Беспроводные ячеистые сети – основные концепции и возможности

Беспроводные сети предоставляют беспрецедентную свободу и мобильность для все возрастающего количества пользователей ноутбуков и КПК, которым больше не нужен кабель для подключения к своему рабочему месту или к Интернету. Но по иронии судьбы сами устройства, обеспечивающие беспроводной сервис этим клиентам, нуждаются в кабеле, соединяющем их с локальной сетью или с Интернетом. И если Wi-Fi освобождает пользователя, то беспроводные ячеистые сети (Wireless Mesh Networks – WMN), образно говоря, делают свободной саму сеть.

В типичном случае беспроводная локальная сеть обеспечивает функции доступа к имеющейся традиционной корпоративной сети или к Интернету (рис. 1). Однако нередко инсталляция проводной сети в качестве опорной для работы беспроводных клиентов по тем или иным причинам либо невозможна, либо нежелательна. В то же время многие проблемы, в том числе и финансовые, возникающие при разворачивании проводной инфраструктуры, могут быть решены с помощью беспроводных ячеистых сетей.

Рис. 1. Беспроводный доступ опирается на проводную инфраструктуру

WMN предоставляют возможность перейти от локализованных точек доступа к полностью беспроводным зонам, охватывающим здание или кампус, и даже к областям доступа масштаба города. Сетевые архитекторы и системные интеграторы получают беспрецедентную свободу и гибкость в инсталляции высокопроизводительной сети в рекордно короткое время. При этом отсутствие проводки существенно снижает стоимость и упрощает текущие операции.

После столь оптимистического вступления напомним топологию WMN, и давшей ей свое название. Итак, ячеистой называют локальную сеть, где реализуется одна из двух возможных схем соединения: с полной и с неполной (частичной) связью. В первом случае каждый узел непосредственно соединен со всеми остальными, тогда как во втором – определенные узлы связаны напрямую только с теми, с которыми у них в основном происходит обмен данными (рис. 2).

Рис. 2. Концептуальная схема топологии ячеистой сети, демонстрирующая сложность взаимосвязей между узлами

Подобно Интернету, оперирующему как гигантская ячеистая сеть, WMN так же надежна и масштабируема. Это может показаться парадоксальным, но именно сложность соединений позволяет упростить ее реализацию и функционирование. Правда, для этого разработчикам необходимо приложить значительные усилия и сделать WMN настолько самоуправляемой, насколько это возможно. Фактически многие преимущества беспроводных ячеистых сетей вытекают из четырех особенностей самоуправления. Прежде всего это автоматическое конфигурирование и реконфигурирование – новые узлы становятся полноправными буквально через минуту после загрузки. Вдобавок перемещение узлов с подсоединенными к ним Ethernet-устройствами (рабочими станциями, серверами, камерами наблюдения, шлюзами или маршрутизаторами, если таковые имеются) происходит незамедлительно.

Автоматическое само/реконфигурирование делает WMN и самонастраивающейся, позволяя динамически перенаправить трафик по оптимальному пути. Если параметр и критерий оптимизации выбраны, то за дело принимается таблица маршрутизации, которая направляет трафик, скажем, по кратчайшему, самому быстрому или наименее перегруженному пути.

Из первых двух особенностей вытекает третья – самовосстановление. Множество избыточных путей увеличивает надежность, и при правильном размещении узлов отсутствуют единая точка отказа и возможные заторы внутри сети. Если какой-нибудь канал перегружен или узел вышел из строя, сеть автоматически перенаправляет трафик по альтернативному маршруту. Ну и четвертая особенность является очевидным результатом трех предыдущих – ячеистая сеть осуществляет собственный мониторинг.

Большинство производителей WMN предоставляют также некую консоль для централизованного управления, но сеть может быть развернута и работать без таковой. Правда, консоль обеспечивает общую картину сети, что может оказаться полезным для определения необходимого количества узлов и их наилучшего расположения. Однако с централизованной консолью или без нее WMN – простейшая топология с точки зрения разворачивания и функционирования.

Одним из дополнительных преимуществ WMN является возможность масштабировать производительность, поскольку сеть способна легко расширяться, в том числе и инкрементно. Агрегированная полоса пропускания от одного края сети к другому зависит от топологии и природы входящего и выходящего трафика. Теоретически, чем больше узлов, тем выше общая производительность и надежность ячеистой сети, но чтобы их максимизировать, каждый узел должен иметь по крайней мере двух соседей.

Совокупность этих свойств приближает WMN к идеологии plug-and-play как никакую другую из существующих топологий и, не исключено, из возможных в будущем.

После всего этого невольно возникает вопрос, почему ячеистая топология используется столь редко? Ответ – сложность и высокая стоимость кабельной инфраструктуры. Полная или даже частичная связность между узлами сети, что является основной идеей и преимуществом ячеистой топологии, применяется в исключительных случаях. Ее реализация с помощью медной проводки или оптоволокна непрактична в большинстве ситуаций, а в некоторых и невозможна. Сформулируем это иначе – стоимость такой топологии неоправданно велика.

Исходя из вышеуказанного многие возлагают надежды на беспроводные фиксированные сети в качестве альтернативного решения. Но как соединения типа «точка-точка» и даже как многоточечные соединения фиксированные беспроводные коммуникации по существу аналогичны проводным. Вдобавок разворачивание фиксированной беспроводной связи может ограничиваться требованием прямой видимости между антеннами и появлением единой точки отказа при наличии беспроводного моста между сегментами.

Недавние успехи в области беспроводных сетевых технологий сделали ячеистые сети практичными и доступными как никогда прежде. Это стало результатом ряда инноваций. Первая является развитием старой идеи. Существующая в стандарте 802.11 возможность специального режима (ad hoc mode) была первоначально предназначена для создания одноранговой (P2P) сети беспроводных клиентов. В этом режиме каждый узел представляет собой также маршрутизатор, способный передавать трафик другим узлам. Подход P2P обеспечивает высокую производительность, требуемую в ячеистых сетях.

Вторая проистекает из возможности сетей 802.11 функционировать в двух частотных диапазонах: 2,4 и 5 GHz. WMN может использовать эти нелицензируемые частоты с целью предоставить приемлемую зону покрытия и при минимальных помехах. Так, при работе в диапазоне 5 GHz обеспечиваются высокая емкость канала и низкие помехи, что подходит для сетей как внутри здания, так и вне его. Диапазон 2,4 GHz более зашумлен, однако может предоставить боóльшую радиопродуктивность в терминах общей зоны покрытия и при наличии препятствий, таких как стены, перекрытия и прочие твердые строительные материалы.

Третья инновация состоит в том, чтобы улучшить в режиме ad hoc возможности маршрутизации. В беспроводной ячеистой сети протокол маршрутизации аналогичен IGP (Interior Gateway Protocol). Поэтому внутри ее собственного «домена» организация маршрутов «точка-точка», многоточечных и многоадресных выполняется способом, полностью совместимым с внешними протоколами коммутации и маршрутизации.

Каждый узел в WMN вычисляет исходное дерево, которое определяет пути ко всем соседним узлам в пределах досягаемости. Эти соседи связываются друг с другом посредством специальных пакетов, распространяемых в сети. Изменения сообщаются регулярно, что обеспечивает динамическую сквозную реконфигурацию.

Для максимизации производительности при передаче трафика от одного края сети к другому могут вычисляться метрики канала, как и в других протоколах маршрутизации. Эти метрики способны базироваться на полосе пропускания, уровне сигнала, его стабильности, задержке или других параметрах канала.

Ethernet? – просто и естественно

Что содействует распространению WMN, так это ее способность без проблем взаимодействовать с существующими сетевыми стандартами. Наиболее распространенным стандартом сегодня, безусловно, является Ethernet, который поддерживается практически каждым сетевым устройством, включая серверы, рабочие станции, принтеры, камеры наблюдения и другое сетевое оборудование, к примеру точки доступа, коммутаторы и маршрутизаторы.

Беспроводная ячеистая сеть, которая обеспечивает настоящее взаимодействие с Ethernet, будет полностью совместима также и со всеми протоколами коммутации и маршрутизации (например, VPN, VLAN, OSPF и др.). Эта способность позволяет множеству WMN, потенциально от разных производителей, взаимодействовать на уровне 2 или 3 в смысле модели OSI, включая протоколы IPv4 и IPv6. Чтобы сделать возможным это взаимодействие, любой внутренний трафик и маршрутизация между узлами должны быть прозрачны для любого Ethernet-устройства, подключенного к ячеистой сети. Действуя как виртуальный Ethernet-коммутатор, ячейка применяет некоторую интеллектуальную обработку уровня 3 к уровню 2. Например, широковещательный трафик не должен распространяться через ячейку.

Рис. 3. «Мезонинная» ячеистая сеть в качестве демилитаризованной зоны

Хотя ячейка для внутренней связи может использовать протокол IP, внешняя работа в качестве виртуального коммутатора Ethernet позволяет ей поддерживать любой не-IP протокол фактически для любых приложений, включая AppleTalk, IPX, NetBIOS/BEUI, SNA и т. п.

Способность WMN служить Ethernet-базированной промежуточной («мезонинной») сетью предоставляет максимальный уровень гибкости, совместимости и взаимодействия. По сути можно образовать отдельные «облака», оперирующие в диапазоне либо 2,4 , либо 5 GHz, которые существуют независимо со своим собственным набором сервисов, уровнем безопасности, во многом подобных демилитаризованным зонам (рис. 3). Такое «облако» может также быть включено в существующую публичную или частную сеть в качестве подсети.

Путаница с ячейками

Необходимо подчеркнуть, что беспроводная ячейка – это не точка доступа и не должна ею быть. Природа коммуникаций между ячейками совершенно отлична от той, которая встречается между точками доступа и клиентской/серверной системой. По существу это два полностью различных приложения, и попытка их объединения опасна для сети потерей производительности и целостности. Орган по стандартизации 802.11 учел это различие, обеспечив два режима: специальный и инфраструктурный.

Тем не менее в индустрии предпринимались некоторые попытки объединить данные разнородные режимы на общей платформе. При этом преследовались цели уменьшить стоимость за счет использования общих компонентов, например шасси, БП, антенны, радиоблока. Здесь нужно быть осторожным, поскольку проблемы управления и борьбы с помехами сведут начальный выигрыш в стоимости на нет. Комбинирование трафиков двух разных режимов на одном устройстве может привести к деградации общей производительности вследствие того, что каждый отправляемый или получаемый пакет требует нескольких передач потенциально с помощью одних ресурсов (радиоблок, антенна, частота).

Рис. 4. Ячеистая сеть, взаимодействующая с точками доступа и подключенная к корпоративной сети

Другой подход заключается в том, чтобы включить клиенты и/или серверы в состав ячеек посредством установки на них специального ПО, работающего как приложение. Оставляя в стороне возникающую сложность в управлении и обеспечении надежности сети с десктопами или ноутбуками в качестве части магистральной инфраструктуры, обратим внимание на проблемы безопасности и производительности, связанные с частой модификацией этих систем. Хотя ячеистая сеть конфигурируется автоматически, нестабильность работы может быть вызвана перемещением и включением/выключением компьютеров. Так что любая попытка сэкономить на начальном этапе разворачивания беспроводной ячеистой сети в итоге выльется в более высокую стоимость владения.

Таким образом, наилучшей практикой является построение WMN отдельно от беспроводной сети доступа (рис. 4).

Некоторые приложения для WMN

Существует множество ситуаций, когда беспроводные ячеистые сети могут обеспечить более универсальное или доступное решение, чем кабельные магистрали. В общем, WMN оказываются более подходящими для окружения, удовлетворяющего одному или нескольким нижеследующим критериям:

• область покрытия является протяженной, например большое здание или разбросанные кампусы;
• покрытие должно быть как внутри здания, так и снаружи;
• существует относительно небольшое число препятствий для прямой видимости;
• инсталляция должна быть сделана быстро или имеет временный характер, например в связи со скорым переездом в другое место.

Арендуемые помещения служат хорошим примером целесообразности разворачивания WMN. Поскольку проводная сеть останется владельцу здания, стоимость ее разворачивания окажется неадекватной возврату на инвестиции.

Другим случаем, когда выгодна установка WMN, является временный характер сети. Она может быть эффективна с точки зрения затрат при восстановлении после катастрофы.

Быстрота разворачивания и самоуправляемая природа беспроводных ячеистых сетей делает их также подходящими для специальных случаев, таких как выставки и другие временные мероприятия. =