Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Казанский национальный исследовательский технический университет
им. А. Н. Туполева (КАИ)

КАФЕДРА КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ

Пояснительная записка

к выпускной квалификационной работе

по направлению 230100.62 - «Информатика и вычислительная техника»

Профиль: «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети»

на тему: «Оценка влияния систем поллинга на качество обслуживания в беспроводных сетях»

Кирпичников Алексей Константинович

Казань - 2013



Оглавление

АННОТАЦИЯ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

1. Методы маршрутизации и коммутации в беспроводных сетях

1.1 Методы маршрутизации в беспроводных сетях

1.1.1 Аппаратная маршрутизация

1.1.2 Программная маршрутизация

1.2 Схемы маршрутизации

1.2.1 Anycast

1.2.2 Broadcast

1.2.3 Multicast

1.2.4 Unicast

1.3 Методы коммутации в беспроводных сетях

1.3.1 Коммутация каналов

1.3.2 Коммутация пакетов

1.3.3 Коммутация сообщений

1.4 Описание модели систем поллинга

2. Основные стандарты передачи информации по беспроводной сети

2.1 Классификация беспроводных технологий

2.2 Беспроводные технологии

2.2.1 Bluetooth

2.2.2 Ultra-wide band

2.2.3 Worldwide Interoperability for Microwave Access

2.2.4 Wireless Fidelity

2.2.5 Сравнительный анализ беспроводных технологий 31

2.3 Факторы, влияющие на скорость передачи информации по беспроводной сети

3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РЕАЛИЗАЦИЯ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ ПОЛЛИНГА

3.1 Функция распределенной координации в стандарте IEEE 802.11

3.2 Функция централизованной координации в стандарте IEEE 802.1

3.4 Среда разработки и язык программирования

3.5 Руководство пользователя

3.6 Практические результаты

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А



АННОТАЦИЯ

В данной работе рассмотрено влияние систем поллинга на качество обслуживания в беспроводных сетях. Были рассмотрены виды беспроводных технологий передачи данных, а также работа механизмов распределенной и централизованной координации в беспроводной сети.

В ходе работы было разработано приложение с графическим интерфейсом на языке высокого уровня С#, которое моделирует передачу данных по беспроводным сетям с использованием механизмов распределенной и централизованной координации.

Курсовая работа выполнена на листах формата А4, содержит 3 главных раздела, 3 таблицы и 18 рисунков, список литературы состоит из 7 наименований.

Приложение содержит листинг кода разработанной программы.



СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

NS - Name Server (сервер имен);

IRC - Internet Relay Chat (протокол для обмена сообщениями);

IP - Internet Protocol (интернет протокол);

MAC - Media Access Control (управление доступом к среде);

WWW - World Wide Web (всемирная паутина);

БС - Базовая Станция;

CW - Contention Window (окно для подключения);

DCF - Distributed Coordination Function (функция распределенной координации);

PCF - Point Coordination Function (функция централизованной координации);

DIFS - DCF Interframe Space (время конкурентного доступа DCF);

SIFS - Short Interframe Space(время межу передачами);

PIFS - PCF Interframe Space (время конкурентного доступа PCF).

ВВЕДЕНИЕ

Бурное развитие сетевых технологий привело к тому, что сейчас сложно себе представить изолированный компьютер, который тем или иным способом не использовал бы беспроводные технологии.

Беспроводные технологии - одна из наиболее быстро и эффективно развивающихся областей отраслей IT-сферы.

Для беспроводного доступа в Интернет широко используются сети Wi-Fi. Физический уровень Wi-Fi интегрирован в чип сетевой карты, а уровень MAC, как правило, реализован программно в драйвере устройства. Это позволяет без модификации аппаратных средств реализовать в сетях Wi-Fi самые последние разработки в области управления доступом к среде передачи.

Типовая реализация сетей Wi-Fi предусматривает конкурентный доступ к среде передачи DCF (Distributed Coordination Function), что не позволяет обеспечить высокую занятость радиоканала при большом числе абонентов из-за коллизий. Но Wi-Fi содержит и другой метод доступа к среде передачи, называемый PCF (Point Coordination Function) или поллинг, являющийся опциональным. Поллинг предусматривает централизованное распределение ресурса канала связи базовой станцией между всеми абонентами, как в прямом, так и в обратном каналах. Это позволяет избавиться от коллизий и управлять распределением ресурса с большой точностью, свойственной только самым современным технологиям, таким как WiMAX и LTE.



1. Методы маршрутизации и коммутации в беспроводных сетях

1.1 Методы маршрутизации в беспроводных сетях

Маршрутизация -- процесс определения маршрута следования информации в сетях связи.

Маршруты могут задаваться административно (статические маршруты), либо вычисляться с помощью алгоритмов маршрутизации, базируясь на информации о топологии и состоянии сети, полученной с помощью протоколов маршрутизации (динамические маршруты).

Маршрутизация - процесс определения в коммуникационной сети (наилучшего) пути, по которому пакет может достигнуть адресата. Маршрутизация сводится к выбору интерфейса и следующего транзитного узла при продвижении пакета между сетями. Маршрутизация может осуществляться статическим либо динамическим способом. Маршрутизацию выполняют специальные маршрутизаторы сети.

Маршрутизация подразумевает два параллельных процесса: подготовку маршрутной таблицы и переадресацию дейтограмм с помощью этой таблицы. Формирование маршрутной таблицы производится посредством протоколов маршрутизации или под воздействием инструкций сетевого администратора.
Статическими маршрутами могут быть:

- маршруты, не изменяющиеся во времени;

- маршруты, изменяющиеся по расписанию;

- маршруты, изменяющиеся по ситуации -- административно в момент возникновения стандартной ситуации.

Маршрутизация в компьютерных сетях типично выполняется специальными программно-аппаратными средствами -- маршрутизаторами; в простых конфигурациях может выполняться и компьютерами общего назначения, соответственно настроенными.

IP делит все ЭВМ на маршрутизаторы и обычные ЭВМ (host), последние, как правило, не рассылают свои маршрутные таблицы. Предполагается, что маршрутизатор владеет исчерпывающей информацией о правильных маршрутах (хотя это и не совсем так). Обычная ЭВМ имеет минимальную маршрутную информацию (например, адрес маршрутизатора локальной сети и сервера имен). Автономная система может содержать множество маршрутизаторов, но взаимодействие с другими автономными системами она осуществляет только через один маршрутизатор, называемый пограничным (border gateway, именно он дал название протоколу BGP). Пограничный маршрутизатор нужен лишь тогда, когда автономная система имеет более одного внешнего канала, в противном случае его функции выполняет порт внешнего подключения (gateway; поддержка внешнего протокола маршрутизации в этом случае не требуется). Здесь и далее используется достаточно простые на первый взгляд понятия внешних и внутренних каналов, внешних и внутренних протоколов или маршрутизаторов. Но такое разделение часто весьма условно.

Первые маршрутизаторы представляли из себя специализированное ПО, обрабатывающее приходящие IP-пакеты специфичным образом. Это ПО работало на компьютерах, у которых было несколько сетевых интерфейсов, входящих в состав различных сетей (между которыми осуществляется маршрутизация). В дальнейшем появились маршрутизаторы в форме специализированных устройств. Компьютеры с маршрутизирующим ПО называют программные маршрутизаторы, оборудование - аппаратные маршрутизаторы.

В современных аппаратных маршрутизаторах для построения таблиц маршрутизации используется специализированное ПО ("прошивка"), для обработки же IP-пакетов используется коммутационная матрица (или другая технология аппаратной коммутации), расширенная фильтрами адресов в заголовке IP-пакета.

1.1.1 Аппаратная маршрутизация

Выделяют два типа аппаратной маршрутизации:

- со статическими шаблонами потоков

- с динамически адаптируемыми таблицами.

Статические шаблоны потоков подразумевают разделение всех входящих в маршрутизатор IP-пакетов на виртуальные потоки; каждый поток характеризуется набором признаков для пакета такие как: IP-адресами отправителя/получателя, TCP/UDP-порт отправителя/получателя (в случае поддержки маршрутизации на основании информации 4 уровня), порт, через который пришёл пакет. Оптимизация маршрутизации при этом строится на идее, что все пакеты с одинаковыми признаками должны обрабатываться одинаково (по одинаковым правилам), при этом правила проверяются только для первого пакета в потоке (при появлении пакета с набором признаков, не укладывающимся в существующие потоки, создаётся новый поток), по результатам анализа этого пакета формируется статический шаблон, который и используется для определения правил коммутации приходящих пакетов (внутри потока). Обычно время хранения неиспользующегося шаблона ограничено (для освобождения ресурсов маршрутизатора). Ключевым недостатком подобной схемы является инерциональность по отношению к изменению таблицы маршрутизации (в случае существующего потока изменение правил маршрутизации пакетов не будет "замечено" до момента удаления шаблона)[1].

Динамически адаптируемые таблицы используют правила маршрутизации "напрямую", используя маску и номер сети из таблицы маршрутизации для проверки пакета и определения порта, на который нужно передать пакет. При этом изменения в таблице маршрутизации (в результате работы, например, протоколов маршрутизации/резервирования) сразу же влияют на обработку всех новопришедших пакетов. Динамически адаптируемые таблицы также позволяют легко реализовывать быструю (аппаратную) проверку списков доступа.

1.1.2 Программная маршрутизация

Программная маршрутизация выполняется либо специализированным ПО маршрутизаторов (в случае, когда аппаратные методы не могут быть использованы, например, в случае организации туннелей), либо программным обеспечением на компьютере. В общем случае, любой компьютер осуществляет маршрутизацию своих собственных исходящих пакетов (как минимум, для разделения пакетов, отправляемых на шлюз по умолчанию и пакетов, предназначенных узлам в локальном сегменте сети). Для маршрутизации чужих IP-пакетов, а также построения таблиц маршрутизации используется различное ПО:

- Сервис RRAS (англ. routing and remote access service) в Windows Server

- Демоны routed, gated, quagga в Unix-подобных операционных системах (Linux, FreeBSD и т.д..)

1.2 Схемы маршрутизации

1.2.1 Anycast

В теории компьютерных сетей Anycast - метод рассылки пакетов (реализованный, в частности, в протоколе IPv6)), позволяющий устройству посылать данные ближайшему из группы получателей.



Рис. 1.1. Схема маршрутизации Anycast.

В протоколе IP anycast реализован путём публикации одинакового маршрута из различных точек сети через протокол BGP. В настоящее время anycast используется в Internet для уменьшения времени реакции и балансировки нагрузки корневых NS-серверов. Например, корневой NS-сервер K имеет множество инсталляций, в том числе в Амстердаме, Лондоне, Токио, Дели, Майами, Рейкъявике, Новосибирске, Хельсинки и других городах.

1.2.2 Broadcast

Широковещательный канал, широковещание -- метод передачи данных в компьютерных и социальных сетях, при котором поток данных (каждый переданный пакет в случае пакетной передачи) предназначен для приёма всеми участниками сети.

Рис. 1.2. Схема маршрутизации Broadcast.



В TCP/IP широковещание (broadcast) возможно только в пределах одного сегмента сети (L2 или L3). Однако пакеты данных могут быть посланы из-за пределов сегмента, в которой будет осуществлено широковещание (например, передача пакета на широковещательный IP-адрес через маршрутизатор из-за пределов сети).

Широковещание в социальных сетях:

- Телевещание;

- Радиовещание;

- Канал IRC;

- Группа новостей;

- Эхоконференция;

- Форум;

- Блог.

1.2.3 Multicast

Multicast (англ. групповая передача) -- специальная форма широковещания, при которой копии пакетов направляются определённому подмножеству адресатов.

Рис. 1.3. Схема маршрутизации Multicast.

Технология IP Multicast - добавление новых пользователей не влечет за собой необходимое увеличение пропускной способности сети. Значительно сокращается нагрузка на посылающий сервер, который больше не должен поддерживать множество двухсторонних соединений, позволяет обеспечить доступ корпоративных пользователей к данным и сервисам, ранее недоступным, так как для их реализации с помощью обычной адресации потребовались бы значительные сетевые ресурсы.

В настоящее время IP Multicast является широко поддерживаемым сетевым стандартом. Все современное сетевое программное обеспечение и аппаратное оборудование поддерживает этот стандарт. Для использования групповой IP-адресации необходима ее поддержка локальной сетью. Что касается глобальной сети, в некоторых случаях допустимо использование «туннелирования» для преодоления участков, эту адресацию не поддерживающих.

Технология IP Multicast использует адреса с 224.0.0.0 до 239.255.255.255. Поддерживается статическая и динамическая адресация. Примером статических адресов являются 224.0.0.1 -- адрес группы, включающей в себя все узлы локальной сети, 224.0.0.2 -- все маршрутизаторы локальной сети. Диапазон адресов с 224.0.0.0 по 224.0.0.255 зарезервирован для протоколов маршрутизации и других низкоуровневых протоколов поддержки групповой адресации. Остальные адреса динамически используются приложениями.

Основная идея групповой маршрутизации состоит в том, что маршрутизаторы, обмениваясь друг с другом информацией, строят пути распространения пакетов ко всем необходимым подсетям без дублирования и петель.

1.2.4 Unicast

В теории компьютерных сетей unicast или однонаправленная (односторонняя) передача данных подразумевает под собой передачу пакетов единственному адресату. Данная схема пакетной маршрутизации данных является прямым противопоставлением широковещательной схеме маршрутизации.

Рис. 1.4. Схема маршрутизации Unicast.

1.3 Методы коммутации в беспроводных сетях

В общем случае решение каждой из частных задач коммутации -- определение потоков и соответствующих маршрутов, фиксация маршрутов в конфигурационных параметрах и таблицах сетевых устройств, распознавание потоков и передача данных между интерфейсами одного устройства, мультиплексирование/демультиплексирование потоков и разделение среды передачи -- тесно связано с решением всех остальных. Комплекс технических решений обобщенной задачи коммутации в совокупности составляет базис любой сетевой технологии. От того, какой механизм прокладки маршрутов, продвижения данных и совместного использования каналов связи заложен в той или иной сетевой технологии, зависят ее фундаментальные свойства.

Среди множества возможных подходов к решению задачи коммутации абонентов в сетях выделяют два основополагающих:

- коммутация каналов;

- коммутация пакетов.



Рис. 1.5. Общая структура сети с коммутацией абонентов.

Сети с коммутацией каналов имеют более богатую историю, они произошли от первых телефонных сетей. Сети с коммутацией пакетов сравнительно молоды, они появились в конце 60-х годов как результат экспериментов с первыми глобальными компьютерными сетями. По долгосрочным прогнозам многих специалистов, будущее принадлежит технологии коммутации пакетов, как более гибкой и универсальной.

1.3.1 Коммутация каналов

При коммутации каналов коммутационная сеть образует между конечными узлами непрерывный составной физический канал из последовательно соединенных коммутаторами промежуточных канальных участков. Условием того, что несколько физических каналов при последовательном соединении образуют единый физический канал, является равенство скоростей передачи данных в каждом из составляющих физических каналов. Равенство скоростей означает, что коммутаторы такой сети не должны буферизовать передаваемые данные.

В сети с коммутацией каналов перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал. И только после этого можно начинать передавать данные[1].

Например, если сеть, изображенная на рис. 1.5, работает по технологии коммутации каналов, то узел 1, чтобы передать данные узлу 7, сначала должен передать специальный запрос на установление соединения коммутатору A, указав адрес назначения 7. Коммутатор А должен выбрать маршрут образования составного канала, а затем передать запрос следующему коммутатору, в данном случае E. Затем коммутатор E передает запрос коммутатору F, а тот, в свою очередь, передает запрос узлу 7. Если узел 7 принимает запрос на установление соединения, он направляет по уже установленному каналу ответ исходному узлу, после чего составной канал считается скоммутированным, и узлы 1 и 7 могут обмениваться по нему данными.

Рис. 1.6. Установление составного канала.



Достоинства коммутации каналов:

- Постоянная и известная скорость передачи данных по установленному между конечными узлами каналу. Это дает пользователю сети возможности на основе заранее произведенной оценки необходимой для качественной передачи данных пропускной способности установить в сети канал нужной скорости.

- Низкий и постоянный уровень задержки передачи данных через сеть. Это позволяет качественно передавать данные, чувствительные к задержкам (называемые также трафиком реального времени) -- голос, видео, различную технологическую информацию.

Недостатки коммутации каналов:

- Отказ сети в обслуживании запроса на установление соединения. Такая ситуация может сложиться из-за того, что на участке сети соединение нужно установить вдоль канала, через который уже проходит максимально возможное количество информационных потоков. Отказ может случиться и на конечном участке составного канала -- например, если абонент способен поддерживать только одно соединение.

- Нерациональное использование пропускной способности физических каналов. Та часть пропускной способности, которая отводится составному каналу после установления соединения, предоставляется ему на все время, т.е. до тех пор, пока соединение не будет разорвано. Однако абонентам не всегда нужна пропускная способность канала во время соединения. Невозможность динамического перераспределения пропускной способности ограничивает сеть с коммутацией каналов, так как единицей коммутации здесь является информационный поток в целом.

- Обязательная задержка перед передачей данных из-за фазы установления соединения.

Техника коммутации каналов хорошо работает в тех случаях, когда нужно передавать только трафик телефонных разговоров.

Коммутаторы, а также соединяющие их каналы должны обеспечивать одновременную передачу данных нескольких абонентских каналов. Для этого они должны быть высокоскоростными и поддерживать какую-либо технику мультиплексирования абонентских каналов.

В настоящее время для мультиплексирования абонентских каналов используются две техники:

- технология частотного мультиплексирования (Frequency Division Multiplexing, FDM);

- технология мультиплексирования с разделением времени (Time Division Multiplexing, TDM).

1.3.2 Коммутация пакетов

Эта техника коммутации была специально разработана для эффективной передачи компьютерного трафика. Первые шаги на пути создания компьютерных сетей на основе техники коммутации каналов показали, что этот вид коммутации не позволяет достичь высокой общей пропускной способности сети.

При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сообщения разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами. Напомним, что сообщением называется логически завершенная порция данных -- запрос на передачу файла, ответ на этот запрос, содержащий весь файл и т.д. Сообщения могут иметь произвольную длину, от нескольких байт до многих мегабайт. Напротив, пакеты обычно тоже могут иметь переменную длину, но в узких пределах, например от 46 до 1500 байт. Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета на узел назначения, а также номер пакета, который будет использоваться узлом назначения для сборки сообщения (рисунок). Пакеты транспортируются по сети как независимые информационные блоки. Коммутаторы сети принимают пакеты от конечных узлов и на основании адресной информации передают их друг другу, а в конечном итоге -- узлу назначения.

Рис. 1.7. Разбиение сообщения на пакеты.

Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов тем, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, если выходной порт коммутатора в момент принятия пакета занят передачей другого пакета (рисунок). В этом случае пакет находится некоторое время в очереди пакетов в буферной памяти выходного порта, а когда до него дойдет очередь, он передается следующему коммутатору. Такая схема передачи данных позволяет повышать пропускную способность сети.

Для пары абонентов наиболее эффективным было бы предоставление им в единоличное пользование скоммутированного канала связи. В таком случае время взаимодействия абонентов было бы минимальным, так как данные без задержек передавались бы от одного абонента другому. Простои во время пауз не значительны для абонентов. Сеть с коммутацией пакетов замедляет процесс взаимодействия конкретной пары абонентов, так как их пакеты могут ожидать в коммутаторах.

Тем не менее, общий объем передаваемых сетью компьютерных данных в единицу времени при технике коммутации пакетов будет выше, чем при технике коммутации каналов. Это происходит потому, что пульсации отдельных абонентов в соответствии с законом больших чисел распределяются во времени так, что их пики не совпадают. Поэтому коммутаторы постоянно и достаточно равномерно загружены работой, если число обслуживаемых ими абонентов действительно велико.

Достоинства коммутации пакетов:

- Высокая общая пропускная способность сети при передаче пульсирующего трафика.

- Возможность динамически перераспределять пропускную способность физических каналов связи между абонентами в соответствии с реальными потребностями их трафика.

Недостатки коммутации пакетов:

- Неопределенность скорости передачи данных между абонентами сети, обусловленная тем, что задержки в очередях сети зависят от общей загрузки сети.

- Переменная величина задержки пакетов данных, которая может быть достаточно продолжительной в моменты мгновенных перегрузок сети.

- Возможные потери данных из-за переполнения буферов.

Сети с коммутацией пакетов, в которых реализованы методы обеспечения качества обслуживания, позволяют одновременно передавать различные виды трафика, в том числе такие важные как телефонный и компьютерный. Поэтому методы коммутации пакетов сегодня считаются наиболее перспективными для построения конвергентной сети, которая обеспечит комплексные качественные услуги для абонентов любого типа.

1.3.3 Коммутация сообщений

Коммутация сообщений по своим принципам близка к коммутации пакетов. Под коммутацией сообщений понимается передача единого блока данных между транзитными компьютерами сети с временной буферизацией этого блока на диске каждого компьютера. Сообщение в отличие от пакета имеет произвольную длину, которая определяется не технологическими соображениями, а содержанием информации, составляющей сообщение.

Рис. 1.8. Коммутация сообщений.

Транзитные компьютеры могут соединяться между собой как сетью с коммутацией пакетов, так и сетью с коммутацией каналов. Сообщение (это может быть, например, текстовый документ, файл с кодом программы, электронное письмо) хранится в транзитном компьютере на диске, причем довольно продолжительное время, если компьютер занят другой работой или сеть временно перегружена. По такой схеме обычно передаются сообщения, не требующие немедленного ответа, чаще всего сообщения электронной почты. Режим передачи с промежуточным хранением на диске называется режимом "хранения-и-передачи" (store-and-forward). Режим коммутации сообщений разгружает сеть для передачи трафика, требующего быстрого ответа, например трафика службы WWW или файловой службы.

Количество транзитных компьютеров обычно стараются уменьшить. Если компьютеры подключены к сети с коммутацией пакетов, то число промежуточных компьютеров уменьшается до двух. Но если компьютеры связаны между собой телефонной сетью, то часто используется несколько промежуточных серверов, так как прямой доступ к конечному серверу может быть в данный момент невозможен из-за перегрузки телефонной сети или экономически невыгоден из-за высоких тарифов на дальнюю телефонную связь.

Техника коммутации сообщений появилась в компьютерных сетях раньше техники коммутации пакетов, но потом была вытеснена последней, как более эффективной по критерию пропускной способности сети. Запись сообщения на диск занимает достаточно много времени, и кроме того, наличие дисков предполагает использование в качестве коммутаторов специализированных компьютеров, что влечет за собой существенные затраты на организацию сети.

1.4 Описание модели систем поллинга

Системы поллинга - это системы упорядоченного опроса, которые являются разновидностью систем массового обслуживания с несколькими очередями с общими одними или несколькими обслуживающими приборами. В каждую очередь поступает свой поток заявок. Обслуживающий прибор по определенному правилу посещает очереди и обслуживает находящиеся в них заявки[2].

Системы поллинга описываются числом очередей и обслуживающих приборов (серверов), порядком опроса, дисциплиной обслуживания очередей, параметрами входных потоков заявок, обслуживания и переключения сервера между очередями.

Основная модель, которая является объектом исследования множества работ по системам поллинга, описывается следующим образом.

Система имеет один сервер и N (N?2) очередей с неограниченным числом мест для ожидания. В i-ю очередь поступает стационарный пуассоновский поток заявок с параметром л_i. Времена обслуживания заявок в очереди Q_i независимы и одинаково распределены с функцией распределения B_i(t) со средним

, (1.1)

вторым моментом и преобразованием Лапласа-Стилтьеса , i=1…N. Полагается, что потоки заявок и времена обслуживания заявок независимы.

Сервер посещает очереди, следуя определенному порядку опроса очередей и обслуживая их в соответствии с выбранной дисциплиной. Время подключения к очереди Q_i имеет функцию распределения S_i(t) со средним s_i , вторым моментом и преобразованием Лапласа-Стилтьеса .

Для исследования систем поллинга могут применяться следующие методы:

- метод производящих функций - используется для нахождения распределения числа заявок в системе поллинга в момент опроса очередей;

- метод ветвящихся процессов - основан на вычислении числа потомков, которые порождаются в системе каждой заявкой, предназначен для вычисления моментов времени ожидания;

- метод анализа средних - предназначен для вычисления средних длин очередей в произвольные моменты времени;

- метод дискретизации по времени посещения очереди - анализа времени между посещением очереди сервером;

- метод, использующий марковские процессы для исследования систем поллинга - для исследования системы в переходном режиме работы;

- метод полиноминального представления стационарных состояний системы - предназначен для вычисления стационарных вероятностей системы поллинга.

Различают два класса систем поллинга. Системы первого класса имеют несколько серверов, и заявки, поступая в систему, выбирают сервер, на котором они хотят получить обслуживание. В системах второго класса для всех очередей имеется один сервер, который по определенному правилу обходит очереди и обслуживает находящиеся в них заявки.

В зависимости от числа очередей в системе различают дискретные и непрерывные системы поллинга. Дискретные системы поллинга характеризуются конечным числом очередей, числом мест для ожидания, числом серверов, процессами поступления и обслуживания заявок, длительностью переключения сервера между очередями, дисциплиной обслуживания и порядком опроса очередей.

Дисциплина обслуживания очереди определяет число заявок. Которые обслуживает сервер за одно посещение очереди. Различают дисциплины обслуживания: исчерпывающая, шлюзовая, ограниченную, уменьшающую и др.



2. Основные стандарты передачи информации по беспроводной сети

Беспроводные технологии - подкласс информационных технологий, служащие для передачи информации на расстояние между двумя и более точками, не требуя связи их проводами. Для передачи информации может использоваться инфракрасное излучение, радиоволны, оптическое или лазерное излучение.

2.1 Классификация беспроводных технологий

Существуют различные подходы к классификации беспроводных технологий [2].

1. По дальности действия:

- Беспроводные персональные сети (WPAN - Wireless Personal Area Networks). Примеры технологий - Bluetooth.

- Беспроводные локальные сети (WLAN - Wireless Local Area Networks). Примеры технологий - Wi-Fi.

- Беспроводные сети масштаба города (WMAN - Wireless Metropolitan Area Networks). Примеры технологий - WiMAX.

- Беспроводные глобальные сети (WWAN - Wireless Wide Area Network). Примеры технологий - CSD, GPRS, EDGE, EV-DO, HSPA.

2. По топологии:

- «Точка-точка».

- «Точка-многоточка».

3. По области применения:

- Корпоративные (ведомственные) беспроводные сети - создаваемые компаниями для собственных нужд.

- Операторские беспроводные сети - создаваемые операторами связи для возмездного оказания услуг.

Кратким, но ёмким способом классификации может служить одновременное отображение двух наиболее существенных характеристик беспроводных технологий на двух осях: максимальная скорость передачи информации и максимальное расстояние.

Беспроводная сеть - сеть, построенная на базе беспроводной технологии.

2.2 Беспроводные технологии

В настоящее время существует множество беспроводных технологий, наиболее часто известных пользователям по их маркетинговым названиям, таким как Wi-Fi, WiMAX, Bluetooth. Каждая технология обладает определёнными характеристиками, которые определяют её область применения.

2.2.1 Bluetooth

Bluetooth - быстро развивающаяся технология передачи данных по радио, разработка которой была инициирована лидерами рынка в передаче данных и компьютерной отрасли.

Эта передовая технология позволяет устройствам, включая ноутбуки, PDA и сотовые телефоны, и многочисленным настольным и другим устройствам связываться по радио автоматически с близко расположенными устройствами для обмена информацией, командами и тому подобное. Одно устройство может общаться с несколькими (до 7 одновременно) устройствами Bluetooth, остальные будут в режиме ожидания. Используются сверхвысокие радиочастоты 2.4 ГГц - диапазон, свободный от лицензирования. В этом же диапазоне работают локальные радиосети по стандарту WLAN (IEEE 802.11) [3].

На частоте 2.4 ГГц Bluetooth обеспечивает скорость передачи данных до 721 Кбит/с в радиусе до 10 - 20 метров (100 метров - в перспективе) в зависимости от чипсета и мощности.

Используемая технология FHSS позволяет, переходя с одной рабочей частоты на другую по псевдослучайному алгоритму (до 1600 переходов в секунду), поддерживать устойчивую помехозащищенную связь. Для полнодуплексной передачи применяется TTD - дуплекс с временным разделением. Каждый пакет передается на новой частоте. При взаимодействии нескольких устройств Bluetooth одно становится главным и управляет частотной и пакетной синхронизацией, а остальные устройства (до 7) становятся подчиненными, если устройств станет больше - автоматически образуется еще одна сеть.

Технология случайных переходов рабочей частоты повышает защищенность системы, как от помех, так и от несанкционированного перехвата информации. Применяется до трех уровней защиты (в зависимости от поставленной задачи):

- Без специальной защиты;

- Доступ только к зарегистрированным устройствам, включая ввод пароля пользователем;

- Защита информации 128-битовым ключом при передаче в одну или обе стороны.

Bluetooth использует радиоволны, которые проходят через стены и неметаллические барьеры, что является его неоспоримым достоинством.

Преимущества Bluetooth позволяют получить ряд функций - например, использование мобильного телефона без извлечения его из кармана или портфеля в качестве модема или с устройством hands-free, печать на принтере без кабеля, использование телефона в качестве пропуска и платежного средства.

Связь по технологии Bluetooth устанавливается автоматически и почти мгновенно (на соединение устройств кабелем уходит больше времени).

Применение средств Bluetooth, дальность действия которых, как правило, составляет около 10 м, позволяет отказаться от использования кабелей для соединения персональных электронных устройств. Например, с помощью технологии Bluetooth вы можете подключить ноутбук или карманный ПК к сотовому телефону и задействовать последний в качестве беспроводного модема.

Делая вывод, можно сказать, что Bluetooth - это хорошо разработанная технология беспроводной связи, но она не предназначена для передачи изображений с высоким разрешением, музыкальных файлов и видеоинформации, а также для синхронизации больших баз данных. Для этих целей разработана новая сверхширокополосная технология UWB, которая может стать опасным конкурентом для Bluetooth. Эта технология и будет рассмотрена далее.

2.2.2 Ultra-wide band

UWB (ultra-wide band) - это широкополосная радио-технология для высокоскоростной связи на малые расстояния при очень низких затратах энергии.

UWB получила свое название «сверхширокополосная связь» из-за того, что в этом стандарте для связи используется самый широкий из распространенных сегодня технологий диапазон частот - от 3 до 10 ГГц. Использование широкой полосы частот позволяет UWB достичь высочайшей на сегодняшний день для связи без проводов скорости - до 480 Мбит/с. Однако, на очень малых расстояниях - до 3 м, зависимость скорости передачи данных от расстояния приведена на рис. 2.1. На дистанциях до 10 м технология позволяет достичь лишь 110 Мбит/с, что, в общем-то, тоже немало. Однако пропускная способность резко падает с увеличением расстояния - гораздо быстрее, чем у стандарта беспроводных сетей 802.11a/g, обеспечивающих пропускную способность до 54 Мбит/с на дистанции до 100 м.

Рис. 2.1. Зависимость скорости передачи данных от расстояния.

Это связано с тем, что дисперсия электромагнитного излучения в воздухе приводит к значительным искажениям широкополосного сигнала по сравнению с узкополосным. Искажение накапливается с расстоянием и, в конце концов, приводит к тому, что сигнал на входе приемника уже не имеет ничего общего с тем, что было излучено передатчиком.

Главное преимущество беспроводной связи - отсутствие ненадежных и постоянно мешающихся проводов. Второе главное преимущество UWB - большая скорость передачи данных. Пропускная способность технологий UWB достаточна для обмена потоками мультимедийных данных в режиме реального времени между множеством устройств в сети - MP3-проигрывателями, видеомагнитофонами, DVD-устройствами, не говоря уже об организации доступа в Интернет с мобильного терминала или об одновременном подключении множества периферийных устройств к персональному компьютеру (ПК). Для мобильных устройств немаловажным является тот факт, что в широком спектре требуется гораздо меньше затрат энергии, чем для передачи узкополосного сигнала в силу разного уровня сигнала: в широком спектре можно использовать шумоподобные сигналы с малым отношением сигнал/шум. Поэтому, чипы UWB будут экономичнее, чем, например, чипы Bluetooth, обладая намного большей пропускной способностью и позволяя работать дольше.

Имея много достоинств, технология обладает и недостатками. Во-первых, очень высоки требования к точности синхронизации, а для приемопередающих устройств необходимы специальные широкополосные антенны. Во-вторых, излучение в очень широкой полосе частот может негативно влиять на работу других устройств, причем для увеличения скорости передачи необходимо повышать мощность передатчиков, что увеличивает вероятность возникновения помех другим радиоустройствам.

2.2.3 Worldwide Interoperability for Microwave Access

WiMax -Worldwide Interoperability for Microwave Access - всемирная совместимость доступа в диапазоне СВЧ, представляет собой перспективную альтернативу Wi-Fi и другим беспроводным технологиям. Трансмиттеры WiMax способны передавать радиосигнал на расстояние в 800-1500 м, тогда как для большинства устройств беспроводной передачи данных оно не превышает 30-90 м. Но главное даже не в этом: технология имеет хороший уровень аутентификации и шифрования, что затрудняет хакерам маскировку под легитимных пользователей.

В качестве примера можно привести исследовательский центр беспроводной связи при университете Clemson, специалисты которого в сотрудничестве с автогигантом BMW изучают возможности широкополосных технологий - и WiMax в их числе - по доставке сервисов владельцам автомобилей. «Если удастся наладить доставку мультимедийной информации таким пользователям и ее получение от них, у нас появится экономичное средство включения водителей в общую сеть», - надеется преподаватель этого центра университета Clemson К. С. Ванг. Центр сотрудничает также с министерством юстиции США и местной полицией, изыскивая пути применения WiMax в целях общественной безопасности.

Чтобы WiMax стала достойной альтернативой другим способам организации подключений, доставки речевых сервисов и данных, должен быть выполнен ряд условий:

- развернуть и ввести в эксплуатацию как можно больше сетей WiMax;

- обеспечить лучшую поддержку IP-телефонии в сетях;

- добиться интеграции технологии WiMax с максимально возможным количеством устройств.

- расширять территориальное покрытие;

- разработать бизнес-модель, которая бы не лишала оператора прибыли от сотовой связи;

- расширять портфель предложений для мобильных пользователей;

- добиться более широкой поддержки со стороны поставщиков инфраструктур, например, за счет отказа от соперничающих технологий наподобие платформы третьего поколения LTE (Long Term Evolution - долгосрочная эволюция).

Если же для внедрения WiMax нужно выполнить ряд условий, на которые требуется немало времени, то внедрение беспроводной технологии Wi-Fi кажется более реальным.

2.2.4 Wireless Fidelity

Wi-Fi - Wireless Fidelity - это современная беспроводная технология передачи данных по радио каналу. Wi-Fi постоянно совершенствуется, что позволяет передавать сравнительно большой поток данных и обеспечить более надежную связь и защиту. Последнее время устройствами, поддерживающими Wi-Fi технологии, снабжаются ноутбуки, сотовые телефоны, КПК, игровые приставки, компьютерные мыши и целый ряд других устройств [3].

Беспроводная передача данных Wi-Fi основана на стандарте 802.11. Данный стандарт имеет ряд характеристик и разновидностей: рабочая частота Wi-Fi 2,4 ГГц; 802.11a - скорость передачи 54 Мбит/с, 802.11b - скорость передачи данных 11 Мбит/с, 802.11g - 54 Мбит/с, 802.11n - 300 Мбит/с [7].

Если рассматривать структуру сети, можно выделить следующие составляющие: точка доступа (AP - access point) и клиент, wireless адаптер, порт доступа, антенна, беспроводные коммутаторы. Принцип работы Wi-Fi заключается в том, что точка доступа передаёт свой SSID (Service Set IDentifier, Network name - идентификатор сети, сетевое имя) с помощью специальных пакетов, называемых сигнальными пакетами, передающихся каждые 100 мс. Сигнальные пакеты передаются на скорости 0.1 Mбит/с и обладают малым размером, поэтому они не влияют на характеристики сети. Так как 0.1 Mбит/с - наименьшая скорость передачи данных для Wi-Fi, то клиент, получающий сигнальные пакеты, может быть уверен, что сможет соединиться на скорости не менее, чем 0.1 Mбит/с. Зная параметры сети (то есть SSID), клиент может выяснить, возможно ли подключение к данной точке доступа. Программа, встроенная в Wi-Fi карту клиента, также может влиять на подключение. При попадании в зону действия двух точек доступа с идентичными SSID программа может выбирать между ними на основании данных об уровне сигнала. Стандарт Wi-Fi даёт клиенту полную свободу при выборе критериев для соединения и роуминга. В этом одно из преимуществ Wi-Fi, оно означает, что один из адаптеров может выполнять эти действия намного лучше другого. Последние версии операционных систем (ОС) содержат функцию, называемую zero configuration, которая показывает пользователю все доступные сети и позволяет мгновенно переключаться между ними, что означает, роуминг будет полностью контролироваться ОС.

Успех сетей на основе технологии Wi-Fi объясняется простотой развертывания, низкой стоимостью оборудования и относительно высокими скоростями передачи данных в радиоканале (до 300 Мбит/с). Благодаря этим параметрам Wi-Fi получил большое распространение в образовательном секторе (на сегодняшний день доля используемых Wi-Fi систем в образовательных учреждениях составляет порядка 30 %).

2.2.5 Сравнительный анализ беспроводных технологий

Для того чтобы выбрать наиболее подходящую беспроводную технологию для использования ее для выполнения технического задания, проведем сравнительный анализ перечисленных выше технологий передачи данных.

Основными параметрами для сравнения будут:

- Используемый диапазон частот;

- Скорость передачи данных;

- Радиус действия;

- Используемые методы доступа;

- Разрешение на использование.

Результаты сравнения приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1. Сравнительный анализ беспроводных технологий.

Параметр для сравнения	Сети
	UWB	Wi-Fi	WiMax	Bluetooth
Среда передачи	Диапазон частот (3-10 ГГц)	Радиочастоты (2,4-5 МГц)	Радиочастоты (2-6 ГГц)	Диапазон частот ISM (2,4-2,48ГГц)
Скорости передачи данных	до 480 Мбит/с	11 Мбит/с, 54 Мбит/с, 300 Мбит/с	70Мбит/с	2,1 Мбит/с
Стандарт	802.15.4а	802.11х	802.16d, 802.16e	802.15.1 Версии Bluetooth 1.1, 1.2, 2.0, 2.1
Метод модуляции	Многочастотная OFDM	OFDM, DSSS	OFDM	FHSS
Радиус действия	Ограничен диапазоном частот, скорость 480 Мбит/с в радиусе 3 м.	Ограничен радиочастотами и физическими сооружениями 30-50 м.	Ограничен территорией, которая охвачена MAN	Ограничен частотами и используемой мощностью, до 100м.
Разрешение на использование	Разрешение на использование не требуется	Требуется разрешение на сети между зданиями	Разрешение требуется	Разрешение не требуется

Основываясь на результатах табл. 2.1, можно сделать выводы.

WiMax - это система дальнего действия, покрывающая километры пространства, которая обычно использует лицензированные спектры частот для соединения с Интернетом. Скорость передачи данных хорошая. Лицензирование частот немного затрудняет организацию подобных сетей повсеместно.

UWB обладает несравнимо большей скоростью передачи данных, которая с такой же быстротой убывает в зависимости от радиуса действия, что является основным минусом технологии. Однако лицензирование частот не требуется.

Технология передачи данных Bluetooth обладает очень маленькой скоростью, хотя в использовании очень проста в сравнении с другими беспроводными технологиями.

Технология Wi-Fi обладает средней скоростью передачи, которая стабильна в радиусе 40-60 метров, но при увеличении числа пользователей или коллизионности падает. Есть минус влияния соседних построек и сооружений, которые, несомненно, создают помехи и уменьшают скорость передачи. Эта проблема менее остро стоит в технологии WiMax, которая изначально рассчитана на охват больших территорий. Так же очень важным фактором является то, что использование технологии не требует регистрации при использовании в рамках одного здания или одной территории, принадлежащей юридическому лицу. Еще одно достоинство сети состоит в том, что сеть Wi-Fi может быть организована для доступа к локальной сети, без подключения к Интернету.

2.3 Факторы, влияющие на скорость передачи информации по беспроводной сети

Как известно, в беспроводных сетях в качестве среды распространения сигнала используются радиоволны (радиоэфир), и работа устройств и передача данных в сети происходит без использования кабельных соединений.
В связи с этим на работу беспроводных сетей воздействует большее количество различного рода помех.

Далее приведем список самых распространенных причин, влияющих на работу беспроводных сетей Wi-Fi (IEEE 802.11b/g/n).

Другие Wi-Fi-устройства (точки доступа, беспроводные камеры и др.), работающие в радиусе действия вашего устройства и использующие тот же частотный диапазон.

Дело в том, что Wi-Fi-устройства подвержены воздействию даже небольших помех, которые создаются другими устройствами, работающими в том же частотном диапазоне.

В беспроводных сетях используются два частотных диапазона - 2,4 и 5 ГГц. Беспроводные сети стандарта 802.11b/g работают в дипазоне 2.4 ГГц, сети стандарта 802.11a - 5 ГГц, а сети стандарта 802.11n могут работать как в диапазоне 2.4 ГГц, так и в диапазоне 5 ГГц.

В полосе частот 2,4 ГГц для беспроводных сетей доступны 13 каналов шириной 20 МГц (802.11b/g/n) или 40 МГц (IEE 802.11n) с интервалами 5 МГц между ними. Беспроводное устройство, использующее Wi-Fi один из 13 частотных каналов, создает значительные помехи на соседние каналы. Например, если точка доступа использует канал 6, то она оказывает сильные помехи на каналы 5 и 7, а также, уже в меньшей степени, - на каналы 4 и 8. Для исключения взаимных помех между каналами необходимо, чтобы их несущие отстояли друг от друга на 25 МГц (5 межканальных интервалов).

Рис. 2.2 Группы непересекающихся каналов.

На рис. 2.2 показаны спектры 11 каналов. Цветовая кодировка обозначает группы непересекающихся каналов - [1,6,11], [2,7], [3,8], [4,9], [5,10]. Разные беспроводные сети, расположенные в пределах одной зоны действия, следует настраивать на непересекающиеся каналы.

Bluetooth-устройства, работающие в зоне покрытия вашего Wi-Fi-устройства.

Bluetooth-устройства работают в том же частотном диапазоне, что и Wi-Fi-устройства, - 2.4 ГГц, следовательно, могут оказывать влияние на работу Wi-Fi-устройств.

Большие расстояния между Wi-Fi-устройствами.

Необходимо помнить, что беспроводные устройства Wi-Fi имеют ограниченный радиус действия. Например, домашний интернет-центр с точкой доступа Wi-Fi стандарта 802.11b/g имеет радиус действия до 60 м в помещении и до 400 м вне помещения.

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.

Различные препятствия, 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, 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 в табл. 2.2. показаны потери эффективности сигнала Wi-Fi при прохождении через различные среды.

Таблица 2.2 Потери эффективности сигнала.

Препятствие	Дополнительные потери (dB)	Эффективное расстояние
Открытое пространство	0	100%
Окно без тонировки (отсутствует металлизированное покрытие)	3	70%
Окно с тонировкой (металлизированное покрытие)	5-8	50%
Деревянная стена	10	30%
Межкомнатная стена (15,2 см)	15-20	15%
Несущая стена (30,5 см)	20-25	10%
Бетонный пол/потолок	15-25	10-15%
Монолитное железобетонное перекрытие	20-25	10%

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.

Вне помещений влиять на качество передаваемого сигнала может ландшафт местности (например, деревья, леса, холмы).

Атмосферные помехи (дождь, гроза, снегопад) также могут являться причиной уменьшения производительности беспроводной сети (в случае, если радиосигнал передается вне помещений).

Различная бытовая техника, работающая в зоне покрытия вашего Wi-Fi - устройства.

Бытовая техника, которая может являться причиной ухудшения качества связи Wi-Fi:

- Микроволновые СВЧ-печи. Эти приборы могут ослаблять уровень сигнала Wi-Fi, т.к. обычно также работают в диапазоне 2,4 ГГц.

- Детские радионяни. Эти приборы работают в диапазоне 2,4 ГГц и дают наводки, в результате чего ухудшается качество связи Wi-Fi.



3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РЕАЛИЗАЦИЯ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ ПОЛЛИНГА

3.1 Функция распределенной координации в стандарте IEEE 802.11

Функция распределенной координации (DCF) основана на методе коллективного доступа с обнаружением несущей и механизмом избежания коллизий (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance, CSMA/CA). Механизм распределенной координации DCF является базовым для протоколов семейства IEEE 802.11 и может использоваться как в беспроводных сетях, функционирующих в режиме Ad-Hoc, так и в сетях, функционирующих в режиме Infrastructure, то есть в сетях, инфраструктура которых включает точку доступа (Access Point, AP)[3].

При такой организации каждый узел, прежде чем начать передачу, прослушивает эфир, пытаясь обнаружить несущий сигнал, и только при условии, что среда свободна, может начать передачу данных. Однако, в этом случае велика вероятность возникновения коллизий: когда два или более узлов сети одновременно (или почти одновременно) решат, что среда свободна, и начнут предавать данные. Для того чтобы снизить вероятность возникновения подобных ситуаций, используется механизм избежания коллизий (Collision Avoidance, CA). Суть данного механизма заключается в следующем. Каждый узел сети, убедившись, что среда свободна, прежде чем начать передачу, выжидает в течение определенного промежутка времени. Этот промежуток является случайным и складывается из двух составляющих: обязательного промежутка DIFS (DCF Interframe Space) и выбираемого случайным образом промежутка обратного отсчета (Backoff time), который определяется из диапазона окна конкурентного доступа CW (Contention Window). В результате каждый узел сети перед началом передачи выжидает в течение случайного промежутка времени, что значительно снижает вероятность возникновения коллизий, поскольку вероятность того, что два узла сети будут выжидать в течение одного и того же промежутка времени, чрезвычайно мала.

...