Архитектура сети Wi-Fi
Стандарт IEEE 802.11 устанавливает три варианта топологии сетей:
- независимые базовые зоны обслуживания (Independent Basic Service Sets, IBSS);
- базовые зоны обслуживания (Basic Service Sets, BSS);
- расширенные зоны обслуживания (Extended Service Sets, ESS).
Под зоной обслуживания здесь понимается набор логически сгруппированных устройств. Каждая зона обслуживания имеет свой идентификатор (Service Set Identifier, SSID). Станция-приемник использует SSID для определения того, из какой зоны обслуживания приходит сигнал.
В архитектуре IBSS станции связываются непосредственно одна с другой, без использования точки доступа и без возможности подсоединения к проводной локальной сети. Зона обслуживания SSID используется обычно для объединения в сеть малого количества станций, поскольку в ней не предусмотрена возможность ретрансляции сигнала для увеличения дальности связи и механизмы для решения проблемы скрытого узла (см. рис. 2.37).
При использовании BSS станции общаются другом с другом через общий центральный узел связи, называемый точкой доступа. Точка доступа обычно подключается к проводной локальной сети Ethernet.
Расширенная зона обслуживания получается при объединении нескольких BSS в единую систему посредством распределительной системы, в качестве которой может выступать проводная сеть Ethernet.
2.11.5. Сравнение беспроводных сетей
В табл. 2.18 сведены основные параметры трех рассмотренных беспроводных технологий. В таблице отсутствуют данные о стандартах WiMAX, EDGE, UWB и многих других, которые не нашли широкого применения в промышленной автоматизации.
Табл. 2.18. Сравнение трех ведущих беспроводных технологий
Сеть Wi-Fi: Одноканальная Архитектура vs Многоканальная Архитектура
Цель данной статьи провести краткое, высокоуровневое сравнение двух основных на сегодняшний день архитектур, в которые был интерпретирован набор стандартов 802.11. На основании данных архитектур построены и строятся абсолютное большинство сетей Wi-Fi корпоративного и операторского класса.
Будем использовать следующие распространенные термины:
— Одноканальная Архитектура: Single Channel Architecture (SCA)
— Многоканальная Архитектура: Multi Channel Architecture (MCA)
Простыми словами можно сказать, что в одноканальной архитектуре используется один частотный канал на всех точках доступа в зоне покрытия, а в многоканальной используется сотовая структура с различными неперекрывающимися частотными каналами. При проектировании MCA-сети чаще всего требуется избегать соседнего размещения ячеек с одинаковыми или смежными частотными каналами, это же касается вертикального размещения ячеек в трехмерной модели (на разных этажах).
Многоканальная архитектура имеет массу очевидных преимуществ. Основные вендоры Wi-Fi решений корпоративного уровня используют именно такой подход и большинство существующих сетей Wi-Fi построены именно на такой архитектуре. Статистика говорит о том, что МСА существенно преобладает как основа для большинства Wi-Fi сетей в мире. О сетях MCA написано много, но для тех кто хочет быстро освежить в памяти основные принципы планирования и развертывания многоканальной архитектуры можно обратиться сюда.
Основными игроками в области Одноканальной Архитектуры являются компании Meru и Extricom, между которыми возникало немало разногласий в части патентного первенства. Так же занимались схожими исследованиями и более крупные игроки, например Aruba. Тем не менее, данная технология интересна и имеет свои преимущества и недостатки, на которых мы остановимся подробнее.
Итак в MCA используются различные частотные каналы на разнесенных территориально точках доступа для минимизации последствий интерференции и сопутствующих проблем клиентского устройства с декодированием сигналов от различных точек доступа. Радиоинженеры в ручную(и/или само решение WLAN автоматически) управляют величиной ячеек, частотным планом, уровнями интерференции в своей сети. Это происходит с помощью изменения мощности излучения точек доступа, применения различных антенн и статическим, динамическим или полу-автоматическим способом изменения частотных каналов на конкретных точках.
После того как достигнуто качественное покрытие, следующая по важности задача сети Wi-Fi — это обеспечение мобильности. В случае MCA всегда сам клиент выбирает, к какой точке доступа выполнить ассоциацию, и алгоритмы у производителей мобильных устройств разные(в общем случае учитываются доступные уровни сигнала от точек доступа на различных каналах, уровни потерь фреймов и т.п., но как работает алгоритм — это секретный соус производителей и не всегда этот соус вкусный, вспомните как «залипали» на точках доступа айфоны до недавних релизов iOS). Поэтому мы часто наблюдаем совершенно разные результаты при роуминге различных смартфонов на одной и той же сети Wi-Fi. Отсюда и значительно более серьезные требования к проектированию WLAN и проведению радиообследований для задач роуминга.
В отличии от MCA сети одноканальной архитектуры SCA в общем случае используют точки доступа, настроенные на один частотный канал. Также как и в MCA в SCA при планировании используется перекрытие ячеек сети. Учитывая практическую невозможность выполнения территориального разнесения передатчиков на одной частоте, чтобы избежать интерференции, в SCA основной подход состоит во временном разнесении передачи. Вся сеть должна очень точно синхронизироваться и координироваться из центрального устройства, чтобы избежать посылки фреймов одновременно на одной частоте. В этом состоит и один из основных недостатков сети SCA, т.к. рост количества клиентов в сети, желающих активно передавать или получать трафик, быстро снижает общую производительность сети. Особенно если присутствует микс клиентских устройств, включая устаревшие и медленные. В то же время обычная MCA-сеть совершенно спокойно позволяет передавать трафик параллельно и независимо в каждой ячейке (предполагается, что мы спроектировали сеть ячейками на непересекающихся каналах), полностью реализуя изначально ассиметричную природу стандартов 802.11.
В SCA-сетях клиентское устройство не может различить точки доступа одноканальной архитектуры. В данном случае сеть Wi-Fi(контроллер) принимает решение, когда каждая конкретная точка доступа должна передавать и принимать данные от каждого конкретного клиента. Таким образом само клиентское устройство не вовлечено в процесс принятия решения о выполнении хендовера, за него это выполняет сеть Wi-Fi. Пользователь перемещается в зоне покрытия, и сеть направляет трафик этому пользователю через ближайшую к нему точку доступа с учетом наличия доступных ресурсов на точках доступа. Фактически здесь проявляется основное преимущество SCA-сетей – обеспечение хендовера без необходимости вовлечения клиентского оборудования и ПО, что делает решение задачи практической мобильности значительно более предсказуемым по сравнению с сетями MCA. Отсюда можно сделать вывод о хорошей адаптируемости сетей SCA к задачам типа VoIP over Wi-Fi, где важно обеспечивать предсказуемые и очень жесткие параметры передачи сессии без разрыва от точки доступа к точке доступа.
В сетях SCA используется измененная IEEE 802.11 модель, которая формирует видение клиентских устройств так, что они «думают», что всегда взаимодействуют только с одной точкой доступа. В реальности в такой сети может быть много точек доступа. Подобное клиентское «видение мира» достигается за счет того, что все точки передают в биконах идентичные значения своих BSSID и MAC. Такая модель стала возможна из-за «не-аналоговой» природы 802.11 стандартов. Вся информация передается с помощью фреймов. В силу этого при очень точном управлении передачей и приемом фреймов можно избегать проблем интерференции между точками доступа, работающими на одном частотном канале. Задача управления обычно лежит на центральном мозге WLAN – Контроллере сети Wi-Fi. В некоторых случаях эту задачу выполняют коммутаторы LAN с интегрированной функциональностью WLAN-контроллера.
Проблема недостатка частотных каналов в SCA привела к возникновению таких решений как Channel Blanket, где может параллельно использоваться более одного непересекающегося частотного канала на точках доступа (расширение модели SCA). Это формирует слои, где каждый представлен одним частотным каналом (blanket/одеяло) на всех точках доступа. Но каждый из таких параллельных слоев будет иметь те же проблемы с емкостью, и плюс к этому резко начнут нарастать проблемы межканальной интерференции из-за минимального разнесения излучателей и приемников, что автоматически ведет к росту потерь фреймов и дополнительному падению производительности. И даже изощренные техники временной координации посылки фреймов с учетом всех доступных слоев быстро будут подходить к пределу своей эффективности с ростом количества пользователей. Конечно чем больше слоев, тем больше общая емкость сети, но, очевидно, что прирост будет далек от линейного при добавлении каждого нового слоя. Тем более, что есть реальные ограничения, выраженные в том, что в 2.4GHz есть только 3 непересекающихся канала, что не позволяет использовать эффективно более 3х слоев в этой полосе. Переход в 5GHz вряд ли станет выходом в обозримой перспективе учитывая, что большинство мобильных устройств даже с 11n пока не поддерживают 5GHz. В то же время в сети MCA мы простым добавлением дополнительного количества ячеек и уменьшением радиуса существующих ячеек можем быстро нарастить емкость как на всей сети, так и в любой её части без существенного влияния на всю инфраструктуру.
Интерференция влияет на сеть SCA значительно сильнее, чем на сеть MCA из-за использования одного частотного канала во всей зоне покрытия. Наиболее подходящей для Wi-Fi является спектральная полоса 2.4GHz, но она же и самая «грязная» в части присутствия источников интерференции. В MCA может быть динамически и быстро перестроен частотный план во всей сети или в какой-либо ее локальной части, но в SCA любая существенная интерференция будет сразу влиять на всю зону покрытия.
Таким образом можно ожидать, что в задачах с основным фокусом на обеспечении реальной мобильности с поддержкой медийной сессии, прежде всего таких приложений как VoIP в сетях Wi-Fi или потокового видео в движении (но в данном случае с небольшими требованиями к емкости под видео), сети на базе SCA могут стать хорошим выбором. Хотя если задуматься — насколько часто мы строим сети специально для голоса? В то же время, если требуется обеспечение высокой емкости сети с большой плотностью пользователей, с серьезными требованиями по полосе, то стоит прежде всего задуматься о решении на базе MCA. Возможно следует остановиться на MCA и в случае, когда предполагается использовать сеть Wi-Fi для различных задач одновременно.