Два прихопа, три притопа, или Вторая молодость RadioEthernet
АрхивАвтор дает обзор состояния и тенденций развития беспроводных компьютерных сетей. Напоминаем, что Intel, "КТ" и Нижегородский государственный университет недавно объявили конкурс исследовательских проектов в этой области. Мы приглашаем принять в нем участие научных сотрудников, инженеров и студентов.
Танцуют все!
Иван Васильевич Бунжа
Автор дает обзор состояния и тенденций развития беспроводных компьютерных сетей. Напоминаем, что Intel, «Компьютерра» и Нижегородский государственный университет недавно объявили конкурс исследовательских проектов в этой области. Мы приглашаем принять в нем участие (коллективно или индивидуально) научных сотрудников, инженеров и студентов. - Л.Л.-М.
Уходящий год был для, казалось бы, уже не молодой технологии - RadioEthernet - до предела насыщен событиями, и большими, и маленькими. Провал технологии Bluetooth на весенней выставке «CeBIT», отказ Microsoft от поддержки «голубого зуба» в Windows XP, решение Intel о прекращении разработки устройств HomeRF и поддержке протоколов семейства 802.11, новогодняя инициатива компаний MobileStar и Microsoft по предоставлению беспроводного широкополосного - со скоростью до 11 Мбит/с! - доступа в кофейнях сети StarBucks… К слову, один из тарифных планов MobileStar предлагает неограниченный беспроводной доступ всего за 30 долларов в месяц, при цене вступительного взноса, RadioEthernet-карточки, около 70 долларов. А получить его можно в 650 хот-спотах, или узлах доступа - кофейнях, аэропортах, гостиницах и т. д., оснащенных беспроводными базовыми станциями, или даже сетями из таких станций, разбросанных по всей территории Штатов.
Список достижений RadioEthernet, разумеется, можно продолжить: согласно исследованиям Cahners In-Stat Group, оборот рынка беспроводного оборудования для локальных сетей растет примерно на 50 процентов в год: если в прошлом году он составил всего 1,3 миллиарда долларов, то в 2002 году должен вырасти до 3 миллиардов долларов.
И это только начало: уже в нынешнем году на рынке должны появиться первые устройства стандарта 802.11а, обеспечивающие скорость передачи данных до 54 Мбит/с. Как уверяют производители, их цена не будет заметно отличаться от ставших уже традиционными устройств стандарта 802.11b.
В этом году заметно оживился и российский рынок оборудования для беспроводных локальных сетей. Появляются и новые производители, и дистрибьюторы, и программы по продвижению оборудования. Кстати, обзаведясь дома постоянным подключением к Сети и мешаниной проводов, связывающих воедино домашнее сетевое и видеохозяйство, я и сам всерьез стал задумываться о преимуществах беспроводного доступа.
A и Б сидели на трубе
Устройства стандарта 802.11 работают в диапазонах частот, свободных в большинстве стран от лицензирования и получения разрешений на использование радиочастот. Для 802.11b стандартным стал диапазон 2,4 ГГц, для 802.11a - 5 ГГц (вернее, две области частот, 5,15-5,35 ГГц и 5,725-5,825 ГГц) и, соответственно, максимальные скорости передачи данных 11 и 54 Мбит/с.
В обоих стандартах применяется один и тот же механизм CSMA/CA (множественный доступ с контролем несущей и избежанием конфликтов), объединяющий их с наиболее распространенным стандартом локальных сетей - Ethernet. Однако деление рабочей области частот на множество частотных каналов, в которых параллельно передаются данные, характерное для 802.11а, позволяет производителям использовать более гибкие схемы передачи данных и механизмы обеспечения QoS (Quality of Service) - см.новость «Атэрос, радиата» в #363.
Радиус соты, если не применять специальных направленных антенн, обычно не превышает 100 метров, а скорость передачи заметно падает при удалении от базовой станции. По данным компании Atheros, одного из первых производителей чипсетов стандарта 802.11a, для 802.11b критическими являются расстояния около 30 метров (скорость передачи 5,5 Мбит/с) и 50 метров, где скорость падает до 2 Мбит/с. В случае 802.11a на расстоянии 30 метров этот показатель падает уже втрое, до 18 Мбит/с, а на 50 метрах - обычно не превышает 6 Мбит/с. В среднем, при тех же расстояниях, 802.11a обеспечивает примерно трехкратный выигрыш в скорости передачи данных и заметный, от 4 до 9 раз, выигрыш по энергопотреблению, из расчета на единицу переданной информации (по данным Atheros), и несколько проигрывает по дальности передачи данных, хотя и в значительно меньшей степени, чем предсказывала теория, сохраняя функциональность на расстояниях более 60 метров.
Еще одним отличием этих стандартов является число используемых частотных диапазонов. Самое распространенное оборудование стандарта 802.11b использует модуляцию DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) и делит доступный частотный диапазон на три рабочие области: как результат, при регулярном покрытии две соты с одной рабочей частотой может отделять лишь одна сота, а 802.11a допускает одновременную передачу данных в восьми частотных диапазонах (и еще четырех - в верхней части частотного диапазона, нацеленной, в первую очередь, на городские сети, см. рис. 1), что заметно упрощает частотное планирование и позволяет уменьшить нежелательную интерференцию сигналов из прилегающих сот, использующих те же рабочие частоты. Кроме того, используемый в 802.11a метод модуляции OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) делает этот стандарт более устойчивым к многолучевому распространению.
Заметим, все семейство 802.11 находится в постоянном развитии. Так, Министерство обороны США рассматривает предложение добавить к трем имеющимся физическим уровням передачи данных стандарта 802.11, двум - радиочастотным (FHSS и DHSS) и одному оптическому, инфракрасному, еще одного, четвертого, радиочастотного сверхширокополосного физического уровня - UWB (или Ultra-WideBand; см. «КТ» #413, «Прощай, голубой зуб?»). Правда, не исключено, для внутреннего применения и после некоторой адаптации: берем готовые верхние уровни 802.11, приделываем к ним собственный закрытый нижний и никого не пускаем; среди аргументов авторов программы - возможность пеленгации радиопередатчиков и слабая криптографическая устойчивость стандарта 802.11b. Но вот ведь загвоздка: если существует открытый стандарт, значит, передачу можно принять, а следовательно, и запеленговать. А сама посылка стандарта UWB, будучи принятой, уже не имеет криптографической ценности - вся прелесть в закрытых кодах, делающих невозможным прием.
Впрочем, среди аргументов встречаются и общечеловеческие ценности: быстрота развертывания сетей, устойчивость к многолучевому распространению и, в перспективе, возможность, в отличие от существующего 802.11а, глобального применения - ведь ни одно из правительств пока не ограничивает (и не может контролировать!) использование устройств, работающих ниже уровня естественных радиочастотных шумов.
Не совсем ясна и юридическая подоплека UWB. Эта технология использует очень широкий и притом непрерывный спектр частот, и совершенно понятно, как к ней будут относиться компании, выложившие миллионы долларов за участок спектра, который исподволь (пусть даже и ниже уровня шумов) будут использовать их прямые конкуренты.
Другие предложения рассматриваются, притом всерьез и интенсивно, самим комитетом IEEE 802. Из них наиболее интересны, пожалуй, два - новые стандарты передачи данных 802.11g и 802.11h.
Первый нацелен на достижение скорости передачи данных выше 20 Мбит/с в уже переполненном диапазоне частот 2,4 ГГц, и если б не сентябрьские теракты, наверняка был бы уже принят. На стандартизацию претендовали два протокола, две схемы модуляции и передачи данных: Texas Instruments продвигала технологию, названную Packet Binary Convolutional Code (PBCC), которая, как утверждается, обеспечивает обратную совместимость с оборудованием стандарта 802.11b. Тем не менее, Intersil оказалась более удачливой в продвижении стандарта, основанного на OFDM, - обеспечивающего, соответственно, лучшую совместимость с 802.11a и, в перспективе, те же скорости передачи данных: до конца года Intersil планирует выпустить чипсеты, обеспечивающие скорость передачи до 34 Мбит/с, а во втором квартале следующего года - достичь отметки 54 Мбит/с.
Среди аргументов жюри - отсутствие очевидных преимуществ у рассматриваемых способов модуляции и, видимо, популярность OFDM: помимо 802.11a, этот метод модуляции используют сейчас ADSL, одна из разновидностей VDSL, наземное цифровое телевидение (DVB-T), цифровое радиовещание (DAB), системы фиксированной связи и некоторые другие технологии. Тем не менее, пользователи скорее всего смогут сами сравнить достоинства и недостатки обоих стандартов: TI заявила о поддержке PBCC в своих будущих чипсетах стандарта 802.11b.
802.11h нацелен на другую задачу: обеспечение глобальной поддержки стандарта 802.11a. По иронии судьбы, в Европе в 5-гигагерцовом диапазоне частот для беспроводных локальных сетей выделен больший участок спектра, но частично он занят под спутниковые коммуникации и другие наземные службы и не совпадает с диапазоном частот, выделенным FCC. Поэтому в чистом виде, без дополнительной адаптации, и в Европе, и в Японии у 802.11a нет никаких шансов быть принятым регулирующими органами. 802.11h должен дополнить стандарт 802.11a механизмами динамического управления частотами и мощностью сигнала - например, простым обнулением соответствующих спектральных компонент, как это сделано в ADSL-стандарте G.dmt, где нижняя область частотного диапазона предоставлена под передачу аналоговой телефонии.
У нового стандарта уже появляются сторонники в Европе: недавно компания Philips Semiconductor заявила, что не собирается разрабатывать и выпускать наборы микросхем для европейского стандарта HiperLAN/2 и направляет все усилия на разработку микросхем, поддерживающих стандарты 802.11a и h. Ожидается, что оборудование стандартов HiperLAN/2 и 802.11h появится примерно в одно и то же время. Соответственно, задержки могут пойти на пользу стандарту 802.11g, который и в Европе, и в России может получить заметно большее распространение, чем в Америке.
Как впрочем, и другой стандарт, Broadband DECT, который может быть принят ETSI (Европейским институтом по телекоммуникационным стандартам) уже в начале следующего года. Максимальная пропускная способность в 20 Мбит/с на расстояниях до 17 км (очевидно, при использовании направленных антенн), использование сравнительно чистого частотного диапазона, зарезервированного для DECT, и недорогих комплектующих (по имеющимся данным, стоимость наборов микросхем для Bluetooth и 802.11b составляет от 20 до 30 долларов, а для DECT - около 15) могут сделать эту технологию конкурентоспособной - по крайней мере, в Европе.
Алло, база?
Широкое распространение новых протоколов и соответствующего оборудования передачи данных принципиально меняет сложившуюся парадигму беспроводной связи. До последнего времени расходы по организации и поддержке сети базовых станций полностью возлагались на оператора беспроводной связи - неважно, мобильной или фиксированной. Появление беспроводных комплектов передачи данных - точек доступа и клиентских устройств, работающих в нелицензируемых диапазонах частот и повсеместная распространенность магистральной инфраструктуры позволили, за счет отсутствия расходов по лицензированию частот, относительной дешевизны таких базовых станций и снижения стоимости их подключения к информационным магистралям, предложить беспроводной доступ в хот-спотах практически по цене традиционного проводного доступа.
Однако очевидная привлекательность таких сервисов не спасла упоминавшуюся в начале статьи MobileStar: несмотря на грандиозные планы - к концу года только в кафе сети StarBucks должно было открыться несколько тысяч хот-спотов, - компания оказалась на грани банкротства.
К причинам провала аналитики относят, среди прочего, и недостаточную клиентскую базу, и необходимость для абонентов иметь, наряду с проводным, домашним провайдером, еще и беспроводного (ох уж эти многочисленные счета), и недостаточную рекламу новой услуги. Впрочем, все могло оказаться гораздо прозаичнее: губительную роль могли сыграть и так называемые паразитные сети (parasitic grid), ставшие на Западе довольно популярными.
Энтузиасты (и, по совместительству, евангелисты) таких сетей, как правило, имеют широкополосное подключение к Интернету с фиксированной абонентской платой и не тарифицируемым трафиком (flat-rate). Большую часть времени такое соединение простаивает, что позволяет его владельцу, приобретя беспроводную точку доступа, предоставить услуги передачи данных и себе, и соседу и даже прохожему, оказавшемуся в зоне ее покрытия. И притом совершенно бесплатно!
Правда, здесь может оказаться более подходящим другой термин - giftware, или экономика подарков: через некоторое время отдельные владельцы таких «хот-спотов» с удивлением обнаруживают, что у них, оказывается, вовсе неплохие соседи, которые, например, пекут замечательные булочки и вообще делают много полезных вещей… Впрочем, явление паразитных сетей, скорее всего, временное и скоротечное. «Плоские» тарифные планы, с большой вероятностью, отомрут с распространением широкополосного доступа, да и сами владельцы сетей не прочь подзаработать на предоставлении беспроводного доступа - не деньгами, так хоть булочками.
Впрочем, для крупных операторов беспроводного доступа решения уже появляются - ими всерьез занялся консорциум GRIC, готовый за небольшую плату поделить доходы между всеми участниками цепочки: провайдером, от которого пришел клиент, владельцем магистрали и оператором, предложившим этому клиенту услугу беспроводного широкополосного доступа.
Над разработкой стандартов роуминга и биллинга работает и концерн WECA, а вездесущая Cisco, которая не так давно заявила о поддержке на уровне сетевой операционной системы IOS протокола Mobile IP, позволяющего, среди прочего, инкапсулировать в протоколе IP… сам протокол IP: и все для того, чтобы сохранить за мобильным пользователем постоянный IP-адрес!
Как знать, если бы вопросы биллинга и беспроводного роуминга были уже решены, судьба MobileStar могла бы сложиться по-другому.
Наряду с биллингом и роумингом, в повседневном обиходе беспроводных сетей становятся популярными и два других термина - ad-hoc и mesh, обозначающих одно и то же понятие - многосвязные, «многие со многими», беспроводные сети, эксплуатирующие еще одно свойство оборудования RadioEthernet: возможность одноранговых, без участия базовой станции, коммуникаций.
Одно из наиболее простых применений таких сетей - возможность обойти условие прямой видимости, необходимое для работы подавляющей части беспроводного оборудования. В этом случае сигнал абоненту, оказавшемуся «в тени» базовой станции, передает другой абонент (вернее, его оборудование), находящийся поблизости - и не «в тени». А в более сложных случаях речь уже идет о самоорганизации и организации средствами сети беспроводной многопоточной магистрали: чем больше участников, тем выше общая пропускная способность такой самоорганизующейся сети. Узел сети, как правило, имеет антенну с круговой диаграммой направленности (см. фото из коллекции Rooftop).
Хотя, конечно, без специального планирования в mesh-сети неизбежно будут образовываться заторы - хотя бы в местах подсоединения ее к традиционным проводным магистралям.
Стремясь обойти эти ограничения, одна из первых производительниц оборудования для таких сетей, компания Rooftop (поглощенная впоследствии Nokia, предлагающей сейчас оборудование Rooftop на американском рынке), ввела два класса сетевых устройств (см. рис. 4): узел магистрального доступа AirHead с суммарной пропускной способностью около 12 Мбит/с, и абонентских беспроводных маршрутизаторов с пропускной способностью около 2 Мбит/с. В зависимости от числа «скачков» (хопов), которое должен совершить IP-пакет на пути к абоненту, скорость подключения последнего к сети может составлять от 384 до 768 кбит/с, а на одну подсеть может приходиться до 40 абонентов.
Следующим эволюционным шагом в развитии беспроводных самоорганизующихся mesh-сетей стала DIRC (Digital Inter-Relay Communications). Ее создатели использовали замечательное свойство модуляции OFDM разбивать целостный поток данных на множество параллельных потоков. Как косвенное следствие, возникает возможность строить сети по-новому. Ведь потоки формируются цифровым способом, а значит - потоками данных в каждом из каналов можно легко управлять и настолько же легко их можно коммутировать, образуя логические канальные соединения между элементами сети. Как результат, время хопа уменьшилось с характерных для Rooftop 50 мс до 200 мкс, что позволило образовывать цепочки длиной до 750 узлов, при суммарной задержке, необходимой для «телефонного» качества связи, 150 мс.
Кстати, несмотря на то, что в стандарт 802.11 на MAC-уровне заложены традиционные для Ethernet механизмы разрешения коллизий при доступе к среде, ряд производителей закладывает в свои чипсеты возможность реализации таких вот многопоточных соединений, позволяющих и гибко распределять общую пропускную способность сети между ее участниками, и оптимизировать энергопотребление отдельных устройств. Правда, в последнее время активности на сайте www. dirc.net заметно поубавилось, что позволяет говорить как о провале предприятия, так и, с почти равной вероятностью, о переходе разработки в фазу внедрения.
Оставшиеся ad-hoc-технологии, представленные в таблице (смю полную версию статьи на сайте), - модели уже этого сезона. Одна из них, AirFiber, использует беспроводную оптику (и продвигается сейчас в союзе с Alcatel), CALY полагается на достижения в области лицензируемого диапазона миллиметровых радиоволн и адаптивных антенн с многолучевыми диаграммами направленности (и все это, богатство, заметьте, размещается на стороне абонента!), а третья, из далекой Новой Зеландии - на уже упоминавшейся сверхширокополосной UWB. В отличие от предыдущих, Indranet обещает достичь беспрецедентной плотности абонентов - до одного миллиона на квадратный километр (или по одному на метр - плотнее только на кладбище), а среди дополнительных аргументов, создатели сети говорят о возможности организации распределенных вычислений, использующих всю мощь сигнальных процессоров составляющих ее базовых станций. В ходу маркетинговых ухищрений - как знать, быть может, Indranet права? - и новый термин, last 10 miles: именно на преодоление этого участка дистанции на пути к потребителю широкополосных услуг нацелена эта, без сомнения, перспективная технология.
Плохо жить без пистолета
Рассматривая перспективы широкополосных технологий, многие аналитики склонны верить в полную и окончательную победу стандарта 802.11a (речь, конечно, идет о линейке 802.11). Думается, что в условиях ограниченного частотного спектра, когда повсеместно разрабатываются и применяются на практике технологии пространственного, временного и спектрального уплотнения, когда уже сделаны значительные инвестиции - например, в тот же Bluetooth, такие заявления просто безответственны. Тем более что каждый частотный диапазон имеет свои, уникальные особенности распространения и регулирования.
В этих условиях ко двору, скорее всего, придутся любые технологии беспроводной передачи данных, способные обеспечить необходимые качество, скорость и доступность: и HiperLAN, и все семейство стандартов 802.11, и навязший уже в зубах Bluetooth, и broadband DECT и все-все-все. А ведь здесь еще ни слова не сказано о 802.16 и 802.15, соответственно, стандартах на городские беспроводные сети (fixed wireless) и персональные сети - PAN, Personal Area Networks, призванных обеспечить высокоскоростную вещательную передачу данных (по схеме «точка - многоточка») в городских сетях и надежное бесшовное взаимодействие великого множества гаджетов, сенсоров, датчиков освещения, напора и расхода воды и газа и т. д., управление исполнительными механизмов бытовых устройств и прочей хозяйственной утварью. И причем, делать это наиболее простым и понятным для их владельца способом.
Еще лучше - вовсе без его участия, на основе простого свода правил и предустановок. Как например, это пытается делать чипсет, разработанный корпорацией Embedded Wireless Devices: устройства на его основе сразу после включения будут прослушивать весь диапазон частот, пытаясь определить доступные сети и протоколы, а затем - подключиться к обнаруженным сетям.
А выбирать есть из чего: на одном кристалле содержатся два полосовых радиочастотных процессора. Один обеспечивает работу в стандартах IEEE 802.11b, Bluetooth, HomeRF и WDCT (американская разновидность стандарта DECT, работающая в диапазоне 2,4 ГГц), а другой - HiperLAN 2 и 802.11а (соответственно, 5,7 ГГц) - в любой из комбинаций. Каналы работают одновременно, так что на одной микросхеме можно реализовать шлюз - конвертор 2,4/5,7 ГГц или, в зависимости от шумовой обстановки и необходимой скорости передачи данных, оперативно переключаться между каналами и задачами, реализуя необходимое качество связи.
После заявленных характеристик реализация на той же микросхеме интерфейсов USB 1.1, IrDA, PCMCIA, ISA, кодека G726 (и, соответственно, портов для подключения телефонных микрофона и динамика) и двух Ethernet-портов, на 10 и 10/100 Мбит/с - при токе потребления около 0,2 А, напряжении питания 1,8 В и цене меньше 30 долларов (в начале следующего года, когда должны появиться коммерческие образцы) - кажется суровой необходимостью.
Все это - не что иное, как одна из первых реализаций идей программно определяемого радио (SDR, Software Defined Radio). После довольно долгого периода предпродажная подготовка этой технологии закончена и, наконец, начинают появляться первые коммерческие образцы.
Изменения, которые произойдут с их массовым распространением в индустрии беспроводного доступа, будут скорее всего оглушительны: многие аналитики сравнивают возможный эффект их появления с тем, что в свое время, в начале 1980-х, произвели первые персональные компьютеры.
[i42148]
