Беспроводная связь 

Немного теории для тех кто хочет знать.
Данные с форума [внешняя ссылка]


Черновичок по "пионерскому" вайфаю версия 2.0 - инструкция по созданию беспроводных сетей.

1. Что такое и для чего нужны беспроводные сети.

Беспроводная сеть отличается от проводной тем, что вместо сетевого кабеля и коммутаторов применяются преобразователи среды, которые преобразовывают данные в радиоволны и передают соседнему устройству. Применяются для связи компьютеров и компьютерных сетей между собой в тех случаях, когда прокладывание кабеля не возможно или экономически не выгодно. Но это не значит что беспроводной канал лучше, наоборот, он по многим параметрам проигрывает кабелю.

В беспроводной сети обычно есть главное устройство – базовая станция (БС), и клиентские устройства – клиенты или абонентские станции (абонентские терминалы). Обмен данными идет между ними под управлением базовой станцией.



1.1. Беспроводные сети на базе wi-fi.

В большинстве случаев беспроводную сеть делают на технологии Wi-Fi, другое официальное название – 802.11. Имеет несколько реализаций и работает на разных частотах и скоростях:

802.11-B – 2ггц. Скорости до 11мбит. – В настоящее время протокол устарел.
802.11-G – 2ггц. Скорости до 54мбит.
802.11-A – 5ггц. Скорости до 54мбит.
802.11-N – 2/5ггц. Скорости до 300мбит.

Канальные скорости не имеют ничего общего с пропускной способностью через беспроводную сеть. Кроме самих данных передается много служебной информации, она занимает примерно половину от представленной выше скорости. Реальная максимальная пропускная способность представлена ниже:

802.11-B – 2ггц. Пропускная способность менее 5мбит.
802.11-G – 2ггц. Пропускная способность менее 22мбит.
802.11-A – 5ггц. Пропускная способность менее 22мбит.
802.11-N – 2/5ггц. Пропускная способность менее 150мбит.

Режимы работы могут совмещаться, для частоты 2ггц это 802.11 B/G/N, для частоты 5ггц это 802.11 A/N. Одновременная работа на всех стандартах снижает общую пропускную способность, поэтому желательно использовать жесткое указание режима для различных сфер применения:

Беспроводная сеть в квартире – только G, только N, вместе G и N. Режим B использовать не стоит, т.к. он не дает никаких преимуществ по дальности, однако сильно ограничивает скорость.

Беспроводная сеть на улице – только G, только N, только A. Использовать одновременную работу на 2-х режимах не стоит, т.к. это снижает общую пропускную способность. Администратор сети сам должен определять нужный режим при создании сети.

В сети на базе wi-fi все устройства имеют равную возможность доступа к эфиру. Прежде чем начать передачу устройство слушает эфир, и если он свободен начинает передачу. Но может случится такая ситуация, когда 2 устройства начали передачу одновременно – в этом случае данные будут потеряны, произойдет коллизия. Чем больше устройств в сети – тем больше вероятность возникновения коллизий, следовательно при увеличении количества устройств в сети – сильно уменьшается скорость.

Вот пример передачи данных с использования wi-fi:

БС>Клиент_1 – Держите порцию данных.
БС<Клиент_1 – Вот мой ответ на них.
БС<Клиент_2 – Получите мои данные.
БС<Клиент_3 – Получите мои данные.
БС>Всем – Ничего не слышно, попробуйте снова.
БС<Клиент_3 – Получите мои данные.
БС>Клиент_3 – Держите порцию данных.

На данный момент использовать wi-fi в чистом виде для создания беспроводных сетей нельзя, он имеет низкую пропускную способность и слабую помехозащищенность. При увеличении числа клиентов сети пропускная способность очень сильно падает, а в некоторых случаях становится не стабильной.

Для нормальной работы wi-fi на улице – необходимо обеспечивать прямую видимость между устройствами для получения максимальной скорости и стабильности канала. Если не соблюдать это условие, скорость работы может уменьшаться, вместе со стабильностью.



1.2. Беспроводные сети на базе wi-fi с использованием поллингового протокола.

Для решения проблем с коллизиями были разработаны поллинговые протоколы, с помощью которых устройства сети управляют передачей данных. Для этого используется циклический опрос клиентов сети друг за другом, чтобы узнать есть ли у них данные для передачи по радиоканалу. Если такие данные есть – устройству предоставляется разрешение на их передачу. Все другие устройства в это время молчат. Если при опросе у клиента нет данных для передачи – происходит опрос следующего клиента и так далее.

Выглядит это примерно так:

БС>Клиент_1 – есть данные на передачу?
БС<Клиент_1 – нет данных.
БС>Клиент_2 – есть данные на передачу?
БС<Клиент_2 – да есть.
БС>Клиент_2 – передавай.
БС<Клиент_2 – передаю.
БС>Клиент_3 – есть данные на передачу?
БС<Клиент_3 – нет данных.

И так по кругу.

У разных производителей оборудования свой взгляд на работу поллингового протокола. Разные протоколы между собой не совместимы, обычно каждый производитель оборудования разрабатывает свой собственный протокол и держит в секрете нюансы его реализации. В большинстве случаев поллинговый протокол увеличивает скорость работы при передаче данных по радиоканалу, т.к. отсутствуют коллизии – а раз их нет, значит эфир используется более рационально. Но при наличии помех при использовании поллингового протокола растет задержка, ведь требуется подтверждение каждой операции – а из-за помех подтверждения могут быть потеряны.



1.3. Беспроводные сети на базе wi-fi с использованием TDMA.

Дальнейшее развитие поллинговых протоколов привело к реализации выделения временных интервалов для передачи данных, вместо циклического опроса. Для этого база передает за определенное время порцию данных для одного или сразу нескольких клиентов. В этой передаче так же указано каким клиентам и в какой последовательности разрешено передать свои данные так же за определенный интервал времени. После окончания передачи база сразу начинает принимать данные от клиентов. Далее процесс повторяется снова.

Происходит это так:

БС>Клиент_1 – вот тебе данные, Клиент_2 – вот тебе данные, Клиент_4 – вот тебе данные.
БС>Разрешаю передачу сначала Клиент_2, потом Клиент_3.
БС<Клиент_2 – передаю данные.
БС<Клиент_3 – передаю данные.

При таком режиме работы эфир используется с максимальной отдачей, потому что не нужно запрашивать разрешение каждого клиента по отдельности или передавать каждому данные по отдельности. Так же максимально высокая устойчивость к помехам от беспроводных сетей на базе wi-fi – ведь эти устройства перед передачей данных слушают эфир для определение его доступности, а при передаче данных с использованием TDMA всегда что-то передается – поэтому wi-fi устройства будут находиться в процессе вечного ожидания и не смогут нормально работать.



1.4. Беспроводные сети на базе wimax.

Для использования беспроводной передачи данных на улице был специально разработан протокол wimax 802.16. Протокол wi-fi разрабатывался для использования внутри помещений и не предназначен для работы на больших расстояниях на улице из-за своей структуры. Однако это не мешало его использованию на улице, но не во всех случаях он работал удовлетворительно. Для максимально стабильной работы на улице и используется протокол wimax.

Существует 2 его разновидности 802.16d для фиксированного доступа, и 802.16e для мобильного. Применяется для построения беспроводных сетей с большим количеством клиентов, при работе в условиях ограниченной видимости или на отраженном сигнале.

802.16d – сеть фиксированного доступа, представляет собой базовую станцию и подключенные к ней стационарные клиентские устройства, которые располагаются на стенах и крышах зданий и не перемещаются с места на место.

802.16e – сеть мобильного доступа, представляет собой базовую станцию и подключенных к ней мобильных клиентов, которые могут перемещаться во время своей работы, либо подключенных к ней стационарных клиентов комнатного и уличного исполнения, которые так же не перемещаются с места на место, но могут быть быстро установлены силами любого человека.




1.5. Какой же тип сети выбрать мне?

Если вы собираетесь создать свою беспроводную сеть, то сперва определитесь с задачей, которую хотите решить созданием этой сети, вот типовые примеры:

Сеть внутри помещения, клиенты с ноутбуками – в этом случае нужно делать сеть на базе чистого wi-fi.

Сеть для подключения клиентов на улице, клиенты с ноутбуками – в этом случае нужно использовать wi-fi, ведь ноутбуки не понимают поллинговые протоколы.

Сеть для подключения стационарных клиентов, расположенных в частных домах – тут уже нужно использовать поллинговый протокол.

Сеть для подключения большого количества стационарных клиентов, расположенных в частных домах – нужно присмотреться к решениям на базе фиксированного wimax 802.16d.

Если хотите обеспечить всех беспроводным Интернетом в любом месте – используйте решения на базе мобильного wimax 802.16e.




2. Какие бывают схемы построения беспроводных сетей.

Беспроводная сеть создается для какой-то определенной цели, обычно это доставка Интернета до конечных потребителей. Значит, в каком-то определенном месте есть канал с Интернетом и нет возможности прокладки кабелей до каждого потребителя.

Если нужно предоставить доступ в сеть для одного потребителя (человека, или для жителей одного дома), тогда нужен канал точка-точка. По нему данные передаются из пункта A в пункт B.

Если нужно предоставить доступ в сеть нескольким потребителям (нескольким людям, или нескольким частным домам), тогда нужен канал точка-многоточка. По нему данные передаются из пункта A в пункты B, C, D и E.

Если при создании беспроводной сети в каком-то месте ее действия сигнал слабый или не стабильный, тогда можно использовать репитер или ретранслятор. Репитер принимает сигнал и передает его на этой же частоте. Ретранслятор принимает сигнал и передает его на другой частоте.

Если нужно предоставить доступ в сеть потребителям, расположенным за каким-то препятствием, например за горой, тогда нужно сделать канал точка-точка до этого места и уже за ним строить канал точка-многоточка. В этом случае будет идти передача из пункта A в пункт B, и уже из него конечным потребителям D, C, E.

Если нужно предоставить доступ в сеть потребителю, расположенному за несколькими препятствиями так, что с каждого препятствия есть возможность сделать канал точка-точка, тогда нужно просто соединить их между собой. Передача данных будет идти из пункта A в пункт B, далее из пункта B в пункт C – где доступ в сеть получит потребитель.

Ниже предоставлены более подробно схемы построения этих типов.



2.1. Канал точка-точка.

Для создания канала точка-точка нужно использовать 2 устройства. Одно будет базой, другое клиентом.



В этом случае устройства A и B связываются между собой по радиоканалу, к сетевому порту устройства A подключается канал Интернета, к сетевому порту устройства B подключается компьютер клиента или коммутатор.



2.2. Канал точка-многоточка или базовая станция.

Для создания канала точка-многоточка нужно использовать более 3-х устройств. Одно будет базой, другие клиентами.



В этом случае устройства A, B и C связаны между собой по радиоканалу и могут обмениваться данными друг с другом через базовую станцию A. С помощью настроек БС можно запретить обмен данными между клиентами. Если базовую станцию выключить – клиенты не смогут соединиться между собой.



2.3. Репитер или повторитель.

Если в некоторых местах зоны действия сети сигнал слабый для нормальной работы клиентов, можно использовать репитер, который будет принимать данные от БС и передавать их на этой же частоте, тем самым, расширяя зону действия сети.



В этом случае устройства A и C обмениваются данными через репитер B. Происходит это так – устройство A передает данные репитеру B, потом репитер B передает данные устройству C. Устройство A является базовой станцией, репитер B является клиентом A и одновременно базовой станцией для клиента C. К репитеру может подключиться несколько клиентов, он работает в режиме точка-многоточка.

Эта схема имеет один очень существенный недостаток – репитер принимает и передает данные на одной и той же частоте, поэтому при его использовании скорость падает как минимум в 2 раза. Использовать его при построении сети не стоит.



2.4. Ретранслятор.

Ретранслятор делает то же самое что и репитер, только с использованием разных частот. Он так же расширяет зону действия сети.



Ретранслятор представляет собой базовую станцию и клиента, соединенных сетевым кабелем. К БС A подключается клиент B, к которому кабелем подключена БС C, к ней подключается клиент D. К ретранслятору может подключиться несколько клиентов, он работает в режиме точка-многоточка. При использовании ретранслятора скорость передачи данных через него не падает, как это было в случае с репитером. Эту схему рекомендуется использовать на практике.



2.5. Комбинированные – канал точка-точка до базовой станции.

Если нужно установить базовую станцию, например, на крыше высокого здания, или вышке, но рядом нет канала с Интернетом – можно доставить его по радио с помощью канала точка-точка.



В этом случае клиенты D, E, F базовой станции C получают доступ в сеть через канал точка-точка A-B. При этом они могут обмениваться данные друг с другом, если это не запрещено настройками на БС С.



2.6. Комбинированные – последовательные каналы точка-точка.

Если нужно доставить Интернет потребителю, расположенному за несколькими препятствиями так, что один канал точка-точка сделать между ними нельзя, можно сделать несколько последовательных каналов.



В этом случае доступ в интернет клиент D имеет через ретранслятор B-C, который в свою очередь соединяется с A. При создании последовательных каналов точка-точка используется цепочка ретрансляторов, если пролетов больше двух. На каждом ретрансляторе можно иметь доступ в сеть, если соединять устройства через коммутатор – следовательно все клиенты этой сети могут обмениваться данными друг с другом.



2.7. Многосекторная базовая станция.

Если разместить несколько базовых станций в одном месте, подключить к каждой по секторной антенне – получится многосекторная БС, которая может обслуживать большое количество клиентов.



В этом случае базовые станции A, B и C соединены через коммутатор между собой, клиенты всех базовых станций имеют доступ в сеть, и друг к другу, при этом клиент 1 может иметь доступ к клиентам 2, 3, 4, 5, 6 – то есть ко всем клиентам всех БС.



3. Оборудование, используемое для создания беспроводных сетей.

На рынке представлено много различного оборудования для создания беспроводных сетей на базе wi-fi, но из всего этого количества можно выделить всего двух производителей UBNT и Mikrotik.

UBNT – изготавливает устройства уличного исполнения, которые можно устанавливать на крышу прямо из коробки. Настройки просты и понятны даже новичку, но за простоту приходится расплачиваться качеством и стабильностью – устройства имеют не самые лучшие характеристики, и в большинстве случаев ничего с этим сделать нельзя. Имеет поллинговый протокол – AirMax.

Mikrotik – изготавливает электронные платы, из которых нужно собирать вручную устройство и устанавливать в корпус. Но в последнее время появляются уже готовые устройства уличного исполнения, которые так же можно устанавливать на крышу прямо из коробки. Настройки сложные и тем, кто привык настраивать устройства через WEB-интерфейс, могут быть совершенно не понятны. Но это только на первый взгляд, разобраться не сложно. Имеет поллинговые протоколы – Nstreme и NV2.





продолжение на [внешняя ссылка]