Файл: Технология «клиент-сервер» (Клиент-серверная система).pdf

ВВЕДЕНИЕ

Сегодня сложно представить нашу жизнь без беспроводных технологий. Они применяются практических во всех сферах жизнедеятельности. «В быту» мы применяем как минимум три стандарта беспроводной связи по радиоканалу: GSM как отличное средство для телефонии, WiFi для домашних и офисных сетей и Bluetooth для подключения устройств и периферии. Однако этих стандартов оказалось недостаточно для оптимального решения всех «сетевых задач». С ростом систем контроля и мониторинга появилось необходимость в новом стандарте связи, который обеспечивал бы надежную передачу данных и низкую стоимость установки и эксплуатации. Беспроводные технологии были очевидным решением данной проблемы, но все существующие стандарты имели один существенный недостаток в виде высокого энергопотребления.

В декабре 2000 года Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers) объявил о разработке нового стандарта связи для беспроводных персональных сетей с низким уровнем скорости (LR-WPAN – Low-Rate Wireless Personal Area Network), который называется IEEE 802.15.4. Целью рабочей группы IEEE 802.15.4 было определение нового стандарта беспроводного соединения с низкой сложностью, невысокой стоимостью и чрезвычайно низким энергопотреблением. [3]

Стандарт IEEE 802.15.4 предназначен для приложений с невысокими требованиями к пропускной способности и латентности сети в пользу низкой стоимости и низкого энергопотребления. Эти особенности позволили найти применение систем контроля и мониторинга в промышленной, сельскохозяйственной, автомобильной, жилищной и медицинской областях, которые до этого не могли себе позволить существующие беспроводные технологии или были вынуждены использовать проприетарные решения (proprietary software).

Данная работа актуальна потому, что системы управления и мониторинга быстро набирают популярность, а стандарт IEEE 802.15.4 является лучшим решением для создания подобных проектов. Одним из примеров таких система является домашняя автоматизация или «Умный дом». Такие системы предоставляет централизованный контроль над освещением, отоплением, вентиляцией, кондиционированием, бытовой техникой, дверьми, воротами и т.д. В производстве подобные системы позволяет делать анализ состояния оборудования и обнаруживать отклонения и неисправности.

Целью данной работы является создание клиент-серверной системы на основе беспроводной сети стандарта IEEE 802.15.4.

Для достижения выше поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:

---

1. Изучить стандарт беспроводной связи IEEE 802.15.4
2. Построить беспроводную сеть с топологией звезда стандарта IEEE 802.15.4
3. Создать клиент-серверную систему для поддержки педагогического тестирования, использую беспроводную сеть

ГЛАВА 1 Обзор стандарта IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4 — стандарт, который определяет физический слой и управление доступом к среде для беспроводных персональных сетей с низким уровнем скорости. Стандарт поддерживается рабочей группой IEEE 802.15. Является базовой основой для протокола ZigBee, который, в свою очередь, предлагает решение для построения сетей посредством постройки верхних слоёв, которые не регламентируются стандартом [6].

Основной областью применения стандарта IEEE 802.15.4 являются беспроводные сенсорные сети, акцент в которых делается на очень низкую стоимость связи с ближайшими устройствами, простую инфраструктурой или ее отсутствие, и чрезвычайно низкий уровень энергопотребления.

Стандарт имеет ряд ограничений, на которые пришлось пойти, чтобы достичь такого низкого уровня энергопотребления и низкую стоимость эксплуатации и производства. Радиус приема – около 10 метров с максимальной скоростью передачи данных 250 кбит/с. Скорость передачи может быть снижена для достижения еще более низкого уровня энергопотребления и увеличения радиуса действия (до 100 метров).

• 1. WLAN, WPAN и LR-WPAN

Беспроводные локальные сети (WLAN – Wireless Local Area Network) были созданы для высококачественных сетей передачи данных. Среди требований беспроводной локальной сети – бесшовный роуминг, переадресация сообщений, большой радиус действия и мощность для подключения большого количества устройств. В то время как, беспроводные персональные сети (WPAN – Wireless Personal Area Network) предназначены для функционирования в личном рабочем пространстве протяженностью до 10 метров. К беспроводным локальным сетям относиться стандарт IEEE 802.11 более известный как Wi-Fi.

Рабочая группа IEEE 802.15 определила несколько классов беспроводных персональных сетей, которые были дифференцированы по скорости передачи данных, энергопотреблению и качеству обслуживания. Наиболее распространённые из них:

• IEEE 802.15.1 или Bluetooth, который используется, например, в мобильных телефонах и имеет качество обслуживание подходящее голосовых приложений;
• IEEE 802.15.4, который относится к низкоскоростным беспроводным персональным сетям (LR-WPAN – Low Rate Wireless Personal Area Network) и предназначен для приложений с низкими требованиями к скорости передачи информации и качества обслуживания.

---

Таблица 1. Сравнение LR-WPAN с другими беспроводными стандартами

	802.11g (Wi-Fi) WLAN	802.15.1 (Bluetooth) WPAN	802.15.4 LR-WPAN
Радиус	> 100 м	10 - 100 м	10 м
Скорость передачи	~ 54 Мбит/с	~ 24 Мбит/с	~ 250 Кбит/с
Потребление энергии	Среднее	Низкое	Очень низкое
Стоимость/Сложность	Высокая	Средняя	Очень низкая

В таблице 1 представлено сравнение основных характеристик низкоскоростных беспроводных персональных сетей IEEE 802.15.4 (LR-WPAN), со стандартом беспроводной персональной сети IEEE 802.15.1 (Bluetooth) и стандартом беспроводной локальной сети IEEE 802.11 (Wi-Fi).

Как видно из таблицы 1, низкоскоростные сети стандарта IEEE 802.15.4, предназначены для приложений, где использование Wi-Fi слишком дорого и нет необходимости в производительности, которой обладает Bluetooth.

• 1. Сетевая модель OSI

Сетевая модель OSI (Open Systems Interconnection Basic Reference Model — базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем) — концептуальная модель, которая характеризует и стандартизирует внутренние функции коммуникационной системы, разделяя их на абстрактные уровни [7].

Модель OSI состоит из семи уровней. Любой протокол может взаимодействовать либо с протоколом своего уровня, либо с протоколами на единицу выше или ниже.

Таблица 2. Сетевая модель OSI [7]

Модель OSI
Тип данных	Уровень	Функции
Данные	7. Прикладной (application)	Доступ к сетевым службам
Поток	6. Уровень представления (presentation)	Представление и шифрование данных
Сеансы	5. Сеансовый (session)	Управление сеансом связи
Сегменты	4. Транспортный (transport)	Прямая связь между конечными пунктами и надежность
Пакеты/ Датаграммы	3. Сетевой (network)	Определение маршрута и логическая адресация
Кадры	2. Канальный (data link)	Физическая адресация
Биты	1. Физический (physical)	Работа со средой передачи, сигналами и двоичными данными

---

Прикладной уровень – верхний уровень модели, который обеспечивает взаимодействие пользовательских приложений с сетью.

Уровень представления преобразует данные полученные из сети в формат приложения, запросы приложения преобразует в формат для передачи по сети. Также на этом уровне может осуществляться кодирование/декодирование данных.

Сеансовый уровень отвечает за сеанс связи и поддержания взаимодействия в течении длительного времени.

Транспортный уровень предоставляет различные функции для надежной передачи данных от отправителя к адресату.

Сетевой уровень определяет пути передачи данных. На этом уровне работает маршрутизатор.

Канальный уровень. Спецификация IEEE 802 разделяет этот уровень на два подуровня: подуровень управления логической связью (LLC – Logical Link Layer) и подуровень управления доступом к среде передачи (MAC – Media Access Layer).

LLC обеспечивает проверку и правильность передачи информации по соединению и выступает в качестве интерфейса между MAC и сетевым уровнем.

MAC является нижний подуровнем канального уровня и выступает в качестве интерфейса между физическим уровень и LCC. MAC обеспечивает адресацию и механизмы управления доступом к каналу.

Физический уровень – нижний уровень модели OSI, который обеспечивает передачу, данных представленных в двоичном коде, от одного устройства к другому. Осуществляет передачу электрических или оптических сигналов в кабель или в радиоэфир и, соответственно, их прием и преобразование в биты.

• 1. Упрощенная модель OSI

Стандарт IEEE 802.15.4 определяет только два нижних уровня модели OSI: физический и MAC. Для описания остальных уровней используется спецификация разработанная альянсом ZigBee, которая определяет упрощенную пятиуровневую модель.

Таблица 3. Модель IEEE 802

	Упрощенная модель Zigbee	Модель IEEE 802.15.4
7	Прикладной	Верхние уровни
6	Профиль приложений
5
4
3	Сетевой
2	Канальный	Подуровень управления логической связью (LLC)
		Подуровень управления доступом к среде (MAC)
1	Физический	Физический

---

• 1. Модель сети

Беспроводная сеть, построенная на основе стандарта IEEE 802.15.4, включает два вида устройств: полнофункциональные устройства (FFD – Full-Function Device) и устройства с облегченными функциями (RFD – Reduced-Function Device). Полнофункциональные устройства могут служить в качестве координатора или маршрутизатора сети. Устройства с облегченными функциями выступают в роли датчиков (давления, температура и т.д.) и исполнительных устройств.

Стандарт IEEE 802.15.4 поддерживает множество видов сетевых топологий: начиная со «звезды» и заканчивая различными видами одноранговых сетей(peer-to-peer). Однако любая сеть, независимо от топологии, должна иметь один координатор. Каждое устройство в сети использует уникальный 64-битный идентификатор, который определяется координатором сети. Также в некоторых случаях может использоваться 16-битный идентификатор внутри ограниченной сети.

Сети, имеющие топологию «звезда», отлично подходят для покрытия небольших территорий, где все устройства находятся в радиус связи координатора. В такой сети все устройства взаимодействуют только с координатором. Конечные устройства тоже могут обмениваться сообщениями между собой, но только через координатор. На рисунке 1 изображена схема сети с топологией звезда.

Рисунок 1. Топология звезда

Стандарт IEEE 802.15.4 позволяет создавать различные виды одноранговых сетей, самым простым из которых является ячеистая топология (mesh). В такой сети передача сообщений от отправителя к получателю может осуществляться с помощью различных алгоритмов маршрутизации, поэтому нет необходимости в том, чтобы все устройства в радиусе покрытия друг друга.

Рисунок 2. Ячеистая топология

Маршрутизация сообщений необязательно должна осуществляться через координатора сети, для этого можно использовать маршрутизаторы. Координатор осуществляет подключение новых устройств, генерацию уникальных идентификаторов для них и устанавливает настройки сети. На рисунке 2 изображена схема сети с ячеистой топологией.

• 1. Беспроводные сенсорные сети

Беспроводными сенсорными сетями (WSN – Wireless Sensor Network) называют распределенные, самоорганизующиеся беспроводные сети, состоящие из множества датчиков (датчиками температуры, давления, освещенности, уровня вибрации, местоположения и т. п.) и исполнительных устройств. Такие сети позволяют подключать до 65000 устройств и могут покрывать территории площадью от нескольких квадратных метров до нескольких квадратных километров благодаря способности ретранслировать сообщения от одного устройства к другому.

---