Построение беспроводных локальных сетей на основе ячеистой топологии

Особенности ячеистой топологии

Беспроводная ячеистая сеть (Wireless Mesh Network — WMN) образуется на основе множества соединений «точка–точка» узлов, находящихся в области радиопокрытия друг друга (mesh peertopeer, multi-hop). Ключевое свойство самоорганизации ячеистых сетей заключается в том, что, во-первых, соединения между узлами устанавливаются автоматически; во-вторых, любой узел может выполнять функции транзитной передачи пакетов (маршрутизации) для других участников сети.

Сеть на основе ячеистой топологии характеризуется высокой надежностью, большой пропускной способностью и сниженным энергопотреблением. Высокая надежность обеспечивается избыточностью узлов (при отказе одного узла данные будут передаваться в обход, по другому пути). Использование нескольких альтернативных маршрутов повышает пропускную способность сети. Снижение энергопотребления достигается снижением мощности сигналов посредством передачи данных через большее количество узлов, разделенных меньшими расстояниями.

Рис. 1. Ячеистая (mesh) топология

Одноранговые mesh-сети способны стихийно возникать в тех местах, где необходимо взаимодействие между пользователями, и исчезать, когда эта потребность отпадает. Такие сети могут быть построены на основе только клиентского беспроводного оборудования. Однако большинство существующих mesh-технологий в беспроводных сетях используются на уровне устройств доступа к сети (инфраструктурные сети).

Область применения ячеистой топологии

Общепринята классификация беспроводных сетей по функционально-территориальному признаку (по аналогии с проводными сетями) на персональные (Wireless Personal Area Network — WPAN), локальные (Wireless Local Area Network — WLAN), городские (Wireless Metropolitan Area Network — WMAN) и глобальные (Wireless Wide Area Network — WWAN). При этом сопоставление беспроводных технологий соответствующим классам сетей достаточно условно, так как современные разработки в сфере беспроводных коммуникаций имеют широкие возможности использования. Область применения каждой конкретной технологии определяется множеством связанных друг с другом параметров, таких как пропускная способность, энергопотребление, стоимость оборудования, дальность передачи, диапазон частот, возможные топологии, качество обслуживания, безопасность и т. д.

Ячеистая топология для экономичных низкоскоростных сетей успешно реализована в технологии ZigBee. Низкое энергопотребление позволяет использовать эту технологию в беспроводных сетях датчиков (Wireless Sensor Network) и различных бытовых устройств в рамках концепции цифрового дома (Digital Home), в компьютерных устройствах беспроводных персональных сетей WPAN, не предъявляющих высоких требований к скорости каналов связи (пульты управления, джойстики, мыши и т. д.). Низкая пропускная способность (до 250 кбит/c) ограничивает применение ZigBee для передачи больших объемов данных и мультимедиа-трафика.

С беспроводными локальными сетями WLAN традиционно связывают технологию Wi-Fi, построенную на основе семейства стандартов IEEE 802.11. В настоящее время для данной технологии стандартизирована пропускная способность 54 Мбит/c (IEEE 802.11a/g), которая приемлема для решения многих задач, не требующих сверхскоростных каналов связи. Использование 802.11 не ограничивается только локальными сетями. Технологии семейства IEEE 802.11 успешно применяются как в персональных сетях для соединения устройств в рамках личного пространства пользователя, так и для соединения разделенных многими километрами сетей. Ячеистая топология реализована в исследовательских проектах по организации сетей MANET (Mobile Ad Hoc Network), использующих режим Ad hoc IEEE 802.11b.

Вопросы использования ячеистой топологии в беспроводных глобальных (WWAN) и городских (WMAN) сетях также активно изучаются. Например, в рамках рабочей группы IEEE 802.16, которая занимается стандартизацией технологии WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), ведутся исследования mesh-технологий.

Ячеистая топология в беспроводных локальных сетях

Ячеистая топология в WLAN используется для объединения точек доступа в беспроводную систему распределения сообщений (Wireless Distribution System — WDS). WDS предназначена для замены проводных каналов взаимодействия устройств доступа к сети на беспроводные.

Очевидно, что для представленной организации сети необходимы изменения в протоколах физического, канального уровней и маршрутизации. Беспроводные ячеистые сети имеют определенные особенности, связанные с применением как беспроводной среды передачи, так и ячеистой топологии.

Использование беспроводной системы распределения увеличивает трафик, передаваемый по каналам, что повышает требования к физическому уровню. Одним из путей решения данной проблемы для существующих протоколов радиопередачи является разделение взаимодействия точек доступа между собой (5 ГГц IEEE 802.11a) и точек доступа с клиентами (2,4 МГц IEEE 802.11g/b), что и сделано в большинстве реализаций. Альтернативный подход заключается в использовании одного частотного диапазона для всех коммуникаций, что требует от разработчиков протоколов физического уровня усовершенствования и оптимизации технологий модуляции, кодирования и передачи (Multiple Input Multiple Output — MIMO, многоканальные и многоантенные системы и т. д.).

Классический протокол 802.11 MAC также имеет ограничения для применения в mesh-сети. Во-пер вых, данный протокол ориентирован на одно соединение, а ячеистая топология подразумевает множество одновременных соединений с соседними узлами. Во-вторых, 802.11 MAC описывает только передачу данных между двумя узлами (onehope), и транзитная доставка сторонним узлам (multi-hop) выходит за рамки его применения.

Рис. 2. Инфраструктурная mesh-сеть

Решение последней задачи (схожей с маршрутизацией в обычных сетях) возможно как на сетевом, так и на канальном уровнях. При этом протокол транзитной доставки должен эффективно использовать множество возможных маршрутов, иметь интеллектуальный механизм выбора оптимального пути, быть надежным и отказоустойчивым, в то же время быть масштабируемым и совместимым с различными технологиями радиопередачи.

Маршрутизация на сетевом уровне обладает высокой совместимостью и расширяемостью в силу независимости от нижележащих протоколов. На сетевом уровне работает протокол PWRP (Predictive Wireless Routing Protocol), разработанный компанией Tropos Networks. PWRP во многом аналогичен известному протоколу маршрутизации для проводных сетей OSPF (Open Shortest Path First). Другими протоколами маршрутизации для mesh-сетей являются TBRPF (Topology Broadcast Reverse Path Forwarding) компании Firetide Networks, LQSR (Link Quality Source Routing) от Microsoft, AODV (Ad hoc On-demand Distance Vector) и др.

Однако максимальная эффективность достижима при тесном взаимодействии с используемыми технологиями радиопередачи, что возможно на канальном уровне. Примером может служить AWPP (Adaptive Wireless Path Protocol) компании Cisco Systems.

В настоящее время решения разных производителей несовместимы друг с другом. Однако работы по стандартизации ведутся в рамках рабочей группы IEEE 802.11s (ESS Mesh Networking Task Group). Областью исследования этой группы является разработка расширенного набора служб (Extended Service Set — ESS) для mesh-топологии в беспроводной системе распределения сообщений на базе протоколов IEEE 802.11 для физического и канального уровней.

Очевидно, что функциональность, связанная с реализацией ячеистой топологии, породит новые уязвимости и возможности для атак. Поэтому защищенность протоколов транзитной доставки пакетов является актуальной темой для исследований.

В то же время для централизованно управляемых, корпоративных mesh-сетей применимы концепции надежно защищенной сети (Robust Security Network — RSN), описываемые в стандарте IEEE 802.11i. Концепция RSN основана на существовании только надежно защищенных сетевых соединений (RSN Association — RSNA) между всеми участ никами сетевых взаимодействий в беспроводной среде на уровне доступа к сети.

RSNA использует защищенную аутентификацию, принцип контроля доступа по порту и управление криптографическими ключами (протокол аутентификации IEEE 802.1X). Конфиденциальность и целостность передаваемой информации обеспечивают протоколы TKIP (Temporal Key Integrity Protocol) или CCMP (Counter Mode with CBC-MAC).

Вместо заключения

Дальнейшее развитие беспроводных ячеистых технологий независимо от типа и архитектуры сети определяется следующими факторами:

• совершенствованием технологий радиопередачи;
• адаптацией существующих и разработкой новых беспроводных протоколов MAC-уровня для многоточечных мобильных соединений;
• повышением надежности и преодолением ограничений к расширяемости и мобильности протоколов маршрутизации для mesh-сетей;
• обеспечением качества обслуживания (Quality of Service — QoS), чувствительного к задержкам трафика;
• обеспечением безопасности mesh-технологий.

Именно эти вопросы должны решить разработчики стандарта IEEE 802.11s, издание которого может стать отправной точкой повсеместного внедрения mesh-технологий в компьютерных сетях.