Bezdrátové sítě v zarušených prostředích - IS MUNI

MASARYKOVA UNIVERZITA

FAKULTA INFORMATIKY

Bezdrátové sítě v zarušených prostředích

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Bc. Ondřej Skipala

Brno, jaro 2011

Prohlášení

Prohlašuji, že tato diplomová práce je mým původním autorským dílem, které jsem vypracoval samostatně. Všechny zdroje, prameny a literaturu, které jsem při vypracování používal nebo z nich čerpal, v práci řádně cituji s uvedením úplného odkazu na příslušný zdroj.

Vedoucí práce: doc. RNDr. Eva Hladká, Ph.D.

i

Poděkování

Rád bych poděkoval své vedoucí práce, doc. RNDr. Evě Hladké, Ph.D., za možnost pracovat na této práci a za nasměrování do užší, velmi zajímavé oblasti, jakožto i za její rady a připomínky k práci. Taktéž bych rád poděkoval panu Vladimíru Honlovi za propůjčení pole k měření. Poděkování patří rovněž mé rodině za podporu a trpělivost, kterou mi poskytovali nejen při psaní této práce, ale během celého studia.

ii

Shrnutí

Diplomová práce se zabývá provozem bezdrátových sítí na frekvenci 5GHz, především zkoumá protokol IEEE 802.11a. Zaměřuje se na rušení, tj. provozování více sítí v jedné lokalitě na stejné nebo přilehlé frekvenci. Kromě toho práce zjišťuje příčiny vzniku latence a možnosti její eliminace. V druhé půlce práce jsou zkoumány vyzařovací diagramy antén s vlastní měřící aparaturou a vysílací výkony bezdrátových karet a klientských zařízení.

iii

Klíčová slova

Bezdrátové sítě 5GHz, bezdrátové spoje, wifi, IEEE 802.11a, Mikrotik, NStreme, QoS, HTB, řízení zahlcení sítě, antény, vyzařovací charakteristiky, diagramy, miniPCI karty, rušení, zarušené prostředí, SNR, SIR.

iv

ObsahÚvod.................................................................................................................................................1

1.1 Motivace a cíle práce.............................................................................................................11.2 Organizace dokumentu...........................................................................................................3

Teorie bezdrátových přenosů............................................................................................................42.1 Přenosová soustava................................................................................................................42.2 Výkonová bilance spoje.........................................................................................................52.3 Fresnelovy zóny.....................................................................................................................82.4 Polarizace...............................................................................................................................92.5 Odraz, ohyb a rozptyl vln.....................................................................................................102.6 Antény..................................................................................................................................122.7 Bezdrátové karty..................................................................................................................14

Bezdrátové sítě v pásmu 5GHz.......................................................................................................163.1 Všeobecné oprávnění...........................................................................................................163.2 Protokol 802.11a..................................................................................................................17

3.2.1 Modulace OFDM.........................................................................................................173.2.2 Schéma a vysílání datového rámce...............................................................................193.2.3 CSMA/CA...................................................................................................................203.2.4 Skrytý uzel, RTS/CTS..................................................................................................213.2.5 Parametry.....................................................................................................................22

3.3 Nstreme................................................................................................................................233.3.1 Parametry Nstreme.......................................................................................................233.3.2 Nstreme2......................................................................................................................24

Latence, Fronty...............................................................................................................................254.1 Kde vzniká latence...............................................................................................................25

4.1.1 Rychlost šíření signálu prostředím...............................................................................254.1.2 Zpracování na zařízení.................................................................................................264.1.3 Rychlost linky..............................................................................................................274.1.4 Přístup k médiu............................................................................................................294.1.5 Fronty...........................................................................................................................29

4.2 Fronty, QoS, HTB................................................................................................................294.2.1 Ideální přenosová rychlost...........................................................................................304.2.2 Zahlcení z více zdrojů..................................................................................................324.2.3 FIFO fronty..................................................................................................................324.2.4 Fronty v RouterOS.......................................................................................................344.2.5 HTB (Hierarchical Token Bucket)...............................................................................34

Indoor testování..............................................................................................................................385.1 Prvotní testování spoje.........................................................................................................38

5.1.1 Naivní testování spoje..................................................................................................395.1.2 Testování spoje s řízenými frontami.............................................................................42

5.2 Skrytý buffer (hardwarová fronta)........................................................................................465.2.1 Jednosměrný bezdrátový spoj......................................................................................465.2.2 Fast Ethernet................................................................................................................475.2.3 Hardwarová fronta.......................................................................................................48

v

5.2.4 Délka hardwarových front............................................................................................485.2.5 HTB a hardwarová fronta.............................................................................................495.2.6 Test dávkových dat (burst)...........................................................................................505.2.7 Schéma průchodu paketu routerem..............................................................................52

5.3 Testování 802.11a.................................................................................................................545.3.1 Komunikace mezi klienty............................................................................................545.3.2 Dělba pásma.................................................................................................................545.3.3 RTS/CTS......................................................................................................................555.3.4 Ukazatele kvality spoje................................................................................................575.3.5 HW Retries..................................................................................................................585.3.6 Fragmentace.................................................................................................................615.3.7 WMM – Wireless Multimedia......................................................................................625.3.8 Ubiquity AirOS............................................................................................................65

5.4 Testování Nstreme................................................................................................................655.4.1 Testy parametrů NStreme.............................................................................................66

Rušení.............................................................................................................................................686.1 Provoz na stejné frekvenci...................................................................................................686.2 Frekvence přilehlé................................................................................................................70

Vyzařovací charakteristiky antén.....................................................................................................767.1 Program Antenna radiation pattern.......................................................................................807.2. Frekvence a použití „null“ úhlu...........................................................................................817.3 Vyzařovací diagram..............................................................................................................837.4 Polarizace.............................................................................................................................867.5 Typické hodnoty antén.........................................................................................................87

Vysílací výkon karet........................................................................................................................898.1 Program Wireless Card Tx Power Measurement..................................................................898.2 Měření a grafy......................................................................................................................91

8.2.1 Variabilita úrovně přijímaného signálu.........................................................................918.2.2 Bezdrátové karty a zařízení..........................................................................................938.2.3 Různé frekvence...........................................................................................................948.2.4 Firmware......................................................................................................................96

Závěr...............................................................................................................................................979.1 Výsledky..............................................................................................................................979.2 Přínos práce..........................................................................................................................979.3 Vize rozšíření.......................................................................................................................98

Literatura.........................................................................................................................................99

vi

Kapitola 1

Úvod

1.1 Motivace a cíle práceBezdrátové sítě v bezlicenčních pásmech hrají významnou roli v přístupu k síti Internet. Česká

republika je považována za celosvětovou velmoc v počtu bezdrátových přípojek, a to nejenv přepočtu na počet obyvatel. Operátorů poskytujících službu přístupu k síti Internet tímto způsobem je okolo 2000 1. Mnoho z nich vzniklo jako alternativa k dlouhodobému monopolu Českého Telecomu (dnes Telefónica O2), jiní vznikli později (snad i díky velkému počtu jejich předchůdců). Většina z těchto operátorů poskytuje své služby pouze na lokální úrovni a počty jejich klientů jsou ve stovkách až tisících.

Do roku 2005 bylo v České republice jediné bezlicenční pásmo, ve kterém bylo možné tyto služby provozovat. Bylo to pásmo okolo 2,4GHz a nejrozšířenějším protokolem zde použitým byl 802.11b, později doplněn i o 802.11g. V roce 2005 uvolnil ČTÚ (Český telekomunikační úřad) druhé pásmo 5GHz 2, které je daleko širší. Nejrozšířenějším protokolem se stal přirozeně bratr předchozích – 802.11a.

Dnes v roce 2011 jsou používána hojně pásma obě, ačkoliv jasný trend je v přecházení do pásma 5GHz. Důvod je prostý. Kromě vyšších přenosových rychlostí (pouze oproti 802.11b) nabízí pásmo více „nezávislých“ kanálů. Pásmo 2,4GHz totiž trpí svou malou šířkou pásma a vysokým počtem stanic v něm operujících. Počet kanálů v pásmu 5GHz však také není nevyčerpatelný, a tak v mnoha lokalitách nutně dochází k provozování více sítí nebo spojů na stejné frekvenci (již nelze nalézt žádný volný kanál).

Problém, pro který jedni přechází z pásma 2,4GHz, se tak přenáší i do pásma 5GHz. Skutečnost, že je více sítí či spojů provozováno na stejné frekvenci, nebo na frekvenci blízké ve stejné lokalitě, je obecně označována jako rušení.

1 Evidence podnikatelů v elektronických komunikacích podle všeobecného oprávnění, Český telekomunikační úřad (ČTÚ), 2011. Dokument dostupný na URL http://www.ctu.cz/ctu-online/vyhledavaci-databaze/evidence-podnikatelu-v-elektronickych-komunikacich-podle-vseobecneho-opravneni.html

2 Český telekomunikační úřad (ČTÚ): Všeobecné oprávnění č. VO-R/12/08.2005-34

1

Projevy rušení jsou následující:

1) Spoj nefunguje vůbec, nebo se rozpadá, ačkoliv síla signálu je dostatečná

2) Spoj má menší propustnost, než by měl mít

3) Na spoji se objevuje pravidelná nebo nepravidelná zvýšená latence

K tomu se váží druhotné projevy jako je přeskakování modulační rychlostí, zhoršení ukazatele kvality signálu nebo jeho kolísání a podobné.

Popis bezdrátových protokolů se zaměřuje pouze na provoz v „čistém“ prostředí. Je celkem snadné popsat jak který protokol funguje, jaké hodnoty modulačních rychlostí nastavit pro danou úroveň signálu, jaké má ten a ten protokol výhody, k čemu je fragmentace, RTS/CTS a podobně. Problémy se začínají objevovat až s použitím konkrétní implementace a reálného prostředí,ve kterém operuje několik sítí. O tom, jak se protokoly chovají v případě, že zařízení musí sdílet kanál s jinou sítí, případně přidružený kanál, se již nepíše a moc nemluví. Podělí se o pásmo? Převálcuje jedna síť druhou? Nebude fungovat ani jedna? O tom se stále jen spekuluje, nebo se spíše rezignuje se slovy „je tam nějaké rušení“ a zkouší se přeladit na jiný kanál, nebo se špatné chování akceptuje.

Cílem této práce je prozkoumat problematiku provozu bezdrátových sítí na frekvenci 5GHz, především prozkoumat příčiny rušení a chování systémů v zarušených prostředích. Na základě teoretických a empirických poznatků pak navrhnout metody pro eliminaci či prevenci rušenía optimalizaci chodu bezdrátové sítě v zarušeném prostředí.

Protože nejpoužívanějším protokolem v pásmu 5GHz je protokol IEEE 802.11a, zabývá se práce především jím. Pro výstavbu bezdrátových sítí v České republice je nejčastěji používána platforma Mikrotik s operačním systémem RouterOS. Ta umožňuje velmi komplexní síťová nastavení, a proto se práce zabývá především jejich implementací. Pokud operátor používá pro připojení klientů jinou platformu (třeba Ubiquity), pravděpodobně bude stejně využívat platformu Mikrotik alespoň na přístupových bodech. Pokud ne, používají tato zařízení téměř výhradně protokol 802.11a, proto lze očekávat, že jejich chování bude velmi podobné (alespoň co se týče jejich chování vůči ostatním zařízením).

Testování na platformě Mikrotik umožňuje podrobnější zkoumání jednotlivých problémů, což bylo pro účely této práce důležité. Pro správné pochopení fungování systémů v zarušených prostředích je potřeba se nejprve ponořit do detailů protokolu a hlouběji se zamyslet nad možnými příčinami nevyhovujícího chování sítě. Možných kombinací nastavení a prostředí, ve kterých se mohou bezdrátové spoje nacházet, je totiž tak obrovské množství, že je nelze všechny vyzkoušet. Je vhodné proto důkladně prostudovat jednotlivé části protokolu, udělat dílčí testy na potvrzení popisu a testy na zajímavé věci, které se přímo v popisu protokolu neuvádí. Z většího množství prozkoumaných malých oblastí je pak teprve možné začít skládat mozaiku, která ukáže celý velký obraz.

2

1.2 Organizace dokumentuPrvní část dokumentu je věnována teorii bezdrátových přenosů. Popisuje základní poznatky

pro výstavbu bezdrátového spoje a základní jevy, ke kterým dochází při šíření vlny prostředím. Kapitola třetí pojednává o provozu bezdrátových sítí v pásmu 5GHz. Po uvedení právních hledisek se zaměřuje na protokol IEEE 802.11a. Popisuje jeho fyzickou a spojovou vrstvu. Taktéž uvádí parametry reálné implementace, které ovlivňují fungování protokolu.

Kapitola čtvrtá je věnována latenci a frontám. Toto téma, ač zdánlivě ne příliš související, je pro bezdrátové sítě velmi důležité. Pochopení důvodu vzniku latence hraje významnou roliv posuzování projevů rušení, a jak se ukáže, reálná implementace front a řízení toku má velmi silný vliv na výslednou kvalitu služby.

Po těchto třech kapitolách následují testy prováděné uvnitř budovy. První z nich směřovalyk ověření předem vyřčených myšlenek. K výsledkům těchto testů patří především objevení hardwarové fronty a jejího vlivu na latence. Další testy pak měly za úkol detailně prozkoumat chování protokolu 802.11a.

Šestá kapitola se věnuje samotnému rušení. Pojednává o problematice provozu na stejném kanálu, která byla zkoumána taktéž v páté kapitole, a poté se věnuje provozu sítí na přilehlém kanálu. Ten má zcela odlišné vlastnosti než provoz na stejné frekvenci a je neméně důležitý.

Kapitola sedmá popisuje zkoumání vyzařovacích diagramů antén. Toto téma je důležité, neboť diagramy určují míru rušení do okolního prostředí. Antény byly měřeny pomocí speciální aparatury a výsledky měření ukázaly diagramy, které se od výrobců/prodejců vybavení nedozvíme. Kromě toho jsem prozkoumal i vliv frekvence na tvar diagramu a diagramy pro opačnou polarizaci, které také nejsou nikde jinde k nalezení.

Kapitola osmá se zabývá vysílacím výkonem bezdrátových karet, jehož regulace je základem prevence rušení. Data opět nelze získat u výrobců, ani u prodejců. Měření přinesla překvapivé výsledky ukazující především nelinearitu grafu a špatné chování při nízkých požadovaných hodnotách výkonu. Kromě bezdrátových karet pro RouterOS byla testována i zařízení Ubiquity, neboť jsou hojně využívána jako klientské stanice.

V závěru jsou pak shrnuty výsledky práce, její hlavní přínos a vize, jakým směrem by mohla být rozšířena.

3

Kapitola 2

Teorie bezdrátových přenosůBezdrátové sítě, kterými se tato práce zabývá, pracují na frekvenci 5GHz. Stejně jako

u frekvence 2,4GHz (pro protokoly 802.11b a 802.11g) se jedná o přízemní prostorovou vlnu (ground wave – space wave) 3. Podle ITU (International Telecomunication Union) patří tato frekvence do pásma SHF (3GHz až 30GHz), česky SKV, super krátké vlny. Frekvence 2,4GHz je zařazena do pásma UHF (300MHz – 3GHz), česky UKV, ultra krátké vlny.

Spoje pracující na těchto frekvencích vyžadují přímou viditelnost mezi anténami(LOS – Line-Of-Sight), kdy přímá spojnice mezi anténami není zastíněna žádnou překážkou (kopec, budova, stromy). Pokud se signál nešíří přímou cestou, ale dostává se do antény odrazem od okolního prostředí, pak bývá takový spoj zpravidla velmi nekvalitní a nestabilní.

2.1 Přenosová soustavaNyní se podívejme na schéma přenosu. Základním dělením spojů je dělení podle počtu stanic

účastnících se komunikace. Tedy buďto systém bod-bod (PtP - Point to Point) pouze se dvěma stanicemi, nebo systém bod-multibod (PTMP – Point To Multipoint) s více stanicemi.

Z hlediska přenosu signálu je vhodné nahlížet na každý spoj jako na spoj bod-bod. Na systém bod-multibod pak nahlížíme jako na více spojů bod-bod.

Signál je generován bezdrátovou kartou (ať už v podobě miniPCI karty, nebo integrovaného čipu v zařízení) a přenášen přes pigtail a kabel do antény, kde je vyzářen do prostoru (do vzduchu). Dále se šíří prostorem až k druhé anténě, kterou je přijat a sveden do kabelu. Přes kabel a pigtail se potom dostává do bezdrátové karty přijímací strany, kde je přijat a zpracován.

3 Pecháč P., Zvánovec S.: Základy šíření vln. BEN – technická literatura, Praha 2007, s.14

4

Obr. 2.1 Schéma bezdrátového spoje

2.2 Výkonová bilance spojePředpokladem pro správnou výstavbu spoje je kalkulace jeho výkonové bilance. Pro

bezdrátové spoje platí následující ideální přenosová rovnice (vyjádřeno v dB) 4:

PP = PV + GV + GP – FSL(d) – L (2.1)

kde PP je přijatý výkon (dBm), PdBm=10logPW

10−3

PV výkon na vstupu vysílací antényGV, GP zisky antén (dB), GdB = 10logG

FSL(d) ztráty volným prostorem (dB), FSL(d )dB=10log[( 4πdλ )

2] (2.2)

L ztráty šířením (dB) v daném prostředí (ve volném prostoru jsou nulové,Ldb = 10log L

4 Pecháč P.: Šíření vln v zástavbě. BEN – technická literatura, Praha 2006, s.12

5

Ztráty volným prostorem (free space loss) přímo v dB lze také spočítat podle

FSL(dkm) = 32,44 + 20log(fMHz) + 20log(dkm) (2.3)

Tedy pro frekvenci 5GHz lze vypočítat sílu přijímaného signálu podle

PP = PV – LKV + GV – FSL + GP – LKP (2.4)

kde LKV je ztráta na kabelu vysílací antényFSL = 107 + 20log(dkm)LKP je ztráta na kabelu přijímací antény

Tab. 2.1 Ztráta volným prostorem v závislosti na vzdálenosti

VzdálenostÚtlum volným

prostorem (FSL) [dB]

Síla signálu při použití XdBi antén (2dB ztráta na kabelu) [dBm]

10dBi 19dBi 24dBi 29dBi

50 m 80,98 -45,98 -36,98 -31,98 -26,98100 m 87,00 -52,00 -43,00 -38,00 -33,00200 m 93,02 -58,02 -49,02 -44,02 -39,02300 m 96,54 -61,54 -52,54 -47,54 -42,54500 m 100,98 -65,98 -56,98 -51,98 -46,98

1 000 m 107,00 -72,00 -63,00 -58,00 -53,001 500 m 110,52 -75,52 -66,52 -61,52 -56,522 000 m 113,02 -78,02 -69,02 -64,02 -59,023 000 m 116,54 -81,54 -72,54 -67,54 -62,544 000 m 119,04 -84,04 -75,04 -70,04 -65,045 000 m 120,98 -85,98 -76,98 -71,98 -66,987 000 m 123,90 -88,90 -79,90 -74,90 -69,90

10 000 m 127,00 -92,00 -83,00 -78,00 -73,0013 000 m 129,28 -94,28 -85,28 -80,28 -75,2815 000 m 130,52 -95,52 -86,52 -81,52 -76,5220 000 m 133,02 -98,02 -89,02 -84,02 -79,02

6

0 m 4 000 m 8 000 m 12 000 m 16 000 m 20 000 m80,00

85,00

90,00

95,00

100,00

105,00

110,00

115,00

120,00

125,00

130,00

135,00

Útlum volným prostorem

Útlum volným prostorem (FSL) [dB]

Vzdálenost

0 m 1 000 m 2 000 m 3 000 m 4 000 m 5 000 m80,00

85,00

90,00

95,00

100,00

105,00

110,00

115,00

120,00

125,00

130,00

135,00



Vzdálenost

0 m 200 m 400 m 600 m 800 m 1 000 m80,00

85,00

90,00

95,00

100,00

105,00

110,00

115,00

120,00

125,00

130,00

135,00



Vzdálenost

0 m 3 000 m 6 000 m 9 000 m 12 000 m 15 000 m 18 000 m-100,00-95,00-90,00-85,00-80,00-75,00-70,00-65,00-60,00-55,00-50,00-45,00-40,00-35,00-30,00-25,00

Síla signálu na vstupu přijímací karty(při použití X dBi antén)


Vzdálenost

0 m 1 000 m 2 000 m 3 000 m 4 000 m 5 000 m-100,00-95,00-90,00-85,00-80,00-75,00-70,00-65,00-60,00-55,00-50,00-45,00-40,00-35,00-30,00-25,00



Vzdálenost

0 m 200 m 400 m 600 m 800 m 1 000 m-100,00-95,00-90,00-85,00-80,00-75,00-70,00-65,00-60,00-55,00-50,00-45,00-40,00-35,00-30,00-25,00



Vzdálenost

Obr. 2.2 Útlum volným prostorem a síla signálu na vstupu přijímací karty při použití X dBi antén

7

2.3 Fresnelovy zónyPro dobře fungující spoj je navíc důležité, aby ani okolo přímé spojnice nebyly v určité oblasti

žádné překážky. Této oblasti se říká Fresnelovy zóny. Jedná se o způsob šíření vlny, do kterého nemá příliš smysl v této práci zabíhat (více např. v [1]). Důležité pro bezdrátový spoj je, že 60% energie se přenáší v první Fresnelově zóně, a tedy alespoň ta by měla zůstat nezastíněna. Fresnelova zóna má tvar elipsoidu s koncovými body v anténách. Nejširší je v jejím středu, tedyv polovině vzdálenosti mezi anténami. Prostorově tvoří „doutníkovitý tvar“. Rozhodující vlastností je tedy poloměr první Fresnelovy zóny v jejím středu, který se vypočítá podle 5

b1=√ d 1 d 2 λd 1+ d 2

(2.5)

Obecněji, poloměr n-té Fresnelovy zóny v dané vzdálenosti se vypočítá podle

bn=√ d 1 d 2 nλd 1+ d 2

(2.6)

Pokud spoj nesplňuje podmínku volné první Fresnelovy zóny, pak je potřeba počítat jednaks útlumem signálu a jednak s negativním vlivem překážek v podobě odrazů signálu (často nepředvídatelných a nepravidelných).

Obr. 2.3 Vlevo Fresnelovy zóny, vpravo geometrická představa k definici Fresnelových zón 6

5 Pecháč P., Zvánovec S.: Základy šíření vln. BEN – technická literatura, Praha 2007, s.24 – 25

8

2.4 PolarizacePři vysílání signálu do prostoru může anténa usměrnit signál do jedné ze dvou rovin

(vertikální/horizontální). Mluvíme potom o tzv. lineární polarizaci. Taktéž existuje polarizace kruhová (levotočivá/pravotočivá), ta se však v našich podmínkách pro zkoumaná pásma nepoužívá.

Jak uvádí [1]: Pokud má vektor intenzity elektrického pole pouze složku ve směru osy z kolmé na směr šíření, mluvíme o tzv. lineárně polarizované vlně a rovinu xz nazveme rovinou polarizace. Pokud je zemský povrch v rovině xy a vektor E je orientován ve směru osy z jako je tomu na Obr. 2.4, jedná se o vertikálně polarizovanou vlnu. Kmitá-li vektor E v ose y, tj. rovina polarizace je rovnoběžná se zemským povrchem, jde o horizontální polarizaci, která je kolmá (křížová)k vertikální polarizaci uvedené v prvním případě.

Přidejme, že pokud má ideální anténa vertikální polarizaci, pak nevysílá ani nepřijímá žádný signál s horizontální polarizací. Tedy útlum je nekonečný. Reálné antény sice nemají nekonečný útlum, ale jejich izolace od druhé polarizace bývá vysoká (typicky více než 20dB).

Pro bezdrátové spoje má tato vlastnost antén následující důsledky:

– polarizace antén spoje se musí shodovat

– lze využít této vlastnosti k potlačení nežádoucích signálů (provozovat spoj s jinou polarizací, než má nežádoucí signál)

Obr. 2.4 Rovina polarizace 7

Při šíření vlny reálným prostředím atmosféry může dojít k tzv. depolarizaci, kdy se změní polarizace vlny, resp. část složky jedné polarizace přejde do druhé polarizace. Pro účely této práce však budeme pouze předpokládat, že existují dvě polarizace, které mezi sebou mají nějaký nemalý útlum (bez zkoumání faktorů, které způsobují nižší než nekonečný útlum).

6 Pecháč P., Zvánovec S.: Základy šíření vln. BEN – technická literatura, Praha 2007, s.24 – 257 Tamtéž, s.22

9

2.5 Odraz, ohyb a rozptyl vlnNa rozhraní dvou prostředí s odlišnými materiálovými parametry dochází k odrazu (reflection)

a lomu, resp. refrakci (refraction) vlny 8. Pro ideální plochu se dá odraz a lom vypočítat podle Snellova zákona. Pro reálné prostředí je však zapotřebí zahrnout nerovnost a vlastnosti materiálu, Fresnelovy zóny a polarizaci vlny. Proto jsou výpočty odrazů velmi složité, ne-li nemožné vzhledem k dynamickému a komplexnímu prostředí, ve kterých se signál šíří.

Obr. 2.5 Odraz rovinné vlny od rovinného rozhraní – kolmá polarizace 9

Při dopadu vlny na rozhraní dvou různých prostředí dochází jednak k odrazu vlny a jednakk jejímu lomu a průchodu do jiného materiálu. Podle druhu materiálu se pak liší poměry obou jevů – např. kovové předměty vlny více odráží, sklo zase propouští. Při průchodu prostředím jiným než vzduch dochází také k útlumu signálu (závisí na druhu materiálu).

Odražené vlny potom mohou způsobit problémy na bezdrátovém spoji – vícecestné šíření, kdy signál dochází do antény s určitým zpožděním a útlumem.

Druhým důležitým jevem při šíření vlny je tzv. difrakce (diffraction) vlny na překážce 10, kdy se vlna šíří i do oblasti optického stínu (Obr. 2.6).

Opět přesné výpočty tohoto jevu jsou velmi obtížné a v reálném prostředí téměř neproveditelné. Poznatkem však je, že se signál může dostat i do oblasti stínu (tedy ne na přímou viditelnost). Jeho kvalita však nebude srovnatelná s přímou viditelností a pro spoj fungujícív oblasti stínu bude těžké udržet si konstantní rozumnou kvalitu (difrakce se může měnitv závislosti na překážkách, na kterých probíhá).

8 Pecháč P., Zvánovec S.: Základy šíření vln. BEN – technická literatura, Praha 2007, s.269 Tamtéž, s.2610 Tamtéž, s.32

10

Obr. 2.6 Princip šíření vln do oblasti stínu za překážkou 11

I když nebudeme stavět spoje bez přímé viditelnosti, díky difrakci se do naší antény může dostat signál z jiného spoje, který není přímo vidět, a který nemusí mít konstantní sílu.

Posledním důležitým jevem je rozptyl (scattering). K němu dochází buďto při dopadu vlny na malou částici (dešťová kapka), nebo při dopadu vlny na nerovný povrch. Jedná se o sekundární záření, které má jiný směr než původní vlna (prakticky dojde k vyslání vlny všemi směry s různou intenzitou). Podobně jako u předchozích dvou jevů je modelování v reálném prostředí obtížné, postačí však poznatek, že k takovému jevu dochází (především na nerovných překážkách).

Obr. 2.7 Rozptyl na kulové částici (dopadající vlna není zobrazena): a) Rayleighův rozptyl na velmimalé částici; b) Mieův rozptyl na menší částici; c) Mieův rozptyl na větší částici; Ilustracerozptylu na více částicích v daném objemu 12

11 Pecháč P., Zvánovec S.: Základy šíření vln. BEN – technická literatura, Praha 2007, s.3212 Tamtéž, s.36, 38

11

2.6 AntényAnténa je bezesporu klíčovým prvkem v bezdrátovém spoji. Úkolem antény je vyzářit vlnu

vedenou v kabelu do prostoru. Na straně přijímače pak anténa vlnu šířící se v prostoru přemění na vlnu vedenou. Obě úlohy jsou reciproké, a tudíž anténní parametry jsou principiálně platné nehledě na to, zda anténa pracuje jako vysílací či přijímací 13.

Základními parametry antény jsou její typ, zisk, vysílací charakteristika, polarizace, impedanční přizpůsobení (PSV) a fyzické rozměry. Tomuto tématu se podrobněji věnujekapitola 7. Několik základních věcí však zmíním již teď.

Anténa funguje jako frekvenční filtr, tedy přijímá a vysílá pouze v určitém frekvenčním rozsahu (např. 5100 – 5800MHz). Ostatní frekvence nepřijímá, nebo je přijímá s velmi vysokým útlumem.

Ideální anténa (izotropická) vysílá do všech směrů stejně (360° v obou rovinách) a odvíjí se od ní tzv. zisk antény. Reálná anténa vysílá signál také do všech směrů, ovšem s rozdílnou intenzitou. Anténa nevytváří žádný signál, pouze ho usměrňuje do/z určitého směru. Obecně čím více dokáže anténa signál usměrnit, tím větší má zisk. Samozřejmě čím více signálu „koncentruje“ do jednoho směru, o to méně vysílá do jiných směrů. Jako zisk antény se uvádí vždy největší „zesílení“ signálu oproti izotropické anténě, které anténa poskytuje. Zisk se udává v decibelech (dBi).

Podle účelu a „tvaru“ vysílací charakteristiky antény (diagram intenzity v závislosti na vstupním/výstupním úhlu) se rozdělují antény na směrové, všesměrové, sektorové. Dále pak ještě podle jejich fyzického provedení na parabolické, panelové, prutové všesměrové antény, trychtýřové Potterovy a jiné, ne tolik běžné typy (spirálová Archimedova, logaritmická spirálová a další) 14.

Směrové antény jsou určeny pro spoje bod-bod, mají velký zisk a úzký hlavní lalok (usměrňují silně do jednoho směru). Všesměrové antény jsou určeny pro spoje bod-multibod jako vysílací anténa – vysílá rovnoměrně do všech směrů v rovině rovnoběžné se zemí. Sektorové antény jsou určeny také pro spoje bod-multibod, ale usměrňují signál pouze do jednoho širšího směru (typicky 30 – 120°). Tím pádem mají vyšší zisk než antény všesměrové, ale stále menší zisk než antény směrové. Co se týče antén parabolických, vždy se jedná o antény směrové. Panelové antény jsou antény směrové nebo sektorové.

13 Pecháč P., Zvánovec S.: Základy šíření vln. BEN – technická literatura, Praha 2007, s.3914 Procházka M.: Antény – encyklopedická příručka, 3. rozšířené vydání. BEN – technická literatura, Praha

2005, s.15 – 190

12

Obr. 2.8 Zleva: parabolická anténa MaxLink 29 dBi 55cm 15, anténa všesměrová Alfa 8dBi 16, sektorováanténa SLIM 15dBi 17

Obr. 2.9 Vlevo: směrová panelová anténa Interline 19dBi 18, vpravo: skalární (trychtýřová) sektorováanténa NN-60 19

Důležitou charakteristikou antény je kromě zisku i tzv. impedanční přizpůsobení 20: Z hlediska obvodového pohledu se anténa jeví vysílači jako zátěž s impedancí. Uvažujme nyní rozhraní anténního konektoru a přívodního kabelu. Jestliže není splněna podmínka tzv. impedančního přizpůsobení, tj. reálné složky impedance vedení (kabelu) a antény jsou shodné a imaginární složky

15 Internetový obchod wifi.aspa.cz, 2011. Dokument dostupný na URLhttp://wifi.aspa.cz/antena-parabola-maxlink-29-dbi-5-ghz-55cm-z84889/

16 Internetový obchod wifi.aspa.cz, 2011. Dokument dostupný na URLhttp://wifi.aspa.cz/antena-vsesmerova-alfa-8dbi-5ghz-vertikalni-polarizace-z88157/

17 Internetový obchod wifi.aspa.cz, 2011. Dokument dostupný na URLhttp://wifi.aspa.cz/antena-sektorova-slim-horizontalni-15dbi-5ghz-z94299/

18 Internetový obchod wifi.aspa.cz, 2011. Dokument dostupný na URLhttp://wifi.aspa.cz/antena-panelova-interline-19dbi-5ghz-z50664/

19 Internetový obchod wifi.aspa.cz, 2011. Dokument dostupný na URLhttp://wifi.aspa.cz/skalarni-sektor-nn-60-5-ghz-z89338/

20 Pecháč P., Zvánovec S.: Základy šíření vln. BEN – technická literatura, Praha 2007, s.39 – 40

13

nulové či shodné s opačným znaménkem, dojde na rozhraní (konektoru) k odrazu části výkonu zpět k vysílači. Běžné kabely mají reálnou impedanci 50 Ω. Zpětná vlna se na vedení sčítás původní vlnou dopřednou a na vedení vzniká stojaté vlnění.

Obr. 2.10 Určení šířky frekvenčního pásma z přizpůsobení rezonanční antény 21

2.7 Bezdrátové kartyDruhým důležitým prvkem pro bezdrátové spoje jsou bezdrátové karty, resp. obvody pro

vysílání a zpracování signálu. Signál zde vzniká a odchází do kabelu a antény, a také sem signál přichází a je zpracováván. Této problematice se podrobněji věnuje kapitola 8, pro představu ale nastíním problematiku již zde.

Důležitými parametry bezdrátových karet jsou: výstupní výkon a citlivost. Výstupní výkon udává sílu signálu vstupujícího do pigtailu (následně do kabelu a antény). Pro účely provozování bezdrátových spojů za dodržení požadavků z Všeobecného oprávnění vydaného ČTÚ je potřeba výstupní výkon regulovat. Není tedy pravda, že čím větší výstupní výkon karta má, tím je lepší. Všeobecné oprávnění stanovuje maximální povolenou hustotu výkonu (bez automatické regulace) na 27dBm. Pokud tedy máme vysoce ziskovou směrovou parabolickou anténu se ziskem 29dBi, ztrátu na kabelu a pigtailu stanovíme na 3dB, pak musíme vysílat z karty výkonem nejvýše 1dBm! Pokud máme naopak anténu všesměrovou se ziskem 10dBi, útlum na kabelu opět 3dB, pak


14

můžeme vysílat výkonem až 20dBm. Pro směrové antény tedy potřebujeme karty, které dokáží vysílat pouze slabý signál, pro slabé všesměrové antény naopak upotřebíme karty s vyšším výkonem.

Pokud dodržujeme maximální povolenou hustotu výkonu, resp. pokud výstupní hustota výkonu z antény je rovna povolenému maximu, jeví se vysílač druhé straně pokaždé stejně – nelze rozeznat, zda signál pochází ze směrové nebo všesměrové antény, má vždy stejnou hustotu. Proto lze ziskovostí antény ovlivnit pouze příjem, tj. úroveň přijímaného signálu. Podle přenosové rovnice uvedené v (2.1) pak můžeme vypočítat úroveň signálu, který přijde po přijetí anténou do bezdrátové karty. Karta signál přijme a pokusí se dekódovat. Pro správné dekódování potřebuje karta pro danou modulaci a kódovací schéma určitou minimální úroveň signálu. Ta je označována jako citlivost karty. Citlivější karty tedy dokáží přijímat i slabší signál při zachování vysoké modulační rychlosti.

Obr. 2.11 Bezdrátová karta R52, vpravo tabulka maximálních vysílacích výkonů a citlivostí pro dané režimy a modulační rychlosti 22

22 Technical specification, miniPCI card R52, MikroTik Routerboard, 2011. Dokument dostupný na URLhttp://www.routerboard.com/pdf/R52.pdf

15

Kapitola 3

Bezdrátové sítě v pásmu 5GHz

3.1 Všeobecné oprávněníBezdrátové spoje na frekvenci 5GHz mohou používat libovolné protokoly, provoz tedy není

omezen pouze na protokol IEEE 802.11a. Český telekomunikační úřad vymezil ve všeobecném oprávnění č. VO-R/12/08.2005-34 (dále jen VO) nelicencovaná pásma uvedená v Tab. 3.1.

Tab. 3.1 Bezlicenční pásma a jejich povolený EIRP 23

Bezdrátové spoje je tedy potřeba provozovat pouze v pásmech, ve kterých je to v dané zemi povoleno, a dodržet zároveň i hustotu vysílaného výkonu. Ačkoliv VO jasně stanovuje, že frekvence 5150 – 5350MHz jsou pouze pro použití uvnitř budov, v praxi se téměř všude setkáme se sítěmi, které v tomto pásmu pracují venku (používají je stejně běžně jako frekvence 5470 – 5725).

Obr. 3.1 Scan sítí ve vnitřních pásmech

23 Český telekomunikační úřad (ČTÚ): Všeobecné oprávnění č. VO-R/12/08.2005-34

16

VO navíc požaduje po stanicích pracujících v tomto pásmu, aby používaly systém DFS. Ten má zajišťovat jednak ochranu radarových systému a jednak rovnoměrné využití spektra. V praxi stanice systém DFS sice mají implementovaný, nikoliv však aktivní. Český hydrometeorologický ústav (ČHMÚ) provozuje v České republice dva meteoradary – Skalky a Brdy. Ty pracují na frekvencích 5645MHz (Skalky) a 5630MHz (Brdy). Tím pádem se překrývají s pásmem z VO. Jelikož je radarová služba přednostní, vyžaduje ČHMÚ, aby do vzdálenosti 50km od těchto radarů provozovatelé sítí nepoužívali frekvence 5620MHz a 5640MHz (především ne na anténách směřujících směrem k radaru). Tím se tedy reálně řeší problém používání DFS. Přesto však musí ČTÚ řešit stížnosti na provozovatele zařízení, kteří se tím neřídí (a nejspíš i překračují povolený výkon, a tedy ruší meteoradar). Na snímcích z radaru jsou pak jasně vidět trojúhelníkové úzké výseče, které neznamenají déšť, ale rušení (ačkoliv ČHMÚ používá filtry na odstranění těchto výsečí, pořád se můžeme setkat s „trojúhelníkovými záblesky“ na mapě srážek ve zprávácho počasí).

3.2 Protokol 802.11aStandard IEEE 802.11a byl vydán v roce 1999 a je určen k provozu ve volném pásmu 5GHz.

Ke standardu se váží i později vydané doplňující standardy (např. bezpečnost). Jako metodu přístupu k médiu používá CSMA/CA (Carrier sense multiple access with collision avoidance). Na fyzické úrovni používá pouze jeden typ modulace, a to OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing). Šířka standardního kanálu je 20MHz.

Linková vrstva je shodná s ostatními standardy rodiny 802, stanice jsou adresovány pomocí 6bytové MAC adresy. Trochu problematické je pouze použití bridge 24. Speciální režim WDS (Wireless Distributed System) lze použít například pro řešení tohoto problému. Tato problematika je však již mimo zájem této práce.

3.2.1 Modulace OFDMProtokol 802.11a používá v OFDM modulaci 52 subnosných, z nichž 48 je určeno pro data

a 4 jako pilot 25. Každá z těchto subnosných používá modulaci BPSK (binary phase shift keying), QPSK (quadrature phase shift keying), 16-QAM (16statová quadrature amplitude modulation) nebo 64-QAM (64stavová quadrature amplitude modulation). Délka trvání jednoho symbolu je 4μs, včetně ochranného intervalu 0,8μs (guard interval) 26.

24 MikroTik RouterOS™ v3.0 Reference Manual, 2007. Dokument dostupný na URLhttp://www.mikrotik.com/testdocs/ros/3.0/refman3.0.pdf. s.142

25 IEEE Std 802.11a-1999(R2003), Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications, High-speed Physical Layer in the 5 GHz Band. Kapitola 17.3.5.8, s.22

26 Tamtéž, , Kapitola 17.3.2.3, s.9

17

V tabulce Tab. 3.1 je kompletní výčet podporovaných datových rychlostí, typ jejich modulace (subnosných), FEC poměr (forward error correction), počet bitů na symbol a přibližný čas pro přenesení rámce o velikosti 1500B, včetně počtu potřebných symbolů.

Tab. 3.1 Datové rychlosti protokolu 802.11a 27

Nižší datové rychlosti vykazují větší robustnost za cenu menší přenosové rychlosti. Nižší datové rychlosti se upotřebí, pokud síla signálu není dostačující, pokud SNR (signal to noise ratio) není dostačující, nebo pokud z jiného důvodu není spoj schopen přenést data vyšší rychlosti(např. kvůli rušení od jiných sítí).

Výhodou modulace OFDM je kromě jiného její zvýšená odolnost vůči vícecestnému šíření. Jak bylo řečeno v předchozí kapitole, signál šířící se prostředím se může odrážet od překážek, lámat se na nich, nebo se rozptýlit. Tím se původní signál rozbije na více dalších signálů šířících se jinými cestami. Signály, které nakonec dorazí do přijímací antény, budou mít různé zpožděnía intenzitu.

Ačkoliv první dorazí nejsilnější signál přímou cestou, může být síla signálů, které přijdou chvíli poté, stále dostatečně velká, aby dokázala pokazit příjem následujícího symbolu. Protokol 802.11a proto používá 0.8μs ochranný interval, ve kterém čeká na utichnutí vícecestného šíření. Obrázek Obr. 3.3 ukazuje příklad impulzové odezvy, která odpovídá přijaté úrovni signáluv závislosti na čase při vysílání Diracova impulzu (nekonečně časově úzký a amplitudově vysoký impulz) vysílací anténou v čase t = 0 28.

27 IEEE Std 802.11a-1999(R2003), Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications, High-speed Physical Layer in the 5 GHz Band. Kapitola 17.3.2.2, s.9


18

Obr. 3.2 Vícecestné šíření v pozemních rádiových spojích 29

Obr. 3.3 Příklad impulzové odezvy 30

3.2.2 Schéma a vysílání datového rámceDříve, než postoupíme k řízení přístupu k médiu, je vhodné zmínit schéma přenosu na fyzické

úrovni. Rámec přijatý z linkové vrstvy je opatřen hlavičkou s poli: RATE (4 bity), Reserved (1 bit), LENGTH (12 bitů), Parity (1 bit), Tail (6 bitů) a SERVICE (16 bitů). Kromě posledního pole SERVICE je hlavička odvysílána v jednom OFDM symbolu s modulací BPSK, FEC 1/2. Ten podle výše tabulky Tab. 3.1 reprezentuje přesně 24bitů. Typ modulace je nejnižší možný a měl by zaručit, že všechny stanice, které signál přijmou, budou schopny dekódovat alespoň hlavičku. Před hlavičkou se ještě vyšle 12 symbolů preambule 31.

Po preambuli a jednom symbolu hlavičky se vysílají data (společně s posledním polem hlavičky SERVICE). Ty se již vysílají modulací, která je uvedena v hlavičce v poli RATE.

29 Pecháč P., Zvánovec S.: Základy šíření vln. BEN – technická literatura, Praha 2007, s.4930 Tamtéž, s.4931 IEEE Std 802.11a-1999(R2003), Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical

Layer (PHY) specifications, High-speed Physical Layer in the 5 GHz Band. Kapitola 17.3.2.2, s.36

19

Obr. 3.3 Schéma vysílání datového rámce

3.2.3 CSMA/CAPro přístup k médiu využívá protokol 802.11a metodu CSMA/CA (Carrier sense multiple

access with collision avoidance). Zařízení používající protokol 802.11a, která spolu komunikují sdílejí jedno médium, kterým se signál šíří (vzduch). Proto je důležité, aby vždy vysílalo pouze jedno zařízení a ostatní mlčela.

20

CSMA/CA řeší tento problém následovně 32: Zařízení, které chce vysílat data, musí nejprve poslouchat médium předurčenou dobu, aby zjistilo, zda jiné zařízení nevysílá. Pokud je médium rozpoznáno jako nečinné, potom může zařízení začít vysílat. Pokud je médium rozpoznáno jako používané, musí zařízení odložit vysílání o náhodný čas.

Obr. 3.4 Zjednodušené schéma CSMA/CA 33

3.2.4 Skrytý uzel, RTS/CTSVšechny stanice připojené k jednomu přístupovému bodu (access point) slyší vysílání tohoto

bodu a on slyší jejich vysílání. Problém však může nastat mezi připojenými klienty. Klienti (client) přístupového bodu jsou totiž často schovaní mezi překážkami v podobě budov, stromů, terénu,a tedy nemusí slyšet vysílání jiných klientů. To má za následek, že více klientů začne vysílat ve stejnou dobu (jejich vysílání se překrývá) přístupovému bodu, kde se signály spojí a všechna přenášená data jsou tak poškozena. Tento proces se opakuje při opětovném pokusu odeslat data, tedy šance odeslat neporušený datový rámec je malá.

32 Carrier sense multiple access with collision avoidance. Wikipedia, 2011. Dokument dostupný na URLhttp://en.wikipedia.org/wiki/Carrier_sense_multiple_access_with_collision_avoidance

33 Tamtéž

21

Protokol 802.11a nabízí doplnění CSMA/CA v podobě mechanismu RTS/CTS (Request To Send / Clear To Send). Klient, který si přeje vysílat, nejprve pošle žádost (RTS) přístupovému bodu, který odpoví zprávou CTS (slyšitelnou pro všechny klienty). Pokud jiné stanice přijmou zprávu CTS, musí se odmlčet na dobu stanovenou v CTS. Tím se rezervuje prostor pro vysílání stanice, která poslala RTS (nyní je jediná, která smí vysílat).

Obr. 3.5 Skrytý uzel – obě stanice slyší přístupový bod, přístupový bod slyší obě stanice, ale stanice se navzájem neslyší.

Protože jsou RTS/CTS rámce malé, pravděpodobnost, že by došlo ke kolizi s jiným takovým rámcem je mnohem menší, než pravděpodobnost kolize dvou standardních datových rámců. Samozřejmě použití RTS/CTS snižuje maximální teoretickou propustnost spoje, protože je před samotným vysíláním nutno absolvovat výše uvedený proces. Nicméně jak bude ukázáno později, pokud skutečně nastane problém skrytého uzlu, pak RTS/CTS výrazně zvyšuje propustnost(resp. zachovává maximální teoretickou propustnost sníženou o vlastní režii) oproti standardnímu vysílání, které je vlivem skrytých uzlů silně degradováno.

3.2.5 ParametryZařízení používající protokol 802.11a má možnost ovlivnit některé parametry tohoto

protokolu. Většinu z těch, které podporuje Mikrotik RouterOS lze ovlivňovat i na zařízeních jiných výrobců, jiné ne. Jejich výčet je k nalezení v příloze A 34.

34 MikroTik RouterOS™ v3.0 Reference Manual, 2007. Dokument dostupný na URLhttp://www.mikrotik.com/testdocs/ros/3.0/refman3.0.pdf. s.139 – 144

22

3.3 NstremeNstreme je proprietární protokol firmy MikroTik (nekompatibilní s jinými výrobci) pro

bezdrátové přenosy zaměřený na vylepšení spojů bod-bod a spojů bod-multibod. Podporován je pouze na kartách s čipem Atheros AR5210 a novějších. Protokol Nstreme lze provozovat pouze na zařízeních s operačním systémem MikroTik RouterOS, a tedy je potřeba, aby všechna klientská zařízení připojená k přístupovému bodu používala tento operační systém.

Nstreme standardně používá jinou metodu přístupu k médiu než 802.11a, tedy nepoužívá CSMA/CA, ale tzv. polling. Přístupový bod se postupně dotazuje klientů, zda mají nějaká datak vysílání. Tím odpadá problém skrytého uzlu a taktéž zařízení nemusí detekovat, zda je medium obsazené.

Nstreme má menší režii (protocol overhead) než 802.11a a spoje provozované s protokolem Nstreme mají oproti spojům s 802.11a větší propustnost (až o 50%). Dokáže navíc pracovatdobře i na velké vzdálenosti a používá skryté techniky (nepublikované) pro dynamické přizpůsobování spoje 35. Samozřejmě je řeč o prostředí bez jiných sítí a bez jakéhokoliv rušení.

3.3.1 Parametry NstremeV systému RouterOS lze protokolu Nstreme nastavit několik parametrů. Stejně jako u 802.11a

je zde možnost nastavit ack-timeout a hw-retries (spolu s on-fail-retry-time a disconnect-timeout), zbytek nastavení 802.11a je ignorováno. Dále je pak možnost zapnout polling (tedy změnit metodu přístupu k médiu) a možnost vypnout CSMA, což má za následek úplnou změnu z CSMA/CA na polling. Vypnutím CSMA se karta zbavuje povinnosti poslouchat médium před vysíláním, což může silně negativně ovlivnit soužití s jinými sítěmi na stejné frekvenci.

Posledními dvěma parametry jsou Framer Policy a Framer Limit. Rozsah Framer Limit je 100 – 4000 bytů a jeho význam závisí na Framer Policy. Možnosti Framer Policy jsou:

none Žádná úprava rámců není povolena, rámce se vysílají jeden po druhéms takovou velikostí, jakou mají.

best fit Rámce jsou shlukovány do jednoho většího rámce až do velikosti určenéparametrem Framer Limit. Pokud už se další rámec do tohoto nadrámcenevejde, pošle se až v dalším.

exact size Rámce jsou shlukovány do jednoho většího, přesně velkého rámce (pokudexistují rámce k odeslání, jinak se nečeká a odesílá menší rámec). Velikost jeurčena opět parametrem Framer Limit. Pokud se rámec již do tohoto nadrámce


23

nevejde, je fragmentován a odeslána pouze jeho část. Zbytek je odeslánv dalším nadrámci.

dynamic size Rámce jsou shlukovány podle potřeby (operační systém řídí velikostFramer Limit.

Největší propustnosti je dosahováno s Framer Policy exact size a velkým Framer Limit (3200-4000). Nevýhodou je zvýšená zátěž procesoru a lehce zvýšená odezva spoje (jelikož jsou rámce větší).

3.3.2 Nstreme2Protokol Nstreme lze použít i v jeho pokročilejší verzi Nstreme2 (Nstreme dual), který pracuje

se dvojicí bezdrátových karet – jednu kartu používá pro vysílání a druhou pro příjem. Tento systém je určen pro spoje bod-bod a má velkou výhodu v použití vysílací a přijímací frekvence. Když je totiž prostředí na dané frekvenci zarušené na jednom bodě spoje, nemusí být zarušené na druhém bodě, a tedy lze tuto frekvenci na druhém bodě použít pro příjem (vysílání z prvního bodu je prováděno v zarušeném prostředí) a naopak.

Při použití kvalitních směrových antén, správných polarizací a dostatečné vzdálenosti antén od sebe lze provozovat tyto spoje i tak, že jeden bod (fyzická lokalita, stožár) vysílá na stejné frekvenci do více různých směrů a na jiné frekvenci z těchto směrů přijímá. Díky směrovosti antén (a tedy i potlačení vysílání do jiných směrů, než je směr hlavní) je na vzdálené straně „vidět“ pouze anténa mířící tím směrem a naopak na vysílacím bodě je „vidět“ vždy jen protistrana z daného směru. Takovýto systém, kdy se na jedné frekvenci z jednoho bodu přijímá a na jiné vysílá je používán například i pro spoje na frekvencích 10GHz (často používané spoje bod-bod o vyšší kapacitě a samozřejmě vyšší ceně, volné pásmo v ČR).

24

Kapitola 4

Latence, FrontyPrvním důležitým problémem, který trápí provozovatele bezdrátových sítí v „zarušených“

prostředích, je doba odezvy. Co je to doba odezvy asi každý člověk z oboru IT ví. Co však už není pro většinu lidí tak zřejmé, je fakt, kde se vlastně taková odezva bere. Kde vzniká? A proč?

Vžitým omylem je například to, že se zatížením bezdrátového spoje na něm roste latence. Jak uvidíme dále, objem přenášených dat může mít jistý vliv, ovšem problémy se zvýšenou odezvou, které trápí provozovatele takovýchto spojů, jsou spíše způsobeny jinými faktory a špatným nastavením.

Druhým problémem je propustnost spoje. Tu jsou provozovatelé spojů celkem snadno schopni změřit a ladit. Záleží však na provozu ostatních sítí, a tedy také denní době, kdy měření provádí? Proč spoj nefunguje plnou rychlostí? Jaké jevy na to mají vliv? A které více, které méně? I na tyto otázky se pokusím dát v následujícím textu odpověď.

4.1 Kde vzniká latencePrvní otázkou je, co je to latence, zpoždění. Mějme dva uzly v síti. Jeden vyšle paket do sítě

tomu druhému, síť paket přenese, druhý uzel paket přijme a vyšle do sítě paket s odpovědí pro první uzel. Síť paket přenese, první uzel paket přijme a změřený čas mezi jím vyslaným paketema přijatým paketem od druhého uzlu prohlásí za Round Trip Time (RTT). Pomocí ICMP zpráv echo lze toto velmi snadno zjistit (např. použitím notoricky známé utility Ping).

Obdobně lze měřit zpoždění na bezdrátovém spoji, kde lze posílat ICMP pakety z jednoho zařízení spoje na druhé. Tím dostaneme RTT v rámci bezdrátového spoje. RTT se tedy skládá ze dvou složek – z času potřebného na cestu jedním směrem a z času potřebného na cestu druhým směrem. Nyní se podívejme na to, kde takové zpoždění vzniká.

4.1.1 Rychlost šíření signálu prostředímSignál se může šířit nanejvýš rychlostí světla. Jeho rychlost v běžných prostředích

používaných k přenosu se rychlosti světla blíží, proto zjednodušeně prohlasme, že se signál šíří rychlostí světla. Zpoždění, které vznikne při přenosu signálu z jednoho bodu do druhého, se vypočítá podle (4.1).

25

T s =d km

c(4.1)

kde d je vzdálenost bodů v km

c je rychlost světla v km/s.

Tab. 4.1 Zpoždění vniklé šířením signálu prostorem v závislosti na vzdálenosti dvou bodů

Vzdálenost [km] čas1 3,33 μs2 6,67 μs4 13 μs8 27 μs

16 53 μs32 107 μs64 213 μs

128 427 μs256 853 μs512 1,70 ms

1024 3,41 ms2048 6,83 ms4096 14 ms8192 27 ms

16384 55 ms

Z tabulky Tab. 4.1 je vidět, že na krátkých vzdálenostech má rychlost šíření signálu zanedbatelný přímý vliv na zpoždění. Vliv vzdálenosti se projevuje až na dlouhých vzdálenostech (mezi zeměmi/kontinenty). Vliv rychlosti šíření signálu prostředím tedy můžeme v rámci odezvy bezdrátového spoje zcela zanedbat.

4.1.2 Zpracování na zařízeníZařízení běžně používaná pro bezdrátové spoje fungují systémem store and forward. Datový

rámec musí nejprve celý přijmout, uložit do paměti a poté ho teprve odvysílat dále. Přeskočíme-li nyní nevýhody store and forward, vznikne zpoždění průchodem zařízením pouze mezi okamžikem přijetí paketu a začátkem jeho vysílání dále (případně generování ICMP echo odpovědi, pokud přijatý paket byl ICMP echo request).

Toto zpoždění je ovlivněno rychlostí zařízení, tedy rychlostí (frekvencí) procesoru, rychlostí pamětí a případně zatížením procesoru, pokud zařízení zpracovává i jiné úlohy. Velikost takového zpoždění je velmi těžké určit. Podle experimentů je však toto zpoždění pro malou zátěž procesoru

26

zanedbatelné. Při větší zátěži procesoru již vstupuje do hry více faktorů a není možné jednoduše říci, zda zvýšená zátěž způsobuje patrné zpoždění. Například na platformě Mikrotik ani hodnota ukazatele 100% zatížení CPU neznamená, že by zařízení nebylo schopné zpracovávat pakety 36.

4.1.3 Rychlost linkyZásadním faktorem ovlivňujícím latenci, který bývá pro mnohé skrytý, je rychlost linky.

Rychlostí rozumějme její fyzickou rychlost. O rychlosti řízené softwarově bude řeč dále. Jakým způsobem ovlivňuje rychlost linky odezvu?

Každý datový rámec má určitou velikost v bitech. Linka má zase fyzickou rychlost v bitech za vteřinu, kterou přenáší data. Například Fast Ethernet přenáší data rychlostí 100Mbit/s. Každý datový rámec (a paket v něm), který se touto linkou přenáší, se přenáší přesně rychlostí 100Mbit/s. Pokud tedy ukazatel zatíženosti linky ukazuje 5Mbit/s, nepřenáší linka data rychlostí 5Mbit/s, ale „teče“ přes ni 5Mbit/s, což je velký rozdíl. Linka stále přenáší rychlostí 100Mbit/s.

Obr. 4.1 Rovnoměrné přenášení 5Mbps přes 100Mbps linku

Odtud snadno můžeme vypočítat zpoždění, které na této lince vznikne:

t μs=velikost datagramubytes⋅8

rychlost linkyMb / s(4.2)

36 Manual:CPU Usage. MikroTik Wiki, 2011. Dokument dostupný na URLhttp://wiki.mikrotik.com/wiki/Manual:CPU_Usage

27

Obr. 4.2 Nerovnoměrný přenos 5Mbps přes 100Mbps linku

Je to vlastně rozdíl mezi prvním a posledním vyslaným bitem. Jak již bylo řečeno výše, rychlost šíření signálu lze zanedbat. Proto přenesení jednoho bitu je téměř okamžité. Ovšem pro přenesení celého datového rámce (např. 12000 bitů) je třeba odvysílat jednotlivé bity za sebou. Tam již rozhoduje délka trvání jednoho bitu. Ta je nepřímo úměrná udávané rychlosti linkyv bitech za sekundu.

Tab. 4.2 Zpoždění vzniklé průchodem paketu velikosti 1500B přes linku dané rychlosti

Název Rychlost linky [Mb/s] Zpoždění [ms] RTT na lince [ms]10Gigabit Ethernet 10 000,000 0,001 0,002

Gigabit Ethernet 1 000,000 0,011 0,023Fast Ethernet 100,000 0,114 0,229

Ethernet 10,000 1,144 2,289802.11a 54Mbps 25,000 0,458 0,916802.11a 48Mbps 23,100 0,495 0,991802.11a 36Mbps 20,200 0,567 1,133803.11a 24Mbps 15,700 0,729 1,458802.11a 18Mbps 12,600 0,908 1,817802.11a 12Mbps 9,300 1,231 2,461

802.11a 9Mbps 7,200 1,589 3,179802.11a 6Mbps 5,100 2,244 4,488

jiná linka (ADSL) 1,000 11,444 22,888jiná linka (ADSL) 0,512 22,352 44,703jiná linka (ADSL) 0,128 89,407 178,814

jiná linka (dial-up) 0,064 178,814 357,628

28

Standardní pakety mají velikost maximálně 1500B. Odtud můžeme stanovit maximální zpoždění, které vznikne průchodem paketu přes takovou linku. Vzhledem k délce paketu zanedbejme přidané bity datového rámce a prohlasme délku paketu shodnou s délkou datového rámce. Tabulka Tab. 4.2 ukazuje vypočtené zpoždění.

Navíc, pokud je na lince zapnuto opakování nedoručených rámců, může se čas strávený vysíláním takového rámce prodloužit. Například pokud má linka 802.11a 24Mbps nastaveno opakovat maximálně 15krát, může výsledný RTT na lince vystoupat na 22ms. O tom podrobněji až dále.

4.1.4 Přístup k médiuZpoždění může vzniknout také při čekání na volné médium, resp. přístup k médiu. V případě

plně duplexní bod-bod garantované linky, jako je třeba Fast Ethernet, je zpoždění způsobené přístupem k médiu nulové. V případě half duplex spojů, jako jsou třeba ty fungující na protokolu 802.11a, vzniká zpoždění při čekání na volné médium. Stejně tak vzniká zpoždění při sdílení média více účastníky, kteří musí o přístup k médiu soupeřit (více zařízení 802.11a).

Protokol 802.11a používá pro přístup k médiu metodu CSMA/CA, a tedy přístup k médiu je zajištěn náhodnostně (statisticky). Pokud je médium volné, pak lze vysílat ihned, pokud není, musí zařízení počkat náhodný čas a znovu pokus zopakovat. Každý neúspěšný pokus v řadě prodlužuje rozsah náhodného času – neznamená to ale, že by se doba čekání prodlužovala, pouze se zvětšuje rozsah, ze kterého je čekací čas náhodně vybrán (je větší šance, že bude čekat déle).

Protokol Nstreme při standardně zapnutém pollingu přenechává řízení přístupu k médiu přístupovému bodu (access pointu). Ten se postupně dotazuje klientů, zda chtějí vysílat a případně je nechává vysílat. Tím zajišťuje rovnoměrný prostor pro všechny klienty, a tedy garantuje krátký čas přístupu k médiu závislý pouze na počtu klientů, kteří chtějí vysílat data.

4.1.5 FrontyPosledním, avšak nejvíce důležitým faktorem ovlivňujícím zpoždění, jsou fronty. Protože

zpoždění vzniklé špatně nastavenými frontami je největší, je nutné jim věnovat také největší pozornost, a to sice v celé následující podkapitole.

4.2 Fronty, QoS, HTBPrvotním úkolem je uchopit pojem bottleneck, čili úzké místo v síti. Důvodem, proč se tímto

zabývat je, že bezdrátové spoje dnes umožňují typicky nižší přenosové rychlosti než spoje drátové (optické/metalické). Proto když dorazí pakety z rychlejšího drátového rozhraní a mají dále pokračovat pomalejším rozhraním bezdrátovým, dochází k problému, který je nutno řešit.

29

Poznamenejme nyní téměř zřejmý, ale důležitý poznatek: Zařízení musí přijmout všechny pakety, které mu přijdou na jeho rozhraní. Po přijetí paketu už s ním může dělat co chce (třeba ho zahodit), ale přijmout paket musí vždy.

Nyní uvažme situaci, kdy má zařízení dvě rozhraní – rychlejší Fast Ethernet (100Mbit)a pomalejší Ethernet (10Mbit). Na rychlejší rozhraní přicházejí pakety plnou rychlostí linky a mají být dále odvysílány pomalejším rozhraním. Už na první pohled je zřejmé, že tento úkol nelze splnit. Zařízení přesto musí všechny pakety z rychlejšího rozhraní přijmout a poté musí rozhodnout, co s nimi udělá.

První možností je paket odeslat, což je možné pouze pokud je pomalejší linka volná (připravena k vysílání). Druhou možností je paket zahodit. Třetí možností je paket zařadit do fronty a jeho odeslání odložit.

Předpokládejme nyní tedy, že je pomalejší rozhraní schopné vysílat. Z rychlejšího rozhraní zařízení přijme paket a může ho ihned začít vysílat. Protože zařízení není schopno předvídat budoucnost a neví, zda přijdou ještě další pakety (i když ty by mohly být důležitější než právě přijatý paket), začne přijatý paket rovnou vysílat. To je jediná a nejlepší možnost.

Nyní nastává problém, protože odeslání jednoho paketu pomalejší linkou trvá 10x déle než přijetí paketu rychlejším rozhraním (viz kapitola 4.1.3). Proto pokud budou rychlejším rozhraním přicházet další pakety plnou rychlostí (plně saturovaná linka), nebude možno následujících 9 paketů odvysílat přímo, jako to bylo možné s prvním paketem (předpokládáme, že mají stejnou velikost, např. 1500B). Vysílání paketu pomalejší linkou, které nyní zdržuje a na jehož dokončení se čeká, nelze již zrušit a paket musí být celý odvysílán.

S dalšími přijatými 9 pakety musí být naloženo podle bodu dva nebo tři. Buďto budou zahozeny, nebo se zařadí do fronty. Pokud by je zařízení zahodilo, zdálo by se to jako celkem rozumné řešení – zařízením by prošel každý desátý paket, paměť zařízení by nebyla obsazována čekajícími pakety, pomalejší linka by byla plně saturovaná. Důvodem, proč toho řešení není vhodné, jsou vlastnosti protokolů vyšších vrstev, především protokolu TCP.

4.2.1 Ideální přenosová rychlostPo uvědomění si poznatku z kapitoly 4.1.3, že linka vždy vysílá plnou rychlostí, nyní

postupujeme k podstatě problému úzkého místa. Řekněme, že máme síť, na které máme pouze dva koncové body (PC), které jsou propojeny přes několik síťových zařízení. Každý koncový bod je připojen pomocí 100Mb Fast Ethernetu. Síť mezi nimi je vystavěna taktéž pomocí Fast Ethernetu, ovšem jedna linka na cestě mezi koncovými body je vystavěna jinou technologií, jejíž linková rychlost je pouze 5Mb/s.

Nyní chce jeden koncový bod vysílat druhému větší datový soubor. Po rozdělení souboru do paketů (zjednodušeně) musí být všechny pakety přeneseny na druhý koncový bod. Pokud víme, že nejužší místo cesty je právě ona 5Mb linka, bylo by rozumné vysílat rychlostí 5Mb/s. Rozhraní,

30

kterým je první koncový bod připojen, je Fast Ethernet a podle kapitoly 4.1.3 musí tato linka vysílat vždy plnou rychlostí. To tedy znamená, že musí nějakým způsobem střídat vysílánís nečinností. Rozumné se zdá být vysílání v pravidelných rovnoměrných intervalech (viz obrázek Obr. 4.1). Takovým způsobem budou na zařízení, které dále pokračuje zmíněnou pomalou linkou, docházet pakety vždy až v momentě, kdy byl předchozí paket kompletně odvysílán pomalou linkou. Vždy by tedy bylo s pakety nakládáno podle bodu jedna – byly by ihned odesílány.

Obr. 4.3 Rovnoměrné přenášení paketů způsobené přechodem ze 100Mbps linky na 1000Mbps linku

To však není případ chování protokolu TCP. TCP je navržen tak, aby dokázal linky plně saturovat, nebo se alespoň k takovému stavu přibližoval, přičemž není známo jaká je propustnost celé cesty 37. K řízení (vyhnutí se) zahlcení sítě používá tzv. congestion window. Velikost tohoto okna je dynamická a udává množství dat, které lze do sítě vyslat bez čekání na jejich potvrzení. Po doručení potvrzení paketu se velikost okna zvětšuje a zařízení vysílá několik paketů zasebou – v klasické implementaci (additive increase) zvětšuje congestion window o 1 MSS (maximum segment size) a posouvá o velikost doručeného paketu, což v případě, že se posílají pakety plné velikosti, znamená, že v následujícím kroku vyšle 2 pakety za sebou.

Po nedoručení potvrzení nebo po detekci ztráty paketu velikost congestion window zmenšujea tím snižuje množství dat, které se do sítě posílají bez potvrzení.

Pokud by byly pakety ihned zahazovány, došlo by k degradaci protokolu. Proto musí býtv úzkém místě pro TCP spojení alespoň malá fronta. Velikost front je však ošemetná záležitosta nelze přesně říci, jak velké mají být. Optimalizací velikosti front se proto v této práci věnovat nebudu.

37 Dostálek L., Kabelová A. a kolektiv: Velký průvodce protokoly TCP/IP a systémem DNS, třetí aktualizované a rozšířené vydání. Computer Press, Praha 2002. s.235 – 240

31

4.2.2 Zahlcení z více zdrojůPo krátké ilustraci toho, jak vypadá úzké místo pro spojení dvou koncových bodů, se nyní

podívejme, jak se situace změní, máme-li účastníků v síti více.

Mluvíme-li o bezdrátových sítích, klasickým příkladem, kdy dojde k zahlcení sítě z více zdrojů je internetová brána, prostřednictvím níž je nějaký poskytovatel připojen k síti Internet (předpokládejme, že je připojen pouze jednou bránou). Taková brána (router) bývá připojena směrem do Internetu přes rozhraní Fast Ethernet nebo Gigabit Ethernet. Směrem do sítě poskytovatele je však připojena rozhraním pomalejším, tj. nějakým bezdrátovým spojem. Ten bude zaručeně pomalejší (pomalejší fyzická/linková rychlost), například pokud je páteř vystavěna na spojích používajících protokol 802.11a.

Předpokládejme, že si více uživatelů uvnitř sítě poskytovatele vyžádalo ve zhruba stejný okamžik data ze serverů z Internetu. Umístění těchto serverů v Internetu může být různé, cesty, kterými přicházejí pakety do sítě, ke které je poskytovatel připojen, mohou být také různé (tato síť již bude mít více bran). Nyní, když jsou TCP spojení ustanovena, posílají servery pakety směrem do sítě poskytovatele. Všechny tyto pakety musí projít skrze výše zmíněnou bránu.

Uživatelé uvnitř sítě posílají k serverům pouze malé ACK pakety, kdežto servery posílají směrem k uživatelům velké pakety plné dat. Zatímco ACK paketů můžeme zpět do Internetu poslat mnoho za jednotku času, za stejnou jednotku času vyšleme daleko méně paketů směrem do sítě poskytovatele.

Servery nejsou mezi sebou nijak časově sladěny, vše probíhá v nezkoordinovaném čase. Jakmile server obdrží ACK paket, vyšle další 2 velké pakety směrem k bráně. Tak postupují všechny servery. Co se stane nyní? Na rychlé rozhraní brány dorazí několik (třeba i desítek) paketů za sebou. Jak víme, rozhraní je musí přijmout. Odvysílat je ale nemůže (krom prvního), a tak je zařadí do fronty. Je-li fronta pouze typu FIFO, pak poslední došlý paket musí čekat na odeslání všech před ním došlých paketů.

Pokud jeden uživatel uvnitř sítě naváže například 100 TCP spojení a ostatních 5 uživatelů sítě naváže pouze 1 spojení, pak první uživatel bude značně zvýhodněn oproti ostatním a bude jejich toky doslova dusit. Pakety musí ve frontě čekat. To znamená, že narůstá jejich zpoždění. Pokud bude z jednoho serveru přicházet malé množství dat (např. rovnoměrně malé UDP paketyviz kapitola 4.2.1), pro které je důležité mít co nejmenší zpoždění, nastane velký problém, protože musí stejně s ostatními TCP pakety čekat ve frontě.

4.2.3 FIFO frontyFronta typu FIFO je nejrozšířenějším typem fronty a je implementována snad ve všech

zařízeních. Funkčnost je jistě každému známá, přesto připomenu, jak funguje – pakety, které se do ní zařadí, jsou odesílány přesně v takovém pořadí, v jakém do ní přišly – čili kdo první přijde, ten první odejde.

32

Jediným parametrem, který lze u fronty typu FIFO řídit, je její velikost. Ta je buď udanáv počtu paketů, nebo v počtu bytů. Operační systém RouterOS např. používá FIFO jako výchozí frontu pro rozhraní typu Ethernet a její velikost stanovuje na 50 paketů.

Tab. 4.3 Zpoždění vzniklé průchodem paketu přes zaplněnou frontu FIFO při dané velikosti frontya výstupní rychlosti. Šedý řádek označuje frontu velikosti 50 paketů, která je výchozímnastavením v RouterOS

Velikost fronty Zpoždění při dané výstupní rychlosti

kbytů paketů (1500B) 128 Kb/s 256 Kb/s 512 Kb/s 1Mb/s 2Mb/s 4Mb/s 8Mb/s 30Mb/s 100 Mb/s 1Gb/s

1,46 1 92 ms 46 ms 23 ms 11 ms 5,72 ms 2,86 ms 1,43 ms 0,38 ms 0,11 ms 0,01 ms

2,93 2 183 ms 92 ms 46 ms 23 ms 11 ms 5,72 ms 2,86 ms 0,76 ms 0,23 ms 0,02 ms

5,86 4 366 ms 183 ms 92 ms 46 ms 23 ms 11 ms 5,72 ms 1,53 ms 0,46 ms 0,05 ms

11,72 8 732 ms 366 ms 183 ms 92 ms 46 ms 23 ms 11 ms 3,05 ms 0,92 ms 0,09 ms

23,44 16 1 s 732 ms 366 ms 183 ms 92 ms 46 ms 23 ms 6,10 ms 1,83 ms 0,18 ms

46,88 32 3 s 1 s 732 ms 366 ms 183 ms 92 ms 46 ms 12 ms 3,66 ms 0,37 ms

73,24 50 5 s 2 s 1 s 572 ms 286 ms 143 ms 72 ms 19 ms 5,72 ms 0,57 ms

93,75 64 6 s 3 s 1 s 732 ms 366 ms 183 ms 92 ms 24 ms 7,32 ms 0,73 ms

187,50 128 12 s 6 s 3 s 1 s 732 ms 366 ms 183 ms 49 ms 15 ms 1,46 ms

375 256 23 s 12 s 6 s 3 s 1 s 732 ms 366 ms 98 ms 29 ms 2,93 ms

750 512 47 s 23 s 12 s 6 s 3 s 1 s 732 ms 195 ms 59 ms 5,86 ms

1500 1024 94 s 47 s 23 s 12 s 6 s 3 s 1 s 391 ms 117 ms 12 ms

3000 2048 188 s 94 s 47 s 23 s 12 s 6 s 3 s 781 ms 234 ms 23 ms

6000 4096 375 s 188 s 94 s 47 s 23 s 12 s 6 s 2 s 469 ms 47 ms

12000 8192 750 s 375 s 188 s 94 s 47 s 23 s 12 s 3 s 938 ms 94 ms

24000 16384 1 500 s 750 s 375 s 188 s 94 s 47 s 23 s 6 s 2 s 188 ms

Zařízení, která používají fronty FIFO, zařazují příchozí pakety do této fronty, až ji zcela naplní. Pokud přijde další paket a již není místo ve frontě, tento paket zahodí. Pokud na zařízení, které používá výstupní fronty pouze typu FIFO, nedojde k zahlcení, pak jsou tyto fronty vždy prázdné. Co se však stane, pokud k zahlcení dojde?

Takovou situací se zabýval například Jim Gettys. Ten na svém blogu 38 popisuje problém, který nazval Bufferbloat. Jedná se právě o problém, kdy díky zahlcení dochází k zařazování paketů do FIFO fronty. Protože (dle jeho slov) výrobci hardware neuváženě implementují do zařízení dlouhé fronty (velké buffery), dochází při zahlcení na těchto zařízeních k extrémnímu nárůstu zpoždění, neboť jak bylo popsáno, musí příchozí pakety projít celou frontou, než se dostanou ven

38 Gettys J.: The criminal mastermind: bufferbloat! 2011. Dokument dostupný na URLhttp://gettys.wordpress.com/2010/12/03/introducing-the-criminal-mastermind-bufferbloat/

33

Z tabulky Tab. 4.3 je vidět, že průchodem přes zaplněnou FIFO frontu získává paket výrazné zpoždění. Zároveň poznamenejme, že na rozdíl od zpoždění na lince samotné je toto zpoždění nezávislé na délce paketu. Vyvstává tak zřejmá potřeba řídit zahlcení, tedy zajistit kvalitu služby (QoS).

4.2.4 Fronty v RouterOSRouterOS podporuje několik druhů front: PFIFO (Packet FIFO s velikostí určenou

v paketech, BFIFO (Bytes FIFO s velikostí určenou v bytech), RED (Random Early Detect), SFQ (Stochastic Fairness Queue) a PCQ (Per Connection Queue) 39. Jednotlivé fronty nemá nyní smysl detailně popisovat, ale pokusím se je ve stručnosti nastínit:

PFIFO a BFIFO již byly zmíněny, je to klasické FIFO s nějakou kapacitou. PFIFO (50 paketů) je používána jako výchozí fronta pro ethernetová rozhraní.

RED je klasické FIFO, které ale zahazuje náhodně pakety podle zaplnění fronty.

SFQ rozděluje náhodně pakety (určeno podle čtveřice zdrojová IP adresa, cílová IP adresa, TCP/UDP zdrojový a cílový port, hash algoritmus se mění každých x sekund) do pevného počtu FIFO front a obsluhuje je round-robin algoritmem, tedy pakety odebírá postupně z první až poslední fronty a „sbírá“ je dokola.

Konečně PCQ je podobná SFQ, dává ovšem více možností. PCQ rozděluje stejně jako SFQ pakety do FIFO front. Rozdělení se děje na základě tzv. classifieru, který lze nastavit jako libovolnou pevnou kombinaci čtyř zmíněných rozdělovačů z SFQ. Počet FIFO front je dynamický (fronta vzniká na základě rozpoznání nového „typu“ z classifieru) na rozdíl od SFQ a rozdělení je vždy stejné. PCQ classifier může pakety rozdělovat i např. pouze podle zdrojové adresy, což je možné použít třeba pro řízení provozu zevnitř sítě do Internetu.

4.2.5 HTB (Hierarchical Token Bucket)Pro řízení zahlcení a limitování rychlosti je v RouterOS implementován systém HTB

(Hierarchical Token Bucket) 40. HTB je vázán k výstupnímu rozhraní, tedy každé rozhraní má svůj vlastní HTB. RouterOS navíc přidává 3 virtuální rozhraní: global-in, global-out a global-total, tedy rozhraní pro příchozí pakety, odchozí pakety a rozhraní pro příchozí a odchozí dohromady. Nenechme se zmást označením „příchozí pakety“ – samozrějmě všechny pakety, které na zařízení směřují, musí zařízení přijmout. Jedná se pouze o virtuální rozhraní, do něhož virtuálně pakety vstupují ihned po přijetí, ještě před dalším zpracováním.


40 Tamtéž, s.279 – 301

34

HTB používá hierarchický systém tříd, které jsou určeny pro limitování rychlosti. Třídy tvoří jeden strom (tree). Každá třída má vlastnost limit-at (CIR – commited information rate), která určuje rychlost (bandwidth), kterou má třída garantovanou. Dále pak má vlastnost max-limit(MIR – maximal information rate), která určuje maximální rychlost (bandwidth) třídy.

Třídy, které jsou listy, mají ještě další vlastnosti. Jednou z nich je priority, která určuje prioritu třídy (hodnota 1 – 8 kde 1 je nejvyšší a 8 nejnižší). U priority třídy vznikají největší nepochopení. Priorita u třídy má smysl pouze u tříd, které jsou listy, a tedy nemají žádného dalšího potomka. Bohužel vlastnost priority se dá nastavit i třídám, které nejsou listy – tam však nemá žádný význam. Dále se pak priorita uplatňuje „po vrstvách“, nikoliv zcela absolutně, což právě způsobuje nedorozumění.

Pakety, které mají projít HTB musí být nejprve řádně označeny. K tomu slouží označovací systém (marking). Ten má nepřeberné množství možností jak pakety označit. Do detailů není třeba zacházet. Důležité je, že pakety, které opouští marking mají nějakou značku. Na základě této značky jsou zařazeny do jedné z listových tříd. Každá listová třída má svojí frontu, do které je paket zařazen v případě, že ho nelze vyslat ihned. Žádné jiné třídy než listové v HTB frontu nemají. I když bohužel, stejně jako u priority, i jim lze nějakou přiřadit – ovšem opět nemá žádný význam.

Nyní jakým způsobem HTB určuje, zda pakety lze vyslat a v jakém pořadí? Protože jsou třídy hierarchicky uspořádané do stromu, lze na strom pohlížet po vrstvách směrem odspodu, tedy od vrstvy listových tříd. Další vyšší vrstva bude obsahovat všechny jejich rodiče, další vrstva rodiče rodičů atd. Každá taková vrstva má přiřazeno 8 virtuálních slotů. Každý z těchto 8 slotů je vyhrazen pro jednu z 8 priorit. Sloty jsou seřazeny v přesném pořadí – první je slot pro prioritu 1 na nejnižší úrovni stromu (listové třídy), pokračují sloty pro prioritu 2,3..8 stejné úrovně (listové). Po slotu pro prioritu 8 nejnižší vrstvy následuje slot 1 vrstvy vyšší, pak slot 2 vrstvy vyšší až opět slot 8. Takto jsou tedy uspořádány sloty.

Každá listová třída je napojená na právě jeden slot. I když dokumentace k RouterOS ukazuje napojení listových tříd přes vyšší třídy, je jednodušší si představit, že listová třída je připojena přímo na slot, přičemž to, na který slot je připojena, je určeno hierarchií tříd.

Rychlost, jakou listová třída odesílá pakety, je vypočítávána po odeslání paketu a takév nějakém časovém intervalu. Předpokládejme, že tedy třída zná rychlost svého odesílání (za poslední interval). Po vypočítání rychlosti je třídě přiřazen jeden ze 3 stavů:

Green state (zelený), kdy vypočítaná rychlost nepřekročila rychlost uvedenou ve vlastnosti limit-at. V takovém případě je listová třída napojena na slot v nejnižším patře stromu (listovém), na který z 8 slotů je připojena, závisí na nastavené prioritě třídy.

Yellow state (žlutý), kdy vypočítaná rychlost překročila rychlost uvedenou ve vlastnostilimit-at a zároveň nepřekročila rychlost uvedenou ve vlastnosti max-limit. V takovém případě se třída pokouší půjčit si rychlost od svého rodiče. Pokud je rodič v green state, pak svému potomkovi

35

zapůjčí rychlost. Pokud je rodič v yellow state, pak toto platí rekurzivně (musí si půjčit od svého rodiče). Pokud je rodič v red state, pak potomkovi rychlost nepůjčí, a tedy potomek nemůže vysílat. Po zapůjčení potomkovi se přepočítává ve třídě její rychlost. Listová třída, která si půjčuje od svého rodiče, je napojena na slot v jednom z vyšších pater. Pokud je rodič listové třídyv green state, a tedy půjčuje rychlost přímo, pak je listová třída napojená na slot v patře svého rodiče. Pokud je rodič listové třídy v yellow state, pak je listová třída napojená na slot v ještě vyšším patře (až v patře rodiče rodičů, který je v green state). Nepůjčí-li listové třídě její rodič rychlost, pak je odpojena od slotů úplně (nemůže vysílat). Na který slot v daném patře je listová třída připojena opět záleží na její nastavené prioritě.

Obr. 4.4 Schéma HTB, připojení tříd ke slotům 41

Red state (červený) znamená, že vypočítaná rychlost překročila vlastnost max-limit. Třídav takovém stavu nemůže vysílat, ani si půjčovat rychlost, ani půjčovat rychlost svým potomkům. Dostane-li se třída do tohoto stavu, stane se tak po odeslání paketu nebo zapůjčení rychlosti potomkovi. Třída pak musí čekat na uběhnutí časového intervalu, kdy se její rychlost přepočítáa díky její chvilkové nečinnosti (neodesílání/nepůjčování) klesne pod max-limit. Je-li listová třídav red state, je odpojená od slotu a nemůže vysílat. Je-li nelistová třída v red state, pak nemůže půjčovat rychlost svým potomkům.

Je tedy vidět, že priorita listové třídy není absolutní, a nelze tedy obecně říci, že má-li listová třída prioritu 5, pak pakety, které jsou jí přiřazeny, dostanou přednost před pakety jiné listové třídy s nižší prioritou 8. Vždy záleží na tom, na který slot jsou třídy připojeny. Třída připojená na slotve vyšším patře má automaticky nižší „efektivní prioritu“ než třída připojená na slot v nižším patře.

Pokud je možno vyslat paket (takto se to píše v dokumentaci RouterOS, jaký je přesný význam „možno vyslat“ psáno není a je předmětem pozdějšího zkoumání), odebírají se pakety postupně z listových tříd (z jejich front) podle toho, ke kterému slotu jsou připojeny (po odebrání


36

paketu z fronty je opět přepočítána rychlost třídy). Odebírání ze tříd, které jsou připojenyke stejnému slotu, se děje pomocí round-robin algoritmu, tedy rovnoměrně se odebírá přes všechny fronty. Odebírání paketů se děje striktně podle seřazených slotů, tedy nejdříve jsou odebrány všechny pakety z front tříd, které jsou napojeny na první slot, pak z těch napojených na druhý slot, třetí slot atd.

V tomto systému figurují i fronty, jejichž typy byly již zmíněny výše. Pokud se třída dostane do red state, a tedy nemůže dále vysílat, nebo pokud je v yellow state a rodič jí nepůjčí rychlost (případně v green state za zvláštních okolností, zkoumáno později), pak pakety, které jsou jí přiřazeny, musí být zařazeny do fronty, nebo zahozeny. Každá listová třída si tedy drží frontu, do které jsou takové pakety zařazovány a ze které jsou následně odesílány. Udrží-li se listová třídav green state, pak by její fronta měla zůstávat trvale prázdná.

37

Kapitola 5

Indoor testováníAčkoliv předchozí „teoretické“ poznatky vypadají jako jednoduché shrnutí známých faktů,

k jejich objevení (uvědomění si) a pochopení funkčnosti do detailů vede dlouhá cesta zkoušenía testování. Ne vše je totiž psáno a ne vše je psáno do potřebných detailů.

Tato kapitola popisuje zkoumání, které bylo prováděno uvnitř budovy. Testování uvnitř budovy s sebou nese výhody i nevýhody. Nevýhodou je, že zařízení (antény) jsou velmi blízko sebe, tedy signál může být velmi silný (bezdrátové karty mají nějaký rozsah úrovně přijímaného signálu). K jeho redukci lze snížit výstupní výkon karty a také antény natočit takový způsobem, aby jejich zisk v tomto směru byl menší. Vyslaný signál se ale díky stěnám šíří odrazy, což může způsobovat nekvalitu signálu. Prostředí také nemusí být stálé (pohyb předmětů, osob, vibrace antén pokud nejsou upevněny a vysílají mimo hlavní lalok).

Výhodou je, že lze natočení antény rychle upravit, připojit se k zařízení přes ethernetový port (důležité pro případ, že bezdrátový spoj přestane fungovat – pokud by byl spoj venku, např. na 1km, bylo by to o dost horší), dále pak propojení zařízení přes ethernetová rozhraní a v neposlední řadě teplo a střecha nad hlavou.

Nevýhody tohoto prostředí je třeba při zkoumání brát v potaz a soustředit se spíše na věci (chování), které nejsou tímto ovlivněny.

5.1 Prvotní testování spojeZákladními parametry bezdrátového spoje jsou jeho propustnost (bandwidth) a odezva (RTT

na spoji). Jak bylo vysvětleno výše v kapitole 4.1, odezva závisí největší měrou na propustnosti, případně na přístupu k médiu.

Pro zjištění propustnosti lze použít nástroj v RouterOS Bandwidth Test (BWTest), který přenáší data mezi dvěma zařízeními, a to buď protokolem TCP nebo UDP. Tento nástroj má tu nevýhodu při testování protokolem TCP, že vytížení procesoru při takovémto testování vystoupá až na 100%. Nejspíše se jedná o špatnou implementaci. Ze zjišťování původu latence pak vyvstává otázka, zda takovéto zatížení nebude mít na latenci negativní vliv, případně i negativní vliv na propustnost. Proto je vždy lepší testovat spoj pomocí protokolu UDP.

Pro zjištění latence na spoji (RTT) lze použít v RouterOS nástroj Ping. Tento nástroj umožňuje zasílání ICMP echo paketů v minimálním intervalu 20ms s udanou velikostí paketu. Ideální by bylo

38

testovat latenci pro každý paket, který je spojem přenášen, ovšem takové testování by jednak vyžadovalo speciální nástroje a jednak by nešlo provést přímo na reálném spoji při reálném provozu. Proto si vystačíme se vzorkem získaným pomocí zasílání ICMP paketů.

5.1.1 Naivní testování spojeNyní si ukažme, jakým způsobem testuje spoj člověk „neuvědomělý“. Odtud totiž pochází

mnoho nepravd a zmatení okolo bezdrátových spojů. Mějme vystavěný funkční bezdrátový spoj. Nyní vyzkoušíme jeho odezvu. Spustíme ping na druhou stranu a sledujeme výsledky:

Obr. 5.1 Testování spoje bez zátěže, sledování odezvy pomocí ping

Jak je vidět z obrázku Obr. 5.1, spoj je schopen vysílat na kódovací rychlosti 54Mbpss dostatečnou sílou signálu. Odezva pro pakety o velikosti 50bytů je 1ms (hodnota je zaokrouhlená, RouterOS neukazuje desetinná místa v odezvách). To je vynikající stav. Nyní vyzkoušíme jeho propustnost.

Z BWTestu (obrázek Obr. 5.2) vidíme, že spoj dokáže přenášet lehce přes 30Mbps half duplex. Přitom odezvy při takto plně zatíženém spoji jdou do velkých čísel. Zkusíme tedy posílat méně dat a postupně objem dat zvyšovat. Výsledky testování ukazuje tabulka Tab. 5.1 a obrázek Obr. 5.3.

39

Obr. 5.2 Naivní testování spoje, maximální zátěž, sledování odezvy pomocí ping

Tab. 5.1 Naivní testování – doba odezvy v závislosti na objemu odesílaných dat

Rychlost odesílaní dat Latence na spoji (RTT)

TX RX min avg max

0,00 0,00 1 ms 1 ms 1 ms1,00 1,00 1 ms 1 ms 2 ms3,00 3,00 1 ms 2 ms 5 ms5,00 5,00 2 ms 4 ms 6 ms7,00 7,00 1 ms 4 ms 9 ms8,00 8,00 1 ms 5 ms 11 ms9,00 9,00 1 ms 5 ms 14 ms

10,00 10,00 1 ms 7 ms 14 ms11,00 11,00 0 ms 8 ms 17 ms12,00 12,00 1 ms 11 ms 20 ms13,00 13,00 1 ms 14 ms 42 ms14,00 14,00 4 ms 17 ms 28 ms14,50 14,50 5 ms 19 ms 39 ms15,00 15,00 5 ms 29 ms 90 ms15,10 15,10 6 ms 115 ms 218 ms15,50 15,50 83 ms 201 ms 260 ms

40

Obr. 5.3 Naivní testování – doba odezvy v závislosti na objemu odesílaných dat

Odtud by se mohlo zdát, že odezva spoje roste s množstvím dat, která jsou přes spoj přenášena. Ve skutečnosti spoj jako takový pracuje stále s odezvou 1ms. To, co způsobuje zpoždění, jsou fronty, které nejsou správně řízeny.

Tab. 5.2 Naivní testování spoje – odesílání dat pouze jedním směrem, výchozí nastavení front pro bezdrátové rozhraní


TX RX min avg max

0,00 0,00 1 ms 1 ms 1 ms1,00 0,00 1 ms 1 ms 1 ms5,00 0,00 1 ms 1 ms 2 ms

10,00 0,00 1 ms 1 ms 4 ms13,00 0,00 1 ms 2 ms 7 ms15,00 0,00 1 ms 3 ms 9 ms18,00 0,00 1 ms 3 ms 8 ms20,00 0,00 1 ms 5 ms 9 ms22,00 0,00 2 ms 6 ms 10 ms24,00 0,00 3 ms 8 ms 13 ms26,00 0,00 4 ms 11 ms 15 ms28,00 0,00 5 ms 9 ms 16 ms30,00 0,00 6 ms 11 ms 20 ms30,10 0,00 7 ms 12 ms 22 ms30,20 0,00 4 ms 30 ms 53 ms30,50 0,00 59 ms 60 ms 63 ms31,00 0,00 60 ms 61 ms 63 ms

41

Abychom prozkoumali vliv front na toto zpoždění, bude vhodné testovat odesílání dat pouze jedním směrem. Na zařízení, které posílá data, pak budeme testovat nastavení front. Fronty na druhé straně můžeme nastavit podobně, ovšem vzhledem k tomu, že protější strana téměř žádná data nevysílá, bude celkem jedno, jaký druh fronty tam bude použitý (viz tabulka Tab. 4.3). Nyní zkusíme opět test s výchozím nastavením front (Tab. 5.2, Obr. 5.4).

Obr. 5.4 Naivní testování spoje – odesílání dat pouze jedním směrem, výchozí nastavení front pro bezdrátové rozhraní

5.1.2 Testování spoje s řízenými frontamiNyní využijme nabytých znalostí a použijme řízenou frontu. Budeme chtít potvrdit hypotézu,

že spoj má stále stejnou latenci. Vytvoříme třídu HTB s frontou typu PCQ, jejíž classifier bude pakety rozdělovat podle všech čtyř parametrů – zdrojová a cílová IP adresa, zdrojový a cílový port (TCP/UDP). Jako rodiče HTB třídy použijeme odchozí bezdrátové rozhraní, tedy wlan1. BWTest používá jedno řídící spojení a jedno datové spojení. Řídící spojení si předává pouze nepatrné množství dat. Hlavní datový proud je soustředěn do datového spojení. Proto budou v PCQ vytvořeny dvě fronty. K těmto dvěma frontám přibude fronta pro ICMP echo pakety (src a dest porty jsou nulové). Celkem tedy vzniknou 3 PCQ fronty. Protože řídící spojení pro BWTest posílá nepatrné množství dat, můžeme se soustředit pouze na 2 zmíněné FIFO fronty vytvořené v rámci PCQ. Protože PCQ obsluhuje své podfronty pomocí round-robin algoritmu, mělo by vzniknout při vygenerování ICMP echo request paketu zpoždění ve frontě délky nejvýše ekvivalentní času odeslání 1 paketu (čeká se na doposlání paketu z datové fronty BWTestu). Výsledek takovéhoto nastavení ukazuje Tab. 5.3 a Obr. 5.5.

42

Tab. 5.3 Testování spoje – odesílání dat pouze jedním směrem, použití PCQ fronty


TX RX min avg max

0,00 0,00 0 ms 1 ms 4 ms1,00 0,00 1 ms 1 ms 3 ms5,00 0,00 0 ms 1 ms 4 ms8,00 0,00 1 ms 1 ms 5 ms

10,00 0,00 0 ms 2 ms 6 ms15,00 0,00 0 ms 4 ms 10 ms20,00 0,00 0 ms 6 ms 13 ms22,00 0,00 1 ms 7 ms 14 ms24,00 0,00 1 ms 8 ms 18 ms25,00 0,00 1 ms 8 ms 18 ms26,00 0,00 1 ms 8 ms 18 ms27,00 0,00 1 ms 10 ms 18 ms28,00 0,00 1 ms 9 ms 18 ms29,00 0,00 2 ms 10 ms 20 ms30,00 0,00 60 ms 61 ms 67 ms31,00 0,00 60 ms 61 ms 71 ms

Obr. 5.5 Testování spoje – odesílání dat pouze jedním směrem, použití PCQ fronty

43

Výsledky se v podstatě neliší od předešlého testu. Po krátkém zkoumání je to jasnější – třídav HTB nemá nastavený limit rychlosti.

Nyní si tedy ukažme, co se změní, stanovíme-li třídě v HTB maximální limit, který smí data odesílat. Stanovme tento limit pod zjištěnou propustnost, tedy na 28Mbps. Výsledek ukazuje Tab. 5.4 a Obr. 5.6.

Tab. 5.4 Testování spoje – odesílání dat pouze jedním směrem, použití PCQ fronty, limit 28Mbps pro třídu v HTB


TX RX min avg max

0,00 0,00 1 ms 1 ms 1 ms1,00 0,00 1 ms 1 ms 1 ms5,00 0,00 0 ms 0 ms 2 ms8,00 0,00 1 ms 1 ms 4 ms

10,00 0,00 1 ms 2 ms 4 ms15,00 0,00 1 ms 4 ms 9 ms20,00 0,00 3 ms 6 ms 11 ms22,00 0,00 2 ms 8 ms 13 ms24,00 0,00 5 ms 9 ms 16 ms25,00 0,00 1 ms 1 ms 4 ms30,00 0,00 1 ms 1 ms 3 ms31,00 0,00 59 ms 60 ms 62 ms

Obr. 5.6 Testování spoje – odesílání dat pouze jedním směrem, použití PCQ fronty, limit 28Mbps pro třídu v HTB

44

Nyní vidíme, že do 28Mbps se nastavení chová stejně. Pak ale nastane zlom. Ačkoliv se BWTest snaží odesílat více dat, data jsou zadržena v PCQ frontě a část z nich zahozena. Ovšem místo toho, aby se nastavení dále chovalo stejně jako při 28Mbps v předchozích případech (tedy průměrná odezva 9ms), dojde k původně očekávanému chování, tedy průměrná odezva klesne na úroveň odezvy nezatíženého spoje. Zároveň nedojde k závěrečnému prudkému nárůstu latence. Stejné výsledky odezvy (Obr. 5.7 a Obr. 5.8) vykazuje i pokus z PC připojeného přes ethernetový port k jedné straně spoje (ping na druhou stranu spoje).

Obr. 5.7 Testování spoje – odesílání dat pouze jedním směrem, použití PCQ fronty, limit 28Mbps.Ping z PC na druhou stranu spoje, zatížení linky 20Mbps

Obr. 5.8 Testování spoje – odesílání dat pouze jedním směrem, použití PCQ fronty, limit 28Mbps.Ping z PC na druhou stranu spoje, zatížení linky 30Mbps

45

5.2 Skrytý buffer (hardwarová fronta)Nyní se podívejme na poslední část grafu, kdy se odezva zvedla až na 60ms. Takové zpoždění

je považováno za vysoké a rozhodně bude vnímáno jako problém. Odkud se ale těchto 60ms bere? Z předchozí kapitoly o zpoždění se kromě nějaké fronty jeví jako podezřelé ještě zpoždění způsobené přístupem k médiu.

5.2.1 Jednosměrný bezdrátový spojAby bylo možné vyloučit zpoždění způsobené přístupem k médiu, bylo použito zapojení

ilustrované v Obr. 5.9.

Obr. 5.9 Jednosměrný bezdrátový spoj. Data a ICMP echo požadavky jsou zasílány přes bezdrátové rozhraní, ICMP echo odpovědi jsou zasílány přes rozhraní Ethernet.

BWTest z AP posílal UDP pakety na zařízení CL2 přes bezdrátový spoj, včetně ICMP echo request paketů (které byly generovány na PC a posílány přes AP). ICMP echo reply pakety pak byly zasílány zpět přes ethernetové rozhraní. Jak je vidět ze snímku Obr. 5.10, přes wlan1 přitékají data pouze rychlostí 1204bps (řídící data BWTestu). BWTest zkouší generovat 50Mbps, třída v HTB má nastaven maximální limit na 100M, tedy rychlost dat neomezuje. Přesto ukazuje průměrnou rychlost 30Mbps, což vykazuje i samotné rozhraní. Odezva je stejně jako v předešlém testu okolo 60ms.

46

Obr. 5.10 Přes wlan1 odchází všechna data z AP pro CL2, data z CL2 přicházejí přes ether1. Odezva stále okolo 60ms.

5.2.2 Fast EthernetAby všechny pochybnosti byly rozptýleny a vyloučilo se, že se přeci jen jedná o nějakou

bezdrátovou „specialitu“, provedl jsem test čistě s ethernetovým rozhraním. Na něm by ke ztrátě paketů docházet nemělo, komunikace je full duplex, takže ani čekání na volné médium zde nefiguruje.

Jako výstupní fronta byla opět použita PCQ, omezení rychlosti v HTB použito nebylo. Při nulovém objemu posílaných dat je odezva 0-1 ms. Při spuštěném BWTestu a zvyšujícím se objemu přenášených dat se opět zvyšuje i odezva. Při překročení hranice 100Mbps (limit Fast Ethernetu) se odezva vyhoupne na 125ms.

Protože je v obou případech použita fronta PCQ, podfronta FIFO pro ICMP pakety se drží prázdná, a tedy nemůže v ní vzniknout zpoždění. V druhé podfrontě pro UDP pakety z BWTestu samozřejmě zpoždění vzniká a i pakety jsou zahazovány.

Situace vypadá, jako by za PCQ frontou existovala ještě jiná, FIFO fronta, do které se po odeslání z PCQ pakety zařazují. Zvláštní je, že žádný ICMP paket nebyl zahozen. Pokud by totiž ICMP pakety byly v klasické FIFO frontě s UDP pakety z BWTestu, byla by ztrátovost ICMP paketů značná.

47

5.2.3 Hardwarová frontaPo delším zkoumání, ujišťování se a následném hledání dala odpověď kniha Cisco: Přepínání

a směrování sítí 42, ze které je převzata tato podkapitola.

Práci s frontami sice velká část síťových inženýrů alespoň trochu rozumí, mnohým ale nejsou jasné určité detaily ohledně hardwarových a softwarových front nad každým fyzickým rozhraním. Fronty, které nad rozhraním vytvoří určitý nástroj pro obsluhu front, se nazývají softwarové fronty, protože jsou implementovány softwarově. Jakmile ale plánovač front převezme ze softwarové fronty další paket, neznamená to, že by okamžitě odcházel přes rozhraní ven. Namísto toho směrovač vezme paket ze softwarové fronty rozhraní a zařadí jej do malé hardwarové fronty typu FIFO (first-in first out), definované nad každým rozhraním. Tuto oddělenou finální frontu nazývá společnost Cisco vysílací fronta (trasmit queue, TX queue) nebo vysílací okruh (transmit ring, TX ring), podle modelu směrovače; obecně se jim pak říká hardwarové fronty.

Hardwarové fronty mají následující vlastnosti:

– Jakmile dané rozhraní dokončí odeslání paketu, může se zakódovat a přes stejné rozhraní odeslat další paket z hardwarové fronty, a to bez nutnosti softwarového přerušení procesoru; tím se plně využije šířka pásma rozhraní.

– Vždy používají logiku FIFO.

– Jejich činnost nelze ovlivnit na stroji systému IOS pro práci s frontami.

– Pokud je v provozu nástroj pro práci s frontami, zkracuje systém IOS automaticky délku hardwarové fronty oproti výchozí hodnotě.

– Kratší hardwarová fronta znamená, že se pakety budou delší dobu zdržovat v řízené softwarové frontě; tím má frontový software větší kontrolu nad provozem opouštějícím dané rozhraní.

U hardwarových front můžeme manipulovat s jedinou vlastností, a sice s jejich délkou.

5.2.4 Délka hardwarových frontExistence hardwarové fronty je tedy potvrzena. Pokud pakety ze softwarových front (HTB)

odcházejí rychleji, než stačí rozhraní odesílat, začnou se hromadit v hardwarové frontě. Všechny další pakety, které pak mají být odesílány, musí projít celou touto hardwarovou frontou, a tedy získají značné zpoždění. Na základě znalosti odchozí rychlosti, velikosti paketů a nabraném zpoždění bylo nyní možné provést zjištění délky hardwarových front, resp. jejich dostupné délky (Tab. 5.5).

42 Wendell Odom, Rus Healy, Naren Mehta: Směrování a přepínání sítí, autorizovaný výukový průvodce. Computer Press, a.s., Brno 2009. s.423

48

Tab. 5.5 Délka hardwarové fronty a zpoždění, které vzniká jejím průchodem

Protokol (rozhraní) Rychlost odesílání Zpoždění KBytů Paketů

Fast Ethernet 100 Mbps 125 ms 12 480 1 040Ethernet 10 Mbps 1 252 ms 12 435 1 036802.11a 29,7 Mbps 61 ms 1 855 155

802.11n (40MHz) 49,7 Mbps 45 ms 2 290 191Nstreme (Polling, No CSMA) 42,8 Mbps 24 ms 1 051 88Nstreme (No Polling, CSMA) 17,4 Mbps 74 ms 1 318 110

Z provedených testů navíc vyplývá, že velikost hardwarové fronty pro protokoly bezdrátových spojů se nemění pro různé kódovací rychlosti ani pro různý počet vysílajících stanic. Podíváme-li se tedy na příklad prvotního testování, kdy byla data odesílána z přístupového bodu z i klientaa díky CSMA/CA byla dostupná šířka pásma rozdělena dvěma, uvidíme délku odezvy přes 200ms. Nyní víme, že v hardwarové frontě pro 802.11a nastane při výstupní rychlosti cca 30Mbps zpoždění 60ms. Protože výstupní rychlost je podělena dvěma (vysílají oba a dělí se o pásmo), musí se i toto zpoždění zdvojnásobit, tedy 120ms. A protože ICMP paket, který je vyslán, musí projít hardwarovou frontou přístupového bodu a poté i hardwarovou frontou klienta na cestě zpět, musí se i toto zpoždění zdvojnásobit, tedy dostáváme 240ms, což bylo i naměřeno. Navíc i pro pomalejší kódovací rychlosti se délka průchodu hardwarovou frontou zvětší (podle poměrů výstupních rychlostí).

5.2.5 HTB a hardwarová frontaNyní, když je jasné, proč dojde k nárůstu latence pokud není rychlost v HTB limitována, se

podívejme pozorněji ještě na důvod, proč nezůstala latence na úrovni nezatíženého spoje po celý průběh (zvyšování průtoku dat).

Jak bylo řečeno, třídy HTB limitují rychlost dat. Určují tedy, zda paket může projít přes připojený slot do hardwarové fronty. HTB však nefunguje stylem ideální přenosové rychlosti popsané v předchozí kapitole, což by odpovídalo mechanismu leaky bucket. Místo toho HTB počítá průměrnou rychlost za určitý časový interval.

Kdyby BWTest generoval data stylem ideální přenosové rychlosti, zpoždění by nevznikalo. BWTest však podle pozorování generuje data „v dávkách“, tedy několik paketů naráz, poté se odmlčí na delší dobu a proces zopakuje. V průměru je dosaženo stejné rychlosti generování dat, jako by tomu bylo u ideálního rovnoměrného generování. Pokud takovýto balík paketů přijde do HTB třídy, jejíž současná průměrná přenosová rychlost za interval je nulová (nebo je dostatečně nízká), propustí HTB třída tyto pakety a svou rychlost adekvátně přepočítá. Propuštěné pakety jsou potom nahromaděny v hardwarové frontě a čekají na odeslání bezdrátovým spojem. Zároveň mezi tím někde RouterOS vygeneruje měřený ICMP echo request paket, který předá HTB. Protože třída

49

HTB nedosáhla stále červeného stavu (průměrná rychlost je pod max-limit), předá paket do hardwarové fronty. Tam ICMP paket musí počkat na předchozí zařazené UDP pakety BWTestu. Čím více dat má BWTest vygenerovat, tím častěji je musí generovat, nebo spíše po větších dávkách (používá-li stejný časovač). Proto průměrná odezva roste – v hardwarové frontě může ICMP paket potkat více UDP paketů, které spojí před ním. Současně si všimněme, že minimální délka odezvy zůstává nízká, neboť existuje určitá šance, že časovač generující UDP pakety a časovač generující ICMP pakety se budou nacházet ve vhodném postavení a ICMP paket se „trefí“ do prázdné frontya dávka UDP paketů se do ní „nasype“ až těsně po něm.

Dávkové chování BWTest potvrzují i testy provedené z PC na druhou stranu spoje (BWTest pro operační systém Windows) se stejnými výsledky jakých bylo dosaženo při generování dat přímo na jedné straně spoje na RouterOS.

5.2.6 Test dávkových dat (burst)Problém s latencí tak může nastat i při daleko nižších rychlostech než je rychlost maximální.

Pro ověření takového tvrzení jsem vytvořil jednoduchý program. Ten odesílal UDP pakety po dávkách v určených časových intervalech. Počítač, na kterém program běžel, byl připojenk bezdrátovému spoji rozraním Fast Ethernet. UDP pakety byly adresovány zařízení na druhé straně spoje, kde byly pro zavřený port zahazovány. Účelem ale bylo, aby procházely přes HTB na prvním zařízení spoje.

Obr. 5.11 Dávkové zasílání UDP paketů z PC přes bezdrátové zařízení. Z pingu je vidět zvýšená odezva v pravidelných intervalech (20ms oproti 1ms v ostatních případech).

50

Na snímku Obr. 5.11 je vidět, že i přesto, že je nastaven maximální limit rychlosti pro HTB třídu 28Mbps (pod limitem možností spoje) a i přesto, že přes rozraní odchází pouze 4Mbps, latence pro některé ICMP pakety jsou značně zvýšené.

Nyní si ukažme ještě stejný test pro interval odesílání dávek 500ms, 200 paketů velikost dávky a interval odesílání ICMP paketů 100ms (Obr. 5.12).

Obr. 5.12 Dávkové zasílání UDP paketů. Interval dávky 500ms, velikost 200 paketů, intervalICMP zpráv 100ms. Ping ukazuje zvýšenou hodnotu pro každou pátou zprávu (odpovídá přesně 500ms).

Ze snímku Obr. 5.12 je pěkně vidět pravidelné zvýšení latence pro každý pátý ICMP paket. Nyní pokud spojíme tento poznatek s poznatkem o vzniku zahlcení díky protokolu TCP a příjmu paketů z více zdrojů, můžeme vyvodit jednoduché závěry.

1) Bezdrátový spoj jako takový má stále stejné zpoždění bez ohledu na množství přenášených dat.

2) Problémové zpoždění vzniká čekáním ve frontě.

3) Kromě softwarových front existují i fronty hardwarové pro každé rozhraní.

4) Díky tomu, že HTB počítá průměrnou rychlost za nějaký interval, propouští dávky paketů z rychlejších rozhraní. Tyto dávky se pak hromadí v hardwarové frontě a způsobují zpoždění.

5) Dávky paketů můžou způsobovat zaplňování hardwarové fronty i při malých průměrných objemech přenášených dat.

51

5.2.7 Schéma průchodu paketu routeremPoslední věc věnovaná frontám a řízení rychlosti je průchod paketu skrze router (RouterOS).

Schéma, které uvádí Mikrotik ve své dokumentaci 43 je uvedeno v příloze B.

Schéma je důležité pro správné nastavení označovacích a filtrovacích pravidel (mangle, firewall) a také pro správné nastavení HTB. Každá třída HTB má totiž vlastnost parrent určující jejího rodiče. Vlastnost parrent kořenové třídy (nejvyšší vytvořené třídy, může jich být více) určuje, které pakety budou do listových tříd jejího stromu zařazeny. Například pokud bude rodič kořenové třídy global-out, měly by být do listových tříd tohoto stromu zařazovány pakety, které mají odejít skrze rozhraní global-out (tedy všechny odchozí) a zároveň vyhovují značce určenév konkrétní listové třídě. Podobně pak může mít kořenová třída rodiče bezdrátové rozhraní, ethernetové rozhraní, bridge, wds a podobně.

Obrázek Obr. 5.13 ukazuje zjednodušený diagram z konference MUM 2009 (MikroTik User Meeting 2009, Prague, Czech Republic), který by měl být určen pro řešení QoS, konkrétně pro dvojí řízení QoS (dva různé HTB, jeden pro klienty a jeden pro typy dat).

Obr. 5.13 Zjednodušený diagram průchodu paketu routerem 44

43 MikroTik RouterOS™ v3.0 Reference Manual, 2007. Dokument dostupný na URLhttp://www.mikrotik.com/testdocs/ros/3.0/refman3.0.pdf. s.329 – 332

44 Megis J., QoS Best Practice, Mikrotik RouterOS Workshop, 2009. Dokument dostupný na URLhttp://mum.mikrotik.com/presentations/CZ09/QoS_Megis.pdf

52

Z diagramů uvedených v dokumentaci RouterOS (viz příloha B) však není zcela jasné pořadí HTB stromů, kterými by paket procházel, pokud by takových stromů bylo více, resp. kdyby existovalo více kořenových tříd, jejichž rodiče by byli různí. Proto jsem provedl testy takovýchto nastavení (snímek Obr. 5.14 ukazuje provoz přes všechny stromy) a výsledkem je pořadí HTB stromů, kterými pakety prochází v závislosti na rodiči tohoto HTB stromu.

Obr. 5.14 Průchod paketu přes více HTB tříd. Paket mark je stejná, liší se pouze rodič.

Pořadí stromů podle jejich rodičů pro odchozí pakety je následující:

1) Global Out

2) Global Total

3) WDS (nelze používat nastálo, po rozpojení a znovunavázání spoje zůstane třídazneplatněná)

4) Bridge

5) Interface

Důležitým poznatkem je, že dokud neexistuje HTB třída, jejíž rodič by byl fyzické rozhraní (třeba wlan1), jsou všechny pakety z HTB i mimo něj (pokud nevyhovují žádnému pravidlu) zasílány nejprve do softwarové fronty pro toto fyzické rozhraní, kterou lze určitv queue list / interface queues. Po projití touto softwarovou frontou odcházejí teprve do fronty hardwarové.

53

Poté co je vytvořena třída s rodičem nastaveným na fyzické rozhraní, není již frontaz interface queues uplatňována. Všechny pakety pak prochází buďto skrze HTB a dále do hardwarové fronty, nebo přímo do hardwarové fronty (pokud nevyhovují pravidlům z HTB).

Z testů také vyplývá, že rychlost všech rozhraní kromě konečného fyzického je nekonečná. Tedy přes global-out může procházet klidně 150Mbps, i když rozraní zvládne jen 30Mbps. Pakety, které přichází navíc (nejdou již zařadit do hardwarové fronty), jsou zařazovány do frontyz interface queues nebo do fronty v HTB, až dojde k jejich naplnění, a poté jsou pakety zahazovány.

5.3 Testování 802.11a

5.3.1 Komunikace mezi klientyJedním z nastavení, které RouterOS nabízí na bezdrátovém rozhraní, je zakázání komunikace

mezi klienty. Odtud vyvstala otázka, zda může klientská stanice, která je připojena k přístupovému bodu, komunikovat s jinou klientskou stanicí připojenou k témuž bodu přímo, nebo musí komunikovat přes přístupový bod. Výsledky testů ukázaly, že i když se klienti navzájem slyší, komunikují spolu vždy prostřednictvím přístupového bodu. Volba zakázat komunikaci mezi klienty na přístupovém bodu je určena pouze k zamezení takovéto komunikace dvou klientů přes přístupový bod na linkové vrstvě.

5.3.2 Dělba pásmaMějme situaci, kdy se všechna zařízení navzájem slyší. Mějme jeden přístupový bod a dva

klienty k němu připojené. Nyní pokud chce přístupový bod vysílat data oběma klientům, záleží pouze na nastavení front, HTB a generátoru dat, v jakém poměru jim budou data odesílána. Linková vrstva do tohoto nezasahuje.

Nyní změňme situaci a nechme klienty vysílat data přístupovému bodu. Nyní již vstupuje do hry linková vrstva, neboť chce vysílat více než jedno zařízení. Pokud se klientské stanice slyší, nemusí používat RTS/CTS. Stačí použití metody CSMA/CA. Ta zaručí rovnoměrný přístup oběma zařízením. Mají-li stanice stále data k vysílání (chtějí vysílat maximální rychlostí), pak se o pásmo dělí rovným dílem, tedy v případě dvou stanic 1:1. Vysílají-li obě na modulační rychlosti 54Mbps, pak dosažitelné maximum média je 30Mbps, a proto každá stanice bude vysílat průměrnou rychlostí 15Mbps. Tato rychlost bude lehce snížena o čas strávený náhodným čekáním, testy ukázaly rychlost obou stanic okolo 14,5Mbps.

Toto chování je prověřeno testy a vychází z metody CSMA/CA, která určuje přístup k médiu. Zpoždění, které vznikne čekáním stanice na volné médium, by mělo být v průměru rovno času

54

potřebnému k odeslání datového rámce krát polovina počtu stanic. Je-li totiž přístup řízen náhnodnostně, potom při stejných velikostech datových rámců by měla stanice být průměrně uprostřed čekací fronty, jejíž velikost je určena pouze počtem stanic, které chtějí vysílat.

V případě, že jsou modulační rychlosti různé, platí stále stejné tvrzení, že se o pásmo dělí stejným dílem. Musíme si však uvědomit, že toto dělení neprobíhá na základě času, nýbrž na základě datových rámců. Tedy poměr počtu odeslaných datových rámců je 1:1. Je-li modulační rychlost klienta nižší než druhého a zároveň jsou velikosti datových rámců stejné, pak dostane pomalejší klient více časového prostoru, než rychlejší klient. V důsledku to potom znamená, že průměrné rychlosti odesílání dat jsou u obou klientů shodné a že se celková dosažená propustnost média zmenší. V případě, že stanice vysílá s modulační rychlostí 6Mbps, potom zabere skoro celé pásmo a značně ho tak degraduje, pokud jsou ostatní stanice schopny vysílat na vyšších modulačních rychlostech (třeba plných 54Mbps).

5.3.3 RTS/CTSProblematika skrytého uzlu již byla probrána v kapitole 3.2.3. Metoda RTS/CTS

(Request-To-Send/Clear-To-Send) je řešením právě pro tento problém. Prvním a důležitým poznatkem je, že metoda RTS/CTS nebývá v základním nastavení zapnuta. Je tedy potřeba ji zapnout. Ten, kdo by ji zapínal pouze na přístupovém bodu a čekal, že se podle toho budou klientské stanice řídit, se nedočká očekávaných výsledků. Zapnutí mechanismu určuje způsob vysílání konkrétní stanice, nikoliv celé BSS (Basic service set – systém přístupového bodua připojených stanic). Metodu je potřeba aktivovat u všech stanic, které se neslyší s některými jinými. Tedy především u klientských stanic připojených k přístupovému bodu.

Se zapnutím této volby je také nutné uvést hodnotu RTS Treshold, která určuje limit velikosti rámce, nad který je nutno použít metodu RTS/CTS. Rámce menší velikosti než RTS Treshold je možno odeslat bez RTS/CTS mechanismu. To by mělo zamezit plýtvání pásmem, neboť při malých rámcích režie tohoto mechanismus může „zkonzumovat“ i přes 50% dostupného pásma. Pro datové rámce větší než RTS Treshold musí vysílací stanice nejprve absolvovat RTS/CTS proceduru s přístupovým bodem a teprve potom smí vysílat.

Zapnutí mechanismu RTS/CTS má částečně smysl i na přístupovém bodu. Mějme situaci, kdy klientská stanice (C1) má v okolí jinou stanici (C2) připojenou k jinému přístupovému bodu (A2), nebo jiný přístupový bod (A2), než ke kterému je připojena (A1). Dále předpokládejme, že tato stanice (C2) nebo přístupový bod (A2) neslyší přístupový bod (A1). Pokud začne přístupový bod (A1) vysílat stanici (C1) a zároveň přístupový bod (A2) začne vysílat stanici (C2), nebo stanice (C2) přístupovému bodu (A2), dojde na stanici (C1) ke spojení signálů a přenos z (A1) na (C1) se nezdaří. Vyšle-li ale předem (A1) malou RTS zprávu a (C1) odpoví CTS zprávou, budou tuto CTS zprávu slyšet i (A2) a (C2), a odmlčí se na dobu vysílání (A1).

55

Je nutné si uvědomit, že ačkoliv RTS/CTS řeší problémy, snižuje teoretickou propustnost pásma, protože s sebou přináší režii. Je tedy vhodné ji zapnout na klientských stanicích, a zapnutí na přístupovém bodu zvážit dle místních podmínek. Testy ukázaly, že při modulačních rychlostech klientů 54Mbps sníží zapnutí tohoto mechanismu propustnost z 29-30Mbps na zhruba 24,5Mbps.

Provedené testy také ukazují, jak se systém chová, pokud se klientské stanice navzájem neslyší. Ačkoliv síla signálu bez problému dostačuje na modulační rychlost 54Mbps, snižuje se modulační rychlost klientů až na 6Mbps a značně kolísá. Současně kolísá i propustnost, která se může snížit i třeba o 80% (na 6Mbps). Takovýto systém nefunguje dobře a má tendenci ke spirálovitému sestupu modulačních rychlostí obou stanic. Faktorem, který zde hraje hlavní roli je nastavení hw-retries, tedy počtu opakování vysílání na dané modulační rychlosti, a také algoritmus, kterým se dynamicky mění modulační rychlosti (směrem dolu i nahoru). V případě RouterOS nelze nastavit jiný algoritmus, než který je vbudován. Proto v RouterOS hraje roli pouze parametrhw-retries, který musí být nastaven na maximální hodnotu pro zachování alespoň nějaké propustnosti.

Obr. 5.15 Systém bez RTS/CTS se skrytými uzly

Pokud se klientské stanice navzájem neslyší a jen u některých je zapnuto RTS/CTS, pak při vysílání více stanic dochází ke spirálovitému snížení modulační rychlosti (čím nižší modulační rychlost je, tím déle trvá odeslání rámce a tím je větší pravděpodobnost, že se do vysílání „trefí“ jiná stanice, která vysílající neslyší). Stanice používající RTS/CTS posílá nechtěně RTS rámec přístupovému bodu v době, kdy druhá stanice (nepoužívající RTS/CTS) vysílá datový rámec. Stanice používající RTS/CTS o tom nemůže mít tušení, neboť druhou neslyší a přístupový bod

56

neohlásil CTS, neboť si ho druhá stanice nevyžádala. To vede postupně ke snižování modulační rychlosti obou klientských stanic. Tedy takovýto systém se chová také špatně (jako systém zcela bez RTS/CTS), záleží pouze na množství dat, která chtějí stanice bez RTS/CTS odesílat.

Obr. 5.16 Snižování propustnosti v systému, kdy má jedna stanice zapnuté RTS/CTS a druhá ne, přičemž se vzájemně neslyší

5.3.4 Ukazatele kvality spojeKvalitu spoje ovlivňuje především síla přijímaného signálu. To je základním předpokladem

pro dosažení vysoké modulační rychlosti. Dále je třeba, aby prostředí, kterým se signál šíří, bylo „čisté“, tj. aby první Fresnelova zóna neobsahovala žádné překážky a aby ani v okolí nebyly žádné plochy, od kterých by se signál mohl odrážet. V neposlední řadě pak hrají roli okolní sítě na stejné frekvenci, či na frekvencích přilehlých a nahodilé jevy (průlety ptáků, déšť, sníh, vítr, elektromagnetické záření z jiných zdrojů...).

Protože vlivů na kvalitu spoje je mnoho a není možné určit, který způsobil ztrátu rámce, ukazuje RouterOS a i operační systémy jiných zařízení kvalitu spoje pomocí ukazatele CCQ (Client Connection Quallity). Hodnoty ukazatele jsou uváděny v procentech od 0 do 100, přičemž 0 značí žádnou kvalitu a 100 maximální kvalitu. RouterOS přepočítává hodnoty CCQ z poměru počtu úspěšně odeslaných datových rámců a celkového počtu pokusů o odeslání rámce za určitý interval. Pro zjištění kvality spoje oběma směry potřebujeme tedy dvě hodnoty. Protože se CCQ

57

vypočítává z celkového počtu pokusů o odeslání (tedy i těch neúspěšných), musí ho vždy vypočítat zařízení, které rámce odesílá. To potom může hodnotu ukazatele zaslat druhé straně (napříkladi s hodnotou síly signálu, kterou také nelze jinak získat).

Operační systém produktů firmy Ubiquity, jejichž zařízení jsou velmi často používány jako klientské stanice, hodnotu CCQ vypočítávají jako poměr současné používané modulační rychlosti vůči maximální modulační rychlosti. Nezahrnují tak přímo neúspěšně poslané pakety. I tento operační systém ale řídí dynamicky modulační rychlost na základě úspěšně a neúspěšně odeslaných rámců, proto v konečném důsledku tento faktor do CCQ promítá.

U ukazatele CCQ v RouterOS je ještě nutné si uvědomit jednu zásadní věc. Jeho hodnota je počítána v intervalu zhruba 1 sekunda. Dále po určitém počtu neúspěšně zaslaných rámců se snižuje modulační rychlost (hw-retries). Jestliže bude tato hodnota nastavena na malou hodnotu, může snadno docházet k prudkým změnám modulační rychlosti. Většina dat tak může být odeslána modulační rychlostí menší než maximální a poté se modulační rychlost vrátí zpět na maximální hodnotu. Ukazatel CCQ může ukázat hodnotu okolo 90% a záznam o připojení bude ukazovat stále modulační rychlost 54Mbps. Uživatel by proto očekával 90% propustnost. Ale ve skutečnosti se data přenášela nižší modulační rychlostí, a tak oněch 90% je třeba počítat třeba jen z 36Mbps nebo i jen z 18Mbps. A to už jsou jiná čísla. Ukazatel CCQ tak proto nemusí být přesný, na přesnosti nabývá až se vzrůstající hodnotou hw-retries.

Hodnota CCQ je počítána v intervalu. Pokud bychom chtěli zjistit „globální“ CCQ, tedy hodnoty za delší časový interval, můžeme využít ukazatele TX data frames v poměru k HW data frames, což je přesně CCQ za celou dobu trvání spoje. Opět je zde nutno poznamenat, že do těchto ukazatelů není promítnuta dynamika modulačních rychlostí.

Kvalitu spoje lze ještě pozorovat pomocí ukazatele současné modulační rychlosti. Ten opět funguje v určitém intervalu, takže nemusí zachytit krátkodobé výkyvy. Z dlouhodobějšího hlediska ale poskytuje kvalitnější a přesnější údaj než CCQ. Pokud vidíme, že se hodnota drží stále na stejné rychlosti odpovídající síle signálu, lze usoudit, že tento spoj je stabilní a kvalitní. Naopak pokud vidíme, že se hodnota modulační rychlosti mění a padá pod hodnotu odpovídající síle signálu, pak můžeme soudit, že dochází k opakování vysílání a tedy že na spoji existuje nějaký dlouhodobější problém.

5.3.5 HW RetriesVelmi důležitým parametrem, který byl v této práci již mnohokrát zmíněn je hw-retries.

Bezdrátový spoj má k boji proti chybám několik zbraní. Za prvé je to výběr modulační rychlosti. Ten obsahuje výběr z různých poměrů FEC (Forward Error Correction), a to sice 1/2, 2/3 nebo 3/4. Dále obsahuje 4 různé modulace subnosných (BSKP, QPSK, 16QAM, 64QAM), které se mohou chovat různě v daném prostředí.

58

Za druhé je to možnost opakování vysílání. Každý datový rámec, který je odeslán, musí být protistranou potvrzen rámcem ACK. Vysílací strana má nastavitelný parametr ack-timeout určující dobu čekání na potvrzující rámec ACK po dokončení vysílání. Rámce ACK jsou zasílány protistranou pouze při kompletním správném doručení rámce (správný kontrolní součet). Pokud vysílající strana neobdrží ACK rámec do času ack-timeout, je vysílání předchozího paketu považováno za neúspěšné.

Po neúspěšném vyslání paketu zařízení opakuje vysílání stejnou modulační rychlostí, a to až do počtu opakování určeného parametrem hw-retries. Poté vysílací strana sníží modulační rychlost na další podporovanou a zkouší vysílání znovu (opět s případným opakováním), dokud nedojdek úspěšnému odeslání, nebo opět nedorazí na limit hw-retries. V takovém případě opět snižuje modulační rychlost. Toto trvá až do chvíle, kdy zařízení vysílá na nejnižší možné modulační rychlosti 45.

Pokud již nelze snižovat modulační rychlost a datový rámec se stále nedaří odeslat, zkusí vysílací strana 3x vysílat tento cyklus na nejnižší modulační rychlosti (3x hw-retries). Pokud se ani to nezdaří, odmlčí se na dobu určenou parametrem on-fail-retry-time (výchozí hodnota 100ms). Po uplynutí této doby se vysílání opět 3x opakuje na nejnižší modulační rychlosti a pokračujeon-fail-retry-time. Tento nejnižší cyklus se drží do té doby, dokud neuplyne doba definovaná parametrem disconnect-timeout (výchozí hodnota 3s od první aktivace on-fail-retry-time). Datový rámec je nakonec buďto odeslán, nebo je spoj rozpojen 46.

To, že datový rámec je doručen vždy, je velmi významný poznatek. RouterOS nabízí ještě parametr frame-lifetime, který by měl omezit životnost rámce – při překročení času frame-lifetime by měl být rámec zahozen. Toto nastavení se však při testech ukázalo jako zcela nefunkční. Proto tvrzení, že rámec je doručen vždy, berme jako platné.

Důsledkem tohoto chování je možnost zvýšeného zpoždění vzniklého právě opakováním vysílání. Z předešlého textu již víme, že zpoždění vzniká mimo jiné na lince v závislosti na její fyzické rychlosti. Pokud vysílací strana opakuje vysílání datového rámce, pak se toto zpožděníz linky přičítá s každým neúspěchem. Čím nižší modulační rychlost, tím větší zpoždění při opakování vznikne. Výpočet zpoždění pro jednu modulační rychlost je jednoduchý:

zpoždění = hw−retries⋅(t frame+ t ACK) (5.1)

kde tframe je čas potřebný k přenesení rámce

tACK je hodnota parametru ack-timeout v μs (čas, který zařízení marně čeká na přijetí ACK rámce po odeslání svého rámce)


46 Tamtéž, s.142

59

Zde vidíme, že i velikost ack-timeout zvyšuje zpoždění, ačkoliv se nejedná o jeho hlavní složku. Jak neúspěchy přibývají a snižuje se modulační rychlost, zpoždění narůstá. V tabulce Tab. 5.6 je ukázáno zpoždění vzniklé na každé modulační rychlosti a kumulativní zpoždění, které již vzniklo.

Tab. 5.6 Zpoždění vznikající opakováním vysílání rámce, ack-timeout = 50μs.

Zpoždění lze snížit nastavením nižší hodnoty hw-retries, nebo zakázáním některých modulačních rychlostí. Vysílání se tak při chybování dostane rychleji na nižší modulační rychlost, kde má větší šanci rámec odeslat. To s sebou nese bohužel pravděpodobný negativní dopad na propustnost spoje.

Kromě toho, že opakování vysílání zvyšuje zpoždění, snižuje také samozřejmě i propustnost. Při velikosti paketů 1500B a modulační rychlosti 54Mbps je spoj schopen odesílat okolo 2500 paketů za vteřinu. Každé opakování rámce snižuje tento počet odeslaných paketů za vteřinu, a tedy i datovou propustnost. Kdyby například každý rámec musel být jednou zopakován, bude propustnost poloviční.

Snahou proto bude vyhnout se opakování. Pokud víme, že spoj na 54Mbps musí často opakovat a způsobuje nám proto náhlá zpoždění, můžeme zakázat používání této modulacea vysílat nejvýše na 48Mbps. Tam už může být spoj stabilní téměř bez opakování. I když snížíme teoretickou maximální propustnost spoje, zvýšíme efektivní propustnost spoje a minimalizujeme náhodná zpoždění (i za cenu nepatrně vzrostné latence způsobené nižší fyzickou rychlostí).

Na snímku Obr. 5.17 je vidět spoj fungující na modulační rychlosti 6Mbps s hodnotouhw-retries nastavenou na 1 a on-fail-retry-timeout 1000ms. Přístupový bod zasílá ICMP echo pakety na klientskou stanici v intervalu 300ms. Signál je záměrně zeslabován natáčením antény, aby docházelo k chybování spoje, a následně je anténa vrácena do původní polohy. Je vidět, že pokud nastane chybování, odmlčí se spoj na 1s. ICMP pakety jsou sice následně odeslány, ale

60

Modulační rychlost Kumulace zpoždění

54Mbps 0,458 ms 6,870 ms 6,870 ms48Mbps 0,495 ms 7,425 ms 14,295 ms36Mbps 0,567 ms 8,505 ms 22,800 ms24Mbps 0,729 ms 10,935 ms 33,735 ms18Mbps 0,908 ms 13,620 ms 47,355 ms12Mbps 1,230 ms 18,450 ms 65,805 ms

9Mbps 1,590 ms 23,850 ms 89,655 ms6Mbps 2,244 ms 33,660 ms 123,315 ms

Čas nutný pro odeslání 1 packetu

Zpoždění vzniklé opakováním při hw-retries = 15

Obr. 5.17 Projev mechanismu opakování na nejnižší úrovni, modulační rychlost 6Mbps, hw-retries = 1, on-fail-retry-timeout = 1000ms.

protože je timeout 300ms, nevejdou se do limitu a jsou označeny jako timeout. První paket, který se do limitu vejde, může mít zpoždění až 300ms, záleží pouze na tom, v jakou dobu nastalo vygenerování paketu a odmlčení spoje. Paket totiž čeká společně s předchozími na vypršeníon-fail-retry-timeout a není známo, kdy přesně bude vyslán. Díky nastavení hw-retries nahodnotu 1 jsou zpoždění ICMP echo paketů, které nečekají na on-fail-retry-timeout pouze 2-3ms.

Odtud je vidět, že v extrémních podmínkách může paket získat ještě daleko větší zpoždění čekáním na vypršení on-fail-retry-time než opakováním vysílání.

5.3.6 FragmentaceZařízení pracující na protokolu 802.11a mají možnost fragmentovat datové rámce. Opět jako

u RTS/CTS je třeba nastavení provést přímo na vysílací stanici a kromě spuštění fragmentace nastavit Fragmentation Treshold. Ten určuje, od které velikosti rámce se bude fragmentace provádět. RouterOS povoluje minimální hodnotu tohoto parametru 256 bajtů.

Pokud je fragmentace zapnuta, datové rámce jsou rozdělovány do menších fragmentů. To může být teoreticky prospěšné, pokud by nějaké rušení ničilo standardně dlouhé rámce (například pokud není používán RTS/CTS a vznikl problém skrytého uzlu). Fragmentace s sebou nese režiia tím pádem snížení propustnosti. Pokud je zapnuto RTS/CTS, pak z původních 25Mbps je snížena

61

při tresholdu 1024 bytů na 21Mbps, při tresholdu 512 bytů na 19Mbps a při tresholdu 256 bytů na pouhých 14Mbps. Je tedy nutno vždy zvážit, zda přínosy spojené s aktivací fragmentace předčí úbytek propustnosti způsobený režií.

Co se týče dělby pásma, fragmentace jej nijak neovlivní. Z testů vyplývá, že jsou fragmenty zasílány ihned po sobě bez přerušení (ostatně tak to i předepisuje standard 47). Stanice používající fragmentaci tak nezíská žádné poměrové výhody ani neutrpí.

Obr. 5.18 Schéma fragmentace rámce 48

Používání fragmentace není příliš výhodné vzhledem k vysoké režii, uplatnit se však můžev situacích, kde již není žádné jiné východisko. Pro kvalitně fungující spoje s dobrou propustnostís ní však počítat nelze.

5.3.7 WMM – Wireless MultimediaDoplňky standardu 802.11a přinesly podporu pro QoS (Quallity of Service). RouterOS

podporuje funkci nazvanou WMM (Wireless Multimedia). Aby spoj tuto funkci mohl využít, musí být zapnuta na obou stranách.

WMM umožňuje paket zařadit do jedné z 8 tříd (tabulka Tab. 5.7). Tyto třídy představují4 druhy provozu: Background, Best Effort, Video a Voice. Na základě příslušnosti paketu do třídy potom bezdrátové rozhraní upravuje parametry vysílání (jedná se především o rozsahy čekání při přístupu k médiu).

Pakety je nutno předem označit, aby mohly být zařazeny do příslušné třídy. K tomu se využívá akce set priority v markovacím systému. Bez označení jsou pakety zařazovány do kategorie0 – Best Effort.

Podle standardu má každé zařízení používající WMM 4 různé fronty pro pakety dle jejich příslušnosti ke třídě. Každá fronta má jiné parametry pro přístup k médiu. Zařízení se tak chová jako 4 různá zařízení, která o přístup k médiu bojují a jejich parametry určují jejich úspěšnost.

47 IEEE Std 802.11™-2007 (Revision of IEEE Std 802.11-1999), Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications. s.255

48 Tamtéž, s.255

62

Tab. 5.7 Prioritní třídy WMM 49

Pakety s vyšší WMM prioritou nemusí být nutně odeslány před těmi s nižší prioritou, pouze mají větší šanci na to, že se tak stane.

Mějme situaci, kdy všechny stanice v rámci BSS využívají WMM (nechť tyto stanice jsou2 klienti a 1 přístupový bod). Potom pokud budou klienti vysílat pakety se stejnou prioritou (zařazeny do stejné WMM třídy), poměry jejich přístupů zůstanou zachovány stejné, jako by WMM nepoužívaly. Pokud však budou odesílat pakety různých tříd, poměry se změní. Více prostoru dostane stanice s pakety vyšší priority.

Tab. 5.8 Poměry propustnosti prioritních tříd oproti výchozí prioritě (0 – Best Effort), přibližné hodnoty z měření

WMM kromě toho, že umožnuje změnu poměrů při vysílání, přináší i jiný efekt. Největším problémem při zajišťování nízké latence na RouterOS se ukázala být hardwarová fronta. Pakety do ní můžou přijít větší rychlostí, než je rozhraní schopno odesílat (díky propustnosti HTB, nebo jeho vynechání), a čekají tam ve frontě. Paket, který přijde později, musí vyčkat na odeslání všech

49 IEEE Std 802.11™-2007 (Revision of IEEE Std 802.11-1999), Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications. s.253

63

Prioritní třída Poměr

1 – Background 0,350 – Best Effort 1

5 – Video priority 3,57 – Voice priority 20

předchozích paketů. Zpoždění takto vzniklé bylo při dobrých podmínkách až 60ms. WMM jev RouterOS implementováno tak, že místo jedné hardwarové fronty jsou fronty 4 (odpovídající WMM třídám). Díky tomu lze pakety citlivé na zpoždění označit WMM prioritou a zařadit je do odlišné fronty než zbytek provozu.

Obr. 5.19 Zařazení ICMP paketů do odlišné WMM třídy (7 – Voice priority). Rychlost odesílání dat maximální (25,6Mbps), RTS/CTS zapnuto, odezva ICMP paketů 1-4ms, průměr 1ms.

To má za následek snížení RTT na spoji na minimum, neboť fronta pro tyto pakety může zůstávat prázdná. Protože soupeří o přístup s dalšími 3 frontami, je vhodné takové pakety označovat prioritou 5 (Video) nebo 7 (Voice). I když však označíme pakety prioritou 0 (Best Effort) a zbytek dat prioritou 5 (Video), bude výsledek lepší než při zařazení do stejné fronty, protože rozdělení do dvou front předčí nevýhodu v přístupu k médiu. Výjimku tvoří priorita 1 a 2 (Background), která je určena pro „nepotřebná“ data (např. P2P protokoly).

Tímto řešením se nelze zbavit zpoždění, které vzniká v hardwarové frontě. Pokud však přijmeme fakt, že se tohoto zpoždění nelze vůbec zbavit, je příjemným východiskem použití WMM alespoň pro definovaný provoz citlivý na zpoždění.

Podivným úkazem, který nebyl dále zkoumán, byla změna ukazatele CCQ při používání WMM tříd jiných než 0 (Best Effort). Hodnota ukazatele klesla z původních téměř 100% na hodnoty mezi 65 a 80%. Součet propustností však nevykazoval žádný pokles.

64

5.3.8 Ubiquity AirOSKonkurenčním produktem k RouterOS jsou produkty firmy Ubiquity s operačním systémem

AirOS. Jedná se především o produkty WISP a NanoStation. Ačkoliv AirOS nedává zdaleka takové možnosti jako RouterOS, jsou tyto produkty velmi často používány jako klientské stanice. Jejich výhodou je nižší cena.

I na těchto produktech byly provedeny testy v rámci této práce. Jedním z poznatků je rozdílv ukazateli kvality signálu (popsáno v kapitole 5.3.4). Dále po objevení hardwarové frontya zjištění, že AirOS neumožňuje nastavení softwarových front, bylo zajímavé zjistit jaký druh výstupní fronty AirOS používá. Posledním předmětem zkoumání pak byla podpora WMM.

Protože AirOS neumožňuje testovat propustnost přímo s jednotkami s RouterOS pomocí BWTestu, data musí proudit skrz zařízení s AirOS. Testy byly prováděny na WISP jednotce. Ukázalo se, že WISP používá jednu výstupní FIFO frontu velikosti zhruba 400 paketů (153ms zpoždění ve frontě, výstupní rychlost 29,8Mbps, velikost paketu 1500B).

AirOS nabízí následující výběr QoS (WMM): NoQoS, Auto Priority, Video Priority, Voice Priority. Možnost NoQoS znamená spoj bez WMM. Při nastavení Auto Priority AirOS nemanipuluje s prioritami paketů. Pouze umožňuje druhé straně používat WMM. Pokud je parametr nastaven na Video resp. Voice, používá pro všechny odchozí pakety tuto třídu (použije její parametry pro odesílání). Pro Auto Priority a Video Priority je délka fronty víceméně shodná s frontou bez QoS. Fronta FIFO na WISP ztěžuje přesnější posouzení její délky, protože většina ICMP paketů je zahazována díky jejímu zaplnění. Zpoždění průchozích paketů se liší, délka fronty je proto odhadována z maximálních (vyšších) hodnot. Konečně fronta pro Voice priority je zkrácena na zhruba 110 paketů (50ms zpoždění ve frontě, výstupní rychlost 26Mbps, velikost paketu 1500B).

5.4 Testování NstremeJak již bylo zmíněno v kapitole 3.3, NStreme je proprietární protokol firmy Mikrotik, který lze

využít pouze mezi zařízeními s RouterOS. Jeho dokumentace v podstatě neexistuje a fungování tak zůstává neznámé. Pro nastavení NStreme existuje pouze několik parametrů. Některé jsou navíc (Framer policy, Framer limit) a některé má společné s protokolem 802.11a.

RouterOS je používán na většině přístupových bodů. Některé sítě využívají RouterOS i pro klientské stanice, většinou však volí levnější varianty konkurenčních produktů. Pro využití protokolu NStreme je zapotřebí, aby obě stanice fungovaly na RouterOS, resp. všechny stanice, jedná-li se o spoj bod-multibod (PTMP – Point To MultiPoint). Proto je použití protokolu NStreme omezené.

65

Nasazený ho můžeme vidět na spojích bod-bod (PtP – Point to Point) mezi dvěma přístupovými body jako páteřní spoj. Pokud jsou totiž oba přístupové body založeny na platformě Mikrotik a NStreme dokáže vytvořit spoj vyšší kvality, pak není důvod ho nepoužít. Naopak pro spoje bod-multibod budeme ve většině případů svědky používání protokolu 802.11a.

5.4.1 Testy parametrů NStremeAčkoliv RouterOS dává možnost vypnout funkci polling, spoje bez něj jednoduše nefungují.

Propustnost spoje padá během chvíle na minimum a v případě více připojených klientů dochází k jejich odpojování.

Parametry RTS/CTS pro 802.11a nemají na NStreme žádný vliv. Po zapnutí funkce polling funguje protokol dobře i při situaci, kdy se klienti neslyší (problém skrytého uzlu). Dělení pásma probíhá rovným dílem jako u 802.11a.

Mechanismus hw-retries funguje stejným způsobem jako u protokolu 802.11a.

Fragmentace z 802.11a stejně jako RTS/CTS nemá žádný vliv. Fragmentaci řídí parametry Framer policy a Framer limit, které kromě fragmentování dávají také možnost rámce slučovat (to je častější forma použití) a umožnit tak vyšší propustnost v případě, že je spoj takto dlouhé rámce schopen přenášet bez chyb.

Propustnost NStreme spoje při ideálních podmínkách (modulační rychlost 54Mbps, CCQ blízko 100%, Framer policy Exact size, Framer limit 3200) se pohybuje okolo 40Mbps, a to i pro po případ bod-multibod spojů (kde u 802.11a je zapotřebí použít RTS/CTS a snížit tak teoretickou propustnost).

Možnost Disable CSMA u NStreme v „čistém“ prostředí nehraje významnou roli, pouze její povolení (zakázání CSMA) zvýší o něco málo propustnost spoje.

Tab. 5.9 Zpoždění vzniklé průchodem zaplněnou hardwarovou frontou při použití protokolu NStreme

CSMA Framer policy Modulační rychlost

Výstupní rychlost Zpoždění Kbytů Paketů

(1500B)Disabled none 54Mbps 36,6Mbps 23 ms 862 74Disabled none 48Mbps 33,7Mbps 25 ms 863 72Disabled none 36Mbps 27,0Mbps 32 ms 885 74Disabled none 24Mbps 19,3Mbps 43 ms 850 71Disabled none 18Mbps 14,8Mbps 53 ms 803 67Disabled none 12Mbps 10,1Mbps 73 ms 755 63Disabled none 9Mbps 7,3Mbps 103 ms 770 64Disabled none 6Mbps 4,8Mbps 150 ms 737 61Disabled Exact size 3200 54Mbps 42,8Mbps 24 ms 1052 88

66

WMM u NStreme taktéž nemá žádný vliv. To je trochu nevýhoda oproti 802.11a, protože NStreme používá pouze jednu výstupní hardwarovou frontu (stejně jako 802.11a bez WMM). Ta je sice menší, avšak stále platí, že je-li naplněná, musí jí každý paket projít. Velikost fronty záleží na datové rychlosti spoje a taktéž na zapnutí Framer policy (slučování rámců).

67

Kapitola 6

RušeníNyní věnujme chvíli pozornost hlavnímu pojmu práce, kterým je rušení. Jak již bylo řečeno

v úvodu, rušení se projevuje následujícími způsoby:

1) Spoj nefunguje vůbec, nebo se rozpadá, ačkoliv síla signálu je dostatečná

2) Spoj má menší propustnost, než by měl mít

3) Na spoji se objevuje pravidelná nebo nepravidelná zvýšená latence

V kapitole 4 bylo ukázáno, že zvýšená latence může být nikoliv ukazatelem rušení, ale jen důsledkem nárazovosti dat ve spolupráci s mechanismem limitování rychlostí a hardwarovou frontou. Co tedy stojí za zmíněnými třemi projevy?

6.1 Provoz na stejné frekvenciKapitola 5.3 se věnovala protokolu 802.11a. Odtud a z následných testů prováděných uvnitř

vidíme, že klíčovou roli v degradaci výkonu systému hraje problém skrytého uzlu a nepoužívání mechanismu RTS/CTS. Na druhou stranu RTS/CTS může být i nežádoucí faktor pro sítě, které jsou od sebe více vzdálené (všechny stanice i přístupové body jsou od sebe třeba několik kilometrů).

Fyzická vrstva protokolu 802.11a hlásí spojové vrstvě, že je médium obsazené (BUSY), jestliže zachytí celou PLCP hlavičku (jedná se o preambuli a první symbol SYMBOL s informacemi o délce rámce a datové rychlosti). Fyzická vrstva odtud vypočítá dobu vysílání rámce a po tuto dobu hlásí obsazené médium (i když nemusí správně dekódovat následující data, která mohou být vysílána příliš vysokou modulační rychlostí).

Pokud fyzická vrstva není schopna zachytit hlavičky ostatních stanic, pak nastává problém skrytého uzlu. Důležitým faktem je, že PLCP hlavička se vysílá datovou rychlostí 6Mbps, tedy modulací BPSK, FEC 1/2. Dle standardu musí mít zařízení minimální citlivost -82dBm pro tuto modulaci. Reálné bezdrátové karty se budou samozřejmě snažit tuto citlivost posunout směrem dolu (např. -88dBm u karty R52, -90dBm u karty R52H). Je tak možno zachytit PLCP hlavičky na větší vzdálenost.

Nechť nyní nastane problém skrytého uzlu. Typická situace, kdy stanice jedné sítě neslyší stanice druhé sítě, ale slyší jejich přístupový bod (všechny stanice slyší oba přístupové body a i oni

68

slyší je). Nechť nyní stanice nepoužívají RTS/CTS. Označme první přístupový bod jako AP1a druhý jako AP2 a dále stanice připojené k AP1 jako CL1 a stanice připojené k AP2 jako CL2.

Potom při vysílání CL1 směrem k AP1 ovlivňují CL1 příjem AP2, neboť ten slyší alespoň jejich hlavičky. První následek je ten, že pokud ve stejnou dobu vysílají CL2 k AP2 jsou jejich rámce porušeny vysíláním CL1 smícháním signálů na AP2. Dále pokud jsou hlavičky od CL1 na AP2 v pořádku přijímány, nastaví fyzická vrstva AP2 médium jako obsazené, a tedy po tuto dobu nemůže AP2 vysílat ani přijímat.

CL2 nemají tušení, kdy má AP2 nastaveno médium jako obsazené, a tedy mohou vysílat rámce v této době. Protože AP2 nemůže tyto rámce přijmout, nepošle zpět ACK a CL2 musí opakovat vysílání. Díky mechanismu hw-retries dochází ke spirálovitému snižování data rate a tím pádem k degradaci celého systému.

Nechť nyní všechny stanice i přístupové body používají RTS/CTS. Pak by díky malé velikosti RTS a CTS rámců nemělo docházet k jejich kolizím. Informace, kterou však tyto rámce nesou je vyhodnocována nikoliv na fyzické vrstvě, ale na vrstvě spojové. Je proto důležité, aby byly tyto rámce vysílány na takové modulační rychlosti, kterou jsou přijímací stanice schopny přijmout. Pokud by se např. CTS rámec vysílal rychlostí 54Mbps, přičemž skryté stanice budou schopny přijímat nanejvýš 9Mbps, pak se skryté stanice odmlčí pouze na dobu vysílání tohoto rámce, nikoliv na dobu určenou v CTS rámci.

Zároveň poznamenejme, že standard uvádí minimální citlivosti, které musí stanice splňovat. Tato citlivost je však za podmínky 10% PER (Packet Error Rate) při velikosti paketu (rámce) 1000bytů 50. Je tedy dost dobře možné, že stanice, které signál přijímají na hranici citlivosti, budou detekovat pouze část rámců. To má za následek nevyzpytatelné chování. Navíc do této náhodnosti můžou vstupovat jevy popsané v první části práce jako je odraz a rozptyl. Díky nim se může občasně podařit zachytit rámec vzdálené sítě. Vše záleží na okolním prostředí a na jeho dynamičnosti.

Věnujme nyní pozornost bodu 2 – snížená propustnost. Bez ohledu na to, zda systémy používají RTS/CTS nebo ne, se musí vypořádávat s problémem dělby pásma. Dělba pásma je (jak bylo ukázáno) založena na statisticky rovnoměrném rozložení vysílání rámců. Velkým problémem potom tedy bude, pokud některá ze stanic není schopna přijímat rychlostí větší než 6Mbps nebo podobnou nízkou. Nejen že vysílání přístupového bodu sníží propustnost vlastní sítě, sníží propustnost i všech okolních sítí sdílejících takto médium. Ačkoliv může být síť správně vystavena se všemi stanicemi schopnými komunikovat na maximální rychlosti 54Mbps, stačí, aby síť operující na stejné frekvenci byla vystavěna s několika špatnými klienty, a celá výkonost systému je degradována.

50 IEEE Std 802.11a-1999(R2003), Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications, High-speed Physical Layer in the 5 GHz Band. Kapitola 17.3.10,1. s.31

69

Dochází-li tedy vlivem nepoužití RTS/CTS ke spirálovitému snižování modulačních rychlostí, dochází i ke snižování propustnosti systému. Dokáže-li jedna ze sítí operujících na stejné frekvenci udržet své modulační rychlosti na vyšší úrovni, není ji to mnoho platné, pokud jí většinu časuv pásmu zabere vysílání stanic či přístupových bodů jiných sítí nízkou modulační rychlostí.

Použití RTS/CTS u sítě, jejíž klienti jsou připojení na nízkých modulačních rychlostech, snižuje propustnost ostatních sítí ještě více, obzvláště pokud klientské stanice vysílají větší množství dat.

Provoz protokolu 802.11a a protokolu NStreme na stejné frekvenci je těžké zkoumat na teoretické úrovni, neboť chybí popis protokolu NStreme. Z prvotních testů se ukázalo, že zařízení používající pouze protokol 802.11a jsou schopny zachytit provoz NStreme (alespoň beacony, které vypadají shodně s 802.11a).

6.2 Frekvence přilehléKromě přímého problému provozu více sítí na stejné frekvenci existuje i problém vzniklý

provozem sítí na frekvencích sousedních. Anglicky je tento problém označován jako adjacent channel interference.

Standard 802.11a vyžaduje po zařízeních dodržení tzv. vysílací masky – Transmit spectrum mask 51. Ilustraci s konkrétními hodnotami ze standardu ukazuje obrázek Obr. 6.1. Samotné vysílání by mělo zabrat šířku pásma 16,6MHz symetricky kolem středu kanálu. Reálně se však promítá i do okolních frekvencí s určitým útlumem. Spektrální maska určuje minimální požadovaný útlum na okolních frekvencích.

Standard zároveň požaduje po zařízeních, aby měla určitou odolnost vůči rušení z vedlejšího kanálu, a to v závislosti na používané modulační rychlosti. Konkrétní čísla uvádí tabulka Tab. 6.1. Síla signálu při testování má být nastavena na +3dB nad minimální požadovanou citlivost. Díky tomu by měl mít spoj méně než 10% PER, neboť toho by měl dosáhnout nejhůře při minimální citlivosti. Poté se má úroveň signálu z vedlejšího kanálu zvyšovat až do chvíle, kdy bude dosaženo 10% PER. Rozdíl síly signálu na vedlejším kanále a síly signálu na používaném kanále je potom označen jako adjacent channel rejection, neboli odolnost vůči přilehlému kanálu.

51 IEEE Std 802.11a-1999(R2003), Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications, High-speed Physical Layer in the 5 GHz Band. Kapitola 17.3.9.6.2. s.29

70

Obr. 6.1 Vysílací spektrální maska (Transmit Spectrum Mask) 52

Tab. 6.1 Požadavky na přijímací zařízení (Receiver performance requirements) 53

Podíváme-li se na ukazatel blíže, zjistíme, že např. pro modulační rychlost 6Mbps je to 16dB. Zároveň vysílací spektrální maska požaduje útlum -20dB na 11MHz a -28dB na 20MHz vzdálenosti. Z rozdílu potom vidíme, že modulační rychlost 6Mbps vyžaduje někde mezi 4-12dB

52 IEEE Std 802.11a-1999(R2003), Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications, High-speed Physical Layer in the 5 GHz Band. s.29

53 Tamtéž, kapitola 17.3.10,1. s.31

71

SIR (Signal To Interference Ratio). Síla signálu na vedlejším kanále je o 16dB větší, útlum na 20MHz musí být 28dB, proto bude mít rušivý signál ve středu požadovaného kanálu sílu o 12dB nižší než síla požadovaného signálu.

Požadovaný signál se však nevysílá pouze na středu kanálu, ale zasahuje až 8,3MHz do jeho okraje (subnosné a piloty mají dohromady 16,6MHz). Proto je rozhodující hodnota SIR v těchto krajních oblastech. Standard předepisuje hodnotu pro 11MHz daleko, tj. 9MHz od středu požadovaného kanálu. Tuto hodnotu tedy spíše můžeme brát v úvahu než hodnotu ve středu kanálu (případně jejich rozdíl). Uvažujeme-li lineární pokles síly signálu v dB, potom na okraji 8,3MHz bychom měli dostat 4,62dB SIR.

Pro srovnání modulační rychlost 54Mbps podle stejného pravidla vyžaduje 21dB-29dB SIR na dosažení 10% PER (opět podle lineárního poklesu 21,62dB).

Reálné bezdrátové karty samozřejmě kromě zvýšené citlivosti (pro splnění minimální požadované citlivosti) budou mít i lepší vysílací spektrální masku a lepší odolnost vůči přilehlému kanálu (např. díky obvodům utlumující okolní frekvence). Stále však platí, že se tímto způsobem do vedlejšího kanálu zanáší i jiný signál, ačkoliv je o určitou úroveň utlumen.

Uvědomme si, že mezi provozem na stejné frekvenci a provozem na vedlejší frekvenci je velký rozdíl. Při provozu na stejné frekvenci se stanice snaží sdílet pásmo (ať už zažívají problém skrytého uzlu, či ne), zatímco při provozu na vedlejší frekvenci nedochází ke sdílení pásma. Signál, který z vedlejšího kanálu proniká, je čistě šumového charakteru a nelze z něj vyčíst žádnou informaci (při provozu na stejném kanálu lze bez problému dekódovat PLCP hlavičku). Proto každé vysílání na přilehlém kanálu znamená potenciální zdroj chyb pro požadovaný kanál. Rozhoduje pouze rozdíl úrovní signálu.

Zajímavou prací na toto téma je Adjacent Channel Interference in Dual-radio 802.11a Nodes and Its Impact on Multi-hop Networking 54. Je zde popisován právě problém rušení při použití přilehlého kanálu na dvouskokovém spoji (spoj A-B-C, kde B je mezistanice s dvěma bezdrátovými rozhraními provozovanými na přilehlé frekvenci). Spoj funguje celkem dobře až do chvíle, kdy začne slábnout signál A-B a B-C. Dochází totiž ke snižování SIR, tedy rozdílu rušeníz přilehlého kanálu a samotného přijímaného signálu.

Tým těchto vědců z Harvardské univerzity zkoumal vliv SIR na propustnost při použití modulace 12Mbps. Jako jednoduše zapamatovatelné pravidlo uvádějí, že 20dB SIR znamená sotva fungující spoj, zatímco 30dB SIR znamená téměř 100% fungující spoj. Záleží na okolních podmínkách, jako je nominální síla signálu, modulační rychlost, prostředí, atd. Nicméně jako jednoduché pravidlo je to údajně dostačující.

54 Chen-Mou Cheng, Pai-Hsiang Hsiao, H.T. Kung, Dario Vlah: Adjacent Channel Interference in Dual-radio 802.11a Nodes. Department of Electrical Engineering and Computer Science, Harward University, 2006. Dokument dostupný na URLhttp://www.eecs.harvard.edu/~htk/publication/2006-globecom-cheng-hsiao-kung-vlah.pdf

72

Obr. 6.2 Údajný vliv SIR na propustnost UDP na spoji 802.11a při 12Mbps modulační rychlosti 55

Důležité je si v této publikaci povšimnout dvou věcí. Za prvé, že SIR se vypočítává mezi středy 20MHz kanálů. Tam je vyžadovaný útlum vysílací masky 28dB. Skutečné SIR na okraji (pro krajní subnosné bude odhadem o 7,38dB nižší). Za druhé, že použité mini-PCI karty pro tato měření jsou Wistron Neweb CM9.

Ze standardu pro 12Mbps vyčteme požadavek 13dB na adjacent channel rejection. Připočteme k tomu požadavek 28dB útlum na 20MHz ze spektrální masky a vidíme, že maximální nutný SIR (hodnota pro srovnání, nikoliv hodnota pro krajní subnosné) postačující na 10% PER je 15dB (28dB SIR získaný vzdáleností středů kanálů, 13dB musíme odečíst, neboť o tolik dB je signál silnější na přilehlém kanálu). Výsledky týmu harvardských vědců však vyžadují minimálně 20dB SIR pro alespoň nějak fungující spoj a 30dB SIR pro spoj fungující přibližně jako spoj s 10% PER.

Důvodem takovéhoto rozdílu může být graf vysílacího výkonu karty CM9 (viz kapitola 8). CM9 totiž vysílá výkonem asi 13dBm pro všechny požadované výkony pod 13dBm. Pro vyšší hodnoty funguje regulace podle očekávání (dobře). Pokud tedy nebyla správně ověřena úroveň signálu (např. pokud byla ověřena pouze pro maximální vysílací výkon 18dBm, kde karta funguje podle očekávání), můžeme dostat zavádějící výsledky pro nízké hodnoty vysílacího výkonu

55 Chen-Mou Cheng, Pai-Hsiang Hsiao, H.T. Kung, Dario Vlah: Adjacent Channel Interference in Dual-radio 802.11a Nodes. Department of Electrical Engineering and Computer Science, Harward University, 2006. Dokument dostupný na URL http://www.eecs.harvard.edu/~htk/publication/2006-globecom-cheng-hsiao-kung-vlah.pdf, s.3

73

a následně i SIR. Připočítáme-li nyní 13dB k vypočítanému SIR 15dB, dostáváme 28dB. Graf by tedy podle tohoto předpokladu odpovídal skutečnosti až okolo 28dB SIR. Pod 28dB SIR by skutečný SIR byl mnohem menší, a tedy naměřené hodnoty propustnosti by také byly menší.

Navzdory rozporuplným výsledkům měření přináší práce výše zmíněného týmu zajímavé řešení problému přilehlého kanálu, který bezesporu existuje:

1) zvýšení vzdálenosti antén (pro antény na jednom místě – site/node)

2) orientace antén (využití tzv. mrtvého úhlu – null region)

3) stínění mezi anténami (využití tenkého plechu či hliníkové fólie)

4) zkvalitnění filtrace na přijímací straně

5) regulace vysílacího výkonu

Zvýšením vzdálenosti antén zcela určitě lze způsobit poměrně velký útlum. Využití mrtvého úhlu je trochu problematické, vzhledem ke skutečnostem zjištěných kapitole 7. Stínění mezi anténami lze těžko v profesionálním řešení použít, navíc takovéto řešení může mít neblahý vliv na odrazy signálu a impedanci antén. Zkvalitnění filtrace na přijímací straně zcela určitě patřík reálným bodům, které lze učinit. Kvalitnější karty samozřejmě budou stát více peněz, a tak je na uvážení, zda se tato investice vyplatí. Navíc požadované hodnoty žádný z výrobců karet neuvádí. Bylo by proto nutné provést testy těchto karet na odolnost vůči přilehlému kanálu. Posledním bodem je regulace vysílacího výkonu. Zde narážíme na problém maximální povolené hustoty vysílacího výkonu stanovené ve VO. Ta by měla být referenční hodnotou, od které by se měla odvíjet regulace. V zarušeném prostředí, kde je úroveň SIR malá, je však těžké přimět konkurenci ke snížení vysílacího výkonu. Obzvláště pokud si někteří provozovatelé sítí nedělají těžkou hlavu ani s dodržování vysílacího výkonu podle VO (překračují ho).

Dalším možným řešením, které se však již v publikaci neuvádí, by mohla být změna polarizace antény (testy byly prováděny s prutovými všesměrovými anténami, které ve standardní pozici umožňují pouze vertikální polarizaci). Díky polarizačnímu útlumu by mohly být dvě antény umístěny vedle sebe i na přilehlé frekvenci s dostatečným SIR.

Na závěr této kapitoly si ještě uveďme, jaký má tento problém teoreticky vliv na spoje provozované v zarušeném prostředí. Uvažujme nyní, že problém přilehlé frekvence nevzniká na stejném fyzickém místě (antény blízko sebe), ale že nějaká stanice (či přístupový bod) vysíláv okolí na přilehlé frekvenci. Dejme tomu, že síla nežádoucího signálu je -53dBm (přístupový bod v okolí stovek metrů). Dále předpokládejme, že síla žádoucího signálu je -74dBm (přístupový bod zhruba 1500m s útlumem způsobeným vysílací směrovou charakteristikou antény přístupového bodu). Rozdíl signálů je 21dB, resp. nežádoucí signál je o 21dB silnější než signál žádoucí.

74

Z tabulky Tab. 6.1 vidíme, že se požadovaný spoj nemůže ubránit silnějšímu signálu z vedlejšího kanálu ani na modulační rychlosti 6Mbps (16dB je méně než 21dB). Při vysílání sítě na vedlejším kanálu tak bude vznikat rušení, které znemožní příjem na chtěné frekvenci při 10% PER. Je však možné, že stanice bude schopna přijímat s vyšším PER (spoj nemusí být zcela nefunkční). Reálné karty mohou kombinací vylepšení spektrální masky a odolnosti vůči přilehlému kanálu umožnit sprovozování spojů i v horších podmínkách, než stanovuje standard, nebo alespoň při lepším PER.

Poznamenejme ještě na závěr, že samozřejmě rušení nastane pouze v momentě, kdy vysílá zařízení na vedlejší frekvenci. Pokud je síť na vedlejší frekvenci „zticha“, i když je přítomna, pak samozřejmě k žádnému rušení nedochází.

75

Kapitola 7

Vyzařovací charakteristiky anténDůležitým tématem, které vyplývá z předchozího zkoumání, je síla signálu. Sílu signálu

určuje vysílací výkon karty, zisk antény, útlum na kabelu a ztráty prostředím. Útlumy na kabelu můžeme považovat za téměř zanedbatelné a ve spojení se ztrátou šířením prostředím za konstantní. Faktorem, který tedy lze ovlivnit je vysílací výkon karty a zisk antény.

První z nich, kterým se budeme zabývat, je zisk antény. Jak bylo popsáno v kapitole 2, ziskem antény se většinou označuje její maximální zisk. Reálné antény záměrně usměrňují signál do jednoho směru (hlavní lalok). Současně však vyzařují i do ostatních směrů, ovšem s jinou intenzitou (mají menší zisk v ostatních směrech). Hodnoty zisku antény v daném směru udávátzv. vyzařovací diagram, nebo též vyzařovací charakteristika antény. Graf lze prezentovatv klasické ploše (osa x – úhel, osa y – zisk), nebo lépe v kruhovém diagramu, kde vzdálenost od středu/okraje udává zisk antény v daném směru (celkem 360°).

Z reciprocity antény vyplývá, že její vyzařovací diagram je i diagramem přijímacím. Kromě impedančního přizpůsobení je tak vyzařovací diagram nejdůležitější charakteristikou antény. Bohužel výrobci antén vyzařovací charakteristiky uvádí velmi zřídka. A když už je charakteristika k anténě připojena, často se jedná o neočíslovaný diagram (bez měřítka), v malém rozlišení (nečitelný), nebo jde o přibližný teoretický nákres (nikoliv reálné hodnoty).

Ačkoliv reálný vysílací diagram antény je trojrozměrný, pro jeho popis postačují dva průřezové dvourozměrné diagramy. Jeden diagram (H-plane) je průřez z pohledu shora. Tedy ukazuje vyzařování antény do světových směrů. Druhý diagram (E-plane) je průřez z pohleduz boku. Ukazuje vyzařování antény ve směrech nahoru/dolu, obloha/zem. Držáky antén častokrát umožňují otočení antény o 90° (změna polarizace). Diagram H-plane pro jednu polarizaci tak potom odpovídá diagramu E-plane pro druhou polarizaci. Označujeme-li tedy diagram jakoH/E-plane, je potřeba takové označení spojit i s udáním polarizace.

Při koupi antény se dozvíme pouze její maximální zisk, možná impedanční přizpůsobení (to ovšem není konstantní a je závislé na frekvenci – proto se buď uvádí typické, minimální, maximální apod.). Navíc o důvěryhodnosti tohoto údaje lze spekulovat. Dále se uvádítzv. směrovost antény. Jedná se o šířku hlavního laloku s poklesem zisku o 3dB (případně o 5dB či 10dB, podle toho jak který výrobce/prodejce uzná za vhodné). Občasně se uvádí FBR (Front – Back Ratio), tedy poměr zisku na 0° (střed hlavního laloku) a zisku na 180° (zisk zezadu). Tento

76

ukazatel však není příliš důležitý a směrodatný (ačkoliv může zhruba vypovídat o anténě). Dále se ještě více zřídka uvádí tzv. potlačení postranních laloků (též bočních, vedlejších), tedy rozdíl zisku v dB na 0° a zisku tzv. postranních laloků. Ten už vypovídá o anténě daleko více než třeba FBR, stále však nedává komplexní informace o anténě.

Obr. 7.1 Vyzařovací dagram parabolické antény PROWAX 24dBi, 5600MHz, Horizontální polarizace, H-plane

Vzhledem k nedostupnosti těchto dat a důležitosti tohoto tématu jsem se rozhodl toto téma prozkoumat důsledněji. Po vzoru profesionálního měření v komorách jsem navrhl a s pomocí sestavil měřící aparaturu. Profesionální měření probíhá v bezodrazových komorách. Stěny místnosti jsou ze zvláštního materiálu s nízko odrazovým plastickým povrchem. Anténa je umístěna doprostřed místnosti a je otáčena na držáku (točna) postupně o 360°, přičemž je měřena síla signálu z momentálního směru.

77

Podobné situace lze docílit v prostředí, kde k odrazům nedochází, nebo kde dochází ke značnému útlumu (např. volná pláň). Aparatura sestávala z trojnožky, na které byl umístěn úchyt trubky. Na úchyt byla umístěna asi 150cm dlouhá železná trubka, na jejíž vrchol byla umístěna anténa. Úchyt byl součástí šnekové převodovky připojené na krokový motor. Tento krokový motor byl připojen ke své ovládací kartě (driver), který byl dále připojen přes rozhraní RS232 k PCa z něj ovládán.

Obr. 7.2 Nic neříkající diagram vyzařování sektorové antény 56

Z počítače (přes RS232) bylo tedy možno ovládat chod krokového motoru (přes driver). Po propočtech bylo možné s držákem otáčet přesně po jednotlivých stupních. Na držák byl kromě antény umístěn i router RB433 (později i jiná zařízení), který navázal spojení s protější stanou. Tu tvořila tyč zabitá do země s dvoumetrovou dřevěnou nástavbou. Na tu byla umístěna referenční anténa Prowax s RB433. Antény značky Prowax jsou v české bezdrátové komunitě považovány za symbol kvality, proto byla tato anténa zvolena. Pro dosažení přijatelných úrovní signálu byla stanovena vzdálenost mezi měřícími body 250m.

Měření antény bylo vždy prováděno v horizontální rovině. Pro změření antény v rovině vertikální (E-plane) byla anténa upevněna na speciální výložník otočená o 90° a na referenčním bodě byla změněna polarizace.

Výsledky konkrétních testů jsou uvedeny v příloze F.

56 Internetový obchod wifi.aspa.cz, 2011. Dokument dostupný na URLhttp://wifi.aspa.cz/antena-sektorova-hor-polar-18dbi-5ghz-z89256/

78

Obr. 7.3 Nahoře: Detail točny, šneková převodovka s krokovým motorem. Úchyty byly později zpěvněny standardními šrouby (bez ručního utahování).

Dole vlevo: Točna na trojnožce připojená kabelem do zázemí automobilu

Dole vpravo: Rozvaděč s driverem pro krokový motor, napájení zařízení pomocí gelových baterií, konvertor na 230V z autobaterie pro napájení notebooku. Notebook bylo za nepříznivých podmínek možno přemístit do prostoru automobilu, zadní dveře přivřít a přečkat tak půlhodiny trvající měření v teple a suchu.

79

Obr. 7.4 Vlevo: referenční bod, panelová anténa PROWAX 18dBi, RB433 napájený z gelové baterie

Vpravo: Měření parabolické antény PROWAX 24dBi s výložníkem umožňujícíměření v E-plane

7.1 Program Antenna radiation patternPro měření bylo nutno naprogramovat program, neboť množství dat bylo pro manuální zápis

neúnosné. Základní funkce programu jsou tyto:

1) přesný pohyb s točnou (včetně správného časování - čekání na dokončení pohybu, mikrokroky pro jemné doladění nulové pozice)

2) komunikace s RouterOS prostřednictvím API, získávání hodnot síly signálu

3) automatická sekvence pohybů a měření, záznam dat

4) ukládání dat ve formátu XML, jejich načítání z dřívějších měření

5) ukládání a načítání všech nastavení programu

6) vytváření grafů z naměřených hodnot dle zadaných parametrů a jejich export

Kromě samotného oživení driveru a zvládnutí API RouterOS se jako největší problém ukázala rychlost měření. Tu určují dva faktory. Za prvé je to rychlost otáčení. Je potřeba počítat s nějakou náběhovou a doběhovou rychlostí motoru. Měření bylo prováděno po přesných úsecích (stupních), proto musel motor provést přesun, počkat na měření a poté se teprve posunout – nejel plynule 360°. Za druhé je to rychlost získávání dat z RouterOS. Samotné získání dat činí několik set milisekund. Horší je to s množstvím dat. Řešením, které není příliš složité a navíc poskytuje

80

nejrychlejší pravidelné aktualizace údajů, bylo data získávat z registrační tabulky (kde se uvádí všechna aktivní spojení). Ta se obnovuje každou sekundu. Pro získání spolehlivých dat bylo nutné provést několik měření v daném úhlu. Proto zde vznikalo největší zpoždění.

Jako vhodný kompromis se ukázalo měření s krokem 2° po dobu 4 sekundy. V okolí hlavního laloku (šířka byla nastavena většinou na 40°) bylo měření zpřesněno na 1° s délkou měření25 sekund. Celkový čas měření tak byl okolo 30 minut.

Obr. 7.5 Snímek z aplikace Antenna radiation pattern – vykreslování vyzařovacího diagramu antény

7.2. Frekvence a použití „null“ úhluKromě samotného vyzařovacího digramu na pevné frekvenci bylo zajímavé také vyzkoušet,

zda se diagramy liší pro různé frekvence. Velké rozdíly v zisku nebyly očekávány, různost diagramů by ale měla vliv na použití tzv. mrtvého úhlu (null angle). Ten se většinou nachází mezi hlavním lalokem a prvním bočním lalokem. Jedná se o místo, ve kterém má anténa minimální zisk. Využít by ho proto bylo možné pro izolaci od jiných signálů a izolaci vlastního vysílaného signálu (chceme maximálně potlačit vysílání do jednoho směru). Do mrtvého úhlu tedy můžeme směrovat

81

antény na stejném stožárů, nebo signály od jiných stanic přicházející z určitého směru, které by mohly mít negativní vliv na kvalitu spoje.

Po několika prvotních testech se ukázalo, že frekvence skutečně má vliv na vyzařovací diagram. Co se týče zisku ve středu hlavního laloku, zůstává téměř stejný. Co se však mění, je celkový tvar vyzařovacího diagramu. Důležité boční laloky spolu s mrtvým úhlem se posouvajío určitý úhel, případně vznikají nové/zanikají boční laloky. V případě, že se frekvence liší pouzeo jeden kanál, bývají diagramy velmi podobné. Změníme-li frekvenci o více kanálů, pak se celý diagram viditelně změní. Největší změny můžeme pozorovat při porovnání frekvencí5500 – 5700MHz oproti frekvencím určeným pouze pro použití uvnitř budovy. I když není vysílání na těchto frekvencích povolené, jsou hojně využívány pro venkovní provoz, jak bylo ukázáno dříve. V případě, že máme antény na stožáru nastaveny do mrtvých úhlů pro venkovní frekvencea změníme frekvenci jedné antény na indoor (například kvůli náhle vniklému silnému rušení od konkurenčního přístupového bodu), pak se mrtvý úhel značně pohne a naše nastavení náhle nefunguje.

Obr. 7.6 Jirous JRC-24 EXTREM – parabolická anténa s límcem, 24dBi. Vertikální polarizace, E-plane. Zleva: 5200MHz, 5300MHz, 5500MHz, 5600MHz, 5700MHz

82

7.3 Vyzařovací diagramPro zkoumání výsledků bylo použito především zobrazování pomocí vyzařovacích diagramů.

Program Antenna radiation pattern umožňuje nastavení výstupního grafu. Prvním rozlišením je, zda vykreslovat graf síly naměřeného signálu, nebo již přepočítané hodnoty zisku. To nemá až takový vliv, pokud se již podařilo sílu signálu zkalibrovat. Pak lze používat pouze graf zisku.

Ten je zobrazen ve stylu 360°. Parametry jsou minimální hodnota zisku (střed grafu), maximální hodnota zisku (okraj grafu) a intervaly, ve kterých je vykreslována zadní mřížkas popisy. Program neumožňuje nastavování nelineárního zobrazování mřížky (např. horních 10dB by zabíralo polovinu grafu, a druhá polovina u středu by zobrazovala zbylých 40dB). Nastavení těchto parametrů má zásadní vliv na prezentaci výsledků měření. Ukažme si nyní proč. Mějme parabolickou anténu. Ta je určena pro spoje bod-bod. Proto budeme chtít co nejužší hlavní laloka vysoké potlačení bočních a zadních laloků.

Máme-li anténu, která nemá až tak dobré vlastnosti, můžeme je pomocí grafu skrýt. Pro vytvoření zdánlivě úzkého hlavního laloku a potlačení bočních laloků lze využít nelineárního zobrazování ve vyzařovacím diagramu. Mějme diagram, který ukazuje útlum v daném směru oproti udávanému zisku (okraj grafu je tedy 0°). Kruhy udávající útlum označíme postupně: 0, 3, 5, 10, 15, 20, 25. Víme-li, že naše parabolická anténa má zisk 24dBi, ale potlačení bočních laloků pouze 16dB, rozložíme kruhy pro hodnoty 0-15dB téměř přes celý graf. To jest tak, že útlum 15dB bude téměř u středu grafu. Zbylé kruhy 20 a 25dB pak vměstnáme do malého prostoru mezi kruhem pro 15dB a středem grafu.

Díky tomu, že útlum 0-15dB má anténa pouze v hlavním laloku, bude graf vypadat jako jediný úzký hlavní lalok s nějakým nepatrným zářením do okolí, které je zobrazeno kolem středu grafu. Pokud chceme kupujícího ještě více ošálit, aby si snad nepřečetl označení kruhů, můžeme vytvořit takovýto graf a označení kruhů prostě vynechat (odstranit). Pak už je to graf neříkající zhola nic.

Podobné techniky lze využívat u sektorových antén, kde je žádoucí maximální konstantní zisk v širokém úhlu a maximální potlačení zisku v ostatních úhlech. Víme-li tedy, že sektorová anténa má výkyvy v zisku až 6dB ve chtěných úhlech, stanovíme první kruh diagramu jako -6dBa umístíme ho velmi blízko okraje. Tím se bude zdát, že ve chtěných úhlech má anténa téměř stabilní zisk (pouze nepatrně zvlněný). Naopak budeme chtít potlačit zisk v bočních a zadních úhlech. Víme-li, že zisk zezadu a z boku je oproti hlavnímu laloku -12 až -18dB, stanovíme střed grafu na -20dB a kruh pro úroveň -12dB umístíme blízko středu. Do prostoru mezi kruhy-6dBa -12dB pak vložíme nesmyslné kruhy pro -7, -8, -9, -10, a -11dB. Opět dostáváme graf ideální antény, ovšem s ošvindlovaným měřítkem.

Všechny diagramy, které jsou prezentovány v této práci, mají fixní a lineární měřítko. Pro možnosti porovnávání antén byl také zvolen pevný rozsah zobrazovaných zisků. Okraj grafu je stanoven na 30dBi, tedy zisk, kterého žádná z měřených antén nedosahovala (těsně nad maximální

83

měřený zisk). Střed grafu je stanoven na -24dBi, tedy zisk, který byl dosahován ve velmi málo případech, ovšem nikoliv velmi vzdálen od běžné úrovně vyzařování do zadních a bočních úhlů. Kruhy tvořící mřížku jsou mezi těmito dvěma hodnotami rovnoměrně rozmístěny po 3dB (odpovídá vždy dvakrát větší hodnotě signálu).

Při hledání správných hodnot parametrů byly k vidění zkreslené grafy, i když ne do takové míry jako je možno provést s nelineárním měřítkem. Na ukázku uvádím některé z nich v obrázku Obr. 7.8 a Obr. 7.9. Současně přidávám i obrázek s nelineárním měřítkem pro stejnou anténu uváděný výrobcem (Obr. 7.7).

Obr. 7.7 Ukázka zkresleného grafu s nelineárním měřítkem (obrázek od výrobce) – hojně používaná parabolická anténa Jirous JRC-24 EXTREM, 5500MHz, Vertikální polarizace, E-plane 57

57 Ing. Jan Jirous J&J, Jirous.com, 2011. Dokument dostupný na URLhttp://cz.jirous.com/anteny-5ghz/jrc-24-extrem

84

Obr. 7.8 Jirous JRC-24 EXTREM, 5500MHz, Vertikální polarizace, E-plane

Vlevo: Graf ve správném měřítku – normalizovaný diagram (ukazuje ztráty v daných úhlech oproti maximálnímu zisku) s lineárním měřítkem, rozmezí 0 až -48dB

Vpravo: Graf s nesprávně zvoleným rozmezím – normalizovaný diagram s lineárním měřítkem, rozmezí 0 až -24dB, důležité detaily jsou skryty v malém prostoru kolem středu

Obr. 7.9 Jirous JRC-24 EXTREM, 5500MHz, Vertikální polarizace, E-plane. Graf v nesprávném měřítku, normalizovaný, rozmezí 0 až -96dB. Tvarem připomíná spíše všesměrovou anténu než anténu parabolickou

85

7.4 PolarizaceDalší oblastí, která se nabízí k prozkoumání, je polarizace antény. Tedy spíše izolace mezi

polarizacemi. Někteří výrobci uvádí u antén tzv. polarizační izolaci (X-pol isolation,cross-polarization). Ta je uváděna v dB, např. 25dB. Odtud vzniká otázka, jak vypadá vyzařovací diagram antény pro druhou polarizaci. Mějme anténu, která je umístěna na stožár ve vertikální polarizaci. Dále předpokládejme, že známe její H-plane diagram při vertikální polarizaci. Jaký je nyní vyzařovací diagram H-plane pro horizontální polarizaci? Víme, že výrobce udává polarizační izolaci 25dB. Je tedy H-plane diagram pro hor. polarizaci při nastavení antény na vertikální polarizaci stejný jako pro vertikální polarizaci, pouze utlumený o 25dB? Na tuto otázku lze odpovědět pomocí testů.

Referenční anténa na pevném bodě (železná tyč zabitá do země s dřevěnou nástavbou) byla umístěna v horizontální polarizaci. Měřená anténa na točně pak byla umístěna ve vertikální polarizaci a bylo provedeno měření H-plane. Ze síly signálu lze vytvořit diagram H-plane pro horizontální polarizaci při umístění antény ve vertikální polarizaci.

Testy ukazují, že vyzařovací diagram opačné polarizace při upevnění antény v dané polarizaci neodpovídá vyzařovacímu diagramu v dané polarizaci. Je značně utlumený a tvarově velmi odlišný. Stejně jako originální vyzařovací diagramy je závislý na frekvenci, tedy se s frekvencí tvarově liší, ačkoliv ne nijak výrazně.

Obr. 7.10 Porovnání vyzařovacích diagramů pro souhlasnou polarizaci (vlevo) a opačnou polarizaci (vpravo). Velikost grafu v obou případech 54dB. Anténa parabolická PROWAX 24dBi

86

Obr. 7.11 Porovnání diagramů pro různé frekvence, opačná polarizace. Parabolická anténaMaxlink 24dBi, nastaveno do pozice pro vertikální polarizaci, H-plane, diagram vyzařování horizontální polarizace (opačné). Vlevo 5500MHz, vpravo 5600MHz. Diagram -36 až 6 dBi.

Budeme-li tedy chtít potlačit nežádoucí signály z daných směrů pomocí změny polarizace, musíme si být vědomi toho, že vyzařovací diagramy jsou naprosto odlišné, a tedy například použití mrtvého úhlu ze standardní polarizace je s největší pravděpodobností zmařeno úplně odlišným tvarem vyzařovacího diagramu pro opačnou polarizaci.

7.5 Typické hodnoty anténVyzařovací diagramy jednotlivých antén se liší. Můžeme však pro obecnost provést alespoň

některé závěry, které nám pomohou v rozhodování situací bez ohledu na konkrétního výrobcea model antény.

Zisk parabolických antén pro frekvenční pásmo 5GHz se pohybuje od 20dBi do 29dBi. Běžné antény mají 24dBi s průměrem okolo 40 – 45cm. Antény se ziskem 29dBi jsou nejziskovější běžně dostupné antény a mají průměr 55-70cm.

V obecnosti lze tvrdit, že celková šířka hlavního laloku je okolo 20°, při uvažování poklesuo 3dB je to do 10°. Potlačení bočních laloků se pohybuje od 19dB do 25dB. Potlačení zadních laloků je něco málo přes 30dB.

Zisk panelových směrových antén se pohybuje v rozmezí od 14dBi do 23dBi. Celková šířka hlavního laloku je mezi 40° a 60°, při uvažování poklesu o 3dB 15° až 20°. Potlačení bočních laloků se pohybuje od 15dB do 22dB. Panelové směrové antény jsou tedy obecně méně ziskové

87

než antény parabolické, mají širší hlavní lalok a menší potlačení bočních laloků. Lze však najít bez větších problémů dvě antény takové, že platí opak. Především u potlačení bočních laloků záleží na konkrétním modelu antény, konkrétní frekvenci a zvolené polarizaci.

Zisk sektorových antén je maximální pouze v úzkém úhlu, poté postupně klesá. Je-li směrovost antény udávána jako 90°, bude zisk antény 45° od středu i o 6dB menší. Zisk antény poté neklesá prudce jako u antén směrových, ale pouze pozvolna. Zisk takové antény v úhlu 60° bude pouze o 12dB menší oproti maximálnímu zisku. Oproti hladkému průběhu v H-plane mají sektorové antény „divoký“ průběh v E-plane. Šířka hlavního laloku v E-plane je pouze 10-15°. Poté následují mrtvé úhly střídající se s množstvím bočních laloků. Boční laloky nemají velké potlačení (6-12dB), ovšem mrtvé úhly vykazují ztrátu i přes 24dB. To se může stát problémem, pokud stanice, kterou se snažíme připojit k přístupovému bodu, má na celkem krátké vzdálenosti velký výškový rozdíl a dostane se tak zrovna do mrtvého úhlu E-plane diagramu sektorové antény.

Testy také ukazují, že investice do parabolických antén s límcem nemá velký smysl. Límec na anténě by měl přispět k větší směrovosti antény a potlačení bočních laloků. Vyzařovací diagramy ale nejsou nijak výrazně odlišné od diagramů antén bez límce, při některých frekvencích jsou naopak i horší. Ceny těchto antén jsou mnohdy až dvojnásobné.

88

Kapitola 8

Vysílací výkon karetPoslední oblastí zkoumání byl vysílací výkon karet. Ten je důležitý jednak pro dodržení

maximální hustoty vysílaného výkonu (EIRP) stanovené ve VO a jednak pro koordinaci kanálů, aby bylo možné se omezit rušení – ať už na stejném nebo vedlejším kanálu.

Výrobci a prodejci bezdrátových karet udávají především jejich maximální vysílací výkon. Ten se liší podle zvolené modulace. Nižší modulační rychlosti umožňují vysílání vyšším výkonem než vyšší modulační rychlosti. Například karta R52 dokáže vysílat 18dBm při 6Mbps a 14dBm při 54Mbps.

To, co se ale neuvádí, je schopnost regulace karty. Tedy její minimální vysílací výkon a krok, se kterým lze regulovat. U současně dostupných karet je vysílací výkon běžně 23dBm. Takový výkon by byl možný použít pouze s 6dBi anténou připojenou kabelem se ztrátou 2dB! Jinak by došlo k překročení maximální hustoty výkonu. Pokud použijeme například 24dBi anténu, pak se stejným kabelem můžeme použít vysílací výkon maximálně 5dBm, což je značně vzdáleno od 23dBm.

RouterOS dovoluje nastavení vysílacího výkonu v rozmezí 0-30dBm. Otázkou ale zůstává, jak se tato zadaná hodnota projeví na skutečném vysílacím výkonu. Rozhodl jsem se proto provést výzkum na více bezdrátových kartách. Cílem bylo zjistit jaká je skutečná hodnota vysílacího výkonu v závislosti na udaném vysílacím výkonu v OS. Kromě karet pro RouterOS jsem otestoval i zařízení firmy Ubiquity, neboť jejich klientské stanice jsou velmi často používány. Zájmem zkoumání byla i případná změna grafu pro různé frekvence a pro různé verze operačního systému.

8.1 Program Wireless Card Tx Power MeasurementStejně jako u měření vyzařovacích diagramů antén, i pro měření vysílacího výkonu karet bylo

nutné naprogramovat program. Funkcionalita, kterou musel zajistit je následující:

1) komunikace s RouterOS a AirOS pro nastavení vysílacího výkonu

2) komunikace s RouterOS API na druhé straně spoje pro získání síly signálu

3) automatická sekvence měření

4) ukládání dat ve formátu XML a jejich opětovné nahrání

5) vykreslování grafů pro prezentaci výsledků podle zadaných parametrů

89

Obr. 8.1 Snímek z aplikace Wireless Card Tx Power Measurement – hlavní okno

Na začátku měření bylo potřeba zadat popis měření – typ karty, MAC adresu,prostředí – a nastavit měřený rozsah (0 až maximální vysílací výkon karty). Měření bylo prováděno po 250ms a počet měření na daném vysílacím výkonu byl stanoven na 100. Po provedení těchto 100 měření se program automaticky přihlásil na měřené zařízení, změnil vysílací výkon, potvrdil změny (případně počkal na jejich provedení), vyčkal na vytvoření registrace mezi stanicía přístupovým bodem a pokračoval v měření na novém vysílacím výkonu. Trvání měření jedné karty pak záleželo na typu zařízení a rozsahu vysílacího výkonu (u bezdrátových karet pro RouterOS něco málo přes 10 minut, u zařízení Ubiquity okolo 45minut).

Zatímco komunikace s RouterOS probíhala přes API, komunikaci s AirOS bylo nutno zajistit přes webové rozhraní (simulaci ve webovém prohlížeči). To vyžadovalo zvýšené prvotní úsilí pro technické zvládnutí věci (mimo jiné různé softwarové/firmwarové verze mají různá rozhraní), a také mělo za následek prodloužení času měření u těchto zařízení.

Po dokončení jednoho měření byla změněna frekvence spoje a testování znovu probíhalo na ni. Stejně tak bylo provedeno porovnání grafů pro konektory A a B (MAIN/AUX) na bezdrátové kartě.

90

8.2 Měření a grafyJako graf vysílacího výkonu byl zvolen jednoduchý liniový graf, který má (podobně jako u

předchozího programu) nastavitelné rozsahy, mřížku a popisy. Další volitelnou možností je zobrazení „placatého“ grafu, tedy rozdílů mezi požadovaným a skutečným vysílacím výkonem. Program kromě vykreslování grafu jednoho měření dokáže vykreslovat až 9 různých měření do jednoho grafu pro účely porovnávání.

8.2.1 Variabilita úrovně přijímaného signáluZajímavostí, která se při měření objevila, byla variabilita naměřených dat. Ze

100 naměřených hodnot zobrazuje graf průměrnou hodnotu. Kromě toho lze zapnout i zobrazování intervalu mezi maximální a minimální hodnotou. Navíc program umožňuje zobrazení statistického grafu ze všech měření karty, kde jednotlivé sloupce znázorňují odchylky od průměrné hodnoty. Různorodost síly přijímaného signálu může být způsobena prostředím, kterým se vlna šíří, ale také nestálostí síly vysílaného signálu bezdrátovou kartou. Vzhledem k tomu, že prostředí zůstávalo po celou dobu měření stejné, připisuji tento jev spíše druhé možnosti, tedy nestabilitě vysílaného signálu.

Obr. 8.2 Vlevo: Klasický graf (osa X – požadovaný výkon, osa Y – skutečný výkon), modrá linka ukazuje ideální kartu. Měřená karta R52H, 5600MHz

Vpravo: Plochý graf (flat) ukazující rozdíly mezi požadovanou a skutečnou hodnotou. Měřená karta R52H, 5700MHz

91

Měření ukázala, že jistá variabilita vysílaného výkonu existuje, ovšem většina naměřených hodnot je v rozmezí -1 až +1 okolo středu. Problémové hodnoty (především ty, kde síla signálu je značně pod průměrem) jsou zastoupeny pouze v malém procentuálním množství (okrajové hodnoty pod 1%). Navíc, pokud z měření vypustíme nejnižší 3 hodnoty vysílaného výkonu, zmizí pro většinu karet všechny okrajové hodnoty zcela a naměřené hodnoty se pohybují maximálněv rozmezí -3 až +3dB, přičemž procentuální zastoupení hodnot -3, -2 a +2, +3 je pouze okolo 20%.

Obr. 8.3 Vlevo: Karta TP-Link, klasický graf včetně intervalů maximální/minimální hodnota

Vpravo: Procentuální zastoupení rozdílů naměřených hodnot od průměrné hodnoty

Nestálost signálu může mít za následek špatné přijetí rámce (nedoručení), obzvláště pokud úroveň signálu poklesla. Je-li úroveň -5dB pod očekávanou hodnotou, nemusí být citlivost karty dostačující pro zvolenou modulaci. Pokud by hodnota -5dB zůstala pouze pro vyslání jednoho rámce, nebyl by to problém, protože by se vysílání opakovalo. Problém ale nastane ve chvíli, kdy takovéto zakolísání trvá delší dobu (několik stovek milisekund). To může mít za následek neodeslání většího počtu rámců a následné snížení modulační rychlosti. To s sebou samozřejmě nese snížení propustnosti, a to nejen pro okamžik poklesu signálu, ale i pro okamžiky následující, než se modulační rychlost vrátí na původní hodnotu (typicky po odeslání určitého počtu rámců).V celkové statistice se to příliš neodrazí, při kontinuálním sledování síťového provozu však můžeme pozorovat místo s takovýmto chováním. Cílem je těmto odchylkám předejít. Jak ukázaly testy, jednoduchým řešením je nepoužívání několika nejnižších hodnot vysílacího výkonu(např. prvních třech hodnot 0-2dB pro R52, záleží na typu karty).

92

Špatné chování bezdrátové karty při malých vysílacích výkonech je promítnuto i do samotných grafů vysílacích výkonů v závislosti na požadované hodnotě. Při malých hodnotách vykazují extrémně nízký vysílací výkon oproti požadovanému. Karty se zdají být nepřizpůsobeny pro velmi nízké hodnoty vysílacího výkonu, což má za následek výše popsané dva jevy.

Obr. 8.4 Vlevo: Karta R52, 5600MHz, konektor A (MAIN), statistika 0-18dBm

Vpravo: Stejné měření, vynechána statistika pro 0-2dBm

8.2.2 Bezdrátové karty a zařízeníMěřené bezdrátové karty byly značky Mikrotik (Routerboard), Wistron a TP-Link. Ostatní

testovaná zařízení kromě RB711 (Routerboard s integrovanou kartou) byly značky Ubiquity.

Bezdrátové karty Mikrotik: 4x R52, 3x R52H, 1x R52n, 1x RB711

Bezdrátové karty Wistron: 2x CM9

Bezdrátové karty TP-Link: 2x TL-WN562AG

Zařízení Ubiquity: 1x NanoBridge M5, 1x NanoStation M5, 1x Rocket M5, 4x WISP

Přehled všech měření je uveden v příloze E. Měření ukázala, že průběh grafu u většiny karet je nelineární, resp. neodpovídá požadovanému výkonu. Většina karet se ke křivce ideální karty přibližuje až po 10dBm. Do hodnoty 10dBm je reálný vysílaný výkon podstatně menší než

93

požadovaný. Výjimku tvoří karta CM9, která začíná regulovat až mezi 10 a 15dBm a do té doby vysílá konstantně 10dBm. To může být příčinou snadného porušení limitu hustoty vysílaného výkonu (i když je v RouterOS nastavena hodnota 2dBm, karta stále vysílá 10dBm).

Výkon ostatních karet do 10dBm naopak dělá problémy při použití více ziskových anténa snaze o regulaci výkonu. Pokud totiž při nastavení 4dBm bude reálný výkon -5dBm, bude úroveň přijímaného signálu mnohem menší a spoj pravděpodobně nebude schopen pracovat na požadované modulační rychlosti. Po několika pokusech o dosměrování antény, výměnách kabelůa přemýšlení o ztrátě vlivem zastínění Fresnelových zón pravděpodobně dojde k tomu, že provozovatel ztratí trpělivost a výkon vysílací karty nastaví na hodnotu default, čili maximální výkon. Hodnota reálného výkonu při nastaveném maximálním výkonu se však (v tomto případě bohužel) shoduje. Spoj tak bude sice funkční i na požadované modulaci, ovšem se značně překročeným limitem.

Měřená zařízení firmy Ubiquity kromě tohoto problému měla i problém s nelinearitou po 10dBm, kdy požadovanému 1dBm přírůstku odpovídal třeba jen 0,5dBm reálný přírůstek, a to po celém zbytku grafu.

Nejlepší bezdrátovou kartou/zařízením z hlediska grafu vysílaného výkonu je karta firmy Mikrotik R52H, která má sice zvýšenou maximální hodnotu vysílaného výkonu, nicméně je velmi vhodná právě pro spoje s vysoce ziskovými anténami. Její graf kromě první hodnoty (0dBm) totiž téměř dokonale kopíruje graf ideální karty, a tedy není problém nastavit např. 1dBm vysílacího výkonu.

8.2.3 Různé frekvencePodívejme se nyní na rozdíly v grafech při použití různých frekvencí. Problémem u těchto

měření bylo přesné určení zisku antény při dané frekvenci. Ten totiž může být různý a je prakticky nemožné určit, zda došlo k poklesu vlivem menšího zisku antény nebo menšího výkonu karty. Nicméně zisk antény by se neměl lišit o více než 2dB a rozhodně by neměl probíhat skokově. Navíc takováto ztráta by způsobila v grafu pouze posun křivky nahoru/dolu. Měření však ukázala, že některé karty mají tvarově jiné průběhy vysílacích výkonů pro různé frekvence. Zde tedy nejde o vliv ztráty zisku antény, ale skutečně o změnu charakteristiky karty pro jinou frekvenci.

U karet pro RouterOS se různost grafů projevovala především posunem začátku regulace, tedy hodnotou požadovaného výkonu, od které karta začala vysílat výkonem blížícím se ideální kartě (a přestala vysílat hluboko pod požadovaným výkonem). U zařízení Ubiquity ovlivňovala frekvence také především začátek grafu (posouvala úroveň signálu) a potom ovlivňovala směr křivky grafu (v části, kde tvar grafu již začal připomínat přímku), i když ne nijak výrazně.

94

Obr. 8.5 Karta R52 (0-18dBm): 5200MHz – modrá , 5300MHz – zelená ,

5500MHz – oranžová , 5600MHz – fialová , 5700MHz – růžová

Obr. 8.6 WISP (4-23dBm): 5200MHz – hnědá , 5300MHz – zelená ,

5500MHz – oranžová , 5600MHz – fialová , 5700MHz – růžová

95

8.2.4 FirmwarePoslední zkoumanou oblastí týkající se bezdrátových karet byly rozdíly vysílacího výkonu

v závislosti na verzi firmware/software v zařízení. Zatímco karty v RouterOS se chovaly naprosto stejně při různých verzích RouterOS (od 3.23 po 5.01), zařízení firmy Ubiquity vykazovaly změny. Extrémním případem je NanoStation M5, kdy s firmware 5.0 spoj nelze vytvořit vůbec, a tedy ani měřit.

Všechny zařízení (nyní bude řeč pouze o zařízeních firmy Ubiquity) vykazovala velmi špatné průběhy grafů pro starší verze firmware. Do hodnoty 10-15dBm vysílala konstantním výkonem hluboko pod 0dBm. Až od tohoto bodu se začal výkon zvyšovat, ovšem k lineárnímu průběhu měl daleko. Nakonec (maximální hodnota) skončil asi 10dB pod požadovanou hodnotou.

Novější firmware průběh grafu zlepšily, tvar grafu již připomíná přímku. Její sklon je však menší než u ideální karty, reálný přírůstek výkonu je tak menší než požadovaný (zhruba 60%).

Obr. 8.7 NanoStation M5, 5600MHz. FW v.5.0.2 – modrá , FW v.5.1.2 – zelená ,

FW v.5.2.1 – oranžová

96

Kapitola 9

ZávěrPráce si kladla za cíl prozkoumat problematiku provozu bezdrátových sítí na frekvenci 5GHz,

prozkoumat jakým způsobem vzniká rušení, a jak se mu lze vyhnout.

9.1 VýsledkyNa frekvenci 5GHz je nejpoužívanějším protokolem IEEE 802.11a. Ten je uzpůsoben tak, aby

dvě a více sítí dokázaly pracovat na stejné frekvenci. Rušení, které zde vzniká, může mít několik příčin.

Za prvé je to dělba pásma, která probíhá rovnoměrně podle počtu paketů. Propustnost sítí je tak stejná. Jestliže však jedna síť používá pomalejší modulace (v nejhorším případě 6Mbps), dojde k degradaci okolních sítí – ke snížení jejich propustnosti. I když všechna zařízení sítě vysílají na nejvyšší modulační rychlosti, vlivem pomalé modulace z okolních sítí se sníží propustnost této sítě až o 90%.

Druhou příčinou rušení je problém skrytého uzlu, především v kombinaci s nepoužitím mechanismu RTS/CTS. Stanice, které se vzájemně neslyší, mohou vysílat současně a způsobit tak vzájemné rušení – kombinací signálů dojde ke znehodnocení obou rámců. I když mají některá zařízení zapnutý mechanismus RTS/CTS, jiná zařízení, která ho nepoužívají, dokáží způsobit vzájemné rušení (rámce RTS ničí rámce zařízení, která RTS/CTS nepoužívají). Dochází tak ke snižování modulačních rychlostí vlivem mechanismu hw-retries a následně k prvně popsanému problému dělby pásma.

Třetí příčinou rušení je provoz na přilehlém kanálu (vedlejší frekvenci). Rušení z takového provozu již nezpůsobuje dělbu pásma, ale je čistě šumového charakteru. Záleží zde na tvaru spektrální vysílací masky bezdrátové karty, na její odolnosti vůči přilehlému kanálu a samozřejmě na poměru požadovaného a rušivého signálu.

9.2 Přínos práceZkoumáním jsem zjistil, že některé jevy, které jsou přisuzovány rušení, nemusí s rušením

nutně souviset. Především se jedná o existenci a použití hardwarové fronty v RouterOS, která zvyšuje latenci při dávkovém charakteru dat.

97

Toto chování je možné částečně obejít použitím WMM v 802.11a, který používá 4 různé výstupní fronty, a tedy dokáže oddělit pakety, pro které je důležitá nízká latence. Toho provozovatel sítě docení především ve chvílích, kdy dojde k zahlcení (například chvilkové dělbě pásma s jinou sítí).

Detailní prozkoumání jednotlivých částí protokolu a jejich chování v kapitole 5 může být velmi přínosným informačním zdrojem pro všechny, kteří se chtějí protokolem 802.11a zabývat hlouběji. Standard sice popisuje detailně celý protokol, ale nepodává informace o jeho implementaci a využití v praxi, což je pro provozovatele sítě to nejpodstatnější.

Měření vysílacích charakteristik (diagramů) antén má velký reálný přínos. Díky reálným naměřeným diagramům (nikoliv smyšleným od výrobců/prodejců, či zcela zkresleným diagramů) lze vyčíst ziskovost antén v daném směru. V kombinaci s naměřenými hodnotami výkonů bezdrátových karet je tak možné vypočítat hustotu signálu vysílanou anténou v daném směrua současně i úroveň přijímaného signálu od jiných stanic v tomto směru. Znalost těchto dvou věcí může napomáhat při umisťování antén na stožáry (na jedno místo), jakožto i při plánování umístění vysílacích bodů v závislosti na umístění již stávajících bodů. Na základě naměřených hodnot je možné výrazně omezit rušení způsobené provozem sítí na přilehlých frekvencích i částečně omezit rušení od sítí provozovaných na stejné frekvenci.

9.3 Vize rozšířeníVzhledem k rozsahu tématu, který se ukázal být větší než původně plánovaný, nebylo možné

provést detailní testy ve venkovním prostředí a navrhnout komplexnější metody prevence rušení. Bylo by zajímavé prozkoumat odolnost bezdrátových karet vůči přilehlému kanálu, provoz protokolu NStreme proti 802.11a či nově uvedenému NV2, naměřit reálné hodnoty úrovní signálů (případně SIR) společně s propustnosti spojů. Velmi zajímavým tématem, které zůstalo neprozkoumáno, je i šířka kanálu (5MHz, 10MHz, 20MHz, 40MHz), která má vliv na citlivost karet, ale také může přinést zajímavé poznatky v kombinaci s problémem přilehlého kanálu.

Dále by bylo zajímavé zkoumat v reálném prostředí, například vytvořit systém pro monitorování okolních sítí a jejich stanic a z kombinace zadaných (například umístění známých vysílačů, typů antén a jejich nasměrování) a naměřených dat pak určovat fungování sítě, vyvolávat události upozornění při přeladění okolních sítí na jiný kanál, změnu vysílacího výkonu, existenci nové sítě nebo stanice v síti. Současně by bylo možné určovat polohu jednotlivých stanicz naměřených úrovní signálu. Takovýto systém by mohl navrhovat optimalizaci bezdrátové sítě, tedy především tvorbu frekvenčního plánu, navrhovat umístění nových přístupových bodů, nových antén, či jejich změnu.

98

Literatura[1] Pecháč P., Zvánovec S.: Základy šíření vln. BEN – technická literatura, Praha 2007.

[2] Pecháč P.: Šíření vln v zástavbě. BEN – technická literatura, Praha 2006.

[3] Procházka M.: Antény – encyklopedická příručka, 3. rozšířené vydání. BEN – technická literatura, Praha 2005.

[4] Český telekomunikační úřad (ČTÚ): Všeobecné oprávnění č. VO-R/12/08.2005-34

[5] MikroTik RouterOS™ v3.0 Reference Manual, 2007. Dokument dostupný na URLhttp://www.mikrotik.com/testdocs/ros/3.0/refman3.0.pdf.

[6] IEEE Std 802.11a-1999(R2003), Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications, High-speed Physical Layer in the 5 GHz Band.

[7] Carrier sense multiple access with collision avoidance. Wikipedia, 2011. Dokument dostupný na URLhttp://en.wikipedia.org/wiki/Carrier_sense_multiple_access_with_collision_avoidance

[8] MikroTik Wiki, 2011. Dokumentový server dostupný na URL http://wiki.mikrotik.com

[9] Dostálek L., Kabelová A. a kolektiv: Velký průvodce protokoly TCP/IP a systémem DNS, třetí aktualizované a rozšířené vydání. Computer Press, Praha 2002.

[10] Gettys J.: The criminal mastermind: bufferbloat! 2011. Dokument dostupný na URLhttp://gettys.wordpress.com/2010/12/03/introducing-the-criminal-mastermind-bufferbloat/

[11] Wendell Odom, Rus Healy, Naren Mehta: Směrování a přepínání sítí, autorizovaný výukový průvodce. Computer Press, a.s., Brno 2009.

[12] Megis J., QoS Best Practice, Mikrotik RouterOS Workshop, 2009. Dokument dostupný na URL http://mum.mikrotik.com/presentations/CZ09/QoS_Megis.pdf

[13] IEEE Std 802.11™-2007 (Revision of IEEE Std 802.11-1999), Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications

[14] Chen-Mou Cheng, Pai-Hsiang Hsiao, H.T. Kung, Dario Vlah: Adjacent Channel Interference in Dual-radio 802.11a Nodes. Department of Electrical Engineering and Computer Science, Harward University, 2006. Dokument dostupný na URLhttp://www.eecs.harvard.edu/~htk/publication/2006-globecom-cheng-hsiao-kung-vlah.pdf

99

[15] IEEE 802.11a-1999. Wikipedia, 2011. Dokument dostupný nahttp://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11a-1999

[16] Amaldi E., Capone A., Cesana M, Fratta L., Malucelli F.: Algorithms for WLAN Coverage Planning. Politecnico di Milano. In: Wireless Systems and Mobility in Next Generation Internet, June 2004. Berlin, Germany 2005. Page 52.

[17] Nidhi Hedge and Alexandre Proutiere: Performance Analysis of Wireless Multihop Data Networks. France Telecom R&D. In: Wireless Systems and Mobility in Next Generation Internet, June 2006. Berlin, Germany 2007. Page 1.

[18] Stallings W.: Wireless communication and networking. Prentice-Hall, New Jersey 2002.

[19] Vacca, John R. Wireless broadband networks handbook: 3G, LMDS & Wireless Internet. McGraw-Hill, New York 2001.

100

http://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11a-1999

Příloha A – Parametry 802.11a v RouterOS

mode (alignment-only | ap-bridge | bridge | nstreme-dual-slave | station | station-pseudobridge |

station-pseudobridge-clone | station-wds | wds-slave; default: station) - operating mode:

• ap-bridge – the interface is operating as access point

• station – the interface is operating as station (client)

• station-pseudobridge - wireless station that can be put in bridge. MAC NAT is performed on all traffic sent over the wireless interface, so that it look like coming from the station's MAC address regardless of the actual sender (the standard does not allow station to send packets with different MAC address from its own). Reverse translation (when replies arrive from the AP to the pseudobridge station) is based on the ARP table. Non-IP protocols are being sent to thedefault MAC address (the last MAC address, which the station has received a non-IP packet from). That means that if there is more than one client that uses non-IP protocols (for example, PPPoE) behind the station, none of them will be able to work correctly

• station-pseudobridge-clone - similar to the station-pseudobridge, but the station will clone MAC address of a particular device (set in the station-bridge-clone-mac property), i.e. it will change itsown address to the one of a different device. In case no address is set in the station-bridge-clone-mac property, the station postpones connecting to an AP until some packet, with the source MAC address different from any of the router itself, needs to be transmitted over that interface. It then connects to an AP with the MAC address of the device that have sent that packet

• station-wds - the interface is working as a station, but can communicate with a WDS peer

• wds-slave - the interface is working as it would work in ap-bridge mode, but it adapts to its WDS peer's frequency if it is changed

band - operating band

• 5ghz - IEEE 802.11a up to 54 Mbit

• 5ghz-turbo - IEEE 802.11a using double channel, providing air rate of up to 108Mbit

• 5ghz-10mhz - variation of IEEE 802.11a with half the band, and, accordingly, twice lower speed (air rate of up to 27Mbit)

• 5ghz-5mhz - variation of IEEE 802.11a with quarter the band, and, accordingly, four times lower speed (air rate of up to 13.5Mbit)

frequency (integer) - operating frequency of the AP (ignored for the client, which always scans through its scan list regardless of the value set in this field)

ssid (text; default: MikroTik) - Service Set Identifier. Used to separate wireless networks

radio-name (text) - descriptive name of the card. Only for MikroTik devices

101

wmm-support (disabled | enabled | required) - whether to allow (or require) peer to use WMM extensions to provide basic quality of service

hide-ssid (yes | no; default: no) - whether to hide ssid or not in the beacon frames:

• yes - ssid is not included in the beacon frames. AP replies only to probe-requests with the given ssid

• no - ssid is included in beacon frames. AP replies to probe-requests with the given ssid ant to 'broadcast ssid' (empty ssid)

default-forwarding (yes | no; default: yes) - whether to use data forwarding by default or not. If set to 'no', the registered clients will not be able to communicate with each other

supported-rates-a/g (multiple choice: 6Mbps, 9Mbps, 12Mbps, 18Mbps, 24Mbps, 36Mbps, 48Mbps, 54Mbps) - rates to be supported in 802.11a or 802.11g standard

ack-timeout (integer | dynamic | indoors) - acknowledgement code timeout (transmission acceptance timeout) in microseconds for acknowledgement messages. Can be one of these:

• dynamic - ack-timeout is chosen automatically

• indoors - standard constant for indoor usage

hw-retries (integer; default: 15) - number of frame sending retries until the transmission is considered failed. Data rate is decreased upon failure, but if there is no lower rate, 3 sequential failures activate on-fail-retry-time transmission pause and the counter restarts. The frame is being retransmitted either until success or until client is disconnected

tx-power (integer: -30..30; default: 17) - manually sets the transmit power of the card (in dBm), if

preamble-mode (both | long | short; default: both) - sets the synchronization field in a wireless

packet

• long - has a long synchronization field in a wireless packet (128 bits). Is compatible with

802.11 standard

• short - has a short synchronization field in a wireless packet (56 bits). Is not compatible with 802.11 standard. With short preamble mode it is possible to get slightly higher data rates

• both - supports both - short and long preamble

radio-name (text) - descriptive name of the card. Only for MikroTik devices

102

Příloha B – Schéma průchodu paketu RouterOS

103

Příloha C – Obrazovky Antenna radiation pattern

104

Příloha D – Obrazovky Wireless Card Tx Power Measurement

106

Příloha E – Výsledky měření bezdrátových karet

Karta Routerboard R52

MAC: 00:0C:42:31:13:AB (karta č.2)

MAC: 00:0C:42:63:AD:B2 (karta č.4)

MAC: 00:0C:42:64:C8:2B (karta č.8)

Vysílací výkon: 0 – 18dBm

5200MHz – modrá

5300MHz – zelená

5500MHz – oranžová

5600MHz – fialová

5700MHz – růžová

Karta č.2, Porovnání vysílacího výkonu pro různé frekvence. Konektor A, 0 – 18dBm.

109

Karta č.2, minimální, maximální a průměrné hodnoty měření. 5600MHz – fialová

Karta č.2, opakované měření – test přesnosti měření. 5700MHz.

Karta č.2, porovnání konektorů A a B, 5600MHz, Konektor A. – modrá ,

Konektor B – zelená

Karta č.2, odchylky od průměrného výkonu, 5600MHz.

110

5200MHz – modrá

5300MHz – zelená





R52, karta č.2 – modrá

R52, karta č.8 – zelená

Porovnání vysílacího výkonu dvou karet stejného typu. Konektory A, 0 – 18dBm.

111






112

Karta Routerboard R52H

MAC: 00:0C:42:39:3E:29 (karta č.1)

MAC: 00:0C:42:68:88:4A (karta č.5)

MAC: 00:0C:42:68:88:73 (karta č.6)


5200MHz – modrá

5300MHz – zelená





113






114


Konektor B – zelená . Provozována delší dobu s vlhkostí v kabelu





115

Karta Routerboard R52n

MAC: 00:0C:42:61:05:50 (karta č.7)


Karta podporující protokol 802.11n, 2xMIMO technologii




Konektor B – zelená maximální, průměrná a minimální naměřená

hodnota

116

Karta č.7, odchylky od průměrného výkonu, 5600MHz, konektor A

Karta č.7, odchylky od průměrného výkonu, 5600MHz, konektor B

117

Karta TP-Link TL-WN562AG

MAC: 94:0C:6D:E3:65:12 (karta č.12)

MAC: 94:0C:6D:E2:ED:CD (karta č.13)


5200MHz – modrá

5300MHz – zelená





118






119

Karta Wistron CM9

MAC: 00:1B:B1:05:56:94 (karta č.10)

MAC: 00:1B:B1:05:56:44 (karta č.11)


5200MHz – modrá

5300MHz – zelená





120




121



Routerboard RB711

MAC: 00:0C:42:94:5B:6D


5200MHz – modrá

5300MHz – zelená




RB711, Porovnání vysílacího výkonu pro různé frekvence. 0 – 23dBm.

122

RB711, minimální, maximální a průměrné hodnoty měření. 5600MHz – fialová

RB711, opakované měření – test přesnosti měření. 5600MHz.

RB711, odchylky od průměrného výkonu, 5600MHz.

123

Ubiquity NanoStation M5

MAC: 00:15:6D:E2:EB:AE


5200MHz – modrá

5300MHz – zelená




NanoStation M5, porovnání vysílacího výkonu pro různé frekvence. 8 – 27dBm.Firmware v.5.2.1.

124

Ubiquity WISP Station

MAC: 00:15:6D:C4:49:30 (WISP 1)

MAC: 00:15:6D:C4:32:C0 (WISP 2)

MAC: 00:15:6D:C3:53:E6 (WISP 3)


5200MHz – modrá

5300MHz – zelená




WISP Station (WISP 2), porovnání vysílacího výkonu pro různé frekvence. 4 – 23dBm.Firmware v.3.5.1.

125

NanoStation M5, minimální, maximální a průměrné

hodnoty měření, 5600MHz. v.5.2.1 – fialová ,

v.5.0.2 – modrá , v.5.1.2 – zelená

NanoStation M5, odchylky od průměrného výkonu, 5600MHz, v.5.2.1.

WISP (2), minimální, maximální a průměrné hodnoty

měření, 5600MHz. v.3.6 – oranžová ,

v.3.2.1 – modrá , v.3.5.1 – zelená

WISP (2), odchylky od průměrného výkonu, 5600MHz, v.3.5.1.

126

Ubiquity NanoBridge M5

MAC: 00:15:6D:1A:4D:FA


5600MHz, v.5.1 – modrá

5600MHz, v.5.1.2 – zelená

5600MHz, 5.2 – oranžová

5600MHz, v.5.2.1 – fialová

5700MHz, v.5.2.1 – růžová

NanoBridge M5, porovnání vysílacího výkonu pro různé verze firmware a frekvence. 4 – 23dBm.

127

Ubiquity Rocket M5

MAC: 00:15:6D:E6:2D:FA

Vysílací výkon: 8 – 27Bm

5600MHz, v.5.1.2 – modrá

5600MHz, v.5.2.1 – zelená

Rocket M5, porovnání vysílacího výkonu pro různé verze firmware. 8 – 27dBm.

128

Příloha F – Výsledky měření antén

Fotografie antén

Zleva: Alfa všesměrová 8dBi; Admet ASD 17dBi; Bestpartner panel 19dBi

Zleva: Interline panel 23dBi; Jirous JRC-24 EXTREM; Jirous GentleBOX JC-217 17dBi

Zleva: Maxlink panel 19dBi; Maxlink parabola 24dBi; NN-15 Potter 15dBi

Zleva: Prowax parabola 24dBi, Sektorová anténa SLIM 15dBi 90°; upravená parabolická sítová anténa Pacific Wireless GD57-21, 21dBi, přidělaná zadní kovová deska 4mm.

129

Alfa všesměrová 8dBi, vertikální polarizace, 5600MHz. Vlevo H-plane, vpravo E-plane

Admet ASD 17dBi, vertikální polarizace, 5600MHz. Vlevo H-plane, vpravo E-plane

Bestpartner panel 19dBi, vertikální polarizace, 5600MHz. Vlevo H-plane, vpravo E-plane

130

Interline panel 23dBi, vertikální polarizace, 5600MHz. Vlevo H-plane, vpravo E-plane

Jirous JRC-24 EXTREM, vertikální polarizace, 5600MHz. Vlevo H-plane, vpravo E-plane

Vertikální polarizace, 5600MHz, H-plane. Vlevo Jirous GentleBOX JC-217 17dbi, vpravo JC-219 19dbi

131

Maxlink panel 19dBi (zřejme vadný kus), vertikální polarizace, 5600MHz. Vlevo H-plane, vpravo X-pol.

Maxlink parabola 24dBi, vertikální polarizace, 5600MHz. Vlevo H-plane, vpravo E-plane

NN-15 Potter 15dBi, vertikální polarizace, 5600MHz, H-plane.

132

Prowax parabola s límcem 24dBi, vertikální polarizace, 5600MHz. Vlevo H-plane, vpravo E-plane

Sektorová anténa SLIM 15dBi 90°, horizontální polarizace, 5600MHz. Vlevo H-plane, vpravo E-plane

Pacific Wireless GD57-21, 21dBi, vertikální polarizace, 5600MHz, E-plane

133

Prowax parabola s límcem 24dBi, vertikální polarizace, H-plane. Vlevo 5200MHz, vpravo 5300MHz.

Prowax parabola s límcem 24dBi, vertikální polarizace, H-plane. Vlevo 5500MHz, vpravo 5600MHz.

Prowax parabola s límcem 24dBi, vertikální polarizace, H-plane, 5700MHz.

134

Pozice vertikální polarizace, H-plane, X-pol, 5600MHz. Vlevo Admet ASD 17dBi, vpravo Bestpartner 19dBi

Pozice vertikální polarizace, H-plane, X-pol, 5600MHz. Vlevo Interline 23dBi, vpravo Jirous 24dBi EXTREM

Pozice vertikální polarizace, H-plane, X-pol, 5600MHz. Vlevo Jirous JC-217 17dBi, vpravo Maxlink 24dBi

135

Pozice horizonální polarizace, H-plane, X-pol, 5600MHz. Sektorová anténa SLIM 15dBi

Pozice vertikální polarizace, H-plane, X-pol, 5600MHz. Pacific Wireless síto 21dBi

Pozice vertikální polarizace, H-plane, X-pol, Jirous 24dBi EXTREM. Vlevo 5500MHz, vpravo 5700MHz.

136

Bezdrátové sítě v zarušených prostředích - IS MUNI

Documents

Transcript of Bezdrátové sítě v zarušených prostředích - IS MUNI