КП "Локальная радиосеть". Часть 1.
1.1. Обоснование предполагаемой архитектуры
решения, пояснение задач и схемы взаимодействия "пользователь - радиосеть
- другие пользователи". Проработка состава сетевого терминала (выделенного
узла сети), отражающего выполнение возлагаемых на объект задач. Характеристика
и пояснение практической реализации следующих задач точки доступа: "каждый
пользователь сети должен получать в реальном масштабе времени информацию о
других активных терминалах и иметь возможность обмена сообщениями с каждым из
них; максимально возможное энергосбережение терминалов " - пояснение
стратегии по отношению к терминалам "обнаружил сеть/получил
сведения/зарегистрировался/приступил к исполнению задач пользователя",
анализ предполагаемых видов данных, способов отправки и получения сообщений;
проработка примера подготовки сообщений.
В данном курсовом проекте требуется разработать систему, предназначенную для объединения в единую
радиосеть различных электронных устройств, с целью оперативного обмена данными.
Каждый пользователь сети должен получать в реальном масштабе времени информацию
о других активных терминалах и иметь возможность обмена сообщениями с каждым из
них.
Требования к системе:
- возможность организации конфиденциальной
группы пользователей;
- максимально возможное энергосбережение терминалов.
Учитывая представленные выше основные требования, сеть должна обслуживать максимальное количество абонентов – 45, а радиус зоны обслуживания – 100 метров, при гарантируемой скорости передачи данных в обоих направлениях 4 Мбит/с. Тип местности, для которой должна быть спроектирована сеть: городская застройка.
Также должны соблюдаться требования, предъявляемые верности передачи и мощности излучения подвижной станции.
Для начала выясним, что же такое локальная
радиосеть, каковы ее достоинства и недостатки. Локальная радиосеть - беспроводная
локальная сеть, в которой передача сигналов осуществляется в диапазоне
радиоизлучения.
Стоит отметить, что основными
предпосылками для использования беспроводных радиосетей являются следующие
факторы:
1) сложность проводных
коммуникаций;
2) отсутствие привязки пунктов приема к конкретному месту;
3) практически неограниченное распространение радиоволн по обширной территории;
4) малое время
развертывания сети связи.
Радиосвязь имеет следующие
недостатки:
1)влияние преднамеренных и
непреднамеренных шумов и помех;
2)ограниченное число каналов
связи;
3)зависимость связи от погоды,
времени года и времени суток.
Решение
поставленной проблемы является комплексной задачей: следует по максимуму
использовать все достоинства радиосвязи и найти компромисс между ее
недостатками и требованиями данного курсового проекта.
В качестве примера рассмотрим территорию
медицинского комплекса площадью около
40000 квадратных метров, в состав которого входят 3 здания (корпуса) . В основном на проектируемую систему ложится
задача передачи документации от сотрудника к сотруднику, передача коротких
сообщений. Однако необходимо ограничить доступ «нежелательным» пользователям
системы, для этого администратором составляется список абонентов, которые могут получить доступ в сеть.
Для проектирования
необходимо выбрать конфигурацию сети, так как она определяет
требования к оборудованию, возможные и наиболее удобные методы управления
обменом, надежность работы, возможности расширения сети.
Существует два разных
подхода к реализации:
-структурированные сети;
-сети типа «Ad Hoc».
1)Структурированная
сеть
- обладает стационарными проводными или беспроводными инфраструктурами,
объединяет выделенные узлы сети и соединяет локальную радиосеть с другими сетями. В качестве выделенных узлов сети выступают
базовые станции или точки доступа.
Рисунок 1. Пример структурированного
типа построения сети
2)Сеть Ad Hoc основана на том, что терминалы (Т) ведут
взаимодействие непосредственно друг с другом, то есть устанавливается
соединение точка-точка. Основное преимущество данной сети состоит в том, что не
требуется дополнительного оборудования для ее реализации помимо сетевых
адаптеров. Однако недостатком этого вида сетей является то, что скорость сети
уменьшается пропорционально количеству пользователей. Также в сетях типа Ad Hoc не предусмотрено наличие администратора, который
контролирует работу сети, а по заданию нам нужно обеспечить
организацию конфиденциальной группы
пользователей.
Рисунок
2. Пример организации сети типа Ad HOC.
Чтобы спроектировать локальную радиосеть, удовлетворяющую всем требованиям и возможностям, рассмотрим тип построения сети на основе технологии Wi-Fi стандарта 802.11а . Этот стандарт удовлетворяет всем требованиям системы, представленным в данном курсовом проекте: скорость передачи данных до 54 Мбит/с и радиус действия для оборудования, работающего на частоте 2.4 ГГц, на расстояние до 300 метров. Локальную радиосеть чаще всего реализовывают на основе
структурированных сетей,
то есть с наличием точки доступа ТД .
Рассмотрим
сценарии функционирования сети.
Данные о абонентах,
принадлежащих сети, при конфигурации ТД будут занесены в регистр услуг
информационной системы.
Сеть должна предоставлять
абонентам следующие услуги:
- возможность передачи данных (
текстовых документов, изображений) между абонентами сети;
- возможность передачи коротких
сообщений между абонентами сети;
Большую часть времени терминалы
будут находиться в пассивном режиме. Если начинает осуществляться прием или
передача данных, то терминал входит в активный режим. Поэтому необходимо
рассмотреть два режима работы терминалов (активный и пассивный), с целью
осуществления энергосбережения. Войти в активный режим терминал может как
самостоятельно, так и по запросу ТД. В первом случае, при собственной
инициативе, терминал формирует запрос ТД на передачу данных. Во втором случае
ТД «пробуждает» терминал и сообщает, что в ее буфере присутствуют данные,
которые необходимо передать терминалу.
Для связи терминалов между собой необходимо выполнить поиск доступных им сетей. В данной области может находиться не одна сеть, поэтому в результате поиска на мониторе пользователя отображается список доступных сетей и абоненту необходимо выбрать необходимую ему сеть самостоятельно. По широковещательному каналу (BCCH) осуществляется передача ID сети (идентификатор находится в информационной системе ТД). После выбора сети терминал проходит процедуру регистрации абонента, для этого пользователю необходимо ввести уникальный логин и пароль. При успешной регистрации происходит авторизация абонента в сети, иначе пользователю снова предоставляется список доступных сетей и происходит повторная регистрация. При авторизации пользователя в сети происходит сопоставление списка доступных услуг для абонента. Данные о прошедших регистрацию абонентах хранятся в базе абонентов сети информационной системы ТД. Для каждого терминала предоставляется свой уникальный условный код доступа, который соответствует только текущему соединению.
Рассмотрим
устройство точки доступа:
Рисунок 3.Блок – схема точки доступа
Радиомодуль –
высокочастотный блок, приемопередающее устройство, с помощью которого
осуществляется соединение с ТД. Служит для приема данных с ТД и последующую
передачу на другие ТД.
Данная сеть должна обрабатывать и передавать не только информационные сообщения между терминалами, но и служебные сообщения. Эти сообщения относятся к подсистеме сигнализации и отвечают за корректировку сценариев взаимодействия ТД и терминалов.
Информационная система содержит в себе журналы статистики , журналы активных абонентов и два регистра( услуг и сетевых настроек).
Буфер –
промежуточное хранилище данных, содержит все данные, приходящие с терминалов.
После заполнения буфера, ТД с помощью блока управления пересылает данные,
требуемые терминалом.
Блок управления организует
работу ТД, контролирует передачу данных между абонентскими терминалами.
Сетевой контроллер –
устройство, необходимое для объединения нескольких абонентских терминалов в
сеть, а так же для подключения Internet.
Подсистема оперативных
измерений определяет параметры сети с точки зрения
ее производительности, например уровень сигнала, оповещает подсистему
управления, которая затем отправляет команду радиомодулю перестроиться на
соответствующий профиль.
Задачи, выполняемые точкой доступа:
1)
широковещательная рассылка системной информации (идентификатор сети, ТД).
Рассылка производится по
широковещательному каналу BCCH как
самой ТД для всех терминалов регулярно, так и по запросу конкретного
терминала с целью узнать какие абоненты активны. Так же служит для
оповещения о вновь прибывших терминалах и вышедших из сети. Системная
информация содержит в себе идентификаторы абонентов, в которых
«заложены» соответствующие статусы («абонент активен», «абонент не активен»)
2)
процедура аутентификации пользователей.
Разрабатываемая локальная радиосеть должна быть закрыта для доступа посторонних лиц. Для предотвращения несанкционированного доступа каждому пользователю выдаются уникальный логин и пароль. Процедура аутентификации в сети состоит во вводе пользовательского идентификатора, так называемого логина и пароля (эта информация конфиденциальна). Получив введенный пользователем логин и пароль, ТД сравнивает их со значением, которое хранится в базе данных абонентов. В случае совпадения, ТД пропускает пользователя в систему. В случае утраты логина и пароля возможна смена на новый, но для этого необходима идентификация старыми уникальными данными.
3) опрос
терминалов на прием/передачу данных.
При необходимости терминала
передавать данные, он переходит в активный режим. ТД проверяет на основе
таблицы маршрутизации, относится ли сообщение к ее сети, при заданном MAC адресе
терминала. Если да, то он борется с другими терминалами за канал. Если
терминалу предоставляется канал, то происходит передача данных, которые
записываются в буфер ТД. Затем терминал переходит в пассивный режим. ТД
извещает терминал о наличии для него данных. Терминал переходит в активный
режим и готовится к приему данных по заданному каналу. По завершении успешного
приема, ТД получает отчет о доставке сообщения (иначе повторная передача). Если
терминал, который должен получить сообщение, не активен, то данные хранятся в
буфере ТД, пока принимающий терминал не станет активным и не произойдет прием
данных. Обмен данными между пользователями происходит в соответствии со
специальной адресной книгой (таблицей маршрутизации).
4) определение очереди выделения общего канала связи терминалам на определенное время, требуемое для передачи.
Чтобы терминал мог передать данные, ему необходимо бороться с другими терминалами за канал, так как весь канал передачи данных отводится на передачу одного абонента на некоторое время, т.е. только один терминал будет находиться в активном режиме, а остальные будут ждать освобождения канала. Если терминалу предоставляется канал, то происходит передача данных.
5) хранение принятой информации до успешной передачи на требуемый
терминал.
Это обязательное условие для
данной сети. В ТД находится буфер, в котором накапливаются
данные принимаемые с терминалов. Записав данные для разных абонентов, ТД
принимает решение о их передаче. Точка доступа формирует оповещения терминала о
передаче, предназначаемой ему информации. После передачи терминал сообщает о
том, что сообщение принято. Переданные данные удаляются из буфера. Для эффективного использования ресурсов сети точка доступа
собирает статистику, которую обрабатывает администратор. Если ТД не поступил
отчет о доставке от терминала об успешной передаче сообщения, то происходит
повторная передача до тех пор, пока сообщение не будет передано верно.
6)
сбор статистических данных.
Необходимо для адаптации сети к малейшим
изменениям. ТД «собирает» общую информацию о сети (идентификатор, основные
параметры доступа и количество попыток входа в сеть) в буфер, доступ к которому
ограничен и может быть предоставлен только администратору. Эти данные позволяют
проводить анализ функционирования сети, поддержание ее на должном уровне.
Анализ данных помогает в дальнейшем оптимизировать качество работы системы.
7)
синхронизация всех абонентских терминалов.
Синхронизация всех терминалов в зоне радиопокрытия необходима для корректной работы терминалов в реальном масштабе времени.
Рассмотрим устройство сетевого терминала:
Рисунок 4.Блок-схема терминала.
Абонентский терминал
представляет собой собственно сам ПК и нескольких блоков осуществляющих прием и
передачу данных:
Радиомодуль ,
так же как и в ТД, представляет собой высокочастотный блок, приемопередающее
устройство, с помощью которого осуществляется соединение с ТД. Служит для
приема данных с ТД и последующую передачу на другие ТД.
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.
Блок управления формирует
запросы на передачу информации, принимает решение об изменение своего режима
работы (активный/пассивный, в зависимости от поставленных задач пользователем).
Является интеллектуальной составляющей терминала. Указывает адрес получателя и
данные, необходимые для передачи.
Сетевой контроллер -
периферийное устройство, которое помогает в сопряжении абонентского
оборудования и других устройств терминала.
Блок подсистемы сигнализации выполняет
аналогичные функции, как и в системе точки доступа.
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 .
Рассмотрим
функции администратора:
1)Поддержание работоспособности сети и её компонентов;
2)Защита данных (введение
режима шифрования данных);
3)Включение и
отключение системы, терминалов;
4)Сбор статистических данных о работе сети.
Статистика включает в себя логин, время входа
и выхода из сети, входящий и исходящий трафик, идентификатор оборудования.
Используя эти данные, можно будет оптимизировать нагрузку на сеть.
1.2. Анализ видов информационных сообщений, выделение источника каждого конкретного сообщения и получателя. Подробный анализ "жизненного цикла" сообщений - от события, инициирующего появление сообщения, до момента его исполнения на приемной стороне. Проработка структуры информационных сообщений.
В процессе развития человечества происходит постоянное
совершенствование механизмов, при помощи которых передаются сведения. Способы
хранения и передачи информации довольно разнообразны, поскольку существует
несколько систем, в которых происходит обмен данных. В системе передачи данных
различают 3 направления: это передача от человека к человеку, от человека к устройству и от устройства к устройства.
Первоначально сведения получают при помощи органов
чувств – зрения, слуха, обоняния, вкуса и осязания. Для передачи информации на
ближнем расстоянии существует язык, который позволяет сообщить полученные
сведения другому человеку. Кроме того, передать что-либо другому человеку
можно, написав письмо либо в процессе спектакля, а также при разговоре по
телефону. Несмотря на то, что в последнем примере используется средство связи,
то есть промежуточное устройство, оно позволяет передать сведения в непосредственном
контакте. Для передачи данных от человека к устройству необходимо введение ее в
память устройства. Передача от устройства к устройству происходит посредством
промежуточных устройств (в нашем случае это ТД).
Виды и способы передачи информации отличаются в
зависимости от ее содержания. Это могут быть текстовые сведения, представляемые
в устной и письменной форме, а также символьные, музыкальные и графические. К
современным видам данных относят также видеоинформацию.
"Жизненный
цикл" сообщения
"Жизненный цикл" определяется как период времени, который
начинается с момента принятия решения о необходимости создания сообщения и
заканчивается в момент его выполнения на
приемной стороне.
Первым этапом формирования
сообщения является осознание абонентом
необходимости передать какие-либо данные другому абоненту. В нашем случае это
текстовые документы, в которых содержится информация о больных( например,
история болезни) или графические
изображения( фотографии , медицинские снимки больных и т.д.). Далее абонент,
предварительно подключив терминал к сети,
при помощи устройств ввода формирует сообщение, это сообщение приходит
на точку доступа, точка доступа отправляет уведомление на терминал получателя о
том, что для данного абонента имеется сообщение, происходит подключение
терминала получателя к сети , далее сообщение поступает на терминал получателя
, если передача сообщения происходит успешно, то далее через устройства вывода
принятое сообщение доходит до получателя, если же происходит сбой в соединении
точки доступа и терминала получателя, то сообщение возвращается на точку
доступа и хранится в ее памяти до успешной передачи сообщения. Далее получатель
воплощает в жизнь какие-либо указания, содержащиеся в сообщении или пользуется
информацией , заключенной в нем.
Структура
информационных сообщений
-восприятие и сбор информации;
- первичное или локальное
преобразование информации (отбор и др.);
- передача информации в блок
обработки;
- подготовка информации для
обработки (кодирование и др.);
-подготовка программ, хранение информации;
- обработка полученной информации в соответствии с программой;
-вывод (отображение) информация для потребителя;
- принятие решений;
- реализация решений.
1.3.
Краткая характеристика целевого ПО терминала (выделенного узла сети), пользовательского
интерфейса (интерфейса взаимодействия с внешним объектом). Практическое
пояснение способа предоставления телекоммуникационных услуг сетью с учетом
изложенных особенностей ПО и материала п.1.1, 1.2.
Краткая характеристика
целевого ПО выделенного узла сети.
ПО служит в первую очередь для реализации всех
требуемых функций выделенного узла связи. Оно обеспечивает работу отдельных элементов
узла связи и их взаимодействие. Параметры
данного ПО определяют режим функционирования узла связи. Данные параметры могут
изменяться в процессе функционирования узла связи администратором сети. Для
этого у ПО предусмотрен интерфейс, с помощью которого параметры могут быть
изменены. Доступ к этому интерфейсу имеет только администратор сети. К
параметрам относятся режимы работы, свойства
сети, например, её имя, список допустимых абонентов. Помимо этого интерфейс ПО
позволяет администратору получить информацию о текущем состоянии узла связи,
подключенных абонентах , а также статистическую информацию о работе узла связи,
например, время работы, сколько данных было передано и т.д. На абонентских
устройствах установлено другое ПО. Оно ,в первую очередь, реализует все
требуемые функции путем управления элементами абонентского устройства и их
взаимодействием, а также предоставляет пользовательский интерфейс, с помощью
которого пользователи сети могут воспользоваться предоставляемыми сетью
сервисами.
Пользовательский
интерфейс позволяет подключаться к
сети, используя допустимую пару логин/пароль, а также передавать данные по
сети, включая текстовые и графические сообщения.
Способ предоставления телекоммуникационных
услуг сетью.
Запускается выделенный
узел сети. Администратор через
интерфейс выделенного узла задает параметры сети.
Администратор создает
список пользователей и генерирует для них пары логин/пароль. Пароли и явки передаются абонентам через
какой-то альтернативный канал передачи данных (например, на бумаге). Пользователь включает абонентский терминал, вводит
пару логин/пароль для подключения к сети и, при успешном подключении, может выполнять
передачу различного рода сообщений.
1.4.
Обоснование иерархических моделей объектов радиосети - как транспортной сети
доставки информационных и служебных сообщений согласно сценариям ее работы.
Построение обобщенной иерархической схемы радиосети, отражающей схему
взаимодействия "пользователь - радиосеть - объект управления". Характеристика
радиоинтерфейса сети.
Рисунок 5. Иерархическая структура: а- эталонная модель, б- разрабатываемая модель.
Прикладной, представительский, сеансовый уровень объединены
в уровень принятия решения
Транспортный уровень предназначен для обеспечения
надёжной передачи данных от отправителя к получателю. Контролирует отсутствие
ошибок в принимаемых данных, потери, расположение пакетов в соответствующем
порядке, отвечает за оптимизацию сетевых сервисов и уровень их качества,
требуемый сетевым терминалам на сетевом уровне. Данный уровень использоваться не будет, так как в данной системе
контроль за правильностью принятия пакета будет возложен на канальный
уровень.
Сетевой уровень предназначен
для образования единой транспортной системы,
объединяющей несколько сетей. Отвечает за трансляцию логических адресов и имён
в физические, определение кратчайших маршрутов, коммутацию и маршрутизацию,
отслеживание неполадок и заторов в сети. В
проектируемой системе этот уровень не требуется, потому что имеется одна точка
доступа, которая соединяется только с терминалами, а за адресную доставку пакетов отвечает канальный
уровень.
Канальный уровень определяет функции управления передачей информации по каналу связи между двумя узлами. К ним, в первую очередь, относятся упаковка передаваемой информации в кадры определенной длины, формирование проверяющих символов и проверка содержимого кадров после их передачи, передача и прием подтверждений о приеме кадров, повторная передача неподтвержденных кадров.Кадр, формируемый на канальном уровне имеет поле данных и заголовок. Пакет данных на канальном уровне помещается в поле данных, а заголовок кадра заполняется адресом получателя, служебной информацией.
В задачи канального уровня также входит обеспечения корректности передачи каждого кадра. Для этого фиксируются границы кадра, помещая специальную последовательность бит в начало и конец каждого кадра, чтобы отметить его, а также вычисляет контрольную сумму, суммируя все байты кадра определенным способом и добавляя контрольную сумму к кадру. Происходит передача средствами физического уровня по каналу связи на физический уровень получателя. Этот уровень передает полученные биты канальному уровню, который формирует кадр и снова вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой из кадра. Если они совпадают, кадр считается правильным и принимается. Если же контрольные суммы не совпадают, то фиксируется ошибка. На основании этого формируется пакет подтверждения приема либо повторной передачи.
На физическом уровне выполняются процессы, связанные с надежной передачей потока битов,
поступающего с канального уровня. В данной системе физический
уровень предназначен для передачи потока данных от терминала к точке доступа и
наоборот.
Функции, выполняемые физическим уровнем:
Модуляция.
Процесс переноса
информационного колебания на заведомо известную несущую.
Помехоустойчивое кодирование (FEC).
Кодирование добавляет
избыточность в информационную последовательность для возможности обнаружения и
исправления ошибок, возникающих при передаче сообщения по каналу связи.
Перемежение.
Предназначено для борьбы с
пакетированием ошибок путём их разнесения во времени. Использует перемешивание
(перемежение) символов передаваемой последовательности на передаче и
восстановление её исходной структуры на приёме.
Синхронизация
Необходима для того, чтобы
передающий узел данных мог передать какой-то сигнал принимающему узлу, а
принимающий узел знал, когда начать прием поступающих данных. Частотная синхронизация необходима для подстройки частоты в приемнике по частоте
передаваемой передатчиком. Временная синхронизация или синхронизация
по времени предусматривает, что все устройства в сети имеют единое время.
Измерения уровня сигнала в сети.
На основании данных измерений
модуль управления принимает решение о выборе того или иного профиля работы
системы.
ст. гр. 319 Митрохина Д.И.
Используемая литература:
1) Бакке
А.В. "Лекции по курсу Системы и сети связи с подвижными объектами"
2) http://omoled.ru/publications/view/538
3) http://omoled.ru/publications/view/306
4) http://omoled.ru/publications/view/292