1.
Расчетная часть.
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.
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 Pизл_ас < 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 (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 (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 возможность передачи данных между абонентами сети. Передача данных между пользователями будет осуществляться путем передачи специальных пакетов. Эти пакеты состоят из нескольких полей, которые содержат в себе пользовательские данные, разбитые на блоки одинаковой длины и служебную информацию, необходимую для доставки (рис. 20, 21 Часть 3). Доставка пользовательских сообщений от одного абонента к другому осуществляется через точку доступа. Полученные от терминалов сообщения накапливаются у точки доступа в специальном регистре, а затем передаются требуемому адресату. Для передачи данных абоненту потребуется пройти процедуру регистрации в сети и получить доступ к общему физическому каналу связи (рис. 9 Часть 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.
Рассмотрим организацию проектируемой сети по
топологии «звезда» (рис. 3).
Рисунок
3. Проектируемая сеть.
Опишем концепцию
функционирования данной сети. Проектируемая сеть объединяет персональные
компьютеры, ноутбуки и другие электронные устройства в единую радиосеть через
точку доступа, которая, в свою очередь, подключена 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 сети 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, 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 (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.
БФС – блок формирования
сообщений.
Буфер - промежуточное хранилище данных, содержит все данные, приходящие с
терминалов. После заполнения буфера, АР пересылает данные, требуемым терминалам.
БПИ- блок проведения
измерений, необходим для реализации достоверной доставки сообщений внутри сети.
От проводимых измерений зависит выбор профиля работы сети (п. 1.6.4. Часть 3).
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 для возможности восстановления работоспособности
сети, в случае необходимости замены точки доступа.
Вокруг точки доступа формируется территория
радиусом 50-100 метров, на которой можно пользоваться беспроводной сетью.
В проектируемой сети (рис.
3), АР выполняет следующие функции:
1. Передача по
широковещательному каналу информации о себе и данной сети.
Передача по
широковещательному каналу информации о себе и данной сети необходима для
терминалов. Благодаря периодической передаче данной информации по
широковещательному каналу, терминал осуществляет выбор необходимой для
подключения сети из списка найденных,
считывая информацию с необходимой несущей ВССН.
2. Аутентификация
пользователей.
Аутентификация
пользователей является необходимой мерой, обеспечивающей безопасность сети от
несанкционированного доступа, так как разрабатываемая локальная радиосеть должна быть
закрыта для доступа посторонних лиц. Чтобы предотвратить
несанкционированный доступ, каждому пользователю выдаются уникальный логин и
пароль. Процедура аутентификации состоит в сравнении точкой доступа
введенной пользователем уникальной информации (логина и пароля) с той, которая
хранится у нее в журнале абонентов. В случае совпадения пользователь входит в сеть, иначе производит поиск
новой сети. Журнал абонентов может быть изменен путем использования служебных
сообщений, содержащих в себе информацию о пользователях (добавление,
редактирование или удаление абонентов сети). Эти сообщения формируются
администратором, который имеет доступ к АР через ресурсы сети Internet, что позволяет осуществлять
настройку множества подобных сетей удаленно.
3. Ведение журнала абонентов.
Ведение журнала абонентов
необходимо АР для сбора статистики активности абонентов и времени выделения им
физического канала связи. АР хранит и передает общую информацию о сети
(идентификатор сети, свой ID (от англ. identifier), выделение канала связи и
время его использования и основные параметры доступа к физическому каналу связи). Вся информация о
пользователях локальной сети и переданные ими сообщения (до получения
подтверждения от приемной стороны), хранящаяся в регистре точки доступа,
дублируется в защищенное хранилище, используя ресурсы сети Internet. Дублирование данных является
необходимым из-за того, что если точка доступа выйдет из строя, то информация
из регистра АР не будет потеряна.
4. Проведение измерений.
Проведение измерений
необходимо для реализации достоверной доставки сообщений внутри сети. От
проводимых измерений зависит выбор профиля работы сети. Полученные результаты измерений анализируются
в информационной подсистеме АР, и принимается решение о выборе необходимого вида
модуляции.
5. Хранение принятой или
передаваемой информации до получения подтверждения приема.
Хранение принятой или
передаваемой информации до получения подтверждения о приеме от необходимого
терминала является обязательным для данной сети. Это необходимо для надежности
передачи сообщений по локальной сети, так при передаче могут возникнуть ошибки,
и потребуется повторная передача.
В АР находится буфер, в
котором накапливаются данные принимаемые с терминалов. При накоплении данных,
поступивших от разных абонентов, ТД принимает решение о их передаче. Точка
доступа формирует оповещения для терминала о передаче, предназначаемой ему
информации. Переданные пакеты удаляются из буфера безвозвратно. Для эффективного
использования ресурсов сети точка доступа ведет журнал абонентов. Если АР не
поступает подтверждение об успешном приеме от терминала, то происходит
повторная передача до тех пор, пока сообщение не будет принято верно.
Точку доступа необходимо
рассматривать как устройство реализации и управления каналом связи. АР
организует прием и обработку любых запросов от терминалов и предоставляет
доступ к общему физическому каналу связи.
Абонентский терминал, в свою
очередь, представляет собой персональный компьютер, ноутбук или другое
электронное устройство. Эти устройства должны иметь необходимое для работы ПО,
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 (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.
БФС – блок формирования
сообщений.
БПИ- блок проведения
измерений, необходим для реализации достоверной доставки сообщений внутри сети.
От проводимых измерений зависит выбор профиля работы сети (п. 1.6.4. Часть 3).
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.
1. Формирование запроса на регистрацию
и предоставление канала связи.
Формирование
терминалом запроса на регистрацию необходимо для получения обслуживания в
данной локальной сети. Для этого терминалу необходимо пройти процедуру
аутентификации и получить доступ к физическому каналу связи.
2. Проведение измерений.
Проведение измерений
необходимо для измерения
уровня 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.
3. Прослушивание канала
связи.
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.
4. Переход в режим
энергосбережения.
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 (п. 1.5.1. Часть 2).
1.3.Определение и обоснование структуры информационной подсистемы сети.
Выявление важнейших модулей информационной подсистемы и пояснение необходимых связей
модулей.
Рассмотрим информационную подсистему точки доступа (рис.
6).
Рисунок 6.
Блок-схема информационной подсистемы точки доступа.
Блок управления организует работу отдельных модулей АР и потока данных.
В блоке, отвечающем за выбор профиля работы проектируемой сети, происходит установка
необходимого для данного соединения вида модуляции.
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 некого журнала 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.
АР хранит всю информацию о пользователях, сведения об активности абонентов, ведет
журнал статистики предоставления канального ресурса и передаваемых данных. Вся
эта информация будет храниться в защищенном хранилище АР, в сети Internet. 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.
В блоке, отвечающем за выбор профиля работы проектируемой сети, происходит
установка необходимого для данного соединения вида модуляции.
Блок управления организует работу отдельных модулей терминала и потока
данных.
Таблица маршрутизации
является обязательной и отвечает за адресацию сообщений нужному абоненту.
Литература:
- Бакке А.В. "Лекции по курсу ССПО".
- Бакке А.В. Методические указания к лабораторной работе "Основы построения беспроводных сетей стандарта 802,11".
- http://www.intuit.ru/department/network/wifi/4/
- http://rmt.ru/articles.html?article=65