АНАЛИЗ ОГРАНИЧЕНИЙ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ БЕСПРОВОДНЫХ УСТРОЙСТВ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ДЛЯ ИНТЕРНЕТ ТРАФИКА С ГАММА РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ

ANALYSIS OF BANDWIDTH LIMITATIONS OF WIRELESS DATA TRANSMISSION DEVICES FOR GAMMA-DISTRIBUTED INTERNET TRAFFIC

Alexsey Pughach

student, Institute of Informatics and Telecommunications, Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

Russia, Krasnoyarsk

Konstantin Gaipov

candidate of technical sciences, associate professor, Reshetnev Siberian State University of Science and Technology,

Russia, Krasnoyarsk

АННОТАЦИЯ

В данной статье производится анализ параметров, непосредственно влияющих на пропускную способность беспроводных устройств.

ABSTRACT

This article analyzes the parameters that have effect to the bandwidth of wireless devices.

Ключевые слова: гамма распределение, генератор трафика, IP пакет, пропускная способность

Keywords: gamma distribution, traffic generator, IP packet, bandwidth

Для того, чтобы провести натурное моделирование для беспроводных устройств передачи данных, используются различного рода генераторы трафика, предоставляющие возможность получить интересующие величины параметров, необходимые для проверки беспроводного соединения. Надежность и качество данного соединения напрямую будут зависеть от таких факторов, как расстояние и наличие преград между устройствами, наличие шифрования на них, количество устройств, работающих на той же частоте передачи данных, вызывающие помехи и уменьшение реальной пропускной способности.

Для того, чтобы свести действия данных факторов к минимуму, был использован диапазон 5 ГГц с шириной канала в 80 МГц, что уменьшает количество помехопорождающих устройств. Беспроводные устройства соединены при помощи WDS (беспроводной мост), обеспечивающий беспроводную передачи данных между роутерами.

Для анализа используется такой генератор как DITG (Distributed internet traffic generator)[1], так как в нем есть большое разнообразие распределений, которым подчиняются такие величины как длина полезных данных, инкапсулируемых в IP пакет, интервал времени между кадрами, скорость генерации пакетов. Также немаловажным плюсом является его простота. Среди всех распределений, которые есть в данном генераторе, будет использоваться Гамма распределение для случайных величин, таких как интервалы между вызовами, так и для длины пакета. Гамма распределение является наиболее распространенным, наряду с экспоненциальным и пуассоновским.

После необходимо определиться, какой тип пакетов необходимо использовать для генерации трафика, а именно на базе какого протокола. Логичным будет использовать пакеты с протоколом TCP и UDP[2], так как в процессе приема и передачи каких-либо данных они являются наиболее распространенными. В данном варианте рассматриваются пакеты протокола UDP, которые после прохождения всех уровней стека TCP/IP, формируются как кадры типа Ethernet II[3].

Передача будет происходить с устройства PC1 на PC2 исходя из топологии, представленной ниже

Рисунок 1. Топология сети для проверки пропускной способности беспроводного соединения

Чтобы убедиться в том, что на частоте 5 ГГц нет посторонних устройств, необходимо использовать анализатор Wi-Fi сетей, показывающий количество, название и занимаемые каналы роутеров.

Рисунок 2. Устройства, работающие на диапазоне 2.4 ГГц

Рисунок 3. Устройства, работающие на диапазоне 5 ГГц

Исходя из Рисунка 3, можно сделать вывод, что на данном диапазоне работает единственное устройство, которое используется в получении экспериментальных данных.

В качестве устройств, благодаря которым будут собираться данные, будут маршрутизаторы ASUS RT-AC57U, поддерживающий стандарты 802.11 b/g/n, а также 802.11ас.

Важными факторами выбора данной модели являлись

1. наличие диапазона 5 ГГц
2. встроенная технология MU-MIMO, особенность которой заключается в выделении персонального канала для обмена информации для каждого подключенного устройства, что уменьшает время задержки остальных подключенных устройств
3. Удобное веб-приложение, благодаря которому можно настроить роутер под свои нужды
4. Диспетчер трафика, позволяющий отслеживать реальную скорость передачи данных через устройства.

После выбора оборудования, необходимо создать беспроводное соединение между роутерами и проверить его, нагружая при помощи искусственно созданного трафика через генератор, повышая все время пропускную способность на определенное значение, создавая пакеты большего размера и скорость их генерации. В качестве такого соединения будет использоваться технология WDS (беспроводной мост). Недостатками данного соединения являются сильная зависимость от расстояния между устройствами, наличия преград между ними, а также редкие обновления соединения между роутерами, которые в некоторых случаях будут искажать данные, полученные в ходе эксперимента.

Рисунок 4. Роутер ASUS RT-AC57U

Технология WDS требует симметричных настроек у маршрутизаторов, между которыми будет производиться данное соединение. Помимо этого, существенным недостатком является отсутствие динамического шифрования WPA2. То есть при выставлении данного типа шифрования, роутеры не будут друг друга «видеть», как и подключенные к ним устройства. Потому для данной технологии возможно использование WEP с одинаковыми ключами, или же вовсе отсутствие какого-либо способа шифрования (вариант Open System, который использовался в данном конкретном случае)

Рисунок 5. Параметры беспроводной сети на роутерах

Для того, чтобы убедиться в том, что все устройства были подключены и «видимы» для роутеров, рассмотрим карту построенной сети.

Рисунок 6. Карта сети

Исходя из Рисунка 6 можно сделать вывод, что все устройства доступны и можно совершать передачу. Данная карта сети была рассмотрена с роутера, IP адрес которого является 10.0.0.3, потому его на данном рисунке не наблюдается.

Технология WDS требует симметричных настроек у маршрутизаторов, между которыми будет производиться данное соединение. Помимо этого, существенным недостатком является отсутствие динамического шифрования WPA2. То есть при выставлении данного типа шифрования, роутеры не будут друг друга «видеть», как и подключенные к ним устройства. Потому для данной технологии возможно использование WEP с одинаковыми ключами, или же вовсе отсутствие какого-либо способа шифрования (вариант Open System, который использовался в данном конкретном случае).

Для того, чтобы получать различные значения пропускной способности в данном генераторе, используются такие параметры как Shape и Scale[4] для таких случайных величин как интервалы между вызовами и длины пакета. Они непосредственно влияют на пропускную способность и на количество генерируемых пакетов в секунду. Ограничениями для данных параметров будут являться максимальная пропускная способность проводного соединения (100 Мбит/с), а также длина генерируемого пакета, которая не должна превышать 1500 байт в виду его фрагментации.

Рисунок 7. Стартовое меню генератора

В ходе измерений была составлена таблица зависимости процента потерь от пропускной способности в килобитах.

Рисунок 8. График зависимости потерь от пропускной способности

При проведении наблюдений, было замечено, что при достижении определенных значений количества генерируемых пакетов в секунду, наблюдаются потери, которые не позволяют достичь той пропускной способности, заявленной у данных роутеров. Следуя из этого, можно сделать вывод о том, что данные устройства, использующие WDS для передачи данных, имеют ограничение по количеству генерации пакетов определенных размеров. Если же превышать этот лимит, то превышенная часть, поступающая в очередь на обработку и отправку, будет потеряна. Основываясь на измерениях, можно вывести зависимость в виде неравенства, благодаря которому, подставляя значения shape и scale в области длины пакета, можно найти предельное значение генерируемых пакетов в секунду, которое, в свою очередь поможет найти максимальное значение пропускной способности для данной топологии с использованием WDS.

В ходе множества измерений, была выявлена данная зависимость

N – значение количества генерируемых пакетов в секунду;

а – значение shape в области длины пакета;

b – значение scale в области длины пакета;

Исходя из этой зависимости, можно сделать вывод, что для выявления максимальной пропускной способности у беспроводных устройств, необходимо использовать пакеты свыше 600 байт, но не превышающих значения 1500 байт, так как в данном случае, ведется наблюдение за полными кадрами (кадры, которые будут передаваться в полном объеме без использования фрагментации). В случае же с рассматриваемым генератором, максимальная скорость передачи без потерь составляет 24 Мбит/с.

Список литературы:

1. DITG 2.8.1 Manual [Электронный ресурс]. URL: http://www.grid.unina.it/software/ITG/manual/ (дата обращения: 1.04.2020).
2. Джозеф Филипс, Томас Ли. Windows server 2003. Протоколы и службы TCP/IP. М.: «СП ЭКОМ», 2005. - 752 с.
3. Одом Уэнделл Официальное руководство Cisco по подготовке к сертификационным экзаменам CCENT/CCNA ISND1 100-105, акад. изд.: Пер. с англ. – СПб.: ООО «Диалектика», 2019. – 1088 с.
4. Гамма распределение [Электронный ресурс]. URL: http://statistica.ru/theory/gamma-raspredelenie/ (дата обращения: 1.04.2020).