Wyższa Szkoła Informatyki i
Zarządzania
Internet w bezprzewodowych sieciach komputerowych ze statycznym
podziałem łącza oparytm o system Linux.
Kierunek: Informatyka
Specjalność: Systemy Informatyczne i Telekomunikacyjne
Dyplomant: Artur Lazar
Promotor: Dr Ewa Kalinowska
Cel pracy
Celem pracy było zaprojektowanie i wykonanie instalacji
bezprzewodowej sieci komputerowej w Pszczynie na osiedlu
Powstańców Śląskich. Na dzień dzisiejszy sieć liczy 23 użytkowników.
Prace można podzielić na dwa duże działy pierwszy dział opisuje
konfiguracje punktu dostępowego, anten oraz kart sieciowych do
współpracy ze soba. Praca pokazuje jak skonfigurować stacje
nadawcza (bazowa) , pokazanie w jaki sposób można wykorzystać w
miarę słaby komputer pod względem mocy obliczeniowej do
wykorzystania go jako profesjonalnego routera z podziałem pasma
internetowego oraz dynamicznie przydzielanymi adresami IP. Cała
praca serwera (routera) widoczna jest na stronie WWW serwera i jest
dostępna dla wszystkich użytkowników sieci. Praca ta pokazuje
również jak można dzielić łącze internetowe z przydziałem pasma
internetowego dla każdego użytkownika tak aby nie ograniczać
użytkowników wyłączaniem usług P2P Praca ta zawiera odpowiednie
skrypty i łącza opisane w dalszej części pracy. Cała praca wykonana
jest w sposób odpowiadający wszystkim normom z nią związanymi.
Praca ta jest oparta na najnowszych rozwiązaniach stosowanych
współcześnie w systemach łączenia komputerów w sieci
bezprzewodowe. Wykorzystane produkty i materiały umożliwiają
długoletnie korzystanie z wykonanej sieci .
Sieci WLAN
Sieci WLAN ostatnimi czasy stały się bardziej popularne, stało się to głównie temu że
sprzęt stał się ogólniej dostępny i znacznie tańszy. Wiele ludzi na całym świecie marzyło
aby udostępniać z wybrana osoba swoje dane lub łącze internetowe. Z przyczyn
technicznych nie było to możliwe bo jak widomo w sieciach przewodowych długość kabla
jest ograniczona do 100m.Instnieja różne metody, techniki na wydłużenie tej odległości
ale są one zazwyczaj nie wygodne. Dziś dzięki bezprzewodowym siecią możemy połączyć
się z wybraną osoba oddalona od nas o 20 km i dzielić z nią np. łącze internetowe, dane
czy tez nawet grac w czasie rzeczywistym.
Powstanie pierwszych sieci bezprzewodowych nastąpiło wraz z upowszechnieniem się i
doskonaleniem urządzeń nadawczo odbiorczych pracujących w paśmie 2,4 GHz takich jak
popularne telefony bezprzewodowe czy klawiatury i myszki. Przez lata doskonalono
transmisję radiową, rozwiązywano problemy kodowania danych, czy sprawdzania
poprawności przesyłanych pakietów. Wszystko to postępowało wolnym rytmem aż do roku
2000 kiedy to nastąpił „boom” technologiczny pozwalający wreszcie na masowe
wdrożenia już gotowych systemów transmisji danych. Standard ten zaakceptowało
stowarzyszenie WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance), który skupiał takich
producentów jak Lucent, Nokia i inne. Przyczyni się to do ustalenia reguł współdziałania
na platformie różnych producentów i użytkowników domagających się uproszczeń w
technologii bezprzewodowych sieci LAN.
Bezprzewodowe sieci komputerowe są na dzień dzisiejszy dobrze rozwinięte ale do
końca nie jest to jeszcze tak jakbyśmy sobie przewidywali. Częstym problem nadal
występujących w sieciach komputerowych jest brak kompatybilności sprzętu .Kupujemy
kartę sieciową a po przyjściu do domu, po konfiguracji okazuje się ze nasza karta nie chce
współpracować z dostępnym punktem bazowym w którego jesteśmy zasiegu. Jest to
przykre ale prawdziwe ale miejmy nadzieję ze z każdym dniem sytuacja ta będzie ulegała
radykalnej zmianie .
Podstawy projektowania sieci WLAN
Strefa Fresnela (czyt. Frenela) to jedno z najważniejszych pojęć pojawiające
się w tematyce radiowej z którym koniecznie trzeba się zapoznać. Jest nią
obszar aktywnie uczestniczący w przenoszeniu energii sygnału radiowego.
Kształt tego obszaru w przekroju wzdłużnym jest elipsą, a w przekroju
poprzecznym jest okręgiem. Promień tego okręgu zmienia się na długości
całego łącza radiowego i przyjmuje wartość maksymalną w połowie odległości
między antenami. Największe znaczenie ma pierwsza strefa Fresnela, gdyż to
właśnie w niej przenoszona jest prawie cała energia sygnału radiowego
Rysunek 1: Kształt strefy Fresnela.
R1 jest to promień I strefy obliczony według poniższego wzoru:
[m.]
gdzie:
d
km
= d
1km
+d
2km,
jest to odległość między masztami
d
1km
– odległość od pierwszej anteny w km
d
2km
– odległość od drugiej anteny w km
Na kolejnych dwóch rysunkach widać źle wykonaną
instalację. Na pierwszym z nich instalator nie zapewnił
widoczności radiowej anten. Łącze nie działa. Na drugim z
rysunków obecność przeszkód w pierwszej strefie Fresnela
powoduje, że łącze radiowe nadal nie działa.
Rysunek 2: Źle wykonana instalacja.
Rysunek 3: Kolejny przykład źle wykonanej instalacji.
A tak wygląda prawidłowo wykonana instalacja. Widoczność
anten i brak przeszkód w pierwszej strefie Fresnela powoduje,
że łącze zostało zestawione:
Rysunek 4: Prawidłowo zestawione łącze.
W praktyce zapewnienie czystości 60% I strefy Fresnela
gwarantuje minimalne starty mocy.
Długość łącza radiowego
[km]
60% promienia I strefy Fresnela
[m]
2,4 GHz
5 GHz
0,1
1,1
0,7
0,2
1,5
1,0
0,5
2,4
1,6
1
3,4
2,3
2
4,7
3,3
3
5,8
4,0
4
6,7
4,6
5
7,5
5,2
6
8,2
5,7
7
8,9
6,1
8
9,5
6,6
9
10,1
7,0
10
10,6
7,3
Tabela 1: Zależność promienia I strefy Fresnela w funkcji długości łącza
radiowego dla systemów działających na częstotliwości 2,4 GHz oraz
5 GHz
Wybór punktu dostępowego oraz
anteny dla stacji bazowej
Przegląd dostępnych na rynku punktów
dostępowych
Przy doborze punktu dostępowego należy przed zakupem zastanowić się czy
punkt dostępowy będzie pracował w pomieszczeniu wewnątrz budynku np.
(strych ,pokój, piwnica) albo będzie pracował bezpośrednio na zewnątrz i
będzie narażony na czynniki zewnętrzne (woda, śnieg , mróz) urządzenia
mające możliwość pracy na zewnątrz są dużo droższe od standartowych
urządzeń pracujących w domach. Największym problemem jest to ze
długość kabla od anteny powinna być jak najkrótsza im większa długość
kabla tym większa strata mocy czyli najlepiej było by stosować urządzenia
znajdujące się na zewnątrz bezpośrednio zamontowane pod antena czyli
tzw. urządzenia outdoor. W swojej pracy zastosowano zwykle urządzenie bez
certyfikatu pracy na zewnątrz. Urządzenie znajduje się pod antena
bezpośrednio na dachu domu . Punkt dostępowy jest zamknięty w
hermetyczne plastikowe pudło a na zimę jest dodatkowo wkładane w
styropianowy karton aby zapewnić odpowiednią temperaturę pracy
.Temperatura pracy urządzeń pracujących w budynkach mieści się w
granicach od 0 do 50 stopni Celsjusza a urządzeń outdoor w granicach od
-20 do 50 stopni Celsjusza. Urządzenia outdoor są już tak zaprojektowane ze
nie trzeba ich montować czy dawać do pudel hermetycznych, maja one
uchwyt który można bezpośrednio przykręcić do tej samej rurki do której
przykręcona jest antena stacji bazowej.
Stacje bazowe dzielą się również pod względem możliwości:
- osiągalnych maksymalnych transferów (1Mbit obecnie do
108Mbit)
- ilością komputerów które mogą do siebie podłączyć
- szyfrowaniem danych (starsze stacje bazowe maja możliwość
szyfrowania
danych tylko kluczem WEP a nowsze maja dodatkowo klucz
WPA
- możliwość wbudowanego router, switcha
- możliwość zarządzania pasmem podziału sieci oraz separacji
uzytkowników
Ceny punktów dostępowych na polskim rynku kształtują się od
200 zł. w gore nawet do 5tys zł. Z doświadczenia można
powiedzieć ,że im droższy punkt dostępowy tym lepszy i więcej opcji
można w nim skonfigurować Z reguły do droższego punktu
dostępowego można podłączyć większa liczbę komputerów można
też powiedzieć ze punkt ten jest bardziej stabilniejszy (link quality
,singla streinght ) przy korzystaniu maksymalnej ilości użytkowników
) np. do punktu dostępowego firmy Planet można podłączyć do 25
użytkowników ale testerzy i recenzenci tego sprzętu nie polecają
podłączenia wiecie niż 15 użytkowników, po przekroczeniu tej liczby
sprzęt staje się mniej stabilny i nieznacznie spada moc sygnału.
Producenci punktów dostępowych (Access Point): Planet
,Orinoco, Dlink, LinkSys, Itec, UsRobotics, SmartBridge
Dobór anteny w zależności od oddalenia
użytkowników od stacji bazowej
Anteny na pasmo 2,4 GHz charakteryzują się zyskiem z przedziału od 7 dBi
do 24 dBi. Powszechnie stosowanym typem kabla na to pasmo jest H‑155 o
tłumienności 49,6 dB / 100 m oraz H‑1000 o tłumienności 21,5 dB / 100 m.
W paśmie 5 GHz anteny osiągają zyski energetyczne 10 dBi – 27 dBi. Są to
więc zyski nieco wyższe od pasma 2,4 GHz. Stosowanym kablem do tego
pasma jest np. CNT‑400 o tłumienności 33 dB / 100 m.
Rysunek 5: Składniki bilansu energetycznego
TSL [dBm]– poziom sygnału na zaciskach nadajnika
RSL [dBm] – poziom sygnału na wejściu odbiornika
FSL [dB] – starty sygnału w wolnej przestrzeni
GT [dBi] – zysk anteny nadawczej
GR [dBi]– zysk anteny odbiorczej
CLT [dB]– starty sygnału w przewodzie i w stykach
CLR [dB] – starty sygnału w przewodzie i w stykach
Nadajnik wysyła sygnał wielkiej częstotliwości do przyłączonego kabla z mocą
TSL [dBm]. Sygnał po przejściu do zacisków anteny nadawczej ulega stłumieniu o
wartość CLT [dB]. Antena wypromieniowując sygnał ogniskuje go uzyskując w ten
sposób efekt wzmacnia sygnału o GT [dBi]. Sygnał wielkiej częstotliwości po
zamianie na falę elektromagnetyczną propaguje w przestrzeni. Po przebyciu
odległości d [km] ulega osłabieniu o FSL [dB]. Antena odbiorcza zamieniając falę
elektromagnetyczną na sygnał w.cz. zwiększa jego poziom o GR [dBi]. Sygnał
ponownie zostaje stłumiony w kablu. Po dotarciu do odbiornika pojawia się na jego
zaciskach przyjmując wartość RSL [dBm].
RSL = TSL – CLT + GT – FSL + GR – CLR
Aby uodpornić się na zjawisko chwilowego spadku mocy sygnału wprowadza się
do obliczeń parametr FM, tj. margines na zanik. Typowa jego wartość wynosi 10 dB.
FM = RSL – RSLFM
RSLFM jest to poziom odbieranego sygnału w zaniku. Jeżeli chcemy aby
RSLFM = – 80 dBm to wymaga się aby projekt łącza radiowego był wykonany na
RSL = – 70 dBm
Naszym celem jest dobranie takich anten, aby uzyskać wymagany poziom
sygnału RSL [dBm] = – 80 dBm. Większość urządzeń WLAN’owych pracuje wtedy z
największą prędkością.
moc
nadajn
ika
[dBm]
rodzaj
kabla
długość
kabla
[m]
Zasięg łącza radiowego [km]
0,5
1
2
3
4
6
8
10
15
16
H-155
3
11,38
17,3
8
23,3
8
26,8
8
29,3
8
32,9
8
35,4
8
37,3
8
40,88
7
15,34
21,3
4
27,3
4
30,8
4
33,3
4
36,9
4
39,4
4
41,3
4
44,84
15
23,28
29,2
8
35,2
8
38,7
8
41,2
8
44,8
8
47,3
8
49,2
8
52,78
H-
1000
3
9,79
15,7
9
21,7
9
25,2
9
27,7
9
31,3
9
33,8
9
35,7
9
39,29
7
11,65
17,6
5
23,6
5
27,1
5
29,6
5
33,2
5
35,7
5
37,6
5
41,15
15
15,36
21,3
6
27,3
6
30,8
6
33,3
6
36,9
6
39,4
6
41,3
6
44,86
18
H-155
3
9,38
15,3
8
21,3
8
24,8
8
27,3
8
30,9
8
33,4
8
35,3
8
38,88
7
13,34
19,3
4
25,3
4
28,8
4
31,3
4
34,9
4
37,4
4
39,3
4
42,84
15
21,28
27,2
8
33,2
8
36,7
8
39,2
8
42,8
8
45,3
8
47,2
8
50,78
H-
1000
3
7,79
13,7
9
19,7
9
23,2
9
25,7
9
29,3
9
31,8
9
33,7
9
37,29
7
9,65
15,6
5
21,6
5
25,1
5
27,6
5
31,2
5
33,7
5
35,6
5
39,15
15
13,36
19,3
6
25,3
6
28,8
6
31,3
6
34,9
6
37,4
6
39,3
6
42,86
20
H-155
3
7,38
13,3
8
19,3
8
22,8
8
25,3
8
28,9
8
31,4
8
33,3
8
36,88
7
11,34
17,3
4
23,3
4
26,8
4
29,3
4
32,9
4
35,4
4
37,3
4
40,84
15
19,28
25,2
8
31,2
8
34,7
8
37,2
8
40,8
8
43,3
8
45,2
8
48,78
H-
1000
3
5,79
11,7
9
17,7
9
21,2
9
23,7
9
27,3
9
29,8
9
31,7
9
35,29
7
7,65
13,6
5
19,6
5
23,1
5
25,6
5
29,2
5
31,7
5
33,6
5
37,15
15
11,36
17,3
6
23,3
6
26,8
6
29,3
6
32,9
6
35,4
6
37,3
6
40,86
Zestawy abonenckie Wireless LAN
Rysunek 6: Zestaw abonencki
W sytuacji kiedy chcemy podłączyć do internetu
pojedynczych użytkowników, stosujemy tzw. zestawy
abonenckie.
W skład takiego zestawu wchodzi karta PCI lub USB z
konektorem SMA ( takiego jak w urządzeniach marki (PLANET)
, kabla niskotłumieniowego H155 lub H1000 oraz anteny - w
tym wypadku ( na zdjęciu ) anteny millenium. Taki zestaw
abonencki może współpracować zarówno z antenami
dookólnymi dostawcy internetu, jak i innym zestawem
abonenckim.
Dwa takie zestawy umożliwią połączenie dwóch
pracujących komputerów na odległość zależną od wybranych
anten
Zastosowany na zdjęciu kabel antenowy - to nisko-
tłumienny przewód H-155 charakteryzujący się niską stratą
0,4 dBi na jednym metrze. Dostępne jest wiele długości kabli
zaczynając od 2m na 21m kończąc. Straty na tak długich
odcinkach kabla rekompensujemy zyskiem anteny -
dobierając odpowiednio mocną wraz ze wzrostem długości
kabla.
Konfiguracja karty sieciowej do
współpracy z punktem dostępowym
Gdy odpowiednio według instrukcji w punkcie 5.3
skonfigurowaliśmy punkt dostępowy oraz swoja
antenę „wycelowaliśmy” w antenę stacji nadawczej
sprawa połączenia z nim jest już wiele prostsza.
Zazwyczaj instalujemy aplikacje do obsługi
bezprzewodowej karty sieciowej i uruchamiamy ja
następnie dajemy opcje wyszukania dostępnych sieci
bezprzewodowych i karta pokazuje nam dostępne
sieci które są w naszym zasięgu, następnie
zaznaczamy interesującą nas sieć i dajmy „connect”.
Urządzenie pobiera automatycznie wysztkie
ustawinia jakie powinny być czyli (nazwa punktu
gdzie się chcemy podłączyć ,numer kanału szybkość
połączenia itp.)
Rodzaje kabli i złącz stosowanych w
bezprzewodowych sieciach komputerowych
Większość urządzeń WLAN wyposażana jest w złącze SMA‑RP,
podczas gdy anteny zewnętrzne mają złącza N. Stosując kabel
H‑155 z jednej strony należy go zakończyć wtykiem SMA‑RP a z
drugiej strony odpowiednim wtykiem męskim lub żeńskim w
zależności od anteny. Jeżeli nie posiadamy zaciskacza, powinniśmy
wybrać wtyk zakręcany. Preferowane są jednak złącza zaciskane ze
względu na ich solidność.
wtyk zaciskany
wtyk zakręcany
Oprócz zaciskacza, potrzebna jest także
lutownica.
Wtyki / gniazda na kabel H-155 typu N
Zaciskane
Zakręcane
Wtyk męski
Gniazdo
żeńskie
Wtyk męski
Gniazdo
żeńskie
----------------------------
W przypadku H-1000, który jest grubszym kablem
niż H-155, należy użyć konektora SMA-RP na łącze N
(nie da się założyć wtyku SMA-RP na kabel H-1000).
Rysunek 7: Konektory antenowe wtyk SMA RP/ wtyk,
gniazdo N na przewodzie H‑155
Wtyki / gniazda na kabel H-1000 typu N
Zaciskane
Zakręcane
Wtyk męski
Gniazdo
żeńskie
Wtyk męski
Gniazdo
żeńskie
Rysunek 8: Sposób zarabiania kabla H155.
Źródła programów (skryptów) do
zarządzania ruchem w sieci
Są to trzy źródła programów (skryptów) do
zarządzania ruchem w sieci. Źródła są napisane od
interfejs eth0 do podziału uploadu, interfejsu eth1
jest to program do podziału downloadu dla każdego
użytkownika za pomocą tego skryptu administrator
systemu może przypisać dowolna wartość z jaka
użytkownik może ściągać dane z internetu. Trzeci
skrypt (eth1-noc) jest to skrypt głownie włączany
w nocy jest to skrypt uruchamiający cala
przepustowość łacza.
Wnioski
Zauważyliśmy, że komputer który wykorzystaliśmy do zastosowania jako
router musi mieć ponad 24mega bajów pamięci operacyjnej ponieważ skrypty
graficzne generujące wykresy obciążenia , ruchu na sieci wymagają większej
ilości pamięci. Gdy nie mamy tej wymaganej ilości pamięci system staje się
mniej wydajny i jest wykorzystywana tzw. pamięć dysku twardego.
W instalacji sieci bezprzewodowych doszliśmy do wniosku , że nie jest
najważniejsza moc zastosowanych anten ale widoczność anten, punkt bazowy
powinien być zamontowany na jak najwyższym punkcie tak aby antena
nadawcza była widoczna dla każdej anteny klienckiej. Jedynie przy małych
odległościach można się zdecydować na zamontowanie anteny w celu
przetestowania zestawionego łącza.
Skrypty podziału łącza internetowego są odpowiedzią na problem
powstały gdy jeden użytkownik zaczyna pobierać dane z szybkiego serwera
FTP i ma maksymalny transfer a reszcie użytkownikom z ledwością otwierają
się strony WWW. Program do podziału łącza tzw. skrypty też maja swoja wadę
bo gdy jest ustawiony tryb dzienny a na do sieci zalogowany jest jeden
użytkownik to nie może on przekroczyć danego transferu ustawionego w
skrypcie a w tym przypadku gdy jest jeden to mógłby wykorzystać cala
prędkość łącza. Zamierzamy w przyszłości stworzyć skrypt który będzie
sprawdzał ilu użytkowników zalogowanych jest do sieci i w zależności od tej
ilości będzie uruchamiał odpowiedni skrypt, w skrócie wyglądało by to tak gdy
do sieci zalogowany jest jeden użytkownik skrypt sprawdza np. poprzez
fingowanie adresowi p użytkowników i uruchamia skrypt pozwalający na
uzyskanie pełnej przepustowości łącza.