Адаптивные решения в беспроводных сетях

Александр Семенов

---

По материалам корпорации Intel.

Беспроводные сети стандарта 802.11 приобретают сегодня все большую популярность, они появляются в самых разных местах — от домов и офисов до кафе и ресторанов, где создаются общественные точки беспроводного доступа. Благодаря тому, что беспроводные локальные сети 802.11 работают в нелицензируемых диапазонах радиочастотного спектра, их развертывание не требует больших затрат времени и средств. Появление множества устройств, поддерживающих технологию Wi-Fi, дает свободу выбора и открывает пути для экономии как корпоративным, так и домашним пользователям. Например, ноутбуки на базе платформы Intel Centrino уже имеют встроенную поддержку беспроводных технологий 802.11.

Работа в беспроводных локальных сетях во многом удобнее по сравнению с традиционными
проводными сетями. Для работы в сети пользователь не обязан находиться за рабочим
столом или рядом с розеткой локальной сети; он может свободно перемещаться,
например, от своего рабочего места в лабораторию и затем в зал заседаний, не
отключаясь каждый раз от сети. Как показывают исследования, пользователи беспроводных
локальных сетей получают такие преимущества, как повышение продуктивности, экономия
времени, гибкость сетевого доступа практически из любого места. Кроме того,
на новом месте может оказаться заметно дешевле развернуть беспроводную локальную
сеть, чем традиционную проводную.

Перспективы беспроводных сетей Прогнозируемые темпы внедрения беспроводных локальных сетей впечатляют: по мнению аналитиков Gartner Group, к 2008 г. в мире будет более 167 тыс. общественных точек беспроводного доступа и более 75 млн пользователей беспроводных сетей. Чтобы получить признание абонентов, услуги общественного доступа к беспроводным локальным сетям должны удовлетворять двум ключевым требованиям: широкая распространенность и удобство доступа. Во-первых, места, где расположены точки доступа, должны быть легко узнаваемы; точек доступа должно быть достаточно много, чтобы пользователям было легко найти их в городах и в других ключевых местах, таких, как аэропорты, крупные отели и конгресс-центры. Во-вторых, услуга доступа должна быть простой и не требовать от пользователя трудоемкого ввода информации, например, данных кредитной карты, при каждом подключении.

Однако количество пользователей, работающих в нелицензируемом диапазоне частотного
спектра, с каждым днем становится все больше, что приводит к усилению помех
и повышению уровня шума в каждой конкретной сети. Беспроводные сети приобретают
такую популярность и распространенность, что дальнейший рост пользовательского
спроса создает множество новых серьезных проблем.

Роуминг между точками доступа все еще не стал быстрым и прозрачным, эффективные средства ограничения загрузки сети отсутствуют. Еще одна проблема — неравномерное распределение пропускной способности: существующие решения для совместного использования полосы пропускания не приспособлены для объединения каналов. Наконец, беспроводные локальные сети не всегда достаточно совместимы с сотовыми сетями, использующими другие подходы к управлению радиочастотными ресурсами.

Перенаселенные беспроводные среды

Резкий рост спроса на беспроводные локальные сети создает порой заметные неудобства для пользователей. В одном офисе или доме может найтись множество устройств, использующих один и тот же нелицензируемый частотный диапазон, в котором работает беспроводная сеть 802.11. Это и устройства Bluetooth, и СВЧ-печи, и беспроводные телефоны — и все они могут создавать серьезные помехи для сети. К примеру, в переполненном кафетерии из-за большого количества пользователей могут возникать проблемы с пропускной способностью на уровне узлов доступа. Работающие там же устройства Bluetooth и СВЧ-печи, в свою очередь, создают помехи для беспроводной локальной сети. С точки зрения пользователя все эти проблемы проявляются как низкая скорость доступа к Интернету, медленная загрузка файлов и общее снижение производительности. Бывают, хотя и редко, ситуации, когда мешающие сигналы настолько сильны, что доступ клиентских устройств к беспроводной сети становится вообще невозможным. Кроме того, проблемы связаны и с тем, что пока еще нет устоявшихся отраслевых стандартов для эффективного управления беспроводными сетями.

До сегодняшнего дня большинство исследований, направленных на повышение качества работы беспроводных сетей, предполагало в основном корректировку какого-либо одного параметра MAC-уровня (уровень доступа к среде передачи). Однако беспроводная среда может одновременно страдать от множества факторов, начиная с помех и низких уровней сигнала и заканчивая коллизиями пакетов, в результате которых резко увеличивается количество попыток, необходимых для отправки каждого пакета. Динамическая среда порождает многомерные проблемы, которые невозможно разрешить корректировкой одного параметра.

Например, при высоком уровне помех возникает соблазн просто снизить скорость передачи, чтобы улучшить пропускную способность устройства. Однако снижение скорости передачи означает, что каждый пакет будет проводить больше времени "в эфире" на пути от передатчика к приемнику. Тем самым увеличивается вероятность коллизий с другими пакетами. Иначе говоря, при изменении скорости передачи может потребоваться одновременно изменить другой параметр MAC-уровня — во избежание коллизий. Изменение же только одного параметра, скорее всего, даст лишь частичное повышение производительности.

Среды с высокой плотностью пользователей

Другая нетривиальная проблема связана с тем, как именно беспроводное устройство выбирает узел доступа для установки связи. В настоящее время узлы доступа выбираются по величине сигнала — этот способ позволяет определить ближайший к устройству узел. К сожалению, большая величина сигнала не обязательно означает хорошую пропускную способность. Например, если большинство ноутбуков находящихся в конференц-зале пользователей установят связь с беспроводной сетью через узел доступа, расположенный над дверью в зал, общее количество компьютеров, подключившихся к этому узлу, может исчисляться десятками, если не сотнями. В то же самое время другие узлы доступа в зале могут оставаться незагруженными.

Перегруженные узлы доступа — это не просто неэффективное использование ресурсов. В современных беспроводных локальных сетях для организации доступа устройств к сети используется так называемая функция распределенной координации (DCF). Эффективность этой функции напрямую зависит от загрузки каналов и количества пользователей, подключенных к узлу доступа. Если узел доступа перегружен, пропускная способность в расчете на одного пользователя падает. В результате производительность снижается для всех пользователей, а не только для тех, кто подключился последним.

Беспроводные устройства должны научиться переключаться с одного узла доступа
на другой при возрастании загрузки беспроводной среды или других подобных изменениях.
Реализация таких динамических интеллектуальных функций требует алгоритмов с
высокой степенью адаптивности, способных корректировать в реальном времени сразу
несколько параметров.

Рекомендации Intel для общественного беспроводного доступа Согласно информации комитета Wi-Fi Alliance, наиболее распространенная сегодня модель доступа к общественным беспроводным точкам — Universal Access Method (UAM), когда точка доступа принимает команды Web-браузера пользователя и перенаправляет их на местный Web-сервер, защищенный по технологии Transport Layer Security (TLS). Аутентификация пользователя происходит на странице входа UAM, обычно путем ввода имени пользователя и пароля в форме, отправляемой на Web-сервер. Основные преимущества UAM — простота внедрения и минимальный уровень требований к мобильным клиентским устройствам (для доступа требуется только Web-браузер). Вот некоторые из ключевых рекомендаций Intel операторам общественных точек беспроводного доступа и провайдерам услуг. Следует по возможности скорее реализовать технологию Wi-Fi Protected Access, чтобы обеспечить взаимную аутентификацию с "домашним" провайдером услуг и средствами безопасности сеансов. Инфраструктура должна быть совместима с более старыми моделями аутентификации UAM, одновременно обеспечивая сосуществование и долгосрочную миграцию на более надежные схемы, основанные на Wi-Fi Protected Access/802.1X. Надо сохранить поддержку VPN, чтобы охватить многочисленных пользователей удаленного доступа к корпоративным сетям, использующих VPN для подключения к интрасетям через общедоступные сети. В частности, следует позаботиться о том, чтобы работа VPN не нарушалась средствами NAT; для этого следует реализовать функции, определенные в RFC 3022. Если для интеграции услуг требуется межсетевое взаимодействие с другой сетью (например, базовой сетью передачи данных сотового оператора), мы настоятельно рекомендуем делать слабой связь между точкой беспроводного доступа и базовой сетью. Другими словами, беспроводные локальные сети следует рассматривать как автономные сети, основанные на базовых протоколах IEEE и IETF, в отличие от сетей радиодоступа. При этом от них не требуется поддержка доменно-специфичных протоколов управления мобильностью через интерфейс беспроводной локальной сети клиентского устройства (например, GPRS Mobility Management). Это позволяет согласовать интерфейсы различных беспроводных локальных сетей (как общественных точек беспроводного доступа, так и корпоративных сетей) и улучшает совместимость при роуминге клиентов. Конвергенция на основе IP-протоколов обеспечивает более единообразную поддержку современных услуг для различных беспроводных технологий. Обмен ключами для шифрования беспроводного уровня между провайдерами домашних сетей и гостевых сетей должен быть защищенным и криптографически привязанным к аутентификационной информации и параметрам сеанса. Рекомендуется использовать туннели IPsec между серверами RADIUS равноправных роуминговых партнеров. Необходимо сформулировать потребности в обмене трафиком между сетями на основании фактического или ожидаемого трафика. При этом Intel рекомендует иметь для каждой общественной точки беспроводного доступа как минимум широкополосное подключение (DSL, кабельный модем, T1/E1 и т. п.). Чтобы облегчить установление роуминговых соглашений, необходимо принять стандартный для всей отрасли подход к вопросам AAA. Это позволит провайдерам услуг распространить область действия услуг беспроводных локальных сетей за пределы своей инфраструктуры и прибавить к своей собственной зоне охвата территории своих партнеров по роумингу.

Новый стандарт 802.11k

Перегрузка узлов доступа и динамическая природа беспроводной среды ставят перед пользователями задачи поддержания и повышения производительности беспроводной сети. Для решения этой задачи работающие в отрасли компании сформировали в рамках IEEE рабочую группу 802.11k, которая занимается разработкой расширений существующих стандартов 802.11 в области управления радиоресурсами (RRM). Технология RRM призвана улучшить оценку производительности узлов доступа и клиентских устройств, а также состояния среды в целом, чтобы повысить производительность и управляемость сетей.

Данные измерений, полученные в рамках спецификации 802.11k, передаются для дальнейшего анализа драйверам вышележащих уровней. Анализируя эти данные, беспроводное устройство, подключающееся к беспроводной сети или переходящее из одной сети в другую, может оценивать качество сигнала, загрузку каналов и другие факторы.

Помимо измерения мощности сигнала, предусмотренного стандартом 802.11h, нынешняя версия спецификации 802.11k рекомендует определять и такие параметры, как Channel Load (загрузка каналов), Noise (уровень шума), Beacon Frame (кадры-маяки), Hidden Node (скрытые узлы), Medium Sensing (измерение характеристик среды передачи), Time Histogram (временная гистограмма) и STA Statistics (статистика станции или устройства).

Проект стандарта 802.11k в настоящее время находится в стадии рассмотрения. Утверждение нового стандарта предполагается к концу 2004 г.

Адаптивный подход

Значительная часть исследований по улучшению работы беспроводных локальных
сетей посвящена адаптивной настройке. Адаптивная настройка позволяет устройству
оптимизировать свои параметры в зависимости от характеристик среды. Корпорация
Intel (http://www.intel.com) довольно давно
ведет исследования в области сложных динамических беспроводных сред, в результате
которых и были созданы два динамических интеллектуальных адаптивных алгоритма.

Эти алгоритмы позволяют беспроводному устройству динамически оптимизировать сразу несколько параметров доступа к среде передачи (MAC-уровень) в ответ на изменения среды, в которой оно работает. Поскольку прогнозировать состояние окружающей беспроводное устройство среды трудно, почти невозможно заранее выбрать набор параметров, который гарантировал бы оптимальную производительность всех приложений. Адаптивные алгоритмы корпорации Intel решают эту проблему, позволяя устройству самостоятельно корректировать свои настройки по мере изменения среды: например, если внезапно исчезает помеха или возникает перегрузка узла доступа. Устройство само выбирает наиболее подходящий узел доступа, минимизирует влияние помех, оптимизирует работу беспроводной локальной сети и улучшает условия работы пользователей.

Адаптивные алгоритмы также упрощают развертывание беспроводных устройств, поскольку разработчикам не приходится строить догадки относительно характера сетевого трафика, с которым будет работать устройство в процессе эксплуатации.

Выбор наилучшего узла доступа

Первый из новых алгоритмов Intel помогает беспроводному устройству выявлять и выбирать наилучший из имеющихся узлов доступа. В рамках этого алгоритма устройство собирает информацию об отношении сигнал/шум, загрузке каналов и трафике конкретного узла доступа и беспроводной локальной сети в целом.

В беспроводной сети каждое мобильное устройство поддерживает связь с узлом доступа в рамках так называемой базовой зоны обслуживания — Basic Service Set (BSS). Мобильные устройства периодически принимают от различных узлов доступа опознавательные сигналы — кадры-маяки (beacon frames). В зависимости от интенсивности принятых сигналов мобильная станция может выбрать, к какому узлу доступа подключаться. Однако большая интенсивность принятого сигнала не гарантирует, что выбранная базовая зона обслуживания предоставит станции и максимальную пропускную способность. Дело в том, что в существующих беспроводных локальных сетях в качестве механизма доступа к среде передачи используется функция распределенной координации DCF.

Эффективность функции DCF зависит напрямую от загрузки каналов и числа пользователей, подключенных к узлу доступа. Пропускная способность в расчете на узел (и вместе с ней производительность) падает при увеличении числа пользователей, пользующихся каналом. Таким образом, если станция выбирает узел доступа, исходя исключительно из качества принятого сигнала, и отказывается от соединения с менее загруженным узлом, это ухудшает работу сети.

Разработанный Intel алгоритм выбора оптимального узла доступа предусматривает определение характеристик канала и оценку пропускной способности, исходя из отношения сигнал/шум и его загруженности. В зависимости от оценки пропускной способности каждого из имеющихся узлов доступа мобильное устройство выбирает, к какому из них лучше подключиться.

Анализируя одновременно несколько факторов, беспроводное устройство может выбрать узел доступа, который обеспечит наилучшую пропускную способность, а не просто узел с наибольшим уровнем сигнала. Это позволяет распределить нагрузку по множеству узлов доступа и повысить общую эффективность работы сети.

Адаптивное управление MAC-уровнем

Корпорация Intel ведет также разработку адаптивного алгоритма управления MAC-уровнем, который должен дать беспроводному устройству возможность динамически менять различные параметры MAC-уровня в зависимости от изменений среды. Как и алгоритм выбора наилучшего узла доступа, он пытается найти оптимальные настройки для конкретной среды.

Адаптивный алгоритм управления MAC-уровнем учитывает следующие параметры: скорость передачи, порог фрагментации и порог RTS.

Скорость передачи определяется целевым значением частоты ошибочных битов (BER) при заданном отношении сигнал/шум. При разных скоростях передачи используются разные методы модуляции, поэтому для поддержания требуемого значения BER очень важно правильно выбрать скорость передачи.

Порог фрагментации определяет размер MAC-кадров (из которых состоят пакеты), передаваемых по радиоканалу. Если порог слишком мал, накладные расходы, связанные с заголовками MAC- и физического уровней, снижают общую пропускную способность, доступную клиентскому устройству, а если порог слишком велик, MAC-кадры становятся уязвимыми для помех.

Порог RTS (готовность к передаче) определяет, требуется ли обмен сигналами RTS-CTS перед передачей MAC-кадра (обмен кадрами RTS-CTS служит для "резервирования" среды передачи перед передачей кадров данных, чтобы исключить коллизии в среде передачи).

Например, в типичном офисе в одном нелицензируемом диапазоне частотного спектра обычно работает несколько устройств. К каждому узлу доступа обычно также подключено несколько беспроводных устройств. В такой ситуации беспроводные устройства снижают скорость передачи из-за увеличения уровня помех по сравнению с уровнем сигнала совместно используемого узла доступа.

При использовании адаптивного алгоритма одновременно со снижением скорости передачи данных снижается и порог RTS. Это уменьшает вероятность коллизий при одновременной посылке нескольких пакетов. Меняется и порог фрагментации, чтобы установить наилучший размер для новых пакетов. Проблема состоит в том, чтобы оптимизировать конфигурацию по множеству взаимосвязанных параметров. Изменение одного параметра (например, скорости передачи) влияет на оптимальные значения других параметров, например, порога RTS.

Изменение одного отдельно взятого параметра — обычно далеко не лучший способ
адаптации беспроводного устройства к постоянным изменениям сложной среды. По
сути, адаптивный алгоритм управления MAC-уровнем пытается найти набор параметров,
который обеспечил бы оптимальную общую пропускную способность для беспроводного
устройства.

Будущее беспроводного доступа Сегодня многие общественные точки беспроводного доступа зачастую имеют всего один узел доступа. Если узлов доступа несколько, передача мобильного клиента от узла к узлу может происходить с задержкой, при переходе от одного узла доступа к другому может требоваться повторная аутентификация. Для доминирующих сегодня моделей применения (просмотр электронной почты или подключение к Интернету/интрасети с ноутбука) это ограничение несущественно, поскольку пользователь обычно неподвижен. Быстрое и беспрепятственное переключение между узлами доступа станет необходимостью с появлением новых типов беспроводных устройств — карманных компьютеров и мобильных телефонов с поддержкой Wi-Fi — и с возникновением новых услуг, таких, как обмен сообщениями, загрузка потоковых мультимедийных данных в реальном времени, порталы приложений для работы с данными. Совершенствованием процессов переключения занимаются исследовательские группы IEEE, разрабатывающие методы прозрачного и быстрого переключения между узлами доступа в рамках инфраструктуры Wi-Fi Protected Access. Беспроводные локальные сети — одна из самых перспективных среди существующих сегодня беспроводных технологий. Она обеспечивает безопасный и эффективный высокоскоростной беспроводной сетевой доступ на рабочем месте, дома и в поездках. Для доступа к беспроводным локальным сетям используются ноутбуки и карманные компьютеры, а ближайшее время ожидается появление мобильных телефонов с возможностью подключения к таким сетям. Количество беспроводных локальных сетей быстро растет — они появляются на предприятиях, в аэропортах, больницах, жилых домах, ресторанах, на складах, на пристанях и даже в парках отдыха.

Резюме

В ситуации, когда число подключающихся к беспроводным сетям пользователей и устройств растет, устройства должны уметь адаптироваться к постоянно меняющейся среде, реагировать на внешние факторы, оказывающие решающее влияние на производительность. К таким факторам относятся, в частности, число доступных узлов доступа, загрузка каналов, интенсивность сигнала и помехи от других устройств.

Адаптивные алгоритмы корпорации Intel для беспроводных локальных сетей позволяют беспроводным устройствам "интеллектуально" реагировать на изменения окружающей среды. Первые исследования уже продемонстрировали существенное увеличение производительности в разнообразных сложных беспроводных средах.