на предприятиях различного рода радиоканалов обеспечивает высокую гибкость оперативного взаимодействия пользователей с ресурсами сети и создает базу персональной связи. Беспроводная локальная сеть WLAN обеспечивает взаимодействие абонентских систем по радиоканалам небольшой протяженности.

Реализовать систему, заданную в ТЗ, можно с помощью структурированной сети или сети типа Ad HOC.

  •   Структурированная сеть -  обладает стационарными проводными или беспроводными инфраструктурами, объединяет выделенные узлы сети и соединяет WLAN с другими сетями. В качестве выделенных узлов сети выступают базовые станции или точки доступа.
  •  Сеть Ad HOC – это динамически изменяющаяся сеть произвольной типологии, состоящая из беспроводных терминалов. Функции выделенных узлов выполняют сами терминалы. 
Рассмотрим организацию системы с помощью структурированной сети.

Точки доступа обеспечивают взаимодействие беспроводных терминалов с проводной инфраструктурой сети. В большинстве случаев радиообмен осуществляется только между АР  (англ. Access Point - AP) и беспроводными терминалами, т.е. два сетевых терминала взаимодействуют друг с другом только через соответствующую точку доступа. Таким образом, АР выполняют те же функции, что и базовые станции в системах сотовой связи.  Точка доступа реализует большинство процедур, связанных с управлением передачей данных, оставляя терминалам только простую обработку сигналов. Такой способ организации сети позволяет упростить управлением доступом к сети  и избежать коллизий. Это возможно в случае, когда АР управляют доступом терминалов к радиоканалу. Простая беспроводная сеть для небольшого офиса может быть построена на основе одной точки доступа (см. рис. 1).


Рисунок 1. Пример структурированного типа построения сети.

Здесь создается одна зона обслуживания, в которой находятся все пользователи сети. Размещая точки доступа при развертывании малой сети, следует обеспечить достаточное качество связи на всех рабочих местах, а также удобство в размещении самой точки. Необходимо иметь в виду, что при расширении сети и увеличении количества пользователей скорость связи будет падать (пропорционально числу пользователей).

Структурированные сети не обладают полной гибкостью по причине наличия фиксированной проводной части. Этот недостаток отсутствует в сетях типа Ad HOC.

Рассмотрим организацию системы с помощью сети типа Ad HOC.         

В режиме Ad HОС (см. рис. 2) терминалы устанавливают связь непосредственно друг с другом. Устанавливается одноранговое взаимодействие по типу "точка-точка", и компьютеры взаимодействуют напрямую без применения точек доступа. При этом создается только одна зона обслуживания, не имеющая интерфейса для подключения к проводной локальной сети.


Рисунок 2. Пример организации сети типа Ad HOC.

Основное достоинство данного режима - простота организации: он не требует дополнительного оборудования (точки доступа). Режим может применяться для создания временных сетей для передачи данных. Однако необходимо иметь в виду, что режим Ad HОС позволяет устанавливать соединение на скорости не более 11 Мбит/с, независимо от используемого оборудования. Реальная скорость обмена данными будет ниже и составит не более 11/N Мбит/с, где N - число устройств в сети. Дальность связи составляет не более ста метров, а скорость передачи данных быстро падает с увеличением расстояния. Для терминалов будем использовать беспроводной USB – адаптер.

Практически реализация беспроводной сети, как правило, представляет собой компромисс между этими двумя перечисленными типами сетей.

Исходя из того, что представленные типы сетей имеют как плюсы, так и минусы, я отдала свое предпочтение структурированной топологии построения сетей. Во-первых, построение сети по типу Ad HОС для 40 абонентов, на мой взгляд, является неуместным, т.к. скорость обмена данными в данной сети уменьшается пропорционально числу пользователей и расстояния между ними. Во-вторых, сети типа Ad HОС не предусмотрено наличие администратора, контролирующего работу сети, и имеется только одна зона обслуживания, не имеющая интерфейса для подключения к проводной локальной сети.  Поэтому в данном проекте я решила воспользоваться структурированной топологией построения сети. Поскольку, скорость передачи в данной сети будет выше, у сети будет системный администратор и интерфейс для подключения к проводной локальной сети.

В соответствии с заданием, проектируемая сеть предоставляет пользователям следующие услуги:

-         Передача сообщений;

-         Сведения о других активных абонентах (в режиме реального времени).

Передача сообщений является основной услугой проектируемой сети.  Эта услуга подразумевает соединение любых активных абонентов сет, для обмена данными. Для предоставления данной услуги сетью, терминалу потребуется подключение к проектируемой локальной сети и получение доступа к общему физическому каналу связи.

Сведения о других активных абонентах (в режиме реально времени) необходимы для оптимизации работы сети. Эта услуга выражается в рассылке точкой доступа широковещательных сообщений, содержащих в себе список новоприбывших и вышедших из сети терминалов (идентификаторы абонентов с соответствующими статусами). Данные сообщения рассылаются всем активным терминалам сети.

1.2. Проработка обобщенной функциональной схемы системы: выявление основных ее компонент и описание функциональных связей. Обоснование наличия выделенных узлов сети и отражение их задач.

Рассмотрим подробнее выбранный тип организации проектируемой сети по топологии «звезда»  (см. рис. 3).


Рисунок 3. Проектируемая сеть.

Опишем концепцию функционирования данной сети. Проектируемая сеть объединяет персональные компьютеры, ноутбуки, коммуникаторы и другие электронные устройства в единую радиосеть через точки доступа, которые, в свою очередь, подключены к проводной сети Еthernet. Поскольку необходимо иметь в виду, что при увеличении количества пользователей скорость связи в сети будет падать, то наиболее разумное количество терминалов обычно составляет не более 20. Помимо этого скорость и качество связи зависят и от расстояния между клиентом и точкой. Поэтому в необходимо использовать 2 точки доступа (т.к. в соответствии с заданием, максимальное количество абонентов в сети равно 40). Но в силу того, что данная работа является учебной, то далее будем вести речь об использовании только одной АР. Как уже говорилось ранее, АР выполняют те же функции, что и базовые станции в системах сотовой связи.  Точка доступа реализует большинство процедур, связанных с управлением передачей данных.  АР - это "прозрачный" мост, который предоставляет беспроводный доступ компьютерам и другим устройствам, оборудованным беспроводными сетевыми картами. С помощью точек доступа, беспроводные терминалы могут быть очень быстро объединены в сеть. 

Точка доступа состоит из приемника и передатчика, интерфейса для подключения к проводной сети и программного обеспечения для обработки и хранения данных.

Рассмотрим подробнее блок-схему точки доступа (см. рис. 4):


Рисунок 4. Блок-схема точки доступа.

РМ – радиомодуль отвечает за формирование и достоверный прием потока битов.

МС – модуль согласования выполняет согласование точки доступа с проводной сетью Ethernet.

ИБ – информационный блок формирует информационные сообщения для пользователей.

БпИ- блок проведения измерений, необходим для функционирования сети на должном уровне. От проводимых измерений зависит дальнейший сценарий развития соединения АР и терминалов. А также данный блок осуществляет периодический контроль работоспособности сети и при обнаружении неполадок, посылает информационное сообщение администратору.

ИпС – информационная подсистема является, так называемым, программным обеспечением точки доступа (в ней прописан сценарий работы АР). Здесь хранится журнал абонентов (их активность, время предоставления канального ресурса и таблица маршрутизации). Все данные, содержащиеся в регистре Ипс точки доступа, автоматически дублируются в защищенное хранилище, с помощью ресурсов сети Internet.

 Вокруг точки доступа формируется территория радиусом 50-100, на которой можно пользоваться беспроводной сетью. В данном проекте работой сети управляет администратор через сеть Internet.

В проектируемой сети (см. рис. 3), АР выполняет следующие функции:

-         Предоставление услуг связи;

-         Аутентификация пользователей;

-         Передача по широковещательному каналу информации о себе и данной сети;

-         Рассылка широковещательных информационных сообщений и сообщений сигнализации;

-         Сбор статистических данных по работе сети, ведение журнала абонентов;

-         Проведение измерений;

-         Хранение принятой или передаваемой информации до получения отчета о доставке/приеме от необходимого терминала и формирование собственного отчета терминалам.

Предоставление услуг связи является основной задачей АР. Данный вид услуг представляет собой передачу сообщений между активными пользователями сети. Для того чтобы получить от точки доступа предоставление данных услуг, терминалу необходимо войти в сеть, пройти аутентификацию в данной сети, получить доступ к общему физическому каналу связи и сформировать запрос для АР о предоставлении необходимой услуги.   

Аутентификация пользователей является необходимой мерой, обеспечивающей безопасность сети от несанкционированного доступа.  Для входа в сеть терминалу необходимо ввести свои логин и пароль. Процедура аутентификации состоит в сравнении введенных пользователем логина и пароля с теми, которые хранятся в журнале абонентов АР.

Передача по широковещательному каналу информации о себе и данной сети необходима для терминалов (в проектируемой сети). Благодаря периодической передаче данной информации по широковещательному каналу, терминал осуществляет выбор необходимой для подключения сети  из списка найденных сетей, считывая информацию с необходимой несущей ВССН.

Рассылка широковещательных информационных сообщений и сообщений сигнализации является обязательной и предназначена для оповещения активных терминалов о новоприбывших и вышедших из сети терминалов, а также для управления соединениями в данной сети. Информационные сообщения содержат в себе идентификаторы абонентов с соответствующими статусами, а управляющие сообщения, команды, корректирующие сценарии взаимодействия АР и терминалов.

Сбор статистических данных по работе сети необходим для управления сетью и ее адаптации к малейшим изменениям. Ведение журнала абонентов необходимо для сбора статистики их активности и предоставляемых им услуг. АР собирают и передают общую информацию о сети (идентификатор сети, свой ID (от англ. identifier), распределение каналов доступа, основные параметры доступа и количество попыток). Вся полученная информация дублируется в защищенное хранилище, куда имеет доступ только АР и администратор.

Проведение измерений необходимо для поддержания функционирования сети на должном уровне. Проводить измерения необходимо для измерения уровня качества сигнала от терминалов. Данные измерения  играют важную роль в выборе пути развития сценария текущего соединения. Полученные результаты анализируются АР, и затем терминалам посылается информационное сообщение, которое содержит в себе: «Измени параметры приема/передачи».  Данные сообщения посылаются терминалам с целью оптимизировать  качество передачи данных.

Хранение принятой или передаваемой информации до получения отчета о доставке/приеме от необходимого терминала является обязательным для данной сети. Это необходимо для надежности передачи/приема сообщений в локальной сети. Так как сообщение не будет удалено из регистра точки доступа, пока она не получит отчет о доставке/приеме данного сообщения от терминала. А формирование собственного отчета терминалам также является необходимой гарантией успешного приема/передачи сообщения.

Точку доступа необходимо рассматривать как устройство реализации и управления каналом связи. АР организует прием и обработку любых запросов от терминалов и предоставляет возможность получения обслуживания.

Абонентский терминал, в свою очередь, представляет собой персональный компьютер, ноутбук или другое электронное устройство. Эти устройства должны иметь необходимое для работы ПО (например Windows 7), и способность подключения к локальной сети ( например с помощью сетевого адаптера).

Сетевой адаптер - это устройство, соединяющее компьютер с локальной сетью. Чтобы подключить ноутбук или настольный компьютер к беспроводной локальной сети, необходим адаптер беспроводной сети. Многие ноутбуки и настольные компьютеры оснащены встроенными адаптерами беспроводной сети. Существуют различные типы таких адаптеров, позволяющих подключать ПК или ноутбуки к беспроводной сети. Среди них можно указать адаптеры беспроводного доступа для установки в разъем PCI (используется в настольных ПК), сетевые адаптеры для установки в разъем PC card (используется в ноутбуках) и сетевые адаптеры для установки в разъем USB (внешние адаптеры для настольных или мобильных ПК).

Теперь рассмотрим блок-схему терминала (см. рис 5).


Рисунок 5. Блок-схема терминала.

РМ – радиомодуль отвечает за формирование и достоверный прием потока битов.

Контроллер USB –выполняет согласование ПК с другими устройствами терминала, получает сообщения от  управляющего модуля и перенаправляет их на ПК.

УМ – управляющий модуль формирует сообщения, запросы на их передачу и формирует отчеты о доставке.  Принимает решение об изменении параметров приема и передачи информации.

БпИ- блок проведения измерений, необходим для функционирования сети на должном уровне. От проводимых измерений зависит дальнейший сценарий развития его соединения с АР.

ИпС – информационная подсистема отвечает за выбор сценариев работы терминала. В ней хранится журнал, содержащий информацию о своей сети и точке доступа. А также сохраняется вся необходимая информация, передаваемая точкой доступа, для адаптации к изменениям в работе данной сети.

Рассмотрим функции, выполняемые терминалом.

-         Формирование запроса на предоставление определенных услуг связи;

-         Формирование сообщений для передачи , прием сообщений;

-         Формирование отчета о доставке сообщения;

-         Проведение измерений;

-         Прослушивание канала связи;

-         Переход в режим энергосбережения.

Формирование терминалом запроса на предоставление определенных услуг связи точке доступа необходимо для получения обслуживания в данной локальной сети. Для этого терминалу соответственно необходимо войти в сеть, пройти процедуру аутентификации и получить доступ к физическому каналу связи.

Формирование сообщений для передачи и отчета о доставке происходит в УМ. Формирование и прием сообщений является основной функцией терминала данной сети.  Формирование отчета о доставке сообщения,  переданного точкой доступа,  является необходимой гарантией успешной работы локальной сети. Так как после получения данного отчета, АР удаляет эти данные из своего регистра безвозвратно.

Проведение измерений необходимо для поддержания функционирования сети на должном уровне. Проводить измерения необходимо для измерения уровня качества сигнала от АР. Данные измерения  играют важную роль в выборе пути развития сценария текущего соединения. Полученные результаты анализируются информационной подсистемой терминала, и затем выбирается необходимый профиль работы в данной ситуации. Измерения проводятся с целью улучшения качества передачи данных.

Прослушивание канала связи необходимо для получения доступа к  нему. Так как в данной сети реализуется один общий физический канал связи. Прослушивая канал, терминал получает всю необходимую информацию для работы от АР по широковещательному каналу.

Переход в режим энергосбережения является обязательным. В данном режиме терминалы проводят большую часть времени. Для его организации терминалу необходимо перейти в пассивный режим и работать с широковещательными пакетами.

1.3.Определение и обоснование структуры информационной подсистемы сети. Выявление важнейших модулей информационной подсистемы и пояснение необходимых связей модулей.

Рассмотрим подробнее информационную подсистему точки доступа (см. рис. 5).

 

Рисунок 5. Блок-схема информационной подсистемы точки доступа. 

Журнал абонентов содержит в себе всю необходимую информацию об абонентах локальной сети (их идентификаторы, пароли, их активность и время предоставления канального ресурса).  Активность абонентов и время предоставления им канального ресурса представлено в виде некой статистики. Все данные, содержащиеся в журнале абонентов, автоматически дублируются в защищенное хранилище, с помощью ресурсов сети Internet.

Таблица маршрутизации является обязательной и отвечает за адресацию сообщений нужному абоненту.

В журнале предоставляемых услуг прописан весь перечень услуг, которые может предоставить проектируемая локальная сеть (см. п.1,1 ).

В блоке, содержащем сведения о сети, происходит сбор статистических данных по работе сети для дальнейшего управления и адаптации к изменениям условий сети.

Регистр хранения сообщений содержит в себе данные, передаваемые терминалами. Эти сообщения хранятся в данном регистре до получения отчета о приеме от терминалов, а затем удаляются безвозвратно,  чтобы не перегружать память ИпС АР.

Модуль управления является, так называемым, программным обеспечением точки доступа. В нем прописаны все сценарии работы  АР. Модуль управления, получив сведения о сети, выбирает необходимый сценарий работы сети в данной ситуации.

Сценарий обслуживания (профили работы) сети представлены в виде некой таблицы (см. табл. 1). Изменение данных профилей, в зависимости от ситуации, оптимизируют работу данной сети.


Итак, АР хранит всю информацию о пользователях, сведения об активности абонентов, ведет журнал статистики предоставления услуг и передаваемых данных. Вся эта информация будет храниться в защищенном хранилище АР, в сети Internet. Защищенное хранилище будет запрашивать пароль для входа в систему. Данный пароль будет известен только точке доступа и системному администратору. Применение такого типа хранения информации выбрано не случайно, это необходимо для обеспечения надежности проектируемой сети (чтобы при отключении питания АР не потерять результаты работы, а при ее включении иметь к ним доступ).

Рассмотрим информационную подсистему терминала (см. рис. 6).


Рисунок 6. Информационная подсистема терминала.

Сценарии работы терминала выбираются специальным блоком выбора сценариев по запросу, приходящему с модуля управления. Выбор того или иного сценария зависит от необходимой скорости и достоверности приема/передачи сообщений. Сбор сведений о сети необходим для принятия решения о применении определенного профиля работы и для адаптации к изменениям условий сети.

В регистре хранения информации содержатся отправляемые сообщения другим терминалам, до прихода отчета о доставке от точки доступа, и все необходимые данные, рассылаемые АР для терминалов.

Журнал, содержащий информацию о сети и АР, необходим для поиска и выбора проектируемой локальной сети из списка найденных сетей.



Литература:

  1. Бакке А.В. "Лекции по курсу ССПО".
  2. Бакке А.В. Методические указания к лабораторной работе "Основы построения беспроводных сетей стандарта 802,11".
  3. http://www.intuit.ru/department/network/wifi/4/
  4. http://rmt.ru/articles.html?article=65