Вычислительные сети - без проводов

Беспроводные компьютерные сети - упражнение на модную тему или насущная необходимость?

Едва появившись, беспроводные компьютерные сети немедленно привлекли к себе внимание компаний, стремящихся усовершенствовать свою информационную базу. Однако на ранних этапах развития этой технологии установка беспроводной сети была чем-то вроде вынужденной меры - к ней стремились прибегать только тогда, когда все прочие средства организации сети оказывались неприемлемыми по чисто техническим или экономическим причинам. И это понятно - первые образцы беспроводного сетевого оборудования работали медленно, качество связи было не слишком высоким, что же касается тогдашних цен, то тут вполне было применимо хорошее американское выражение tag shock (приходит человек покупать автомобиль новой модели, сравнивает цену с ценой старой модели, и с ним случается tag shock, или, в буквальном переводе, шок при виде ценника).

Немало воды утекло с тех пор. Цены на оборудование для беспроводных сетей заметно снизились, пропускная способность существенно увеличилась, надежность связи возросла. Некоторое время назад технология преодолела барьер взрывообразного роста рынка. По данным журнала Telecommunications, опубликованным в мартовском номере за этот год, суммарные расходы компаний на установку беспроводных сетей в 1994 году составили 2 миллиарда долларов, а в 1998 году ожидается, что эти расходы составят 7,8 миллиарда долларов. По мнению аналитиков, к 2000 году суммарный объем доходов в области беспроводной передачи данных превысит объем доходов от беспроводных телекоммуникаций. И если раньше к технологиям беспроводных сетей относились как к вынужденной мере, то теперь к ней прибегают просто по соображениям удобства. Дополнительные расходы, связанные с закупкой беспроводного оборудования, не слишком велики, и часто полностью компенсируются за счет отказа от проведения сложных кабельных работ. Это дает пользователю большую свободу выбора, и нередко выбор делается в пользу беспроводных технологий.

ТЯГА К СВОБОДЕ

В каких же именно ситуациях потребитель предпочитает работать с беспроводными технологиями? Мы еще поговорим в свое время и о топологиях беспроводных сетей, и о конкретных проектах, реализованных с использованием этой технологии, сейчас же остановимся только на самых общих идеях ее применения.

Коротко говоря, к использованию беспроводных технологий обращаются в тех случаях, когда сопряженные с развертыванием сети кабельные работы либо затруднены технически, либо невыгодны экономически, либо невозможны по организационным или иным соображениям. К этому перечню следует добавить установку беспроводных сетей с целью обеспечения свободы передвижения мобильным пользователям.

Отметим сразу: нас будут интересовать именно беспроводные вычислительные сети и средства их организации (сетевые адаптеры, мосты, устройства входа для сотовых сетей). Мы не будем говорить о получивших весьма широкое распространение радиомодемах, представляющих собой просто устройства для передачи данных по радио, которые, по существу, можно рассматривать как "гибрид" модема и радиотелефона. Радиомодемы незаменимы для осуществления беспроводного удаленного доступа, однако мы сосредоточимся на тех устройствах, используя которые можно построить беспроводную локальную сеть, не имеющую принципиальных отличий от сети кабельной.

Итак, области применения беспроводных сетей. Их можно разделить на две большие группы: во-первых, использование радиоволн для объединения в сеть пользователей, находящихся в пределах одного здания, и организация связи между разными зданиями, во-вторых. В первом случае речь идет об организации обычной вычислительной сети (как правило, Ethernet; впрочем, существует и оборудование для организации беспроводных сетей Token Ring - но об этом чуть позже), где в качестве носителя используется не кабельная проводка, а радиоволны.

Сети в помещениях снова можно разделить на две большие группы: сети стационарных пользователей и сети мобильных пользователей. Сети стационарных пользователей вообще практически ничем не отличаются от кабельных сетей. Они применяются, например, в промышленных помещениях с бетонным полом, где нет возможности проложить кабельную сеть; в зданиях, где прокладка кабелей просто запрещена (например в исторических зданиях, крупных библиотеках, арендованных помещениях, где кабельные работы невозможны по условиям договора аренды и т.д.); кроме того, беспроводные технологии очень удобны для развертывания временных сетей на различных выставках, краткосрочных семинарах и так далее.

Сети мобильных пользователей, перемещающихся в пределах одного здания, также можно подразделить на две основные разновидности. Во-первых, это сети, где взаимодействие всех мобильных пользователей с кабельной сетью происходит через одну точку входа в сеть. Примерами тут могут служить, например, брокеры в биржевом зале, чьи ноутбуки снабжены беспроводными адаптерами, находящимися в зоне видимости одной антенны, или складские работники, перемещающиеся по большому хранилищу и отправляющие сообщения о выполнении нарядов на подбор товаров центральному складскому компьютеру. Во-вторых, в здании может быть установлена сотовая сеть из нескольких точек входа, что обеспечит пользователям возможность передвигаться из одного помещения в другое, не теряя связи с сетью. Примером такого применения служит больничная сеть: медсестры перемещаются из одной палаты в другую, обращаясь к электронным историям болезни при помощи беспроводной сети и внося сведения о проведенных процедурах и результатах обследований прямо у постели больного. О некоторых примерах таких применений журнал LAN Magazine уже писал.

Что же касается применения беспроводных технологий для организации связи между разными зданиями, то здесь речь идет, как правило, об объединении нескольких кабельных сегментов беспроводными мостами. Такие мосты либо используются в качестве замены отсутствующей информационной инфраструктуры, либо просто помогают избежать проведения дорогостоящих кабельных работ.

На Западе, где существует развитая телекоммуникационная инфраструктура, чаще всего применяются сети, ограниченные пределами одного здания. Они помогают решать различные организационные проблемы, используются для повышения эффективности труда работников или просто для удобства. В России ситуация принципиально иная - во-первых, далека от решения проблема "последней мили". Этим термином связисты обычно обозначают все оборудование, применяемое для подключения телефонных аппаратов и прочих принадлежащих абоненту устройств к коммутаторам телефонной станции. Степень доступности телекоммуникационных услуг зависит именно от наличия такого оборудования. На Западе проблема получения дополнительной телефонной линии практически полностью отсутствует. В России же за "внеочередное подключение телефона" абонент может заплатить не один миллион рублей. Что же касается выделенных линий для связи, то их либо невозможно вовсе получить (нет такой услуги в прейскуранте местной телефонной компании), либо стоимость их непомерно высока - уж во всяком случае, не меньше, чем цена обычного телефонного номера.

Вторая специфически российская проблема, ограничивающая возможности использования кабельных технологий для связи между удаленными сегментами сети, - низкая скорость обмена информацией. Как правило, речь идет об обмене информацией через модемы, то есть реально достижимой оказывается пропускная способность в 28,8 Кбит/с. Для обеспечения нормальной работы организации этого зачастую недостаточно. Беспроводные же мосты обеспечивают принципиально иные скорости обмена - чаще всего это 1-2 Мбит/с, хотя может быть и существенно больше (впрочем, об этом мы поговорим позже). Учитывая данное обстоятельство, неудивительно, что российские пользователи заинтересовались беспроводными технологиями.

ТОПОЛОГИЧЕСКИЕ КУБИКИ

Топология беспроводных сетей бывает довольно сложной; тем не менее элементарные топологические фрагменты можно перечислить без труда. Не ограничиваясь простым перечислением, мы укажем также, в какой ситуации предпочтительно использовать ту или иную топологию и как можно комбинировать топологические элементы беспроводных сетей между собой и с кабельными сетями.

Начнем с Ethernet. Наиболее простым и прямолинейным воплощением этой топологии является беспроводная сеть конфигурации "все-со-всеми" (см. Рис. 1). При работе по такой схеме в каждый из компьютеров, объединенных в беспроводную сеть, устанавливается беспроводной сетевой адаптер, обычно снабженный всенаправленной антенной. Причем в помещении, где развернута беспроводная сеть, формируется как бы единая среда обмена информацией, которая фактически лежит в основе самой идеологии Ethernet. При этом механизм обработки коллизий работает примерно так же, как и в кабельной сети, да и вообще, работа беспроводной сети в такой конфигурации мало чем отличается от работы кабельной сети - изменяется лишь носитель информации. Радиус действия беспроводной сети в данной конфигурации обычно весьма невелик - чаще всего все рабочие станции располагаются в пределах одного помещения. Между станциями (точнее, их сетевыми адаптерами), объединенными в беспроводную сеть такого класса, не должно быть значительных препятствий для распространения радиоволн (прямой видимости, впрочем, не требуется).

Для связи подобного беспроводного сегмента с остальной частью корпоративной сети применяются так называемые устройства входа. В качестве такого устройства может использоваться либо специализированная электроника, либо просто обычный компьютер (с соответствующим программным обеспечением), в котором установлены два сетевых адаптера - кабельный и беспроводной; в задачу устройства обычно входит отбор из общего потока сообщений, наличествующих в беспроводном сегменте, тех пакетов, которые предназначены для передачи в остальную часть сети.

Другая возможная топология сети, основанная на использовании устройств входа, - учрежденческая сотовая сеть для беспроводных сетевых рабочих станций. В качестве таких сетевых станций здесь обычно выступают ноутбуки, владельцы которых вынуждены перемещаться из одной комнаты в другую. Сотовая вычислительная сеть может применяться и в обширных производственных помещениях, где не все рабочие станции находятся в зоне прямой видимости друг друга (например, где распространению радиоволн мешают крупные промышленные установки). Для развертывания такой сети необходимо специфическое программное обеспечение; некоторые компании, производящие оборудование для беспроводных сетей, включают соответствующее ПО в комплект поставки своих изделий.

Как уже было сказано, через устройства входа происходит обмен информацией между беспроводной и кабельной частями сети. Пока что мы рассмотрели ситуацию, когда устройство входа связывает небольшой беспроводной сегмент с большой кабельной сетью. Эту конфигурацию можно "обратить", использовав два устройства входа для связи двух кабельных сегментов между собой. Снабдив каждое из устройств входа направленной антенной и направив эти антенны друг на друга, мы получим беспроводную топологию типа "точка-точка" (point-to-point, см. Рис. 2). Именно такая топология обычно применяется для организации беспроводных мостов между кабельными сегментами. Устройства входа были использованы в нашем примере только для наглядности; на самом деле для организации беспроводных мостов выпускаются и специализированные устройства. Дальность связи в подобных мостах может достигать нескольких десятков километров; для успешного функционирования моста по-прежнему необходима прямая видимость между связываемыми точками. Впрочем, требование прямой видимости (равно как и ограничение на расстояние между кабельными сегментами) можно довольно легко обойти, установив на линии распространения сигнала репитеры. Такие устройства также выпускаются рядом компаний - производителей оборудования для беспроводных вычислительных сетей. Поскольку работа в конфигурации "точка-точка" предполагает использование антенн, имеющих довольно узкую диаграмму направленности, при развертывании беспроводных мостов приходится заботиться о том, чтобы антенны "видели" друг друга. Несмотря на кажущуюся сложность задачи, она вполне решаема.

Беспроводные мосты Ethernet могут быть организованы и по более сложной, имеющей топологию "звезда", схеме (Рис. 3). Такая схема очень удобна для реализации корпоративной сети с большим числом филиалов; реализовать ее можно как на программном, так и на аппаратном уровне. В первом случае схема представляет собой просто совокупность необходимого числа беспроводных мостов, реализованных по схеме "точка-точка"; второй путь реализации предполагает использование специальных устройств, в которых "запаяна" данная топология. Эти устройства выпускаются целым рядом компаний (в качестве примера можно привести изделие Airport компании Windata), однако они, как правило, дороги, а радиус их действия не слишком велик. Поэтому часто пользователи предпочитают "вручную" организовывать сети топологии "звезда" из отдельных беспроводных мостов.

Для полноты картины следует упомянуть и о беспроводных сетях топологии Token Ring. Здесь также существуют как сетевые адаптеры, позволяющие связывать в сеть сетевые станции, находящиеся в пределах одного помещения, так и сетевые мосты, обеспечивающие обмен информацией между удаленными сегментами. Многие производители оборудования для беспроводных сетей (в частности компания Aironet) производят свои устройства в двух модификациях - для Ethernet и для Tokeng Ring. Оборудование для сетей топологии Token Ring часто характеризуется более высокими скоростями обмена информацией, а сами беспроводные сети работают более устойчиво, чем сети топологии Ethernet (это, впрочем, следует из разницы в самих стандартах Ethernet и Token Ring). Правда, и стоит беспроводное оборудование для Token Ring значительно дороже, чем аналогичные устройства для Ethernet.

ПРОБЛЕМА "ПОСЛЕДНЕЙ МИЛИ"

Использование беспроводного оборудования позволяет по-новому взглянуть на проблему "последней мили". Конечно, организация, вынужденная обеспечивать обмен данными между филиалами, разбросанными по разным концам города, может создать собственную корпоративную сеть. Однако далеко не каждой компании подобный проект по силам, да и скорости, обеспечиваемые модемами, их зачастую не устраивают. Такие компании - потенциальные клиенты городской беспроводной сети, позволяющей обойти проблему отсутствия необходимой телекоммуникационной инфраструктуры. Эта сеть представляет собой совокупность беспроводных точек входа, установленных на нескольких самых высоких зданиях города (или на одном, если город небольшой); абоненты городской сети обмениваются информацией с точками входа при помощи беспроводных каналов связи. Абонентская плата за использование такого канала может быть доступна даже не слишком крупной организации. При этом абонент получает в свое распоряжение канал связи, пропускная способность которого сравнима с пропускной способностью кабельной сети Ethernet (хотя реальная цифра и меньше 10 Мбит/с в два-пять раз, она тем не менее во много раз превышает скорость работы самого быстрого модема).

Сами точки входа в городскую сеть соединены между собой каналами обмена информацией. Физически эти каналы могут представлять собой как отрезки кабельных сетей, так и беспроводные мосты. Какой именно носитель выбрать и какую конкретно топологию применить при разработке городской сети - ответы на эти вопросы всецело определяются местными условиями. В России уже появились первые примеры реализации беспроводных городских сетей, кардинально различающиеся между собой как по степени развития инфраструктуры, так и по используемым топологическим схемам. (См. врезку под названием "Беспроводные заплаты на компьютерных сетях".)

Использовать городскую беспроводную сеть можно трояким образом. Во-первых, благодаря ей организация-абонент может связать вычислительные сети разных филиалов относительно быстродействующими линиями связи. Во-вторых, установив необходимые средства доступа, компания-владелец сети может обеспечить своим клиентам доступ к городским информационным ресурсам, в частности к различным базам данных. В-третьих, при наличии маршрутизаторов соответствующей конфигурации городская сеть может обеспечить своим абонентам доступ к глобальным сетям, например Internet и сети X.25. Подчеркнем еще раз, что все перечисленные нами услуги доступны и через обычную телефонную сеть - надо только поставить модем. Однако, во-первых, для этого нужен как минимум свободный телефонный номер (начиная с определенной интенсивности информационного потока - выделенная линия), а во-вторых, беспроводная сеть позволяет достичь огромной (с точки зрения модемной техники) пропускной способности.

ВСЕГО НЕСКОЛЬКО СЛОВ О ТЕХНОЛОГИЯХ

Все, о чем говорилось выше, выглядит несколько абстрактно, если не упоминать о том, каким образом обеспечивается беспроводная передача информации. На самом деле в настоящее время существуют два больших семейства технологий, используемых в беспроводных устройствах. Это радиочастотные технологии с применением размытого спектра (spread spectrum) и технологии, основанные на использовании инфракрасного излучения. Каждая из этих двух групп, разумеется, имеет свои достоинства и свои недостатки.

Начнем с радиочастотных технологий. Как правило, радиочастотное оборудование работает на частотах в 900 МГц, 2,4 ГГц и (реже) 5,7 ГГц. Для использования этих частот в США (но не в России!) никакой лицензии не требуется, что существенно облегчает жизнь заокеанским любителям беспроводных технологий. Радиочастотные технологии обеспечивают большую дальность связи (до 100 км) при относительно невысокой скорости обмена данными (как правило, не выше 2 Мбит/с; впрочем, появились сообщения и о продуктах, работающих на 10 Мбит/с, но они либо непропорционально дороги, либо имеют малый радиус действия). Помимо этого, радиочастотная передача данных гораздо более уязвима для всевозможных индустриальных помех, чем передача в инфракрасном диапазоне.

Что такое размытый спектр? Это определенная методика кодирования данных при передаче, повышающая помехоустойчивость данных и обеспечивающая защиту передаваемых данных. Само по себе словосочетание "размытый спектр" означает, что для кодирования сигнала используется более широкий частотный диапазон, чем тот, что требовался бы при прямой передаче информации. Метод был придуман военными, но, как это часто бывает, давно вышел за пределы военной области и используется теперь во вполне мирных целях. Имеются два способа растянуть спектр: во-первых, метод прыгающей частоты (frequency hopping spread spectrum, FHSS), а во-вторых, метод прямой последовательности (direct sequence spread spectrum, DSSS). При работе по методу FHSS весь частотный диапазон передачи разбивается на некоторое количество поддиапазонов (например в диапазоне 900 МГц ширина поддиапазона составляет 500 КГц, а в диапазоне 2,4 ГГц - 1 МГц). Передатчик постоянно меняет частотный поддиапазон, в котором ведется передача сигнала. Получается, что одна часть информации передается на одной частоте, другая - на другой, третья - на третьей и так далее. Не зная последовательности и частоты переключения поддиапазонов, расшифровать сигнал невозможно. Поэтому злоумышленник не может выяснить содержание радиообмена, не имея приемника, настроенного именно на те параметры FHSS, с использованием которых ведется передача.

При применении DSSS в последовательность информативных битов добавляются пустые биты, не несущие никакой полезной информации. После каждого полезного бита добавляется свое число пустых битов - здесь, как и при переключении частот в методе FHSS, используется определенный алгоритм, не зная его, расшифровать сигнал невозможно. Ясно, что при таком добавлении эффективная частота передаваемого сигнала возрастает, поэтому для его передачи требуется более широкий диапазон, чем для передачи "чистой" информации, - в результате "спектр растягивается".

В качестве примера оборудования, работающего на радиочастотах, кратко рассмотрим семейство продуктов, выпускаемое компанией Lucent Technologies. В его состав входят беспроводной сетевой адаптер для настольных систем WaveLAN, устройство входа в кабельную сеть (которое, как мы теперь знаем, можно использовать и для организации беспроводных мостов между кабельными сетями) WavePOINT, а также сетевой адаптер для ноутбуков WaveLAN PCMCIA. Все это оборудование работает в диапазонах частот 900 МГц и 2,4 ГГц и обеспечивает пропускную способность 2 Мбит/с. Дальность связи зависит от используемых антенн и внешних усилителей; максимальный радиус действия - 50 км. В комплект поставки изделий входят драйверы для всех основных сетевых операционных систем, а продукт WavePOINT поставляется вместе с программным обеспечением для учрежденческой сотовой сети.

Передача данных в инфракрасном диапазоне (чаще всего используется длина волны в районе 820 нм) характеризуется, прежде всего, огромными скоростями передачи данных (до 155 Мбит/с), а во-вторых, высокой устойчивостью ко всевозможным помехам. Недостатком, существенно ограничивающим применение технологий передачи информации с помощью инфракрасного излучения, являются малый радиус действия (как правило, менее километра) и очень жесткое требование прямой видимости (даже простой лист бумаги, случайно оказавшийся между передатчиком и приемником, может полностью блокировать информационный обмен).

Примером изделия, работающего на максимальной в настоящее время скорости обмена данными для беспроводных сетей инфракрасного диапазона (155 Мбит/с), может служить продукт Freespace Lite компании SilCom. Изделие предназначено для беспроводной связи кабельных сегментов Ethernet, находящихся в разных зданиях. Дальность связи при использовании этого устройства всего 150 м. Устройство состоит из двух компонентов: приемно-передающей головки и модуля питания и диагностики. Сама приемно-передающая головка подключается к остальному сетевому оборудованию с помощью волоконно-оптического кабеля. Разработчики утверждают, что уровень надежности связи при использовании Freespace равен 99,9%.

ТЕХНИКА НА ГРАНИ ФАНТАСТИКИ

Скорость и надежность обмена информацией в беспроводных сетях растут, а стоимость падает. Не наступит ли время, когда кабельные сети будут полностью вытеснены беспроводными? Конечно же, нет. Во-первых, до полного соответствия кабельных и беспроводных технологий по ценам и производительности еще очень далеко. Во-вторых, запросы потребителей к пропускной способности сети непрерывно растут, и развитие беспроводных технологий за этими запросами явно не поспевает. Тем не менее беспроводные сети постепенно перестают быть экзотикой, область их применения постоянно расширяется, и если раньше использование этих технологий всегда было чем-то вроде вынужденной меры, то теперь пользователи все охотнее прибегают к беспроводной передаче данных. Что же касается России, то в наших условиях беспроводным вычислительным сетям зачастую просто нет альтернативы. Ответ на вынесенный в заголовок вопрос нам, таким образом, представляется совершенно очевидным.

РОССИЙСКИЕ КОМПАНИИ ПРОЯВЛЯЮТ ЗАИНТЕРЕСОВАННОСТЬ

Беспроводные заплаты на компьютерных сетях

Российские потребители довольно быстро поняли, насколько полезными для них могут оказаться беспроводные технологии. На первых порах, однако, клиенты не спешили отказаться от привычных кабельных технологий: смущала цена оборудования, да и уверенности в реальных возможностях беспроводных сетях еще не было. Впрочем, через некоторое время осторожность постепенно улетучилась (тут, по-видимому, сыграли свою роль как снижение цен на оборудование, так и просто то, что потребители привыкли к мысли о возможности отказа от кабелей), и чисто теоретический интерес российских компаний сменился вполне реальным.

Беспроводные технологии в России применяются компаниями, во-первых, для построения корпоративных сетей с использованием беспроводных мостов между кабельными сегментами, а во-вторых, для создания городских сетей общего доступа.

Так, в сургутском Сбербанке беспроводные мосты применяются для связывания воедино локальных вычислительных сетей более чем 40 филиалов организации, расположенных как в самом Сургуте, так и в его пригородах.

Один из крупных российских морских портов, где в настоящее время ведутся работы по созданию единой системы автоматизации портового хозяйства, столкнулся с необходимостью связывать локальные сети удаленных портовых терминалов с центральной вычислительной системой. Причем кабельным работам, помимо большого расстояния, мешали еще и особенности ландшафта. Поэтому было решено использовать беспроводные мосты ARLAN-640 компании Aironet.

В качестве примеров городских сетей укажем проекты "Информационная магистраль" тюменской компании "КПИ" и SkyMAN (Sky Metropolitan Area Network) компании "Парад" (Екатеринбург). В тюменской городской сети имеется одна точка входа (все антенны расположены на крыше высотного здания городской администрации). Абоненты сети связаны с точкой входа выделенными беспроводными мостами WavePOINT компании Lucent Technologies. Это означает, что каждый клиент сети имеет в своем распоряжении беспроводной канал пропускной способностью 2 Мбит/с. Все модули WavePOINT соединены с городским информационным центром, что дает клиентам возможность обмениваться информацией с другими клиентами городской информационной сети (как беспроводной, так и кабельной) и осуществлять доступ к внешним ресурсам (например сети Х.25, Internet).

В екатеринбургской сети имеется несколько точек входа, выполненных на базе ARLAN. На точках входа установлены всенаправленные антенны радиусом действия восемь километров, поэтому все абоненты одной точки входа вынуждены делить между собой 2 Мбит/с. Это, однако, не так уж страшно, поскольку абонентов на одной точке не слишком много, и коллизии в получающемся беспроводном сегменте Ethernet происходят довольно редко. На каждой точке входа установлен маршрутизатор, обеспечивающий передачу сетевых пакетов, а между собой точки входа связаны беспроводными каналами связи на базе WavePOINT, играющими в данном случае роль магистральной сети.