Беспроводные мосты

Звучит парадоксально, но мосты служат средством достижения двух полярно противоположных целей. С одной стороны, с их помощью сегментируют большие локальные сети для того, чтобы ограничить трафик внутри выделенных рабочих групп. Это позволяет снизить широковещательный трафик и разгрузить магистрали в сетях с разделяемой средой передачи. С другой — посредством мос-тов из разрозненных сегментов создают одну логическую сеть, обеспечивая условия для совместной работы и разделения ресурсов.

Беспроводные мосты используются исключительно во втором случае. Объединение с их помощью в городских условиях сетей, расположенных в разных зданиях, как правило, оказывается более выгодным в финансовом отношении решением, чем прокладка кабеля или аренда выделенного канала. Особенно в тех случаях, когда здания разделены автотрассой или водным пространством. Мосты могут объединять как беспроводные, так и проводные сети, при этом в последнем случае они поддерживают практически все популярные сетевые технологии.

В общем случае мосты объединяют локальные сети на канальном уровне, а точнее, на уровне управления доступом к среде передачи — Medium Access Control (MAC) layer. Будучи прозрачными по отношению к вышележащим уровням модели OSI, они могут соединять однородные сети, скажем Ethernet-to-Ethernet, и сети с разной технологией, к примеру Ethernet-to-Token Ring. Мосты фильтруют пакеты на уровне MAC-адреса, пропуская их только в том случае, если MAC-адреса узлов источника и получателя находятся в разных сегментах.

Существуют два основных типа мостов: локальные и удаленные. Первые объединяют сегменты, находящиеся в непосредственной близости один от другого. В этом случае они, как правило, используются для сегментации сети или для подключения отдела или рабочей группы к корпоративной магистрали. Вторые же применяются для сетей, удаленных друг от друга. Такие мосты устанавливаются с целью объединения сетей, находящихся в разных зданиях, городах и даже континентах. В последних двух случаях для создания физического канала организации используют телефонные сети и выделенные линии. Мы остановим наше внимание на удаленных беспроводных мостах.

По своим функциям эти мосты сходны с традиционными, за исключением того, что в качестве среды передачи они применяют радиоволны или инфракрасное лазерное излучение. Это ограничивает радиус их действия, тем не менее некоторые устройства позволяют осуществлять связь на расстоянии до 40 км. Правда, для этого необходимо применять узконаправленные антенны. Поэтому беспроводные мосты для своего взаимодействия обычно требуют прямой видимости. Рассмотрим основные принципы и особенности функционирования вышеупомянутых типов беспроводных мостов.

Удаленные радиомосты

Как следует из названия, такие мосты используют для создания канала радиоволны. Передачу данных обеспечивают радиомодем и антенна. Как и обычный телефонный, радиомодем выполняет преобразование цифровой информации в аналоговые сигналы, которые затем излучаются антенной. Однако, если телефонный модем генерирует низкочастотные радиосигналы, радиомодемы работают в высокочастотной части спектра.

Большинство беспроводных мостов оборудуются всенаправленной антенной, что ограничивает радиус их действия несколькими сотнями метров, вполне достаточными, скажем, для университетских или медицинских городков или для связи близлежащих зданий. При необходимости установить связь на большие расстояния нужно применять узконаправленные антенны. На длину канала и качество связи существенное влияние оказывает окружающая среда. Так, в случае узконаправленных антенн последние должны находиться в пределах прямой видимости, что в некоторых случаях значительно ограничивает возможности беспроводной связи.

Уделим несколько больше внимания технологии передачи данных, используемой радиобазированными мостами. Она чаще всего совпадает с технологией беспроводных сетей. В диапазоне 2,4 GHz применяется передача сигнала с расширением спектра. Это означает, что для кодирования сигнала используется более широкий спектр, чем необходимо. Для модуляции сигнала применяется либо метод прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum — DSSS), либо метод скачущей перестройки частоты (Frequency Hopping Spread Spectrum — FHSS). Расширение спектра повышает помехоустойчивость и защиту передаваемых данных.

Название "прямая последовательность" обязано тому, что процесс расширения применяется непосредственно к каждому биту информации, при этом он может кодироваться 11-битовой последовательностью (код Баркера). Метод скачущей перестройки частоты состоит в том, что передатчик и приемник переключаются на узкополосные несущие разной частоты в определенной последовательности, кажущейся случайной. Каждый из методов имеет свои достоинства и недостатки, которые необходимо учитывать при выборе аппаратуры. Основной недостаток метода прямой последовательности заключается в том, что устройства потребляют в два-три раза больше энергии, чем аналогичные для метода скачущей частоты. Компенсацией является большая устойчивость к помехам, возникающим при многократных отражениях радиосигнала от окружающих предметов. В то же время при использовании FHSS из-за плохой помехозащищенности приходится чаще заново повторять передачу пакетов.

Наиболее важным отличием беспроводных протоколов МАС-уровня от проводных является невозможность определения коллизий, поэтому их число должно быть сведено к минимуму. Это достигается с помощью протокола доступа к среде, называемого Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA), или множественного доступа с контролем несущей и предотвращением коллизий. Идея заключается в том, чтобы избежать коллизий в тот отрезок времени, когда они наиболее вероятны, т. е. когда канал свободен.

При передаче данных в радиочастотном диапазоне это сделать довольно легко. МАС-уровень привлекает к своей работе физический уровень, оценивая значение энергии в передающей среде. Чтобы определить, свободен ли канал, физический уровень использует алгоритм CCA (Clear Channel Assessment — оценка незанятости канала). Если мощность принимаемого сигнала не превышает порогового значения, канал считается свободным. В соответствии с этим протоколом перед началом передачи прослушивается канал, и если он свободен, то все претенденты устанавливают значения своих таймеров на случайное количество временных слотов и затем начинают прослушивание заново. Если канал оказывается занятым, клиенты останавливают свои счетчики до того момента, когда он снова освободится. Таким образом шансы на то, что две станции начнут передачу одновременно, значительно уменьшаются. Этот протокол весьма эффективен при связи типа точка—точка, поскольку только два узла ведут конкуренцию за канал. В случае же многоточечной конфигурации производительность сетей, соединенных радиомостами, которые используют этот протокол доступа, снижается по мере подключения новых сегментов.

Как уже упоминалось выше, некоторые беспроводные удаленные мосты применяют для передачи данных инфракрасное излучение лазера. Обычно такое устройство содержит традиционный проводной Ethernet-мост и лазерный модем, обеспечивающий физическую связь. Другими словами, лазерное устройство только посылает биты данных, а всю остальную работу выполняет обычный мост. Лазерные модемы генерируют излучение с длиной волны 820 нм, которое не может быть обнаружено без специальных приборов. Очевидно, что для лазерных мостов излучатель и приемник должны располагаться на линии прямой видимости. Типичное расстояние между мостами составляет немногим больше 1 км и ограничивается мощностью лазера.

Одним из основных преимуществ таких систем является их большая пропускная способность. Второе преимущество — достаточная помехозащищенность, поскольку инфракрасное излучение не взаимодействует с радиоволнами. Подобно оптоволоконным системам лазерные мосты обеспечивают высокий уровень безопасности. Для перехвата информации необходимо поместить соответствующий прибор на линии луча, что, во-первых, легко может быть обнаружено, а во-вторых, это весьма сложно осуществить, так как такие системы устанавливаются на крышах высотных зданий. Недостатками лазер-базированных систем является влияние на устойчивость связи погодных условий. Сильный дождь, снег или туман приводят к значительному рассеянию луча и ослаблению сигнала. На связь может повлиять также солнечный восход или заход, если канал ориентирован с востока на запад.

Беспроводные мосты используются для постоянного соединения сетей, в качестве запасного канала или как временное средство. Их производством занимаются множество компаний. Цены в зависимости от пропускной способности и расстояния связи составляют от 5 до 75 тыс. долл. за канал. Дорого, однако со временем такое решение может окупиться.