В данном курсовом проекте необходимо разработать систему, предназначенную 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.
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 связи на основе проведенного анализа. Определение списка основных и дополнительных услуг системы, предоставляемых пользователям.
Данная сеть должна обслуживать до 30 абонентов с гарантируемой скоростью передачи данных в обоих направлениях, равной 5 Мбит/с. При этом радиус зоны обслуживания составляет 100 метров; тип местности: городская застройка, помещения.
К системе предъявляются следующие требования:
- минимальный диапазон используемых частот (необходимо грамотно использовать ограниченный радиочастотный ресурс);
- возможность адаптивного изменения мощности передачи (уровень мощности варьируется в зависимости от удаления приемника и передатчика друг от друга);
- возможность адаптивного изменения скорости передачи (в случае, когда система обслуживает далекое от максимума число пользователей, появляется возможность увеличить скорость для активных абонентов).
Рассмотрим в качестве примера предприятие, на котором уже есть большая (или не очень) проводная компьютерная сеть. Некоторые сотрудники при помощи своих ноутбуков или КПК имеют мобильный доступ к корпоративной локальной сети. В случаях, когда сотрудникам, активно перемещающимся по территории, требуется обеспечить постоянный доступ в сеть предприятия, беспроводные технологии практически не имеют альтернативы [4]. Но одна из самых главных задач - это возможность передачи данных между самими мобильными абонентами (документов, сообщений, различных файлов). Не исключается доступ к сети Internet, однако стоит отметить, что круг абонентов, имеющих право пользоваться сетью, строго ограничен.
Исходя из изложенных требований, следует выбрать конфигурацию разрабатываемой сети.
Рассмотрим два варианта реализации:
1. Структурированные сети.
2. Сеть Ad Hoc.
Структурированные сети (рис. 1) обладают стационарной проводной или беспроводной инфраструктурой, объединяет выделенные узлы сети и соединяет WLAN с другими сетями. В качестве выделенных участков сети выступают базовые станции (БС) или точки доступа (Access Point - AP). В большинстве случаев передача сообщений осуществляется только между точкой доступа и абонентскими станциями (АС), т.е. две АС могут передавать сообщения друг другу только через соответствующую точку доступа. Таким образом, точки доступа выполняют те же функции, что и базовые станции в системах сотовой связи. Точка доступа реализует большинство процедур, связанных с управлением передачей данных и доступом терминалов (Т) к радиоканалу [2].
Рисунок 1. Пример структурированной сети - топология ESS (расширенные зоны обслуживания)
Сети Ad Hoc (рис. 2) не имеют опорной проводной инфраструктуры. Беспроводные терминалы не только соединяют пользователей с сетью, но и выступают в роли сетевых узлов. Они могут взаимодействовать между собой все время, пока находятся в зоне взаимной радиодоступности. Размер сети может быть увеличен, если беспроводные терминалы будут пересылать полученные сообщения другим станциям. Концепция сети типа "ad hoc" подразумевает наличие технически более сложных терминалов. Здесь беспроводной терминал не только принимает и отправляет сообщения, но и выступает в роли сетевого узла. Он должен получать доступ к сетевым ресурсам при помощи процедур многостанционного доступа, маршрутизировать передаваемые пакеты и устанавливать их приоритеты [3].
Рисунок 2. Пример реализации сети Ad Hoc
Несмотря на то, что структурированные сети не обладают полной гибкостью, в отличие от сетей Ad Hoc, которые характеризуются произвольной топологией, выберем первый тип реализации сети. В рассмотренном выше примере упоминается о возможности взаимодействия с проводной локальной сетью, а это возможно только в структурированных сетях.
Таким образом, сеть должна предоставлять абонентам следующие услуги:
- прием/передача данных между мобильными абонентами (строгое определение кому сообщение передается и от кого);
- прием/передача коротких сообщений;
- прием/передача между абонентами беспроводной сети и стационарными терминалами проводной сети (необходимо знание IP адресов компьютеров корпоративной сети);
- доступ к Internet (может выступать как дополнительная услуга, при необходимости может быть тарифицирована);
- доступ к электронной почте (дополнительная услуга).
Сформулируем задачи, выполняемые точкой доступа:
- Организация приема и обработки мобильных запросов от терминалов. Проверяется, допущен ли данный терминал к работе в данной сети, работа с данными - при наличии адресата "онлайн". Оповещение о результатах выполняемых операций.
- Прием и передача адресных сообщений. Обмен данными между конкретными пользователями в соответствии с адресной книгой (таблицей маршрутизации).
- Организация выделения каналов связи для терминалов. Определение очереди выделения каналов связи для терминалов (в результате их конкурентной борьбы).
- Передача общей информации о сети (идентификатор сети, идентификатор точки доступа, информация о всех доступных терминалах, информация об активных терминалах) - производится по широковещательному каналу BCCH. Производится как самой AP регулярно для всех терминалов, так и по запросу конкретного терминала, для того, чтобы узнать, какие абоненты активны.
- Синхронизация всех терминалов в зоне радиопокрытия. Для корректной работы терминалов в реальном масштабе времени.
- Сбор статистических данных. Возможна передача статистической информации на сервер администратора.
- Хранение информации для незамедлительной передачи (подробнее в п.1.2 ).
1.2. Проработка обобщенной функциональной схемы системы: выявление основных ее компонент и описание функциональных связей. Обоснование наличия выделенных узлов сети и отражение их задач.
Для того, чтобы терминал мог передавать информацию, необходимо чтобы он нашел доступную ему сеть. Точка доступа по широковещательному каналу BCCH передает ID сети (который также есть в информационной системе терминала). Пользователь выбирает доступную ему сеть, регистрируется (вводит логин и пароль). В случае успешной регистрации, абонент проходит авторизацию - можно определить доступные ему услуги.
Рассмотрим функциональную схему сети (рис. 3).
Рисунок 3. Функциональная схема сети.
Данная система обслуживается администратором удаленно через сеть Internet, а на его сервере может находиться различная информация - паспортные данные абонентов, статистика работы сети, прочие служебные данные.
В случае, когда терминалу необходимо передать данные другому терминалу, он переходит в активный режим. Он может запросить точку доступа о предоставлении информации о наличии активных терминалов. Точка доступа проверяет на основе таблицы маршрутизации, имеет ли передаваемое сообщение с данным MAC-адресом отношение к ее сети. Если выясняется, что требуемый терминал принадлежит к сети, обслуживаемой точкой доступа, и он активен, то выделяется канал связи, происходит передача данных и их запись в буфере точки доступа. Терминал, принимающий информацию, переходит в активный режим и готовится принять информацию по выделенному каналу. После завершения приема, первый терминал получает отчет об успешной передаче информации, иначе происходит повторная передача. Если же терминал-получатель недоступен, то АР оповещает об этом отправителя, и записи в буфер не производится.
Если при передаче терминалом сообщения точка доступа в своей таблице маршрутизации не находит адрес терминала-получателя, то сообщение отправляется во внешний порт - на Ethernet маршрутизатор локальной сети, у которого существует своя таблица маршрутизации. Маршрутизатор на основе MAC-адреса проводной сети (уровня сетевой карты) производит доставку сообщения до стационарного компьютера, имеющий IP-адрес (адресация верхнего уровня), который указан в сообщении, как адрес получателя.
Итак, точка доступа - это коммутатор, который перенаправляет все входящие сообщения по различным направлениям и является главным "интеллектуальным центром" данной сети. Она охватывает все этапы передачи информации. Рассмотрим блок-схему АР (рис. 4).
Рисунок 4. Блок-схема точки доступа
Радиомодуль - приемопередающий высокочастотный блок, обеспечивающий передачу и прием битов сообщения по радиоканалу.
Основная работа данной сети - доставка и обработка сообщений. Помимо информационных сообщений, которыми непосредственно обмениваются терминалы, необходимо сформировать служебные сообщения, а именно - сообщения подсистемы сигнализации, на основе которых будут развиваться и корректироваться сценарии взаимодействия АР и Т. Очень важную роль играет подсистема оперативных измерений, которая определяет параметры сети с точки зрения ее производительности, например уровень сигнала, оповещает подсистему управления, которая затем отправляет команду радиомодулю перестроиться на соответствующий профиль (выбор подходящего QoS). Аналогичная работа данных блоков осуществляется и в терминале.
Блок управления - организует работу точки доступа, контролирует передачу данных между абонентскими терминалами
Буфер - устройство для временного хранения передаваемой информации, которое при заполнении передает данные терминалам-адресатам.
Сетевой контроллер - периферийное устройство, обеспечивающее доступ к проводной сети по технологии Ethernet через разъем RJ-45.
Информационная система - содержит журналы статистики, активных абонентов, услуг.
Блок управления трафиком, опираясь на сведения информационной системы, контролирует трафик пользователей и может вводить различные ограничения в зависимости от настроек конкретного терминала в информационной системе.
Абонентский терминал представляет собой устройство, подключаемое через USB интерфейс к ноутбуку. Перед использованием необходимо установить драйвера радиомодема и программное обеспечение, поддерживаемое данной операционной системой. Эта программа задействует драйвера модема и устройство готово к работе. Рассмотрим блок-схему терминала (рис.5).
Рисунок 5. Блок-схема терминала
Радиомодуль - так же, как и в АР представляет собой высокочастотный блок, обеспечивающий передачу и прием битов сообщения по радиоканалу.
Блок управления - интеллектуальный центр устройства, принимает решение о смене режима работы, формирует запросы на обмен данными
Сетевой контроллер - периферийное устройство, обеспечивающее сопряжение радиомодема с ПК.
Информационная система - содержит статистику (время работы абонента в сети, входящий и исходящий трафик); список предоставляемых услуг данному пользователю; сетевой адрес; индивидуальный ключ идентификации UID (логин и пароль); персональный идентификатор PID.
В свою очередь терминал выполняет следующие задачи:
-формирование пакетов данных для передачи;
-выполнение запросов на передачу;
-формирование отчета для АР о результатах переданных данных (определяет необходимость в повторной передаче);
-синхронизация с сетью (работа в реальном масштабе времени);
-при отсутствии необходимости передачи переход в энергосберегающий режим(пассивный режим) и наоборот в случае передачи;
-прослушивание канала (получение информации о сети, активных абонентах);
-преобразование данных(модуляция/демодуляция, кодирования/декодирование). Перенос сигнала на радиочастоту, борьба с ошибками, в том числе с пакетами ошибок - перемежение.
1.3. Определение и обоснование структуры информационной подсистемы сети. Выявление важнейших модулей информационной подсистемы и пояснение необходимых связей модулей.
Рассмотрим информационную систему точки доступа (рис.6).
Рисунок 6. Блок-схема информационной системы AP
Журнал зарегистрированных абонентов - содержит данные о всех абонентах сети, которым доступно пользование данной сетью. Эти данные содержат персональный идентификатор терминала (PID), сведения о пользователе, получившего в пользование терминал; индивидуальный ключ идентификации пользователя (UID).
Журнал активных абонентов - содержит сведения о терминалах, находящихся в активном режиме работы, готовых передавать данные. Здесь записываются: персональный идентификатор терминала PID; индивидуальный ключ идентификации пользователя UID, воспользовавшегося терминалом; временный идентификатор терминала TID.
Также может содержаться информация о приоритете того или иного терминала.
Адресная книга - таблица маршрутизации в рамках беспроводной сети.
Журнал статистики - содержит такую информацию, как входящий/исходящий трафик, время пребывания в сети, продолжительность сеансов, идентификатор оборудования.
Регистр услуг - содержит информацию о всех доступных услугах.
Регистр сетевых настроек - содержит настройки, необходимы для предоставления этих услуг.
Информация о показателях QoS (Quality of Service) - отражение аспекта качества системы, описание наблюдаемого ее поведения. Это информация о фактических возможностях предоставления того же аспекта качества услуги, учитывающих качество работы всех элементов сети [5].
Информация о точке доступа - ID точки доступа, служебные характеристики.
Рассмотрим информационную систему терминала (рис. 7).
Рисунок 7. Блок-схема информационной системы терминала
Собственная информация терминала – персональный идентификатор терминала, данные пользователя, индивидуальный ключ идентификации пользователя (логин и пароль), сетевой адрес.
Регистр услуг - информация о всех доступных данному терминалу услугах.
Информация о характеристиках QoS. Характеристика QoS выражает одну из особенностей качества услуги, которую можно выделить явно и представить количественно при отражении не реального поведения сети, приближенно определяемого с помощью измерений, а ее истинного поведения [5]. Иными словами, это информация позволяет определить, можно ли повысить качество предоставления услуг в данных условиях.
Калинкин В.В.
Список Литературы:
1. Бакке А.В. Лекции по курсу ССПО. 2012
2. Бакке А.В. Методические указания к лабораторной работе "Основы построения беспроводных сетей стандарта 802,11".
3. http://www.sbi-telecom.ru/tipy-setei-wlan.html
4. http://www.vernex.ru/main/20060318
5. Засецкий А.В., Иванов А.Б "Контроль качества в телекоммуникациях и связи". 2001