Современные беспроводные сети передачи данных оказались столь удобным и актуальным решением, что далеко не сразу замечаешь их технологические огрехи. Например, в современном виде WiFi-сетям присущ ряд весьма серьезных недостатков, среди которых и низкий порог масштабирования, и высокие задержки, и малый радиус действия, и невысокий уровень безопасности, и многое другое.

Однако радует, что все эти недочеты можно исправить, причем технологий-панацей существует немало. Мы расскажем о наиболее интересной из них.

Помимо «хромающей» безопасности есть у беспроводных сетей, предназначенных для крупных корпоративных сред, и другой, весьма заметный недостаток — эффект «бутылочного горлышка», проявляющийся при использовании большого количества точек доступа. Он выражается в виде резкого снижения пропускной способности сети, даже при условии достаточно широкого внешнего канала, соединяющего интрасеть с внешним миром. Дело здесь в том, что точки доступа стандартов 802.11 предоставляют разделяемую среду, в которой в данный момент времени лишь одна из них может вести передачу данных.

А ведь снижение скорости обмена информацией критично для любого пользователя, а уж тем более для корпоративного. Как следствие, чтобы добиться эффективной работы сети, приходится прибегать к различным ухищрениям, например использовать направленные антенные колонки и специальные роутеры, что превращает беспроводные решения в дорогую игрушку.

Технология, о которой пойдет речь в статье, — Wireless Mesh (ячеистые сети, также называемые многоузловыми, multi-hop, сетями) расширяет функциональность беспроводного доступа в Интернет и позволяет реализовывать точки доступа с охватом и порогом снижения пропускной способности на порядок более высоким, чем у привычных хот-спотов. Благодаря возможности обеспечения защищенного беспроводного покрытия как внутри помещений, так и на улицах, в городской местности или в крупных населенных пунктах и районах, Wireless Mesh может быть использована для быстрого развертывания, в частности, сети связи для целей внутренней безопасности или в случаях чрезвычайных ситуаций в городе.

Но, чтобы понять преимущества сетей ячеистой топологии, стоит сравнить их с одноузловыми (single-hop) сетями. Так, в традиционной беспроводной сети стандарта 802.11 несколько клиентов подключается по прямому соединению с точкой доступа. Такие сети называются одноузловыми. В многоузловой сети любое устройство с возможностями беспроводной связи способно выступать как в роли маршрутизатора, так и точки доступа.

Если ближайшая точка доступа перегружена, данные перенаправляются к ближайшему незагруженному узлу. Блок данных продолжает перемещаться от одного узла к другому, пока не достигнет места назначения. Примером многоузловой сети (только в кабельном исполнении) может служить Интернет. Как и в случае с беспроводными mesh-сетями, сообщение электронной почты не пересылается получателю напрямую. Вместо этого оно передается от одного сервера к другому по наиболее эффективному маршруту, в зависимости от загруженности сетей.

Интеллектуальность вообще является одной из особенностей сетей Wireless Mesh, и можно сказать, что она интегрирована непосредственно в сеть и обеспечивает высокий уровень надежности, а это немаловажно как в экстренных случаях, так и для мобильных удаленных сотрудников. Как только точка доступа установлена и включена, она автоматически обнаруживает другие точки доступа и «выясняет» свою роль в сети. Это исключает необходимость ручного администрирования сети и играет важную роль для оперативного развертывания оборудования. Как только сеть запускается в эксплуатацию, она начинает автоматически управлять своей работой, благодаря функциям самовосстановления и самоадаптации. Если точка доступа отключается или какой-либо сегмент сети оказывается перегруженным, сеть автоматически переопределяет маршруты передачи данных между точками, что позволяет предотвратить сбои коммуникаций.

Стоит заметить: идея беспроводных ячеистых сетей не нова и уже успела получить распространение в индустриальных распределенных системах сбора и обработки данных (схема).

Здесь в качестве узлов сети используются датчики со встроенной логикой или преобразователи (transducers), которые не только собирают данные, но и выполняют их предварительную обработку. Это позволяет передавать лишь полезную информацию и существенно снизить трафик в сети. Однако наиболее широкое распространение ячеистые сети должны получить в сфере информационных технологий. К примеру, на прошлогодней сессии Intel Developer Forum была продемонстрирована действующая реализация крупной mesh-сети. По сути, это стандартная беспроводная сеть 802.11, в дополнение к системе базовых точек доступа способная «достраивать» себя за счет подключенных в нее клиентских устройств — персональных компьютеров, КПК, сотовых телефонов. Таким образом, все клиенты в ее рамках становились узлами сети и могли принимать участие в передаче данных, что, естественно, сделало всю структуру более гибкой, надежной и производительной за счет появления дополнительных путей прохождения информации.

А теперь поговорим о технической стороне вопроса. Сетевой процессор, логика и беспроводной интерфейс сосредоточены внутри каждого узла — участника сети, поэтому необходимость в централизованной коммутации исчезает. Иными словами, топология ячеистых сетей предусматривает либо прямую связь между образующими их узлами, либо транзитную передачу данных между источником и получателем. Следовательно, перед тем как начать обмен данными, каждый узел должен «решить», будет ли он выполнять функции точки доступа, служить транзитным устройством или сочетать обе роли. Далее индивидуальные узлы определяют своих соседей, используя протокол типа «запрос/ответ». После окончания процедуры обнаружения узлы замеряют характеристики коммуникационных каналов: мощность принимаемого сигнала, пропускную способность, задержку и частоту ошибок. Узлы обмениваются этими значениями, а затем на их основе каждый узел выбирает наилучший маршрут коммуникаций со своими соседями.

Процессы обнаружения и выбора наиболее благоприятного маршрута выполняются в фоновом режиме, так что каждый узел располагает актуальным списком соседей. В случае недоступности по тем или иным причинам какого-либо узла соседние могут быстро реконфигурировать свои таблицы и вычислить новый оптимальный маршрут. Способность самоконфигурации и самовосстановления делает ячеистые сети очень надежными. Беспроводные ячеистые сети могут состоять из сотен и даже тысяч узлов, что позволяет легко расширять их и обеспечивать необходимую избыточность. Хорошая иллюстрация данного механизма — электронная почта, ее сообщения разбиваются на пакеты, передаваемые через Интернет по разным маршрутам. Затем пакеты снова собираются в единое сообщение, которое и приходит в почтовый ящик получателя. Таким образом, использование множественных маршрутов доставки данных повышает эффективность пропускной способности сети.

Физические свойства беспроводных коммуникационных каналов таковы, что на более коротких расстояниях пропускная способность сети выше. Причиной могут быть помехи и другие влияющие на потерю данных факторы, чье действие накапливается по мере увеличения расстояния. И потому одним из способов повышения пропускной способности сети становится передача данных через несколько узлов, разделенных небольшими расстояниями. Такой механизм и реализуется в сетях ячеистой топологии. Благодаря тому, что для передачи данных на более короткие расстояния требуется меньшая мощность, многоузловая сеть может обеспечить более высокую общую пропускную способность, одновременно удовлетворяя всем законодательным требованиям к устройствам радиосвязи, ограничивающим максимальную мощность передатчиков.

Узлы остаются вполне автономными устройствами, способными самостоятельно управлять своим функционированием, и в то же время являются компонентом общей сети, допускающим управление из центральной точки. Используя SNMP, системный администратор может выполнять мониторинг и конфигурировать отдельные элементы, узлы, домены или всю сеть, а протокол обнаружения лишь упрощает данную задачу посредством поиска и локализации отдельных узлов для их отображения на дисплее управления.

Следует учесть, что пространственное разделение — еще одно преимущество сетей ячеистой топологии по сравнению с одноузловыми сетями. Как уже было отмечено, в одноузловой сети все устройства совместно используют одну точку доступа. Если несколько устройств пытаются одновременно пользоваться сетью, могут возникать виртуальные «заторы», замедляющие ее работу. В противоположность этому в сетях ячеистой топологии множество устройств могут подключаться одновременно через разные узлы, но производительность сети не обязательно ухудшается. Более короткие расстояния передачи данных в сетях ячеистой топологии позволяют уменьшить влияние помех и осуществить одновременную передачу пространственно разделенных потоков информации (таблица 1).

Несмотря на то, что Wireless Mesh обеспечивает возможности для высокоскоростных беспроводных коммуникаций, эта технология не является заменой услуг сотовой связи, которые предоставляются на территории всей страны и поддерживают роуминг по всему миру. Wireless Mesh — технология для локальных сетей, и хотя она обеспечивает экономически эффективное покрытие в городской местности, ее использование нельзя назвать практичным за пределами локальных сетей.

Кроме того, помещения муниципальных учреждений, а также объекты образовательных учреждений или коммерческих организаций, в помещениях которых уже развернуты беспроводные локальные сети, могут расширить их зону покрытия и обеспечить коммуникации за пределами помещений — по всему городу или по всей территории организации, — соединив точки доступа в единую сеть Wireless Mesh. Можно подсоединить свой компьютер или КПК к беспроводной сети везде, где имеются точки доступа, подключенные к хот-споту. Одной из особенностей решения Nortel Wireless Mesh Network является то, что при перемещении из зоны действия одной точки доступа в зону действия другой точки беспроводное подключение не теряется; решение предусматривает прозрачный роуминг между различными точками доступа.

Поскольку Wireless Mesh позволяет организовать надежное и защищенное покрытие в определенной локальной зоне, эта технология считается эффективным решением для обеспечения мобильных высокоскоростных коммуникаций в кризисных ситуациях. Сеть Mesh — «самовосстанавливающаяся», то есть автоматически реконфигурируется в случае отключения некоторых точек доступа. Она продолжает функционировать, даже если некоторые устройства сети выходят из строя. Такое свойство сети позволяет ее восстановить или быстро расширить для обеспечения покрытия в зоне бедствия или чрезвычайного происшествия. Такая сеть может быть развернута с нуля в считанные часы, в крайнем случае, в течение одного дня с начала кризисной ситуации или стихийного бедствия.

Нередко в городах и мегаполисах экстренные службы используют собственные, закрытые коммуникационные системы, работающие на разных радиочастотах, в результате при стихийном бедствии эти радиосистемы не позволяют сотрудникам таких служб связываться друг с другом. Но если на территории города функционирует Wireless Mesh, сотрудники всех экстренных служб смогут подключать к данной единой сети свои коммуникационные устройства. Для обеспечения безопасности при доступе к сети будет необходимо ввести пароль. После успешной авторизации вся информация передается в полностью защищенном и зашифрованном виде. При работе в сети Mesh сведения также туннелируются, то есть отделяются от информации других пользователей, не относящейся к экстренным службам, что исключает несанкционированный доступ к данным или нарушения конфиденциальности (таблица 2).

Одним из важных аспектов Wireless Mesh, обусловливающим потенциал этой технологии, является возможность быстро и недорого предоставлять мобильным пользователям широкополосные услуги. Развертывание Mesh может стоить гораздо дешевле традиционных проводных сетей, поскольку она не требует дорогостоящей инфраструктуры и прокладки кабелей и, кроме этого, экономна в эксплуатации, поскольку, как уже отмечалось, отличается способностью самовосстановления и самоадаптации.

Подобные решения подходят не только для городов, но и для университетов. Например, в настоящее время компания Nortel, принадлежащая к числу активистов внедрения Mesh-сетей, сотрудничает с одним из университетов США, который, используя ее технологии, планирует запустить в этом году сеть Wireless Mesh, призванную обеспечить преподавательскому составу и студентам защищенное широкополосное подключение внутри помещений и на улице. По подсчетам руководства университета, около 70% мобильных вызовов являются внутриуниверситетскими, это позволяет ежегодно экономить до $200 тыс. на расходах на телефонию за счет использования сетевого решения Wireless Mesh. Кроме того, решение Nortel Wireless Mesh Network обеспечит высокоскоростной широкополосный беспроводной доступ к локальной сети в рамках проекта M-City («Мобильный город») в Тайпее. К концу 2005 года компания Qware, партнер Nortel по данному проекту, ввела в эксплуатацию около 10 тыс. точек беспроводного доступа, что позволило предоставлять в Тайпее беспроводные услуги в зоне покрытия 272 кв. км, в которой проживает 90% населения города (2,65 млн человек).

Что касается России, в настоящее время в Москве создана опытная зона, где тестируется оборудование Wireless Mesh для последующего строительства полномасштабной городской сети. В 2006 году компания «Голден Телеком» в рамках своей стратегии по оказанию услуг высокоскоростного доступа к Интернету подписала рамочное соглашение с Nortel по созданию 5 тыс. точек доступа в Москве с возможностью увеличения их количества по мере необходимости — покрытие сети достигает 15% территории города. В настоящий момент «Голден Телеком» продолжает опытную эксплуатацию своих узлов доступа в выборочных зонах и планирует завершить данный процесс к середине текущего года. По завершении тестирования компания рассчитывает перейти к фазе внедрения высокоскоростного абонентского доступа в столице.

Завершая рассказ об этой технологии, стоит отметить, что некоторые производители, не дожидаясь реализации технологии Mesh в официальных стандартах, оснастили ею свои новые продукты. Так, Nortel Networks объявила о применении Mesh в точках доступа Wireless Access Point 7220 и беспроводных шлюзах Wireless Gateway 7250. Эти решения используют беспроводные каналы для подключения точек доступа, поддерживают роуминг, а также позволяют абонентам подсоединяться к сети Wi-Fi с мобильных и карманных компьютеров без установки на них новых аппаратных и программных средств.