Беспроводная сеть масштаба микрорайона. Часть 1

Общаясь с друзьями и знакомыми, работающими в области ИТ, не раз приходилось слышать заявление, что Wi-Fi подходит только для сетей масштаба квартиры или небольшого офиса. В качестве аргументов приводились малая дальность, зависимость от погодных условий, ненадежность оборудования. Примерно такое же мнение бытует о том, что для провайдерских сетей не подходит платформа Windows. Аргументы: высокая ресурсоемкость, ненадежность и вообще неспособность работать в качестве системы биллинга.

Александр
by WildHunter http://airnet.sytes.net

А так ли это? Этот вопрос нас всерьез заинтересовал и подтолкнул к попытке создания беспроводной сети как раз на базе Wi-Fi и Windows. Оговорюсь, что некоторый опыт создания беспроводных сетей у нас уже был, правда, немного другого назначения – корпоративных.

Начали мы естественно с постановки самим себе техзадания:

1. Сетевая технология WiFi IEEE 802.11b/g, возможно в будущем 802.11a и 802.11n википедия
2. Серверы на базе Windows Server. В качестве основной ОС был выбран Windows Server 2003, как достаточно надежная и неприхотливая система, при этом обеспечивающая нужный функционал википедия
3. Максимальная простота развертывания, эксплуатации и администрирования сети.
4. Минимальные затраты, поскольку проект некоммерческий и финансирования со стороны не будет, придется обходиться собственными силами и средствами.
5. Надежность, производительность и пропускная способность, достаточные для обслуживания городского микрорайона.

Выбор оборудования

Основательно изучив рынок предложений недорогого Wi-Fi оборудования, мы остановили свой выбор на нескольких моделях точек доступа (ТД) от D-Link: DWL-2100AP, DAP-1150 и DAP-1160 http://www.d-link.ru. Основными причинами выбора именно этих точек стали их приемлемая цена, накопленный в России и на Украине большой опыт их эксплуатации, а также наличие большого количества альтернативных прошивок, как от различных производителей оборудования, так и open-source.

Для тестирования было закуплено несколько экземпляров указанных выше точек доступа, а также различных антенн к ним. Началось тестирование в различных режимах, на разных расстояниях, с различными антеннами и прошивками. От «родных» прошивок мы отказались практически сразу, поскольку они рассчитаны как раз на применение в домашних или условиях небольшого офиса, не позволяют менять многие важные параметры (ACK timeout, мощность передатчика, чувствительность приемника и т.д.), а также практически не обеспечивают возможности мониторинга беспроводных соединений.

Точки DWL-2100AP оказались хороши для построения мостов на большие расстояния (до 50 км), но капризными в эксплуатации и несовместимыми со многими другими моделями Wi-Fi устройств. Также у них обнаружилась неприятная проблема: довольно часто при большой нагрузке «слетали» прошивки, а их восстановление оказалось довольно непростой процедурой. В итоге DWL-2100AP была признана нами годной к применению только для организации мостов. Хотя вполне возможно, что нам просто достались неудачные экземпляры.

DAP-1150 – очень простое и надежное устройство, тем не менее отвечающее всем основным критериям хотспота. А с немного доработанной прошивкой от Conceptronic http://www.conceptronic.net эта точка стала практически полностью соответствовать нашим требованиям.

Рис. 1. Точка доступа DAP-1150

Основные характеристики DAP-1150 с прошивкой Conceptronic:

• Стандарты: 802.11b/g, 802.3/802.3u 10Base- T/100Base-TX Ethernet, ANSI/IEEE 802.3 NWay auto-negotiation.
• Интерфейсы: 802.11b/g беспроводная LAN, 1 порт 10/100Base-TX Ethernet LAN
• Диапазон частот: 2.4 – 2.4835 ГГц
• Количество каналов: 13 (ETSI)
• Схемы модуляции:
  802.11b: DQPSK, DBPSK, DSSS, CCK
  802.11g: BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM, OFDM
• Режимы работы: Station – Ad Hoc, Station – Infrastructure, AP, AP Bridge – Point to Point, AP Bridge – Point to MultiPoint, AP Bridge – WDS, Universal Repeater.
• Скорость передачи данных:
  802.11g: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Мбит/с
  802.11b: 1, 2, 5.5, 11 Мбит/с
• Чувствительность приемника: до -100dBm
• Выходная мощность передатчика: 20dBm
• Безопасность: WEP, WPA/WPA2, фильтрация МАС-адресов, SSID broadcast disable.
• Дополнительные возможности: IAPP, встроенный Radius-сервер.

DAP-1160 с прошивкой AProuter http://aprouter.com.br превратилась в довольно серьезное устройство с широким функционалом, включающим в себя массу полезных возможностей, от контроля качества WDS- соединений википедия до многофункционального шейпера википедия.

Рис. 2. Точка доступа DAP-1160

Основные характеристики DAP-1160 с прошивкой AProuter:

• Стандарты: 802.11b/g, 802.3/802.3u 10Base- T/100Base-TX Ethernet, ANSI/IEEE 802.3 NWay auto-negotiation.
• Интерфейсы: 802.11b/g беспроводная LAN, 2 порта 10/100Base-TX Ethernet LAN
• Диапазон частот: 2.4 – 2.4835 ГГц
• Количество каналов: 13 (ETSI)
• Схемы модуляции:
  802.11b: DQPSK, DBPSK, DSSS, CCK
  802.11g: BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM, OFDM
• Режимы работы роутера: WISP Client, Bridge, Gateway, Router (WAN Ethernet), Router (WAN Wireless).
• Режимы работы Wireless: Wireless Client, AP, WDS+AP, WDS-Bridge.
• Скорость передачи данных:
  802.11g: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Мбит/с
  802.11b: 1, 2, 5.5, 11 Мбит/с
• Чувствительность приемника: до -100dBm
• Выходная мощность передатчика: 20dBm
• Безопасность: WEP, WPA/WPA2, фильтрация МАС-адресов, SSID broadcast disable.
• Дополнительные возможности: IP Aliases, IAPP, Block Relay, Firewall, Traffic Control (шейпер), DDNS, Watchdog.

Антенны ANT24-0700C производства D-Link были выбраны по наилучшему показателю цена/качество в своем классе и из-за небольших размеров:

Рис. 3. Антенна ANT24-0700C

Основные характеристики ANT24-0700C:

• Диапазон частот: 2,4-2,5ГГц
• Сопротивление: 50 Ом
• VSWR: 1.92 (макс.)
• Максимальное усиление: 7dBi
• Допустимая мощность: 1 Вт
• Диаграмма направленности в вертикальной плоскости (Вектор Е): 24 градуса.
• Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости (Вектор Н): 360 градусов.
• Разъем: Reverse SMA «мама» (встроенный в антенну), переходник с RP-SMA на RP-TNC (внешний).
• Материал корпуса: ABS, ABS+PC
• Рабочая температура: От -20 до 65 градусов.

Построение сети

После завершения тестирования мы приступили к созданию собственно сети. В качестве базовой была выбрана классическая топология «звезда», центральной точкой которой стала DAP-1160 в режиме Bridge WDS, а «лучами» DAP-1150 в режиме WDS + AP. Использование технологии WDS позволяет получить на каждой точке доступа скорость передачи данных на уровне 1.2-1.4 Мбайт/с, максимальная скорость у клиентов составляет порядка 550-600 кБайт/с. Реальная скорость передачи данных зависит от типа клиентского оборудования и качества беспроводного соединения клиент-ТД, а также от количества клиентов и общей загрузки сети.

Рис. 4. Общая схема сегмента сети

Покрытие каждой ТД составляет (в радиусе, значения указаны при наличии прямой видимости или незначительных препятствий, например деревьев):

• Мобильные устройства (смартфоны, КПК, PSP и т.п.) – до 200м
• Ноутбуки, нетбуки, USB-устройства со встроенными антеннами – до 300м
• Ноутбуки, USB-устройства с внешними (или внутренними дипольными) антеннами – до 1500м
• ТД в режиме клиента с направленными антеннами – до 10км

Установка точек доступа

Естественно, что мы старались устанавливать ТД как можно выше, но не всегда это удается. Кроме того, при установке ТД на самую высокую мачту в округе, есть риск получить прямое попадание в нее молнии, от которого не спасет никакая грозозащита. Поэтому второй фактор, который мы старались учитывать – наличие поблизости громоотводов или более высоких мачт.

Все наши хотспоты стоят на мачтах высотой 4-6 метров, которые расположены на крышах зданий высотой в 5-6 этажей. Рядом есть небольшой массив из 9-этажных зданий, но нам не удалось договориться с местным ОСМД*.

Питание на точки подается по витой паре, обычно из квартир наших клиентов (чтобы избежать бюрократии с ЖЕКами и ОСМД), по этому же кабелю клиенты входят в сеть. Взаимовыгодное сотрудничество: мы получаем место для установки и запитки точки, а клиенты получают VIP-доступ к сети

* Комментарий автора. Объединение совладельцев многоквартирного дома (ОСМД). Юридическое лицо, созданное владельцами для содействия использованию их собственного имущества и управления, содержания и использования неделимого и общего имущества.

Качество

На следующем скриншоте показаны характеристики соединения с ТД на расстоянии ~1000 метров при прямой видимости (см. рисунок 5):

Рис. 5. Качественные характеристики соединения в Atheros Client Utility

ТД: DAP-1150, мощность 20dBm, антенна штыревая 7dBi. Клиент: ноутбук Asus X51RL, WiFi-плата Atheros AR2425, антенна встроенная дипольная 4dBi.

Линк стабильный, текущая скорость линка «гуляет» в пределах 18-36 Мбит/с, это нормально. Скорость загрузки файла с сервера сети держится в пределах 400-500 Кбайт/с. Может показаться, что при средней скорости линка в 24 мегабита это немного, но нужно учитывать особенности технологии Wi-Fi, в которой мегабиты совсем другие, чем в кабельных сетях. Кроме того, режим WDS также вносит свои коррективы, и не в большую сторону. Если вы ожидаете от Wi-Fi волоконно-оптических скоростей, то вам действительно лучше посмотреть в сторону оптики. А Wi-Fi это простая, недорогая, удобная и достаточно качественная связь для всех.

Как это ни странно, но на качество связи почти не влияют погодные условия. Если линк стабилен в хорошую погоду, то он таким и останется в дождь, снег или туман. Возможно, немного снизится скорость, но связь будет. Наш опыт практической эксплуатации показывает следующие результаты: в дождь (даже сильный) или снег уровень сигнала между ТД снижается в среднем всего на 1-4 dBm, туман никакого заметного влияния вообще не оказывает. Замечу, что все точки стоят на примерно одинаковом расстоянии от центральной, которое составляет 800-1200 метров. Для Wi-Fi при прямой видимости это расстояние несерьезное. Так что мнение о влиянии погоды на Wi-Fi сильно преувеличено. Влияние погодных условий становится заметным только на больших расстояниях, от 5 км и более. А вот что действительно отрицательно влияет**: преграды, помехи в эфире, избыточная мощность радиоустройств. Данные факторы обсуждались и не раз, например на http://www.lan23.ru, поэтому подробно мы их здесь рассматривать не будем.

** Комментарий автора. В последнее время технология Wi-Fi в наших краях сделала явный рывок, но непонятно, вперед, назад или «налево». В эфире полный бардак, огромное количество различных устройств, большинство из которых настроены как попало или вообще не настроены. Все это снижает качество связи, а если так и будет продолжаться дальше – связь вообще станет невозможной… Вот какая картина открывается с некоторых наших хотспотов:

Каждая ТД нормально выдерживает до 20 одновременно работающих клиентов, если нет «тяжелого» трафика, в первую очередь P2P. Если есть, то даже один клиент в состоянии через минуту сделать для всех остальных вход в сеть недоступным, а минуты через 3-5 отправить точку на перезагрузку. ТД почти не критичны к скорости или общему объему трафика, но очень критичны к количеству подключений. Это не значит, что использовать «тяжелый» трафик невозможно. Вполне возможно, если предпринять определенные меры для защиты сети от перегрузок. К таким методам защиты, например, относятся ограничение количества подключений на хост, работа по VPN, а также использование адаптивных шейперов и QoS. Но об этом поговорим в другой раз, так как это более относится к серверным технологиям, а не к Wi- Fi.

Несколько слов о клиентских устройствах

Сейчас на рынке представлена масса самых разнообразных устройств 802.11b/g/n. Из них довольно трудно, но возможно выбрать оптимальный*** вариант. Некоторые устройства, например USB-брелки со встроенной антенной, рассчитаны на работу только внутри помещения и обладают очень ограниченным радиусом действия. Даже одна стена или дерево под окном, для них уже неодолимая преграда.

Другой класс – это устройства с внешними антеннами. Даже со штатными антеннами они показывают неплохую дальность при прямой видимости, а при установке хорошей антенны вполне могут работать на расстояниях, измеряемых километрами. Поэтому при выборе Wi-Fi устройства стоит обратить внимание не только на дизайн, размеры и цену, но в первую очередь – на технические характеристики.

При покупке ноутбука, КПК или любого другого устройства, оснащенного встроенным Wi-Fi, также обязательно интересуйтесь характеристиками Wi- Fi платы, типом и характеристиками встроенной антенны. Зачастую, встроенные платы подходят только для связи внутри комнаты или на расстояниях до 100 метров на открытой местности. Хотя есть и большое количество устройств, оснащенных качественным Wi-Fi и вполне способных поддерживать связь на приличных расстояниях.

Основные характеристики Wi-Fi устройств

1. Стандарты, поддерживаемые устройством. От этого зависит универсальность и максимальная скорость передачи данных. В настоящее время в Европе поддерживаются следующие стандарты:
   • 802.11b (максимальная скорость 11 Мбит/с)
   • 802.11g (максимальная скорость 54 Мбит/с)
   • 802.11n (максимальная скорость 150/300 Мбит/с)
2. Мощность передатчика и чувствительность приемника. Не стоит чрезмерно увлекаться мощностью, слишком мощный сигнал в городских условиях скорее вреден, так как вызывает многократные отражения и наложения, а также создает массу помех. Да и для здоровья он не очень полезен. На наш взгляд оптимальные значения составляют до 100 мВт (20 dBm) мощности и -95 dBm чувствительности.
3. Возможность подключения внешней антенны и характеристики штатной. «Главная часть любого радиоустройства – антенна», это вам скажет любой специалист по любому виду радиосвязи. К Wi-Fi это тоже относится в полной мере. Для нормальной работы (приличной дальности и скорости) любого Wi-Fi-устройства необходима антенна с коэффициентом усиления не менее 4dBi.
4. Функционал устройства. К этому относится все, что устройство умеет делать и насколько удобно его использовать. По этому критерию выбор огромный, от самых простых до сложнейших устройств, которые «умнее» вашего компьютера. Главное – достаточно четко представлять, чего вы хотите и сколько вы согласны за это заплатить.

*** Комментарий редакции. Многие задаются вопросом: «Как увеличить дальность связи?». Перво-наперво, при выборе WLAN-аппарата, обратите внимание на то, чтобы выходная мощность была как можно ближе к разрешенной 20 dB. Следующим решающим фактором является чувствительность. У лучших современых аппаратов она находится на уровне -97 dB. Чем выше чувствительность к слабым сигналам, тем выше дальность. Но это палка о двух концах, так как мы не учитываем при этом помеховую обстановку вокруг.

Как влияют эти величины на дальность связи? К примеру, аппарат с мощностью в 20 dB сможет обеспечить в два раза большую дальность приема по сравнению с 14 dB, т.е. разница в 6 dB дает двойной выигрыш. Если к этому прибавить, что аппарат с чувствительностью -97 dB, позволяет получить выигрыш в 4 раза по сравнению с аппаратом, у которого чувствительность равна -76 dB, то общий выигрыш будет 8-ми кратным.

Заключение

Это основные характеристики, но существует еще масса различных тонкостей, специфических моментов и технических особенностей. Рассказать здесь обо всех нереально, поэтому выбор оборудования – совсем непростое дело, в котором не помешает консультация специалиста. Если вы, конечно, сами не являетесь таковым

Продолжение следует…

Ресурсы

• Сетевая аутентификация на практике http://www.citforum.ru/nets/articles/authentication
• Крупнейший и самый активный сайт рунета по Wi-Fi http://www.lan23.ru/index.html
• Антенны, много антен… хороших и разных http://radiowolna.narod.ru

Статья из пятого выпуска журнала “ПРОграммист”.
Скачать этот номер можно по ссылке.
Ознакомиться со всеми номерами журнала.