Ячеистые сети
Максим Киселев
Современные беспроводные сети передачи данных оказались столь удобным и актуальным решением, что далеко не сразу замечаешь их технологические огрехи. Например, в современном виде WiFi-сетям присущ ряд весьма серьезных недостатков, среди которых и низкий порог масштабирования, и высокие задержки, и малый радиус действия, и невысокий уровень безопасности, и многое другое.
Однако радует, что все эти недочеты можно исправить, причем технологий-панацей существует немало. Мы расскажем о наиболее интересной из них.
Помимо «хромающей» безопасности есть у беспроводных сетей, предназначенных для крупных корпоративных сред, и другой, весьма заметный недостаток — эффект «бутылочного горлышка», проявляющийся при использовании большого количества точек доступа. Он выражается в виде резкого снижения пропускной способности сети, даже при условии достаточно широкого внешнего канала, соединяющего интрасеть с внешним миром. Дело здесь в том, что точки доступа стандартов 802.11 предоставляют разделяемую среду, в которой в данный момент времени лишь одна из них может вести передачу данных.
А ведь снижение скорости обмена информацией критично для любого пользователя, а уж тем более для корпоративного. Как следствие, чтобы добиться эффективной работы сети, приходится прибегать к различным ухищрениям, например использовать направленные антенные колонки и специальные роутеры, что превращает беспроводные решения в дорогую игрушку.
Технология, о которой пойдет речь в статье, — Wireless Mesh (ячеистые сети, также называемые многоузловыми, multi-hop, сетями) расширяет функциональность беспроводного доступа в Интернет и позволяет реализовывать точки доступа с охватом и порогом снижения пропускной способности на порядок более высоким, чем у привычных хот-спотов. Благодаря возможности обеспечения защищенного беспроводного покрытия как внутри помещений, так и на улицах, в городской местности или в крупных населенных пунктах и районах, Wireless Mesh может быть использована для быстрого развертывания, в частности, сети связи для целей внутренней безопасности или в случаях чрезвычайных ситуаций в городе.
Но, чтобы понять преимущества сетей ячеистой топологии, стоит сравнить их с одноузловыми (single-hop) сетями. Так, в традиционной беспроводной сети стандарта 802.11 несколько клиентов подключается по прямому соединению с точкой доступа. Такие сети называются одноузловыми. В многоузловой сети любое устройство с возможностями беспроводной связи способно выступать как в роли маршрутизатора, так и точки доступа.
Если ближайшая точка доступа перегружена, данные перенаправляются к ближайшему незагруженному узлу. Блок данных продолжает перемещаться от одного узла к другому, пока не достигнет места назначения. Примером многоузловой сети (только в кабельном исполнении) может служить Интернет. Как и в случае с беспроводными mesh-сетями, сообщение электронной почты не пересылается получателю напрямую. Вместо этого оно передается от одного сервера к другому по наиболее эффективному маршруту, в зависимости от загруженности сетей.
Интеллектуальность вообще является одной из особенностей сетей Wireless Mesh, и можно сказать, что она интегрирована непосредственно в сеть и обеспечивает высокий уровень надежности, а это немаловажно как в экстренных случаях, так и для мобильных удаленных сотрудников. Как только точка доступа установлена и включена, она автоматически обнаруживает другие точки доступа и «выясняет» свою роль в сети. Это исключает необходимость ручного администрирования сети и играет важную роль для оперативного развертывания оборудования. Как только сеть запускается в эксплуатацию, она начинает автоматически управлять своей работой, благодаря функциям самовосстановления и самоадаптации. Если точка доступа отключается или какой-либо сегмент сети оказывается перегруженным, сеть автоматически переопределяет маршруты передачи данных между точками, что позволяет предотвратить сбои коммуникаций.
Стоит заметить: идея беспроводных ячеистых сетей не нова и уже успела получить распространение в индустриальных распределенных системах сбора и обработки данных (схема).
Схема.Архитектура Wireless Mesh
Здесь в качестве узлов сети используются датчики со встроенной логикой или преобразователи (transducers), которые не только собирают данные, но и выполняют их предварительную обработку. Это позволяет передавать лишь полезную информацию и существенно снизить трафик в сети. Однако наиболее широкое распространение ячеистые сети должны получить в сфере информационных технологий. К примеру, на прошлогодней сессии Intel Developer Forum была продемонстрирована действующая реализация крупной mesh-сети. По сути, это стандартная беспроводная сеть 802.11, в дополнение к системе базовых точек доступа способная «достраивать» себя за счет подключенных в нее клиентских устройств — персональных компьютеров, КПК, сотовых телефонов. Таким образом, все клиенты в ее рамках становились узлами сети и могли принимать участие в передаче данных, что, естественно, сделало всю структуру более гибкой, надежной и производительной за счет появления дополнительных путей прохождения информации.
А теперь поговорим о технической стороне вопроса. Сетевой процессор, логика и беспроводной интерфейс сосредоточены внутри каждого узла — участника сети, поэтому необходимость в централизованной коммутации исчезает. Иными словами, топология ячеистых сетей предусматривает либо прямую связь между образующими их узлами, либо транзитную передачу данных между источником и получателем. Следовательно, перед тем как начать обмен данными, каждый узел должен «решить», будет ли он выполнять функции точки доступа, служить транзитным устройством или сочетать обе роли. Далее индивидуальные узлы определяют своих соседей, используя протокол типа «запрос/ответ». После окончания процедуры обнаружения узлы замеряют характеристики коммуникационных каналов: мощность принимаемого сигнала, пропускную способность, задержку и частоту ошибок. Узлы обмениваются этими значениями, а затем на их основе каждый узел выбирает наилучший маршрут коммуникаций со своими соседями.
Процессы обнаружения и выбора наиболее благоприятного маршрута выполняются в фоновом режиме, так что каждый узел располагает актуальным списком соседей.
В случае недоступности по тем или иным причинам какого-либо узла соседние могут быстро реконфигурировать свои таблицы и вычислить новый оптимальный маршрут. Способность самоконфигурации и самовосстановления делает ячеистые сети очень надежными. Беспроводные ячеистые сети могут состоять из сотен и даже тысяч узлов, что позволяет легко расширять их и обеспечивать необходимую избыточность. Хорошая иллюстрация данного механизма — электронная почта, ее сообщения разбиваются на пакеты, передаваемые через Интернет по разным маршрутам. Затем пакеты снова собираются в единое сообщение, которое и приходит в почтовый ящик получателя. Таким образом, использование множественных маршрутов доставки данных повышает эффективность пропускной способности сети.
Физические свойства беспроводных коммуникационных каналов таковы, что на более коротких расстояниях пропускная способность сети выше. Причиной могут быть помехи и другие влияющие на потерю данных факторы, чье действие накапливается по мере увеличения расстояния. И потому одним из способов повышения пропускной способности сети становится передача данных через несколько узлов, разделенных небольшими расстояниями. Такой механизм и реализуется в сетях ячеистой топологии. Благодаря тому, что для передачи данных на более короткие расстояния требуется меньшая мощность, многоузловая сеть может обеспечить более высокую общую пропускную способность, одновременно удовлетворяя всем законодательным требованиям к устройствам радиосвязи, ограничивающим максимальную мощность передатчиков.
Узлы остаются вполне автономными устройствами, способными самостоятельно управлять своим функционированием, и в то же время являются компонентом общей сети, допускающим управление из центральной точки. Используя SNMP, системный администратор может выполнять мониторинг и конфигурировать отдельные элементы, узлы, домены или всю сеть, а протокол обнаружения лишь упрощает данную задачу посредством поиска и локализации отдельных узлов для их отображения на дисплее управления.
Следует учесть, что пространственное разделение — еще одно преимущество сетей ячеистой топологии по сравнению с одноузловыми сетями. Как уже было отмечено, в одноузловой сети все устройства совместно используют одну точку доступа. Если несколько устройств пытаются одновременно пользоваться сетью, могут возникать виртуальные «заторы», замедляющие ее работу. В противоположность этому в сетях ячеистой топологии множество устройств могут подключаться одновременно через разные узлы, но производительность сети не обязательно ухудшается. Более короткие расстояния передачи данных в сетях ячеистой топологии позволяют уменьшить влияние помех и осуществить одновременную передачу пространственно разделенных потоков информации (таблица 1).
| Предназначение | Спроектированы для использования внутри зданий и покрывают территорию зданий или небольшие открытые пространства | Спроектированы для покрытия больших открытых пространств и временных инсталляций, главным образом в местах с отсутствующей инфраструктурой LAN |
| Структура | Кабельные линии передачи, построенные по топологии «звезда» или хаб | Беспроводные линии передачи, построенные на базе соединений типа «точка-точка» между точками доступа |
| Преимущества | Не требуют отдельных источников питания. Простота и дешевизна внедрения. По-новому используют существующую структуру LAN. |
Простота установки. Позволяют развертывать сети вне зданий. Не требуют наличия инфраструктуры LAN. |
