CC BY
19
УДК 621.9:004.38
Вкт.В. ГНАТУШЕНКО, В О. ДВОРЕЦЬКИЙ
Нащональна металургшна академ1я Укра1ни, Дншропетровськ
ОПТИМ1ЗАЦ1Я ТОПОЛОГП БЕЗДРОТОВО1 МЕРЕЖ1 ПРИ ВИКОРИСТАНН1 ТЕХНОЛОГИ AIRMAX
Анотацгя. При побудов1 бездротово'1' мереж! вибгр розташування ретрансляторгв зазвичай проводиться на основi результатгв натурного моделювання, пов'язаного з проведенням численних експериментгв, що ктотно тдвищуе трудомiсткiсть i вартiсть процесу розгортання, тому використання iмiтацiйноi моделi е актуальним. Об'ектом даного до^дження е трафж бездротовог мережi, а предметом - розробка ефективних методiв i засобiв ix проектування, що включають оптимiзацiю, порiвняння i аналгз проходження трафжа i його яюсних характеристик. За результатами моделювання та до^дження експериментальних даних бездротовог мережi з використанням технологи AIRMAX зроблено висновок, що для пiдвищення якостi сигналу та пропускно'1' здатностi бездротового мосту, у разi розширення локально'1' мережi рекомендуеться бшьш точне позицiювання приймаючо'1' станци вiдносно точки доступу, що дозволить максимгзувати показники передачi трафк у бездротовш мережi вдстань прямо'1' видимостi, чистота зони та максимальний радiус зони Френеля, швидюсть передач^отримання даних для технологи AirMax, яюсть сигналу, продуктивтсть).
Ключовi слова: бездротова мережа, топологiя, оптимiзацiя, передача, трафж, AIRMAX, модель.
Викт.В. ГНАТУШЕНКО, В.А. ДВОРЕЦКИЙ
Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск
ОПТИМИЗАЦИЯ ТОПОЛОГИИ БЕСПРОВОДНОЙ СЕТИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ
ТЕХНОЛОГИИ AIRMAX
При построении беспроводной сети выбор расположения ретрансляторов обычно проводится на основе результатов натурного моделирования, связанного с проведением многочисленных экспериментов, что существенно повышает трудоемкость и стоимость процесса развертывания, поэтому использование имитационной модели является актуальным. Объектом данного исследования является трафик беспроводной сети, а предметом - разработка эффективных методов и средств их проектирования, включая оптимизацию, сравнение и анализ прохождения трафика и его качественных характеристик. По результатам моделирования и исследования экспериментальных данных беспроводной сети с использованием технологии AIRMAX сделан вывод, что для повышения качества сигнала и пропускной способности беспроводного моста, в случае расширения локальной сети рекомендуется более точное позиционирование принимающей станции относительно точки доступа, что позволит максимизировать показатели передачи трафика в беспроводной сети (расстояние прямой видимости, чистота зоны и максимальный радиус зоны Френеля, скорость передачи/получения данных для технологии AirMax, качество сигнала, производительность).
Ключевые слова: беспроводная сеть, топология, оптимизация, передача, трафик, AIRMAX, модель.
VIKT.V.HNATUSHENKO, V.O. DVORETSKIJ
National Metallurgical Academy of Ukraine, Dnepropetrovsk
OPTIMIZATION TOPOLOGY WIRELESS NETWORK USING AIRMAX
When building a wireless network repeaters location choice is usually made based on the results of model simulations related to the conduct numerous experiments, which significantly increases the complexity and cost of the deployment and the use of simulation models is important. The present study is the wireless network traffic, and the subject - development of effective methods and means of their design, including optimization, comparison and analysis of passing traffic and its quality characteristics. According to the simulation results and experimental research data use is a wireless network technology AIRMAX concluded that to improve the signal quality and throughput of wireless bridge, in the case of LAN extensions, recommended a more accurate positioning relative to the receiving station access points that will maximize the traffic in Wireless LAN (distance line of sight, purity and maximum radius Fresnel zone, speed / receiving data technology AirMax, signal quality, productivity).
Keywords: wireless network, topology optimization, transfer, traffic, AIRRMAX, model.
Постановка проблеми
На сьогодшшнш день великий розвиток в обласп передач! даних отримали бездротов1 мереж -мереж радюзв'язку. Це пояснюеться зручшстю ix використання, дешевизною i прийнятною пропускною здатшстю. Проектування рационально! топологи бездротово! мережi стикаеться з двома проблемами: власне
розрахунком тако! топологи з урахуванням велико! шлькосп факторiв, що впливають на роботу мереж!, i практичною реалiзацieю побудованого таким чином ршення. Остання проблема обумовлена можливими ввдмшностями критерпв оптимальностi маршрутизацп в реальнш мережi в!д аналогiчних критерпв, як використовуються при побудовi рацiонального ршення. При побудовi бездротово! мереж1 (БМ) вибiр розташування ретранслятор!в зазвичай проводиться на основi результатiв натурного моделювання, пов'язаного з проведенням численних експерименпв, що iстотно пiдвищуe трудомiсткiсть i вартiсть процесу розгортання БМ. Виходячи з поточно! динамiки розвитку, можна зробити висновок про те, що за шльшстю та поширенiстю бездротовi мереж1 незабаром перевершать провiднi мереж!. Продуктивнiсть комп'ютерно! мереж1 [1, 2] - це ефектившсть виконання !! функцiй, таких як забезпечення швидко! i безпомилково! передачi даних, стльне використання ресурсiв, забезпечення захисту даних, обмш електронною поштою в межах шдприемства i в глобальних масштабах та ш. Однак на практищ реальна швидкiсть прийому/передачi даних виявляеться iстотно нижче, нiж бiтова швидшсть, пiдтримувана використовуваною мережевою технологieю.
Анaлiз останшх дослiджень
Особливо гостро ця проблема iснуе в бездротових мережах [3-5]. Реальна пропускна здатнiсть бездротово! комп'ютерно! мереж! залежить вiд використовувано! технологi!, кiлькостi абонентiв у мереж1, протяжностi i якосп каналiв зв'язку, р!вня електромагнiтних завад, використовуваного мережевого обладнання, протокол!в i багатьох шших фактор!в. Наявнють наведених проблем обумовлюе актуальшсть задач! оптишзаци тополог!! та налаштування БМ, виршення цього завдання на практичному р!вш дозволить значною м!рою знизити трудовитрати i фшансов! витрати при впровадженш систем мониторингу.
Формулювання цiлей CTaTTi (постановка завдання). Метою роботи е зниження ресурсозатрат при проектуванш, розгортанш та експлуатацп БМ за допомогою розрахунку тополог!! мереж! з урахуванням можливосп !! практичного вщтворення, а також проведення !мгтацшного моделювання, що забезпечуе отримання цього ршення. Предметом дослщження е розробка ефективних засоб!в проектування, яш мютять пор!вняння та анал!з можливостей пвдвищення пропускно! здатносп мереж1.
Основна частина
Технолопя AirMax. AirMAX - це технолопя, що забезпечуе швидшсть передач! даних поза примщеннями для протоколу TCP/IP - 150 Мб/с i вище. Стандартно ршення, що ефективно використовують радюд!апазон, працювали на Wi-Fi протоколах. Для невеликих мереж вони були оптимальним вибором, але мали серйозш труднощ! з швидкод!ею при зб!льшенш числа тдключених користувач!в. Технолопя AirMax - це особливий внутршньо ф!рмовий протокол, за допомогою якого ведеться бездротова передача даних, який був розроблений компашею Ubiquti Networks. Даний протокол е закритою розробкою, шформащя про яку може розголошуватися лише всередит компани. Це означае, що пристро! шших виробнишв не зможуть працювати з даним протоколом, як i деяк1 види обладнання виробництва компани Ubiquti Networks. Основна ввдмштстъ в!д WiFi b/g/n режиму базово! станци мютиться в пм, що при активацп AirMax пристро! заметь CSMA (множинний доступ з контролем несучо!) переходять на TDMA (множинний доступ з часовим подшом). Протокол TDMA позбавлений ввд проблем кол!зш, що виникають при засм!ченому еф!р! CSMA, який у випадковому порядку намагаеться почати передачу (перюдично посилаючи пакети з проханням зв!льнити еф!р) та чекае. У той час як базова станщя (БС) з TDMA видае кожному ктенту певний тайм-слот для передач!, одночасна передача ктенпв ще! БС в загальному випадку не можлива. Однак !снуе проблема, коли на однш частот! знаходяться дв! БС з TDMA протоколом, але вона вир!шуеться шляхом синхрошзацп цих БС вщ джерела часу (у загальному випадку GPS). 1ншою перевагою AirMax режиму е TDMA VOIP/VideoQoS штелектуальний планувальник. Цей алгоритм автоматично визначае VOIP i вщео пакети i дае !м високий прюритет. У AirMax режим! так само доданий функцюнал Dual TDMA, який дозволяе призначати р!зний прюритет для ктенттв з поганим р!внем сигналу i для «хороших» ктенпв, що виключае проблему «пов!льного ктента», який знижуе загальну продуктившсть ус!х абоненлв БС.
Експериментальш дослвдження проводились на дшянщ мереж!, що складаеться з дротових частин та бездротово! - AirMAX мосту, який з'еднуе два населен! пункти на вщсташ 9.75 км один вщ одного. Основну увагу придшено бездротовш д!лянщ мереж!. Ubiquiti AirMax пропонуе вихвд з ситуацп, коли р!зко збшьшуеться шльшсть тдключених робочих станцш. Ршення основане на використанш протоколу TDMA з апаратним прискоренням, яке включае координатор черг з внутршшм детектуванням пакепв VoIP i «розумним» складанням розклад!в. В результат! була створена мережа, яка може масштабуватись до дешлькох сотень ктенпв на одну базову станцш з високою пропускною здатшстю, збереженням мало! затримки i як!сно! передач! голосу.
Загальна умовна схема мереж! представлена на рисунку 1 та складаеться з таких основних частин:
• 1нтернет провайдер (не розглядаеться у даному дослвдженш);
• маршрутизатор;
• точка доступу бездротово! мереж!;
• станщя доступу бездротово! мережу
• локальна мережа (у межах населеного пункту), що складаеться з комутаторiв та обладнання абонентiв (ПК або WiFi маршрутизатори малого радiусу дИ");
• з'еднувальнi лiнi (оптоволоконш лшп, кручена пара та бездротова передача).
Розглянемо кожен елемент мереж! детальшше. Керуючим пристроем у мережi виступае маршрутизатор MikroTik RB850Gx2 [6]. В обов'язки маршрутизатора входить контроль усього траф!ку, що йде з локально! мережi через бездротовий мют, а також забезпечення VPN сервера для зручного доступу до веб-штерфейсу налаштувань точки доступу та станцп бездротово! д!лянки. Маршрутизатор з'еднано з антеною, що виступае точкою доступу за допомогою кабелю «кручена пара», при цьому швидшсть обм!ну даними м!ж цiею антеною та маршрутизатором може досягати 1 Гб.
"Weekly" Graph (30 Minute Average)
35.00Mb 26.25Mb 17.50Mb
i
...........1
. AJv .Л „г-н . .Л*» .. Hi 1 . А.М. У u 1 Л/Jw
Max In: 3.87Mb; Average In: 121.82Kb; Current In: 64.03Kb; Max Out: 32.59Mb; Average Out: 1.16Mb; Current Out: 1.32Mb;
Рис. 1. Умовна схема дослвджувано! мережi
Рис. 2. Експериментальн1 дат по трафжу за тиждень
У якосп точки доступу та станцп використовуються два однакових пристро! - Ubiquiti NanoBeam M5 NBE-M5-400 [7]. По специфжацп це точка доступу, яка також мае можливють працювати як станцiя. Працюе в частотному дiапазонi 5GHz i мае вбудовану антену з пiдвищеним коефiцiентом посилення, р!вним 25dBi, i спецiальний корпус у вигляд! в1дбивача c дiаметром 400мм. Тим самим, дозволяючи пристрою створювати вузькоспрямований промшь, з шириною в 20о по вертикал! i горизонтали Пристрш тдтримуе ва найсучасшш протоколи бездротового зв'язку IEEE802.11a/n, а також протокол Ubiquiti AirMAX i безл!ч прогресивних технологш, як1 дозволяють створювати як1сне бездротове з'еднання з мшмальними затримками i високою пропускною здатнютю.
Вс пристро! сер!! NanoBeam M, побудоваш на баз! сучасного мережевого процесора Atheros MIPS 74KC, з тактовою частотою 560MHz. Мають 64MB вбудовано! DDR2 оперативно! пам'яп i 8MB Flash пам'ят! Що дозволяе NBE-M5-400 справлятися з високими навантаженнями i забезпечувати широку пропускну здатшсть бездротового каналу зв'язку.
а б
Рис. 3. Географ1чт координати: а - точки доступу, б - базовоК станци
Для з'еднання з дротовими мережами NBE-M5-400 мае один 10/100/1000 Mbit/s Gigabit Ethernet порт, через який так само подаеться живлення на пристрш за протоколом PoE з напругою до 24V постшного струму. А його споживана потужшсть не перевищуе 8W. Точкам доступу i станщям при використанш протоколу 802.11n необх1дно вести узгодження просторових потоков (Spatial Streams) i ширини каналу. Залежно вщ шлькосл антен виникають калька просторових потоков. Повну теоретично можливу пропускну здатшсть стандарту 802.11n в 600 Мбгг/с можна досягти лише при використанш чотирьох передавальних i чотирьох прийомних антен (конфнуращя "4х4"). Стандарт 802.11n визначае 1ндекс модуляци i схеми кодування MCS (Modulation and Coding Scheme). MCS - просте цше число, що привласнюеться кожному вар!анту модуляцп (всього можливо 32 вар!анти). Кожен вар!ант визначае тип модуляци радючастоти (Type), р!вень кодування (Coding Rate), захисний штервал (Guard Interval) i ширину каналу. Поеднання вах цих фактор!в визначае теоретичну швидшсть передач! даних, починаючи вщ 6,5 Мбгт/с до 600 Мбгт/с (дана
швидшсть може бути досягнута за рахунок використання вах можливих опцш стандарту 802.11n). Шсля станци, зпдно схеми, розташоваш комутатори, до яких шд'еднаш абоненти.
36ip даних для дослщжень проводиться за допомогою сторшки налаштувань маршрутизатору, а також за допомогою веб-штерфейсу точки доступу та станци. Точки зняття трафису помчено червоними прапорцями на рисунку 1. На рисунку 2 наведено приклад отриманого фактичного траф1ку розглянуто! ланки бездротово! мереж!
Дослiдження над1йност1 передач! даних. Для дослвдження мереж1 було обрано метод 1м1тацшного моделювання, на баз1 проблемно-ор1ентованно! системи, розроблено! виробником точок доступу Ubiquiti -«AirLink» [7]. Для початку за допомогою електронно! карти визначаються географ1чн1 координати буд1вель, на яких встановлено точку доступу та станцш. Для точки доступу (station 1) та станци (station 2) вводяться координати (див. рис. 3). Географiчне розмщення станцш можна побачити на аерокосмiчнiй карт! Згiдно з розташуванням точки доступу та станци заповнюються «Equipment Characterization/Характеристики обладнання»:
• частотний дiапазон, на якому праиюе точка доступу - 5.8 Ггц.
• висота будiвлi (з урахуванням стiйки на даху 9-ти поверхово! будiвлi), на якш розташовано точку доступу - приблизно 30 метрiв, а для станци (розмщена на даху 5 поверхово! будiвлi) приблизно 15 м.
Заповнеш поля для точки доступу та станци зображеш на рисунку 4.
Station 2 Setup
Equipment Characterization Location
NanoBridge®
Station Name Frequency Banc Radio Device Tower Heighi Antenna Max Gain Misc. Loss RX Noise Leve Station 2
5.8 GHz w
Nano Bridge M5-25 v
15.00 1 m v
Internal v
25.0
0.0
Рис. 4. Налаштування характеристик: а - точки доступу, б - базово!" станци
П!сля введення параметр!в наводяться розрахунков! показники (рис. 5). На граф!ку е така шформащя:
• Point-to-Point Profile (проф!ль точка-точка);
• Line of Sight (LoS) Path (шлях прямо! видимосп);
• First Fresnel Zone (перша зона Френеля);
• 60% of First Fresnel Zone (60% першо! зони Френеля);
Зона Френеля - це елшсо!д навколо прямо! лши (LoS/Line of Sight), що зв'язуе випромшювач радюсигналу i приймач. Не менш 60% зони Френеля повинно залишатися чистою в!д будь-яких перешкод, шакше починаються !стотн! втрати сигналу в канал!. Рекомендуеться чистота зони в!д 60% до 80. Як видно з графшу, на шляху сигналу немае жодних перешкод, тобто зона Френеля повшстю чиста, що дозволяе передавати максимально яшсний сигнал. Також розраховаш так! дан!:
• LoS Distance (вщстань прямо! видимосп) - 9.8 км;
• FZ Clearance (чистота зони Френеля) - 10м (86%);
• FZ Max Radius (максимальний рад!ус зони Френеля) - 11.4м.
Нижче, для кожно! точки доступу представлен! наступш розрахунков! дан!:
- Signal Strength (Сила сигналу);
- Noise Floor (Р!вень власних перешкод);
- Transmit CCQ TX/RX Rate (Швидшсть передач!/отримання даних для технолог!! AirMax);
- AirMax Quality (як!сть сигналу);
- AirMax Capacity (продуктившсть).
Як видно на рисунку 5, ва розрахунков! р!вш знаходяться на максимум!, тобто забезпечено найкращий р!вень сигналу та можна досягти максимально! швидкост! передач! даних. Якщо пор!внювати отримаш розрахунков! дан! з реальними, зображеними на рис. 6, як! отримаш для доби, тижня та мюяця, можна зробити висновок, що реальний траф!к у мереж! е пршим, н!ж отриман! розрахунков! значення. Це може бути пов'язано з неправильним позиц!юванням антен (тобто вони можуть бути не точно направлен! одна на одну), що спричинило попршення якост! сигналу. Також спостериаеться п!двищення р!вня перешкод, що може бути наслщком засм!ченого еф!ру через використання в област! видимост! точки доступу велико! к!лькост! бездротових мереж. Також, на великих дистанщях вщграе роль погодний стан. Доведено, що щдвищення вологост! пов!тря попршуе яшсть рад!осигналу, що передаеться.
За допомогою програми для контролю маршрутизатора, визначимо швидшсть ввдгуку станцп командою «Ping», що дасть уявлення про яшсть зв'язку м1ж точкою доступу та приймаючою станщею. Результат приведено на рисунку 7. Як видно з рис. 7, з 100 пакепв, що передалися до приймаючо! станцп з боку маршрутизатора не було втрачено жодного пакету, при цьому середнш час вщгуку склав 1 мс, максимальний 7 мс, а мшмальний час менше 1 мс, що е досить прийнятним результатом та говорить про надшний бездротовий зв'язок. Проте, приведен! результата актуальш при умов!, що сумарний трафж на лши не перевищуе 30 мбп/с. При бшьшому завантаженш каналу швидк1сть вщгуку мае знизитись. Однак, статистичш даш по навантаженню мереж1, з!браш на маршрутизатор! за добу, тиждень та мюяць, говорять про те, що максимальне заф!ксоване навантаження склало 32.59 мби/с, що не могло перевантажити канал. При тепершшх масштабах локально! мереж!, що обслуговуеться, якост! р!вня сигналу та його якосп -цшком достатньо.
Calculations
■ FvhHofvhlProme ■ I'. ■ .!■<■ ■ naFt&naZßre Я EOKorFM täZo e 140 m -
0 гт ШИ гт 40М гт GOGO pu Ю>Э rr
LoS Distance: 9.B0 kr- FZ Ctesrarïoe: 10 m FZ Пек Radius: 11.4 m
Station 1 -
Signal Strength: ■■! IM—l-55 dEim
IIelse Foc.r: -5SdBm TransmtCCQ: 100% TX/RX Rate: 300.0 Mbps / 300.D Mbps AlrMax: Enabled AlrMax Quality: !■■! !■■"■! 1DD Z
Airl.lax Capacity: ■■! !■■■ 1 DO %
StatlDn 2
Signal Strength: ■■! l«BI-55dBm
Noise Fk»r: -5SdBm TransmtCCQ: 100% TX/RX Rate: 3D0.0 Hbps / 300.D Mbps AlrMax: Enabled AlrMax Quality: ■■! !■■■ 1 DO %
AlrMax Capacity: !■■! !■■■ 1 DD %
AP MAC 24:A4:3C:EC: 56:7B
Signal Strength dBm
Chain 0/ Chain 1 -73 / -68 dBm
Noise Floor -103 dBm
Transmit CCQ 96.4%
TX/RX Rate 104 Mbps/104 Mbps
airMAX Enabled
airMAX Priority None
airMAX Quality !■■■ muuui 183 %
airMAX Capacity !■■[ 59 %
Рис. 6. Реалып иоказники бездротово!" мереаа I ^^^
General Advanced I Start
Ping To: 1ЕШГ1*ИИ I Stop
Interface: - I Close
□ ARP Ping I New Window
Packet Count: ▼ Timeout: 1000 ms
Seq S Host Time Reply Size TTL Status
91 192.168.1.20 1ms 92 192.168.1.20 1ms 93 192.168.1.20 1ms 50 64 50 64 50 64 *
ЭЛ 192.168.1.20 2ms 50 64
95 192.168.1.20 2ms 50 64
Э6 192.168.1.20 2ms 97 192.168.1.20 1ms 98 192.168.1.20 2ms 50 64 50 64 50 64
* ►
100items 1100oflOOpacket... 0%packetloss I Min: 1ms Avg:1 ms Max: 7 ms
Рис. 5. Розрахуиков1 иоказники бездротово!" ланки Рис. 7. Результат виконання команди «Ping»
Висновки та перспективи подальших дослiджень
В рамках дослщження отримав подальший розвиток пiдхiд до виршення задач! оптимiзацiï топологи бездротово! мереж!, що припускае вибiр рацюнального розташування ретрaнсляторiв мереж! i aнaлiз iнформaцiйних потоков м1ж ними. Проведений порiвняльний aнaлiз отриманих експериментальних даних траф!ку ланки мереж! з результатами iмiтaцiйного моделювання пiдтвердив продуктивнiсть запропонованих зaсобiв пiдвищення якост! передaчi. Для тдвищення якост! сигналу та пропускно! здaтностi бездротового мосту, у рaзi розширення локально! мереж! рекомендуеться 6!льш точне позиц!ювaння приймаючо! станцй' вщносно точки доступу, що дозволить мaксимiзувaти показники передaчi трaфiку у бездротовш мереж! (вiдстaнь прямо! видимост!, чистота зони Френеля, максимальний радус зони Френеля, швидшсть передач!/отримання даних для технологи AirMax, як!сть сигналу, продуктивнють). Ця реaл!зaцiя надзвичайно приваблива, особливо для бездротових мереж, як! застосовуються на великих виробничих об'ектах та мониторингу навколишнього середовища у зв'язку, як правило, з великим розмахом цих мереж та шльшстю користувач!в.
Список використано!' лiтератури
1. Олифер В.Г. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: учебник для вузов. 3-е изд. / В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. - СПб.: Питер, 2009 - 958 с.
2. Олифер Н. Качество обслуживания Электронный ресурс. / Н. Олифер. Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.olifer.ru/articles/ip2/ip2 .html, свободный.
3. M. Gast. 802.11 Wireless Networks: The Definitive Guide. - O'Reilly, 2002 - 464 p.
4. Рошан П. Основы построения беспроводных локальных сетей стандарта 802.11 / П. Рошан, Д.Лиэре. - М.: Вильямс, 2004 - 296 с.
5. Широкополосные беспроводные сети передачи информации / В.М. Вишневский, А.И. Ляхов, С.Л. Портной, И.В. Шахнович М.: Техносфера, 2005. - 591 с.
6. «RB850Gx2» [електронний ресурс] // режим доступу: http://routerboard.com/RB850Gx2
7. «NanoBeam M» [електронний ресурс] // режим доступу: https://www.ubnt.com/airmax/nanobeamm/
