Особенности организации беспроводных сетей

1. Цель работы:

1.1. Научиться анализировать модели мультисервисных беспроводных сетей для систем массового обслуживания.

 

2. Литература:

2.1. Основы информационных технологий. Беспроводные сети Wi-Fi. А.В. Пролетарский А.В., Баскаков И.В., Чирков Д.Н. и др. - М.: Бином, 2007

 

3. Задание:

3.1 Построить беспроводную Wi-Fi сеть между офисными зданиями. Схему сети построить в программе Microsoft Visio. На отдельном листе указатькомутационное оборудование, которое вы будете использовать.

 

 

Таблица № 3.1 - Варианты заданий (выбирается по последней цифре номера в журнале)

 

Вариант	Топология сети между зданиями	Количество зданий	Количество этажей в зданиях	Количество ПК на каждом этаже
	Шина
	Кольцо
	Звезда
	Комбинированная мостовая типа точка-многоточка
	Шина
	Кольцо
	Звезда
	Комбинированная мостовая типа точка-многоточка
	Звезда
	Кольцо

 

1) При проектировании сети необходимо указать, на какие факторы вы будете обращать внимание при проектировании.

2) При проектировании учесть выход в интернет через межсетевой экран (главный сервер с выходом во внешнюю сеть может быть установлен в одном из зданий)

3) Учесть наличие беспроводного принт-сервера (один на этаж).

4) При проектировании указать по какой топологии будет работать сеть на каждом этаже. Так же необходимо указать в каком режиме будет работать каждая точка доступа.

4. Методический материал:

Режим работы точки доступа - Ad Hoc

В режиме Ad Hoc (рис. 1) клиенты 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.

 

Рис. 1 Режим работы - 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 Hoc позволяет устанавливать соединение на скорости не более 11 Мбит/с, независимо от используемого оборудования. Реальная скорость обмена данных 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 организации долговременных беспроводных сетей следует использовать инфраструктурный режим.

 

Инфраструктурный режим

 

В этом режиме точки доступа обеспечивают связь клиентских компьютеров (рис. 2). Точку доступа можно рассматривать как беспроводный коммутатор. Клиентские станции не связываются непосредственно одна с другой, а связываются с точкой доступа, и она уже направляет пакеты адресатам.

 

Рис. 2 Инфраструктурный режим

 

Точка доступа имеет порт Ethernet, через который базовая зона обслуживания подключается к проводной или смешанной сети - к сетевой инфраструктуре.

 

Режимы WDS и WDS With AP

 

Термин WDS (Wireless Distribution System) расшифровывается как «распределённая беспроводная система». В этом режиме точки доступа соединяются только между собой, бразуя мостовое соединение. При этом каждая точка может соединяться с несколькими другими точками. Все точки в этом режиме должны использовать одинаковый канал, поэтому количество точек, участвующих в образовании моста, не должно быть чрезмерно большим. Подключение клиентов осуществляется только по проводной сети через uplink- порты точек (рис. 3).

Рис. 3 Мостовой режим

 

Режим беспроводного моста, аналогично проводным мостам, служит для объединения подсетей в общую сеть. С помощью беспроводных мостов можно объединять проводные LAN, находящиеся как на небольшом расстоянии в соседних зданиях, так и на расстояниях до нескольких километров. Это позволяет объединить в сеть филиалы и центральный офис, а также подключать клиентов к сети провайдера Интернет (рис. 4).

 

 

Рис. 4 Мостовой режим между зданиями

 

Беспроводный мост может использоваться там, где прокладка кабеля между зданиями нежелательна или невозможна. Данное решение позволяет достичь значительной экономии средств и обеспечивает простоту настройки и гибкость конфигурации при перемещении офисов.

К точке доступа, работающей в режиме моста, подключение беспроводных клиентов невозможно. Беспроводная связь осуществляется только между парой точек, реализующих мост.

 

WDS with AP (WDS with Access Point) обозначает «распределённая беспроводная система, включая точку доступа», т. е. с помощью этого режима можно организовать не только мостовую связь между точками доступа, но и одновременно подключить клиентские компьютеры (рис. 5). Это позволяет достичь существенной экономии оборудования и упростить топологию сети. Данная технология поддерживается большинством современных точек доступа.

 

Рис. 5 Режим WDS with AP

 

Тем не менее, необходимо помнить, что все устройства в составе одной WDS with AP работают на одной частоте и создают взаимные помехи, что ограничивает количество клиентов до 15-20 узлов. Для увеличения количества подключаемых клиентов можно использовать несколько WDS-сетей, настроенных на разные неперекрывающиеся каналы и соединенные проводами через uplink-порты.

Топология организации беспроводных сетей в режиме WDS аналогична обычным проводным топологиям.

 

Топология типа «шина»

 

Топология типа «шины» самой своей структурой предполагает идентичность сетевого оборудования компьютеров, а также равноправие всех абонентов (рис. 6)

 

Рис. 6 Топология типа «шина»

 

Здесь отсутствует центральный абонент, через которого передается вся информация, что увеличивает ее надежность (ведь при отказе любого центра перестает

функционировать вся управляемая этим центром система). Добавление новых абонентов в шину довольно просто. Надо ввести параметры новой точки доступа в последнюю, что приведёт только кратковременную перезарузку последней точки.

Шине не страшны отказы отдельных точек, так как все остальные компьютеры сети могут нормально продолжать обмен между собой, но при этом оставшаяся часть компьютеров не смогут получить доступ в Интернет.

 

Топология типа «кольцо»

 

«Кольцо» — это топология, в которой каждая точка доступа соединена только с двумя другими (рис. 7). Четко выделенного центра в данном случае нет, все точки могут быть одинаковыми.

 

 

Рис. 7 Топология тип «кольцо»

 

Подключение новых абонентов в «кольцо» обычно совершенно безболезненно, хотя и требует обязательной остановки работы двух крайних точек от новой точки доступа.

В то же время основное преимущество кольца состоит в том, что ретрансляция сигналов каждым абонентом позволяет существенно увеличить размеры всей сети в целом (порой до нескольких десятков километров). Кольцо в этом отношении существенно превосходит любые другие топологии.

Топология связей между точками в этом режиме представляет собой ациклический граф типа дерево, то есть данные из Интернета от точки 4 к точке 2 может проходят по двум направлениям - через точку 1 и 3 (рис. 7). Для устранения лишних связей, способных приводить к появлению циклов в графе, реализуется алгоритм Spanning tree. Его работа приводит к выявлению и блокированию лишних связей. При изменении топологии сети, например - из-за отключения некоторых точек или невозможности работы каналов - алгоритм Spanning tree запускается заново, и прежде заблокированные лишние связи могут использоваться взамен вышедших из строя.

 

Топология типа «звезда»

 

«Звезда» - это топология с явно выделенным центром, к которому подключаются все остальные абоненты (рис. 8). Весь обмен информацией идет исключительно через центральную точку доступа, на которую таким образом ложится очень большая нагрузка.

 

Рис. 8 Топология типа «звезда»

 

Если говорить об устойчивости звезды к отказам точек, то выход из строя обычной точки доступа никак не отражается на функционировании оставшейся части сети, зато любой отказ центральной точки делает сеть полностью неработоспособной.

Серьезный недостаток топологии «звезда» состоит в жестком ограничении количества абонентов. Так как все точки работают на одном канале, то обычно центральный абонент может обслуживать не более 10 периферийных абонентов из-за большого падения скорости.

В большинстве случаев, например для объединения нескольких районов в городе, используют комбинированные топологии, например мост типа «точка-точка». Для этого понадобиться две точки доступа. Настраиваем мостовое соединение, показанное на рис. 9

 

Рис. 9 - мост типа точка-точка

 

 

Пример построения моста по типу точка-много точек (рис. 10). Для этого понадобиться не менее трёх точек доступа. Одна точка доступа переводиться в режим WDS, Другие точки доступа переводятся в режим WDS with AP

 

 

Рис. 10 - мост типа точка - много точек

 

 

Режим повторителя

 

Может возникнуть ситуация, когда оказывается невозможно, или неудобно, соединить точку доступа с проводной инфраструктурой, или какое-либо препятствие затруднит осуществление связи точки доступа с местом расположения беспроводных станций клиентов напрямую. В такой ситуации можно использовать точку в режиме повторителя (Repeater) (рис. 11).

 

Рис. 11 Режим повторителя

 

Аналогично проводному повторителю, беспроводный повторитель просто ретранслирует все пакеты, поступившие на его беспроводный интерфейс. Эта ретрансляция осуществляется через тот же канал, через который они были получены.

При применении точки доступа-повторителя следует помнить, что наложение широковещательных доменов может привести к сокращению пропускной способности канала вдвое, потому что начальная точка доступа также «слышит» ретранслированный сигнал.

Режим повторителя не включен в стандарт 802.11, поэтому для его реализации рекомендуется использовать однотипное оборудование (вплоть до версии прошивки) и от одного производителя. С появлением WDS данный режим потерял свою актуальность, потому что функционал WDS заменяет его. Однако его можно встретить в старых версиях прошивок и в устаревшем оборудовании.

 

Режим клиента

 

При переходе от проводной архитектуры к беспроводной иногда можно обнаружить, что имеющиеся сетевые устройства поддерживают проводную сеть Ethernet, но не имеют интерфейсных разъемов для беспроводных сетевых адаптеров. Для подключения таких устройств к беспроводной сети можно использовать точку доступа - клиент (рис. 12)

 

Рис. 12 - пример построения сети с точкой доступа типа "клиент"

 

 

При помощи точки доступа-клиента к беспроводной сети подключается только одно устройство. Этот режим не включен в стандарт 802.11, и поддерживаются не всеми производителями.

 

4.9 Организация и планирование беспроводных сетей.

 

При организации беспроводной локальной сети необходимо учитывать некоторые особенности окружающей среды. На качество и дальность работы связи влияет множество физических факторов: число стен, перекрытий и других объектов через которые должен пройти сигнал. Обычно расстояние зависит от типа материалов и радиочастотного шума от других электроприборов в вашем помещении. Для увеличения проникаемости надо следовать базовым принципам:

1. Сократить число стен и перекрытий между абонентами беспроводной сети - каждая стена и перекрытие отнимает от максимального радиуса от 1м до 25м. Расположить точки доступа и абонентов сети так чтобы количество преград между ними было минимально.

2. Проверить угол между точками доступа и абонентами сети. Стена толщиной 0,5 м, при угле в 45 градусов, для радиоволны становиться как 1 м стена. При угле в 2 градуса стена становиться преградой толщиной в 12 м! Надо стараться расположить абонентов сети так, чтобы сигнал проходил под углом в 90 градусов к перекрытиям или стенам.

3. Строительные материалы влияют на прохождение сигнала по-разному - целиком металлические двери или алюминиевая облицовка негативно сказываются на прохождении радиоволн. Желательно, чтобы между абонентами сети не находились металлические или железобетонные препятствия.

4. С помощью программного обеспечения проверки мощности сигнала надо позиционировать антенну на лучший прием.

5. Удалить от абонентов беспроводных сетей, по крайней мере, на 1-2 метра электроприборы, генерирующие радиопомехи, микроволновые печи, мониторы, электромоторы, ИБП. Для уменьшения помех эти приборы должны быть надежно заземлены.

6. Если используются беспроводные телефоны стандарта 2.4 ГГц или оборудование X-10 (например, системы сигнализации), качество беспроводной связи может заметно ухудшиться или прерваться.

Для типичного жилья расстояние связи не представляет особой проблемы. Если обнаружена неуверенная связь в пределах дома, то надо расположить точку доступа между комнатами, которые надо связать беспроводной связью.

Для обнаружения точек доступа, попадающих в зону действия беспроводной сети и определения каналов, на которых они работают, можно использовать программу Network Stumbler. С ее помощью можно также оценить соотношение сигнал/шум на выбранных каналах.

 

Офисная сеть

Простая беспроводная сеть для небольшого офиса или домашнего использования может быть построена на основе одной точки доступа (рис. 13)

 

Рис. 13 Офисная сеть

 

Для организации сети адаптеры переводятся в режим инфраструктуры, а точка доступа - в режим точки доступа. При этом создается одна зона обслуживания, в которой находятся все пользователи сети.

При размещении точки доступа при организации малой сети следует обеспечить достаточное качество связи на всех рабочих местах, а также удобство в размещении самой точки. Типовое решение - закрепить точку доступа непосредственно на фальш-потолке, при этом провода электропитания и проводной сети будут проходить над фальш-потолком либо в коробах.

Необходимо иметь в виду, что при расширении сети и при увеличении количества пользователей скорость связи будет падать (пропорционально числу пользователей). Наибольшее разумное количество пользователей обычно составляет 16-20. Помимо этого, скорость и качество связи зависят и от расстояния между клиентом и точкой. Эти соображения могут потребовать расширения базовой сети.

Для расширения сети можно использовать uplink-порт точки доступа. Он может использоваться как для объединения базовых зон обслуживания в сеть, так и для интеграции в имеющуюся проводную или беспроводную инфраструктуру, например, для обеспечения пользователей доступом к разделяемым ресурсам других подразделений или для подключения к сети Интернет.

При расширении сети необходимо следить, чтобы частоты соседних точек доступа не перекрывались во избежание взаимных помех и снижения скорости передачи. Это

достигается настройкой соседних точек на неперекрывающиеся по частоте каналы 1, 6 и 11. Чередуя каналы таким образом, что соседние точки с каналами 1, 6 и 11 окажутся в вершинах равностороннего треугольника, можно охватить беспроводной связью сколь угодно большую площадь без перекрытия частот (рис. 14).

 

 

Рис. 14 Расширение беспроводной сети

 

На развертывание беспроводных сетей используемые приложения оказывают влияние по-разному. Наиболее важные факторы - это:

- Расчетная скорость в пересчете на одного клиента;

- Типы используемых приложений;

- Задержки в передаче данных.

- Расчетная скорость каждого клиента уменьшается с вводом в зону обслуживания новых клиентов. Следовательно, если дома или в офисе используются требовательные к скорости приложения (например, программа интернет-телефонии Skype), то необходимо увеличить количество точек доступа на единицу площади (рис. 15)

 

 

Рис. 15 Расширение беспроводной сети с максимальной скоростью

 

Для определения границы действия точек доступа используется ноутбук с установленной программой Network Stumbler. Она показывает, на какой скорости будет

работать адаптер в зависимости от удаления от точки доступа. По мере удаления скорость автоматически падает, и при достижении порогового уровня необходимо ставить новую точку.

Объединение всех точек доступа в офисе в локальную сеть можно осуществить несколькими способами. Самым простым и распространённым способом организации является объединение через проводную инфраструктуру (рис. 16)

 

 

Рис. 16 Объединение точек доступа через проводную инфраструктуру

 

В таком случае ставиться коммутатор, к которому подключаются точки доступа посредством витой пары через uplink-порт. Также к этому коммутатору можно подвести широкополосный Интернет. Преимуществом такого подключения является простота настройки зоны действия точек доступа на разные каналы, недостатком - прокладка проводов от точек доступа к коммутатору. Вторым способом подключения является подключение с использованием расширенного режима WDS (рис. 17).

 

Рис. 17 Объединение точек доступа с использованием расширенного режима WDS

 

Одна точка доступа, которая имеет подключение к Интернету переводиться в мостовой режим WDS, остальные точки настраиваются на тот же канал, что и первая, и устанавливается режим WDS with AP. Использование такого способа нежелательно, т.к. все точки работают на одном канале, и при достаточно большом их количестве резко уменьшается скорость. Рекомендуется устанавливать не более 2-3 точек.

Третий способ подключения аналогичен предыдущему, но дополнительно к каждой точке доступа через проводной интерфейс подключена ещё одна точка, работающая на другом канале, для организации связи в одной комнате (рис. 18)

 

 

Рис. 18 Объединение точек доступа с дополнительными точками

 

Здесь переводятся те точки доступа в режим WDS, которые будут связаны с первой, а остальные - через проводные интерфейсы подключаются к ним. Они должны работать в режиме точки доступа и на других каналах, чтобы не было коллизий. Преимуществом такого способа подключения является полной отсутствие проводной инфраструктуры (за исключением связи между соседними точками), недостатком - большая стоимость, в связи с большим количеством точек доступа и использование одного канала для связи с базовой точкой.

Чтобы пользователь мог передвигаться от одной точки доступа к другой без потери доступа к сетевым службам и разрыва соединения во всем оборудовании компании D-Link есть функция роуминга.

Роуминг - это возможность радиоустройства перемещаться за пределы действия базовой станции и, находясь в зоне действия «гостевой» станции, иметь доступ к «домашней» сети (рис. 19).

 

 

 

 

Рис. 19 Роуминг

 

При его организации все точки доступа, обеспечивающие роуминг, конфигурируются на использование одинакового идентификатора зоны обслуживания (SSID). Все точки доступа относятся к одному широковещательному домену, или одному домену роуминга.

Механизм определения момента времени, когда необходимо начать процесс роуминга, не определен в стандарте 802.11, и, таким образом, оставлен на усмотрение поставщиков оборудования. Наиболее простой широко распространенный алгоритм переключения заключается в том, что адаптер взаимодействует с одной точкой вплоть до момента, когда уровень сигнала не упадет ниже допустимого уровня. После этого осуществляется поиск точки доступа с одинаковым SSID и максимальным уровнем сигнала, и переподключение к ней.

Роуминг включает значительно больше процессов, чем необходимо для поиска точки доступа, с которой можно связаться. Опишем некоторые из задач, которые должны решаться в ходе роуминга на канальном уровне:

- Предыдущая точка доступа должна определить, что клиент уходит из ее области действия.

- Предыдущая точка доступа должна буферизовать данные, предназначенные для клиента, осуществляющего роуминг.

- Новая точка доступа должна показать предыдущей, что клиент успешно переместился в ее зону.

- Предыдущая точка доступа должна послать буферизованные данные новой точке доступа.

- Предыдущая точка доступа должна определить, что клиент покинул ее зону действия.

- Точка доступа должна обновить таблицы МАС-адресов на коммутаторах инфраструктуры, чтобы избежать потери данных перемещающегося клиента.