Исследование пропускной способности беспроводной сети

Оглавление

• Введение
• Глава 1 Теоретическая часть
• Характеристики радио- и световых сигналов
• Искажения радиочастотного и светового сигнала (помехи)
• Полоса пропускания и пропускная способность
• Базовые положения стандарта IEEE 802.11n для сетей Wi-Fi
• Глава 2. Практическая часть
• Постановка задачи
• Материалы и методы
• Глава 3. Полученные результаты
• Заключение
• Список используемой литературы

Введение

В настоящее время все более массово применяется технология беспроводных сетей. Одно из главных преимуществ, конечно же, это отсутствие проводов. Беспроводную сеть можно развернуть где угодно, для этого потребуется лишь точка доступа и приёмники сигнала. За счет своей мобильности и простоты в установке, которая не требует монтажных работ, большинство современных компаний используют именно беспроводную сеть. Пользователи домашнего интернета также могут создать свою персональную сеть, это позволяет дать доступ к интернету некоторому числу людей, которые будут находиться в радиусе действия сети. Стоит отметить также безопасность, на расшифровку сигнала может уйти до двух недель.

Использование технологии беспроводных сетей сейчас становится все более актуально, главной проблемой беспроводной сети является – отсутствие связи в отдельных участках помещения и падение производительности сети. Поэтому, целью дипломной работы является исследование изменения скорости доступа к данным, расположенным в локальной сети, при беспроводном подключении в зависимости от условий приема. Для достижения поставленной цели, необходимо решить следующие задачи:

1) Изучить литературные данные о возможном влиянии окружающей среды на Wi-Fi соединение.

2) Собрать установку для проведения экспериментов.

3) Выполнить статистически значимое количество экспериментов.

4) Произвести статистическую обработку полученных данных.

5) Представить полученные результаты в графическом виде.

6) Описать полученные результаты.

Исследования проводились на кафедре компьютерных систем.

Глава 1 Теоретическая часть

Характеристики радио- и световых сигналов

В беспроводных сетях используются радиочастотные и световые сигналы, передающие информацию через воздушную среду. Беспроводной приемопередатчик состоит из приемника и передатчика. В передатчике в ходе процесса, получившего название модуляция электрические цифровые сигналы, поступившие из компьютера, преобразуются в радио или световые волны, которые по своей сути являются аналоговыми сигналами. Затем эти сигналы усиливаются и подаются на антенну. В пункте назначения приемник выделяет из шумов относительно слабые сигналы и демодулирует их, преобразуя затем в данные, приемлемые для компьютера пункта назначения.

Радиосигналы

Радиосигналы– это электромагнитные волны, которые система связи использует для передачи информации через воздушную среду от одной точки к другой. Такие сигналы используются уже много лет. Именно благодаря им мы можем слушать радиопередачи и смотреть телевизионные трансляции. В действительности радиосигналы являются более распространенным средством передачи данных, чем беспроводные сети.

Радиосигнал передается от антенны передающей станции к антенне приемной. Сигнал, подаваемый на антенну, характеризуется амплитудой, частотой и фазой. За счет изменения этих параметров можно посредством радиосигналов передавать информацию.

Амплитуда определяет интенсивность радиочастотного сигнала. Мерой амплитуды является мощность. Мощность — это количество энергии, необходимой для преодоления сигналом определенного расстояния. Если мощность возрастает, то увеличивается и дальность связи.

Поскольку радиосигнал распространяется через воздушную среду, его амплитуда уменьшается. В случае отсутствия препятствий радиосигналы испытывают то, что инженеры называют потери в свободном пространстве, они являются одной из причин затухания сигнала. Кроме того, амплитуда сигнала уменьшается экспоненциально по мере увеличения расстояния между передатчиком и приемником. Экспоненциальное затухание модулированного сигнала вызывает атмосфера, если он распространяется достаточно далеко от антенны. Следовательно, сигнал должен обладать достаточной мощностью для того, чтобы преодолеть нужное расстояние и иметь после этого уровень, достаточный для выделения его из шумов приемным устройством.

Частота свидетельствует о том, сколько раз в секунду сигнал повторяет сам себя. Единица измерения частоты — герц (Гц), значение частоты соответствует числу циклов, происходящих в течение секунды. Например, беспроводная локальная сеть работает на частотах порядка 2,4 Гбит/с; это означает, что количество циклов колебаний составляет примерно 2 400 000 000 в секунду.

Фаза соответствует тому, насколько далеко сигнал отстоит от какой-то исходной точки. Традиционно принято считать, что каждый цикл сигнала соответствует повороту фазы на 360 градусов. Например, сдвиг фазы сигнала может составлять 90 градусов, это означает, что сдвиг фазы равен четверти (90/360 = 1/4) от полного цикла сигнала. Изменение фазы может быть использовано для передачи информации. Важным преимуществом представления данных в виде сдвигов фазы является снижение влияния затухания сигнала при его распространении через среду. Затухание обычно влияет на амплитуду, а не на фазу сигнала.

Световые сигналы.

Световые сигналы являются аналоговыми по своей сущности и имеют очень высокую частоту. В большинстве беспроводных сетей, применяющих для беспроводной передачи сигналов свет, используется ИК-излучение с длиной волны 900 нм. Это соответствует частоте 333 333 ГГц, что намного выше частоты радиосигналов и несколько ниже частотного диапазона, воспринимаемого человеческим глазом. Существуют два основных способа световой передачи — это направленное и рассеянное ИК-излучение. Рассеянное лазерное излучение отражается от стен и потолка, а направленное излучение фокусируется в определенном направлении. В большинстве “лазерных” локальных сетей применяется рассеянное лазерное излучение, а модемы и PDA в зданиях используют направленное ИК-излучение.

ИК-излучение имеет очень широкую полосу частот, однако при рассеянном излучении сигнал сильно затухает. Поэтому во избежание при передаче большого числа ошибок используется низкая скорость передачи данных (менее 1 Мбит/с). Кроме того, при этом методе область размещения беспроводных компонентов ограничена высотой потолков — примерно 13м (40 футами), что и определяет геометрию распространения. Преимущество таких сетей в легкости их развертывания и дешевизне компонентов. При использовании направленного излучения мощность светового сигнала возрастает аналогично тому, как это происходит при использовании направленной радиоантенны. Преимущества световых сигналов – очень высокая пропускная способность, порядка нескольких Гбит/с и высокая помехозащищенность от сигналов внешних радиосистем.

Недостатки: изменчивые характеристики, снижающие надежность, в случае смога, тумана, дождя, снега и других явлений, нарушающих прозрачность атмосферы. Функционирование только при условии прямой видимости и отсутствии преград, таких как здания, деревья и телефонные столбы. [1]

Искажения радиочастотного и светового сигнала (помехи)

Радиочастотные сигналы подвержены искажениям, которые обусловлены помехами и многолучевым распространением. Они влияют на связь между отправителем и получателем, часто снижая ее характеристики и вызывая недовольство пользователей.

Помехи возникают, когда приемной станции одновременно достигают два сигнала, предположительно одной и той же частоты, и фазы. Это похоже на то, как если бы человек пытался одновременно слушать двух говорящих. В подобной ситуации приемная плата интерфейса беспроводной сети делает ошибки при декодировании информации.

Существует регламент использования большинства частотных диапазонов и типов модуляции, чтобы системы не создавали взаимных помех. Однако избежать их все равно не удается, особенно если системы работают в диапазонах, не подлежащих лицензированию. Пользователи могут свободно устанавливать и использовать не подлежащее лицензированию оборудование, в том числе беспроводные локальные сети, не координируя с кем-либо его использование и не беспокоясь о создаваемых им помехах.

Существуют различные формы помех, которые делятся на внешние и внутренние. Внутренние помехи возникают тогда, когда внешние сигналы мешают распространению радиосигналов беспроводной сети. Эти помехи могут вызывать ошибки в информационных разрядах передаваемого сигнала. Приемник обнаруживает ошибки, в результате осуществляется повторная передача, а пользователь, возможно, замечает задержку связи. Сильные внутренние помехи могут возникать, если неподалеку работает другая радиосистема на той же частоте и с тем же типом модуляции. Примером могут служить две беспроводные локальные сети, работающие в одних и тех же не лицензируемых диапазонах и развернутые неподалеку одна от другой.

Другими источниками внутренних помех могут быть беспроводные телефоны, микроволновые печи и устройства стандарта Bluetooth. Если используются радиочастотные устройства таких типов, пропускная способность беспроводной сети может существенно снизиться — вследствие повторных передач и возрастания в сети конкуренции за право доступа к среде. Поэтому развертывание сети следует тщательно планировать и учитывать при этом другие радиоустройства, которые могут создавать помехи беспроводной сети.

Внешние помехи возникают тогда, когда сигналы радиочастотной системы создают помехи другим системам. Как и в случае внутренних помех, сильные внешние помехи могут возникнуть, если беспроводная сеть находится в непосредственной близости от другой системы. Поскольку мощность сигналов, передаваемых в беспроводной сети, относительно невелика, внешние помехи редко вызывают какие-то проблемы.

Многолучевое распространение происходит тогда, когда один и тот же радиосигнал приходит к узлу назначения (точке доступа) различными путями. Одна его часть достигает точки назначения, распространяясь по прямой, другая — отразившись от поверхности стола, а затем от потолка. Поэтому часть сигнала проходит больший путь до приемника, т.е. испытывает дополнительную задержку.

Многолучевое распространение приводит к тому, что информационные символы, представленные в виде радиосигнала, смазываются. Поскольку информация, подлежащая передаче, заключена именно в форме сигнала, приемник делает ошибки при выделении информации из сигналов. Если задержки достаточно велики, пакеты принимаются с ошибками, особенно при большой скорости передачи данных. А приемник не в состоянии различать символы и правильно интерпретировать их соответствующие биты. При многолучевом распространении приемная станция в процессе контроля ошибок обнаруживает значительное их количество.

В результате передающая станция вынуждена повторно передавать фреймы. При многолучевом распространении и, как следствие, повторных передачах пользователи ощущают снижение характеристик сети. Например, сигналы стандарта 802.11 в домах и офисах могут испытывать задержку порядка 50 не, в то время как завод изготовитель ориентируется на задержку в 300 не. Следовательно, многолучевое распространение не будет представлять серьезной проблемы при домашнем использовании беспроводных сетей и в офисах. Но на заводах станки и металлическое стеллажи имеют множество поверхностей, от которых радиочастотные сигналы отражаются и вследствие этого распространяются совершенно беспорядочно. Поэтому на складах, заводах и в других помещениях, где есть различные металлические препятствия, проблема многолучевого распространения может оказаться весьма серьезной. [2]

Для обеспечения отказоустойчивости системы применяют метод диверсификации (разнообразия). В данном случае диверсификация может быть осуществлена за счет использования двух антенн для каждой радио-платы интерфейса сети с тем, чтобы усилить разницу между сигналами, принимаемыми разными антеннами, и обрабатывать лучший из них. Антенны должны быть физически удалены от радиостанции, чтобы одна из них наверняка была меньше подвержена многолучевому распространению. Иными словами, смешанный сигнал, принимаемый одной антенной, должен быть ближе к оригиналу, чем сигнал, достигающий другой антенны. Приемник использует методы фильтрации сигнала и программное обеспечение принятия решений, чтобы выбрать для демодуляции лучший из двух сигналов. В действительности возможен и обратный вариант: когда не приемник, а передатчик выбирает лучшую антенну, излучающую в другом направлении.

Световые сигналы не подвержены воздействию помех со стороны источников радиочастотных сигналов, таких как беспроводные телефоны и микроволновые печи. Вероятность того, что применяющие их системы станут мешать одна другой, очень мала. Частоты электромагнитных волн ИК-диапазона намного превышают частоты радиоволн и никак на них не влияют. Однако, помехи от других источников света, могут иногда создавать проблемы. Так, при установке ИК-систем передачи, ориентированных в восточном или западном направлении, они могут быть подвержены влиянию помех со стороны восходящего или заходящего солнца, находящегося низко над горизонтом. В некоторых случаях эта помеха может оказаться столь серьезной, что передача данных через ИК-канал окажется вообще невозможной. При установке таких систем следует следовать рекомендациям производителя по ориентации антенн.

Препятствия, такие как здания, горы и деревья, могут обусловить существенное затухание света при распространении его через атмосферу. Многие из этих объектов состоят из материалов, интенсивно поглощающих или рассеивающих свет. Поэтому следует позаботиться о том, чтобы на участке между конечными точками ИК-системы связи не было каких-либо препятствий. Даже если препятствия на пути светового луча отсутствуют, затухание все же возможно из-за меняющихся погодных условий. Так уже через час после сильного тумана небо может полностью очиститься, что весьма затруднит расчет энергетического потенциала линии связи ИК-диапазона, особенно если она должна обеспечить передачу данных на предельно большие расстояния. Разработчик должен быть уверен, что затухание, вызванное погодными условиями, не приведет к нарушению связи.

Также необходимо помнить, что беспроводные устройства имеют ограниченный радиус действия. Например, домашний интернет-центр с точкой доступа Wi-Fi стандарта имеет радиус действия до 60 м в помещении и до 400 м вне помещения. [3]

В помещении дальность действия беспроводной точки доступа может быть ограничена несколькими десятками метров – в зависимости от конфигурации комнат, наличия капитальных стен и их количества, а также других препятствий, таких как: стены, потолки, мебель, металлические двери и т.д., расположенные между Wi-Fi-устройствами, могут частично или значительно отражать/поглощать радиосигналы, что приводит к частичной или полной потере сигнала.

В городах с многоэтажной застройкой основным препятствием для радиосигнала являются здания. Наличие капитальных стен (бетон, арматура), листового металла, штукатурки на стенах, стальных каркасов и т.п. влияет на качество радиосигнала и может значительно ухудшать работу Wi-Fi устройств. Внутри помещения причиной помех радиосигнала также могут являться зеркала и тонированные окна.

Ниже показана таблица примерной потери эффективности сигнала Wi-Fi, при прохождении через различные среды:

Таблица 1.1. Потеря эффективности Wi-Fi сигнала

Эффективное расстояние – означает, насколько уменьшится радиус действия после прохождения соответствующего препятствия по сравнению с открытым пространством. Например, если на открытом пространстве радиус действия Wi-Fi до 400 метров, то после прохождения одной межкомнатной стены он уменьшится до 400 м * 15% = 60 метров. После второй еще раз 60 м * 15% = 9 метров. А после третьей 9 м * 15% = 1,35 метров. Таким образом, через три межкомнатные стены, скорее всего, беспроводное соединение установить не получится. [4] [10]

Полоса пропускания и пропускная способность

Полоса пропускания — это непрерывный диапазон частот, для которого затухание не превышает некоторый заранее заданный предел. То есть полоса пропускания определяет диапазон частот синусоидального сигнала, при которых этот сигнал передается по линии связи без значительных искажений.

Часто граничными частотами считаются частоты, на которых мощность выходного сигнала уменьшается в два раза по отношению к входному, что соответствует затуханию в – 3 дБ. Ширина полосы пропускания в наибольшей степени влияет на максимально возможную скорость передачи информации по линии связи. Полоса пропускания зависит от типа линии и ее протяженности.

Пропускная способность — это метрическая характеристика, показывающая соотношение предельного количества проходящих единиц (информации, предметов, объёма) в единицу времени через канал, систему, узел. Особенностью пропускной способности является то, что, с одной стороны, эта характеристика зависит от параметров физической среды, а с другой — определяется способом передачи данных. Следовательно, нельзя говорить о пропускной способности линии связи до того, как для нее определен протокол физического уровня. Например, поскольку для цифровых линий всегда определен протокол физического уровня, задающий битовую скорость передачи данных, то для них всегда известна и пропускная способность — 64 Кбит/с, 2 Мбит/с и т. п. В тех же случаях, когда только предстоит выбрать, какой из множества существующих протоколов использовать на данной линии, очень важными являются остальные характеристики линии, такие как полоса пропускания, перекрестные наводки, помехоустойчивость и др. Пропускная способность, как и скорость передачи данных, измеряется в битах в секунду (бит/с), а также в производных единицах, таких как килобиты в секунду (Кбит/с) и т. д.

Пропускная способность линии связи зависит не только от ее характеристик, таких как затухание и полоса пропускания, но и от спектра передаваемых сигналов. Если значимые гармоники сигнала (то есть те гармоники, амплитуды которых вносят основной вклад в результирующий сигнал) попадают в полосу пропускания линии, то такой сигнал будет хорошо передаваться данной линией связи (рисунок 1 а), и приемник сможет правильно распознать информацию, отправленную по линии передатчиком.

Если же значимые гармоники выходят, за границы полосы пропускания линии связи, то сигнал начнет значительно искажаться, и приемник будет ошибаться при распознавании информации (рисунок 1 б).

Рисунок 1.1 – «Соответствие между полосой пропускания линии связи и спектром сигнала» [5]

Базовые положения стандарта IEEE 802.11n для сетей Wi-Fi

Стандарт 802.11n для сетей Wi-Fi был утвержден организацией IEEE (Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике) 11 сентября 2009 года.

В основе стандарта 802.11n:

§ Увеличение скорости передачи данных;

§ Увеличение зоны покрытия;

§ Увеличение надежности передачи сигнала;

§ Увеличение пропускной способности.

Стандарт 802.11n включает в себя множество усовершенствований по сравнению с устройствами стандарта 802.11g. Устройства 802.11n могут работать в одном из двух диапазонов 2.4 или 5.0 ГГц.

На физическом уровне реализована усовершенствованная обработка сигнала и модуляции, добавлена возможность одновременной передачи сигнала через четыре антенны.

На сетевом уровне (MAC) реализовано более эффективное использование доступной пропускной способности. Вместе эти усовершенствования позволяют увеличить теоретическую скорость передачи данных до 600 Мбит/с – увеличение более чем в десять раз, по сравнению с 54 Мбит/с стандарта 802.11a/g (в настоящее время эти устройства уже считаются устаревшими).

Как было описано выше, производительность беспроводной локальной сети зависит от многочисленных факторов, таких как среда передачи данных, частота радиоволн, размещение устройств и их конфигурация. При использовании устройств стандарта 802.11n, крайне важно понять, какие именно усовершенствования были реализованы в этом стандарте, на что они влияют, а также как они совмещаются и сосуществуют с сетями устаревшего стандарта 802.11a/b/g беспроводных сетей. Важно понять, какие именно дополнительные особенности стандарта 802.11n реализованы и поддерживаются в новых беспроводных устройствах.

Многоканальный вход/выход (MIMO).

Одним из основных моментов стандарта 802.11n является поддержка технологии MIMO (Multiple Input Multiple Output, Многоканальный вход/выход). С помощью технологии MIMO реализована способность одновременного приема/передачи нескольких потоков данных через несколько антенн, вместо одной.

Стандарт 802.11n определяет различные антенные конфигурации “МхN”, начиная с “1х1” до “4х4” (самые распространенные на сегодняшний день это конфигурации “3х3” или “2х3”). Первое число (М) определяет количество передающих антенн, а второе число (N) определяет количество приемных антенн. Например, точка доступа с двумя передающими и тремя приемными антеннами является “2х3” MIMO-устройством.

Чем больше устройство 802.11n использует антенн для одновременной работы передачи/приема, тем будет выше максимальная скорость передачи данных (Рисунок 2).

Рисунок 1.2 – «Принцип работы систем MIMO» [4]

Однако, само по себе использование нескольких антенн не увеличивает скорость передачи данных или расширение диапазона. Основным в устройствах стандарта 802.11n является то, что в них реализован усовершенствованный метод обработки сигнала, который и определяет алгоритм работы MIMO-устройства при использовании нескольких антенн.

Конфигурация “4х4” при использовании модуляции 64-QAM обеспечивает скорость до 600 Мбит/с, конфигурация “3х3” при использовании модуляции 64-QAM обеспечивает скорость до 450 Мбит/с, в то время как конфигурации “2х3” и “1х2” обеспечат скорость до 300 Мбит/с.

Другой дополнительной особенностью стандарта 802.11n является увеличение ширины канала с 20 до 40 МГц. В беспроводных сетях используются два частотных диапазона 2.4 ГГц и 5 ГГц. Беспроводные сети стандарта 802.11b/g работают на частоте 2.4 ГГц, сети стандарта 802.11a работают на частоте 5 ГГц, а сети стандарта 802.11n могут работать как на частоте 2.4 ГГц, так и на частоте 5 ГГц.

В полосе частот 2.4 ГГц для беспроводных сетей доступны 13 каналов с интервалами 5 МГц между ними. Для передачи сигнала беспроводные устройства стандарта 802.11b/g используют каналы шириной 20 МГц. Беспроводное устройство стандарта 802.11b/g использует один из 13 каналов из полосы 20 МГц в пределах частоты 2.4 ГГц, но фактически задействует 5 пересекающихся каналов. Например, если точка доступа использует канал 6, то она оказывает значительные помехи на каналы 5 и 7, а также оказывает помехи на каналы 4 и 8. Когда происходит передача данных устройством, беспроводной сигнал отклоняется от центральной частоты канала +/- 11 МГц. В некоторых случаях происходит отклонение энергии радиочастоты до 30 МГц от центрального канала. Для исключения взаимных помех между каналами необходимо, чтобы их полосы отстояли друг от друга на 25 МГц. Таким образом, остается всего 3 непересекающихся канала на полосе 20 МГц: 1, 6 и 11. [9].

Беспроводные точки доступа, работающие в полосе частот 2.4 ГГц, в пределах одной покрываемой зоны обслуживания должны избегать перекрытия каналов для обеспечения качества беспроводной сети.

Большинство беспроводных локальных сетей 802.11n используют каналы 40 МГц только в диапазоне частот 5 ГГц. В сетях, использующих полосу частот 5 ГГц (802.11n), проблемы пересекающихся каналов не существует.

Устройства стандарта 802.11n могут использовать ширину канала 20 или 40 МГц в любом частотном диапазоне (2.4 или 5 ГГц). При использовании ширины канала 40 МГц (устройства 802.11n) происходит двойное увеличение пропускной способности по сравнению с шириной канала 20 МГц (устройства 802.11b/g).

В полосе частот 5 ГГц доступно 19 непересекающихся каналов, которые более пригодны для применения в устройствах стандарта 802.11n, обеспечивающих максимально возможную скорость передачи данных. Сигналы распределяются без взаимного перекрытия каналов с шириной полосы 40 МГц. Однако, при использовании полосы 40 МГц устройствами 802.11n, их работе могут мешать существующие 802.11b/g точки доступа, что приведет к снижению производительности всего сегмента сети.

Режимы работы 802.11n.

Существуют три режима работы 802.11n: HT, Non-HT и HT Mixed.

Рассмотрим более подробно каждый из режимов.

Режим с высокой пропускной способностью HT (High Throughput)

Точки доступа 802.11n используют режим High Throughput (HT), известный также как “чистый” режим (Greenfield-режим), который предполагает отсутствие поблизости (в зоне покрытия) работающих устройств 802.11b/g, использующих ту же полосу частот. Если же такие устройства существуют в зоне покрытия, то они не смогут общаться с точкой доступа 802.11n. Таким образом, в этом режиме разрешены к использованию только клиенты 802.11n, что позволит воспользоваться преимуществами повышенной скорости и увеличенной дальностью передачи данных, обеспечиваемыми стандартом 802.11n.

Режим с невысокой пропускной способностью Non-HT.

Точка доступа 802.11n с использованием режима Non-HT (известный также как наследуемый режим), отправляет все кадры в формате 802.11b/g, чтобы устаревшие станции смогли понять их. В этом режиме точка доступа должна использовать ширину каналов 20 МГц и при этом не будет использовать преимущества стандарта 802.11n. Для обеспечения обратной совместимости все устройства должны поддерживать этот режим. Нужно учитывать, что точка доступа 802.11n с использованием режима Non-HT не будет обеспечивать высокую производительность. При использовании этого режима передача данных осуществляется со скоростью, поддерживаемой самым медленным устройством.

Смешанный режим с высокой пропускной способностью HT Mixed.

Смешанный режим HT Mixed будет наиболее распространенным режимом для точек доступа 802.11n в ближайшие несколько лет. В этом режиме, усовершенствования стандарта 802.11n могут быть использованы одновременно с существующими станциями 802.11b/g. Режим HT Mixed обеспечит обратную совместимость устройств, но устройства 802.11n получат уменьшение пропускной способности. В этом режиме точка доступа 802.11n распознает наличие старых клиентов и будет использовать более низкую скорость передачи данных, пока старое устройство осуществляет прием-передачу данных.

Таким образом, при практическом применении улучшений стандарта 802.11n, преимущества могут быть достигнуты в полной мере только при условии, что клиенты 802.11b/g отсутствуют и беспроводная сеть работает в “чистом” режиме HT.

Для достижения максимальной скорости соединения 300 Мбит/с необходимо, чтобы и точка доступа и беспроводной адаптер поддерживали два пространственных потока (Spatial Streams) и удвоенную ширину канала 40 МГц. Исходя из полученной скорости соединения, можно точно определить сколько потоков, и какая ширина канала были задействованы. Так скорости соединения 65 или 130 Мбит/с говорят от том, что одно из устройств точка доступа или адаптер используют одинарную ширину канала 20 МГц.

Безопасность.

Стандарт 802.11n использует те же меры безопасности 802.11i (WPA2), используемые ранее на устройствах стандарта 802.11a/g. VPN может быть использован для защиты кадров 802.11n, несмотря на то, что VPN-шлюзам необходима поддержка более высокой пропускной способности для обеспечения защиты.

Новая система предотвращения вторжений (IPS, Intrusion Prevention System) в беспроводной сети работает также как и ранее и способна обнаруживать и реагировать на небезопасные (Rogue AP) точки доступа 802.11n. Обращаем ваше внимание, что возможно обнаружение устройств 802.11n, только работающих в режимах Non-HT или Mixed HT, но не в “чистом” режиме HT (Greenfield). [6]

Глава 2 Практическая часть

Постановка задачи

В настоящее время большинство программных средств используют большие объемы баз данных. Кроме того, обмен данными происходит удаленно (по сети). Всё больше современных крупных компаний строят структуру сети на основе радиосигналов. Методы оценки пропускной способности канала связи техническими средствами, могут не соответствовать реальной скорости обмена данными между приложениями. При анализе максимальных возможностей и эффективности использования беспроводных сетей, стоит принимать это во внимание.

В качестве измерительного инструмента в этой работе будет использована программа, которая генерирует и использует тестовую базу данных. Работа с данными состоит из 4 операций: добавление, изменение, чтение, удаление. Измерить время выполнения единичной операции мы не можем, так как она выполняется очень быстро, поэтому данные будут посылаться пакетами. Для каждого вида операций размер пакета разный. Использование нормированных данных, дает сравнение одного эксперимента с другим, а также сравнение данных эксперимента внутри себя.

На основе анализа времени выполнения операций, при разных условиях проведения эксперимента, можно будет дать оценку изменению производительности беспроводной сети.

В данной работе, будет сравниваться время выполнения операций вблизи точки доступа и на расстоянии 10 метров.

Материалы и методы

Установка для проведения экспериментов состоит из двух компьютеров, кабельного Ethernet соединения и беспроводной точки доступа стандарта 802.11n.Данная установка позволяет исследовать скорость беспроводной сети напрямую через точку доступа. Схема установки представлена на рисунке 1.

Рисунок 2.1 – «Схема установки для проведения экспериментов»

К1, К2 – компьютер 1, компьютер 2 соответственно

R – точка доступа (роутер)

Z – сетевой диск

SF – общая папка(ресурс) которая находится на сетевом диске и содержит программу для тестирования

Компьютер 2 (К2) будет иметь доступ по беспроводной сети к сетевому диску созданному на компьютере 1 (К1), который подключен к кабельному интернету. На сетевом диске будет находиться программа для тестирования.

Тестирование проходит в двух разных точках помещения, в одной роутер (R) и компьютер на котором будет проходить тестирование (K2), будут находиться рядом, в другой – на расстоянии 10 метров. Схема расположения оборудования указана на рисунке 2.

Рисунок 2.2 – «Схема местоположения оборудования»

Описание оборудования

Компьютер 1:

Процессор: Intel Core i5 – 2400 CPU @ 3.10 GHz 3.10 GHz;

ОЗУ: 4.00 ГБ;

Видеоадаптер: GeForce GTX 550 Ti;

ОС: Windows 8 х64;

Компьютер 2:

Процессор: AMD Athlon 64 X2 QL-60 1900 Mhz GHz;

ОЗУ: 2.00 ГБ;

Видеоадаптер: ATI Mobility™ Radeon® HD 3200 128 Mb;

ОС: Windows 7 х64;

Роутер TP-LINK TL-WR741ND:

Стандарт беспроводной связи: 802.11n, частота 2.4 ГГц;

Антенна: 5дБ и съемная всенаправленная антенна;

Диапазон частот: 2,4-2,4835 ГГц;

Чувствительность приемника (802.11n): -68 dBm;

Максимальная скорость беспроводного соединения: 150 Мбит/с;

Мощность передатчика : 20 dBM;

Защита информации: WEP, WPA, WPA2;

Использование технологии CCA (выбор только свободного канала);

Сертификация: CE, FCC, RoHS; [8]

Измерительным инструментом служит программа DB Test:

Измерительным инструментом служит программа DBTest. Программа состоит из следующих модулей:

Управляющее меню генератора БД.

Служит для выбора необходимой процедуры. Пункты меню: Генерация. Просмотр сгенерированной последовательности. Выход из программы.

Управление.

Служит для задания параметров генерации тестовой последовательности. Указываются следующие параметры: а) Максимальное количество записей, б) Добавление записей за цикл, в) Изменение записей за цикл, г) Удаление записей за цикл, д) Чтение записей за цикл.

Добавление.

Выполняет следующие операции: вызывает модули генерации первичного ключа и генератора случайных данных, добавляет новую запись. Выполняется в соответствии с параметром заданном в управляющем модуле “Добавление за цикл” (Рисунок 3).

Рисунок 2.3 – «Добавление за цикл»

Изменение.

Выполняет следующие операции: вызывает модуль позиционирования по первичному ключу, изменяет текущее значение полей записи. Вызывая модуль Генерации случайных данных, сохраняет выполненное изменение с тем же значением первичного ключа. Выполняется в соответствии с параметром заданном в управляющем модуле “Изменить за цикл” (Рисунок 4).

Рисунок 2.4 – «Изменение за цикл»

Чтение.

Выполняет следующие функции: устанавливает режим последовательного чтения по одному из изменяющихся ключей таблицы и выполняет последовательное чтение. Выполняется в соответствии с параметром заданном в управляющем модуле “Прочесть за цикл” (Рисунок 5).

Рисунок 2.5 – «Чтение за цикл»

Удаление.

Выполняет следующие операции: вызывает модуль Позиционирование по первичному ключу, удаляет выбранную запись. Выполняется в соответствии с параметром заданном в управляющем модуле “Удалить за цикл” (Рисунок 6).

Рисунок 2.6 – «Удаление за цикл»

Генератор первичного ключа.

Генерирует уникальное значение для первичного ключа.

Генератор случайных данных.

Генерирует случайные последовательности соответствующего типа для всех полей таблицы кроме полей включенных в первичный ключ.

Позиционирование по первичному ключу.

Выполняет позиционирование на запись и её чтение в соответствии со случайным образом выбранным из массива доступных значений значением первичного ключа.

Измерение времени.

Выполняет трассировку работы модулей: Генератор случайных чисел, Добавление, Чтение, Удаление, Изменение.

Построение отчета.

Визуализирует собранные трассировкой отчеты времени. Время выполнения операций в отчете отображается в виде условных единиц и выводится как в абсолютных цифрах, так и в нормированных на 10000 операций.

Параметры:

Число экспериментов – 30 вблизи точки доступа, 30 – на некотором постоянном расстоянии (в этой работе 10 метров). В итоге, должны получить 60 результатов, в которых отображена зависимость количества записей от времени. Параметры одного эксперимента:

Максимальное число генерации записей: 500000;

Добавление записей (за цикл): 10000;

Изменение записей (за цикл): 5000;

Удаление записей (за цикл): 1000;

Чтение записей (за цикл): 5000;

В сумме будет произведено 56 итераций. Всего дисковых операций 1512000.

Примечания:

Для проведения тестирования, в ОС будут запущены только основные службы и компоненты Windows.

Уровень сигнала беспроводной сети на расстоянии 10 метров от точки доступа падает на 14-20% по данным утилиты TP-Link.

При тестировании на расстоянии 10 метров, второй компьютер находится за пластиковыми окнами/дверью, что в теории дополнительно снижает пропускную способность.

Для обработки результатов будут использованы средства Microsoft Office/Exсel.

Для завершения исследования и построения правильного вывода необходимо:

§ Составить таблицы результатов.

§ Для каждой точки вычислить среднее арифметическое значения и определить вариативность – вычислить дисперсию и среднеквадратичное отклонение.

§ Построить графики средних величин с отображением дисперсии.

§ Выбрать критерий и определить достоверность различия результатов экспериментов.

В итоге будут получены таблицы для каждого вида операций: добавление, изменение, чтение, удаление

Глава 3 Полученные результаты

На графиках были представлены кривые зависимости времени выполнения от числа записей в базу данных. Из графика видно, что самая быстрая операция – чтение. Скорость чтения практически не меняется в данном масштабе при росте записей. Следующая операция по времени – добавление, далее идет удаление и самая крупная по времени – изменение.

Длительность операций в графическом виде отображена на рисунках 1 и 2.

Рисунок 3.1 – «Среднее время выполнения операций вблизи точки доступа»

Рисунок 3.2 – «Среднее время выполнения операций на расстоянии от точки доступа»

При попарном сравнении, времени операций около маршрутизатора и вдали от него, самая быстрая по времени выполнения – операция чтения, далее идет добавление, удаление и самая длительная – изменение записей. Как видно из графиков, вблизи точки доступа и на расстоянии, существенной разницы в средних значениях времени нет, однако, как было рассмотрено далее для операции чтения характерны явные неравномерности.

Чтение.

Операция чтения имеет плавный линейный рост на графике до 200000 записей, потом наблюдаются резкие всплески и увеличение времени выполнения операции как вблизи, так и вдали точки доступа. Это можно объяснить тем, что забивается буфер хранения в операционной системе (имеет ограничение). Операция чтения в данном исследование имеет наиболее высокое среднеквадратичное отклонение. По характеру всплесков на кривой «на расстоянии от точки доступа», можно сделать вывод, что не только размер буфера в операционной системе влияет на скорость выполнения операции, а также влияние оказывает окружающая среда и условия эксперимента (в нашем случае расстояние и пластиковое окно). Также видно, что на кривой «на расстоянии от точки доступа» всплески начинаются раньше (до 200000 записей). Графики операции чтения представлены на рисунках 3 и 4.

Добавление.

Операция добавления записей не требует поиска по файлам и как правило, записывается всегда в конец базы данных. Исходя из этого, можно наблюдать в целом линейно-растущую зависимость. На промежутке от 200000 до 400000 записей видно расхождение кривых», график операции находится на рисунке 5.

Удаление.

Операция удаления записей, удаляет файлы базы данных сразу, также удалялось меньше записей, чем читалось. Общее количество файлов не превышало буфер хранения файлов. Также в некоторых точках можно отметить высокое среднеквадратичное отклонение, причем в эксперименте вдали от точки доступа, оно выше чем в эксперименте вблизи. Характер кривой имеет в целом линейный вид, но видны участки где кривая «на расстоянии от точки доступа» явно выше кривой «вблизи». График операции представлен на рисунке 6.

Изменение.

Операция изменения записей по структуре состоит из двух операций – добавления и изменения соответственно. Как было сказано ранее, операция изменения имеет наибольшее время выполнения. Среднеквадратичное отклонение также высокое и вдали от точки доступа выше, чем вблизи. Зависимость также практически линейная, за исключением некоторых участков. Видно, что неравномерности на кривой «на расстоянии от точки доступа» неравномерности начинаются раньше. График представлен на рисунке 7.

Рисунок 3.3 – «Операция чтения записей»

Рисунок 3.4 – «Операция чтения записей с СКО»

Рисунок 3.5 – «Операция добавления записей»

Рисунок 3.6 – «Операция изменения записей»

Исходя из полученных данных можно сделать выводы:

1) Средняя скорость выполнения операций по беспроводной сети в радиусе до 10 метров практически не изменяется.

2) При удалении от точки доступа, растет среднеквадратичное отклонение.

3) При чтении больших объемов данных (начиная с 200000 записей, в нашем случае), беспроводная сеть работает нестабильно, увеличивается время выполнения операции, и как видно из полученных таблиц (см. приложение), оно увеличивается нелинейно (резкие перепады, которые могут быть в десятки раз выше среднего времени).

4) Помехи, окружающая среда и объекты оказывают дополнительную нагрузку на маршрутизатор.

Таким образом, подключение систем, работающих с большим объемом баз данных через точку доступа по технологии совместного доступа к файлам, не рекомендуется.

Заключение

В ходе работы были решены все поставленные задачи. Рассмотрены основные особенности принципов работы беспроводной сети. Были изучены внешние и внутренние факторы, влияющие на стабильность работы беспроводной сети. Был составлен план эксперимента и собрана лабораторная установка. Были получены результаты эксперимента. Полученные результаты были обработаны и проанализированы графически и аналитически. В результате решения всех поставленных задач, была достигнута главная цель – была исследована скорость доступа к данным при подключении по беспроводной сети.

Список используемой литературы

Учебники и учебные пособия

1) Гейер Джим. Беспроводные сети. Первый шаг: Пер. с англ. — М.: Издательский дом “Вильяме”, 2005. — 192 с.

2) Пролетарский А. В., Баскаков И. В., Чирков Д. Н. Беспроводные сети Wi-Fi. 2007. — 216 с.

3) Джон Росс. Wi-Fi. Беспроводная сеть. Издательство «НТ Пресс», 2007. 320 с.