Архитектура беспроводных сетей SkyMAN

Накопленный за несколько лет опыт позволил екатеринбургской группе разработчиков AquA (с 16 декабря 1998 г. - проектное подразделение компании CompTek International) предложить системный подход к созданию таких сетей, который был назван архитектурой SkyMAN.

Расширение площади охвата беспроводной сети потребовало ее дробления на несколько сот. Кроме того, организация последних на базе традиционных радиомостов приводила к тому, что для подключения чуть ли не каждого десятка новых абонентов требовалось создавать новую соту. Возникали проблемы и с качеством обслуживания (QoS) абонентов.

Разбиение сети на сегменты с применением маршрутизаторов, расположенных "позади" мостов (т. е. объединение сетью маршрутизаторов нескольких "мостовых" сегментов), позволяет преодолеть проблемы с широковещательным трафиком, обеспечением безопасности и некоторые другие. Маршрутизаторы практически не способствуют повышению емкости сот и улучшению качества обслуживания. Мало того, появляются затруднения с роумингом. Поскольку протокол IP подразумевает принадлежность каждого адреса лишь определенной сети, приходится использовать наложенные протоколы, служебный трафик которых "съедает" значительную часть полосы пропускания.

Одно из наиболее распространенных применений сетей RadioEthernet - обеспечение доступа в Internet. Использование радиомостов не только накладывает ограничения на число пользователей, но и приводит к резкому возрастанию объема служебного трафика, поскольку в опорной сети свободно распространяется так называемый контрольный трафик (watchdog traffic) RIP, SAP, RTMP и других внутренних протоколов ЛВС абонентов. Такую структуру трудно контролировать, она плохо управляется и совершенно не защищена даже от случайных ошибок абонентов, не говоря уже о злонамеренной деятельности. Фактически, весь сетевой трафик оказывается доступным для перехвата и анализа.

Структура и преимущества

Эффективно решить все перечисленные проблемы позволяют радиомаршрутизаторы. Простейший способ построения такого маршрутизатора - использование обычного ПК с подходящей ОС и беспроводным сетевым адаптером. Однако этот путь не лишен серьезных недостатков: ПК не обеспечивает достаточной надежности (он содержит движущиеся детали - жесткий диск, вентиляторы; слабо защищен от воздействия пыли и влаги), потребляет много энергии, имеет большие габариты и сравнительно дорог. При массовом использовании данных устройств возникают сложности с технической поддержкой, ремонтом, профилактикой и пр.

Специалисты AquA вышли из положения, реализовав свои маршрутизаторы Revolution на базе радиомостов ARLAN 630/640 (BR-2000, AP-2000) производства фирмы Aironet Wireless Communications. Для этого потребовалось разработать специальное ПО WANFleX и записать его в ПЗУ таких устройств.

Операционная система WANFleX построена на базе ядра реального времени. В нее входят стек протоколов TCP/IP, элементы поддержки многоадресной рассылки, средства конфигурирования и диагностики - в том числе с применением протоколов telnet и SNMP. Имеется мощный механизм встроенных IP-брандмауэров. Используются как статическая маршрутизация, так и протоколы RIP-1, RIP-2, причем можно изменять метрики сети для регулирования процесса маршрутизации.

По утверждению руководителя AquA Александра Рапопорта, тестирование показало, что программная (ограничиваемая скоростью исполнения, а не возможностями радиоканала) скорость передачи данных по радиоканалу, организованному с помощью двух маршрутизаторов Revolution или одного Revolution и беспроводного сетевого адаптера ARLAN-655, оказывается не меньшей, чем скорость передачи по протоколу FTP при использовании радиомоста ARLAN-640. Характеристики радиооборудования и аппаратных интерфейсов Revolution полностью соответствуют характеристикам моста ARLAN-630, за исключением того, что модернизированное устройство способно работать на любой частоте в пределах диапазона 2400-2483 МГц.

Благодаря усложнению ПО получен ряд дополнительных преимуществ: введена поддержка пакетов переменной длины, соответствующей объему пересылаемых данных (что позволяет полностью использовать пакеты для передачи данных, исключив так называемую "набивку"), повышена эффективность потребления вычислительных ресурсов программным обеспечением. Кроме того, в последней версии (1.28) реализован режим Burst, предусматривающий объединение множества мелких пакетов в один крупный. Этот прием приобретает особенно большое значение в связи с медленным переключением аппаратуры Aironet между режимами приема и передачи.

В архитектуре SkyMAN применен разработанный специалистами AquA протокол RMA (Routed Multiple Access - протокол множественного доступа с маршрутизацией), обеспечивающий независимость адресного пространства абонентской сети от используемой точки входа в опорную сеть. RMA дает абоненту возможность переключаться между базовыми станциями (БС) и частотными каналами (по заданному оператором алгоритму) без изменения сетевых IP-адресов его локальной сети и с автоматическим назначением IP-адреса беспроводному интерфейсу маршрутизатора. При этом автоматическая перестройка маршрутизатора занимает около 15 с, а роуминг, по словам технического директора подразделения AquA Игоря Акулова, становится настолько быстрым и необременительным, что его можно применять для динамического выбора наилучшего канала связи в зоне видимости нескольких БС.

В беспроводных технологиях, ориентированных на множественный доступ, особенно болезненным является вопрос эффективного разделения эфира между станциями. Чаще всего в таких случаях используется протокол множественного доступа CSMA/CA (с избежанием конфликтов). Однако он не позволяет прослушивать среду во время передачи, что приводит к большим накладным расходам при одновременной работе нескольких абонентских станций. Так, по расчетам специалистов AquA, при интенсивном трафике в сегменте с 25 станциями реальная пропускная способность составит около 18% от максимальной.

Архитектура SkyMAN/CA включает в себя протоколы обслуживания среды, оптимизированные для обеспечения множественного доступа в условиях взаимной "глухоты" абонентских станций одной соты. Кроме того, рекомендуется разбивать зоны обслуживания БС на секторы, что не только увеличивает гибкость в организации множественного доступа, но и повышает потенциал приемо-передающего тракта, увеличивает зону покрытия, улучшает помехозащищенность, расширяет возможности резервирования и повторного использования частот.

Качество обслуживания

Благодаря применению маршрутизаторов появились новые возможности управления трафиком абонентов, включая поддержку гарантированных уровней качества обслуживания (QoS). Механизм QoS основан на применении протокола RSVP и буферных пулов. В стандартном ОЗУ ARLAN-630/640 удалось разместить необходимое число буферов для обслуживания 64 каналов (очередей). Инженеры AquA считают это достаточным, однако не исключают установки дополнительных микросхем памяти. ПО управления QoS представляет собой менеджер каналов, каждому из которых присваиваются определенные свойства (приоритет, максимальная сквозная скорость и т.п.) для дальнейшего управления на основе заданных правил.

"Гарантии качества обслуживания предоставляет ОС WANFlex, - подчеркивает технический директор CompTek Петр Кочегаров. - В ней заложен механизм очередей, который дает возможность устанавливать определенный уровень обслуживания. Другими словами, трафик с повышенным приоритетом будет проходить в первую очередь. Если имеющаяся полоса пропускания не позволит передать все пакеты, то будут сбрасываться те из них, которые стоят в очередях с низкими приоритетами". Последние могут устанавливаться по таким критериям, как IP-адрес отправителя/получателя, TCP-порт и некоторые другие.

Сегодня существуют четыре версии продуктов Revolution, построенных на аппаратной базе фирмы Aironet и ПО AquA. Во всех случаях используется ОС реального времени WANFlex. В будущем планируется выпуск радиомаршрутизатора Revolution II, основанного на процессоре Power PC 750, но применяющего то же ПО. Помимо радиомодулей различных производителей он будет поддерживать ряд проводных интерфейсных модулей, включая xDSL и Ethernet.

Передача речи (или другого изохронного трафика) на всем пространстве сети с постоянным контролем качества планируется, но только как вспомогательный сервис. В ближайшее время эта функция должна быть реализована в бета-версии, а к концу III квартала - в готовых продуктах. Они будут поддерживать стандарт H.323 и иметь гнездо для подключения телефонов. Дальнейшие разработки ведутся в направлении полной поддержки стандарта IEEE 802.11, увеличения числа протоколов маршрутизации (OSPF, Mrouting) и расширения функциональных возможностей маршрутизатора.

Благодаря применению ОС WANFlex устройства Revolution наделены специальными возможностями контроля за рабочими параметрами сети и отдельных радиоканалов. Команда сбора статистики позволяет измерить средний процент повторных передач пакетов от каждого абонента БС. Специальный протокол тестирования канала обеспечивает быструю и надежную оценку качества связи между любыми двумя точками сети (включая амплитуды принимаемых и передаваемых сигналов, процент потерянных пакетов). Режим юстировки антенн предназначен для их оптимальной настройки по комплексному критерию качества связи. Кроме того, в версии OC WANFLeX ПЛЮС реализованы встроенный спектроанализатор (контролирует помеховую обстановку на базовых станциях оператора) и режим перехвата чужих пакетов (он полезен для борьбы с пиратами).

Маршрутизаторы Revolution поддерживают IP-туннели для организации виртуальных частных сетей (VPN). Функция маршрутизации по адресу источника трафика (для всего сеанса связи заранее определяется маршрут, от которого пакеты не могут отклоняться) обеспечивает возможность работы в одной сети нескольких провайдеров.

Сети на основе архитектуры SkyMAN и маршрутизаторов Revolution действуют в Екатеринбурге, Перми и Челябинске. Операторы ART Communications в Москве и Quantum в Санкт-Петербурге планируют приступить к внедрению таких сетей в ближайшее время.