Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обзор и перспективы развития беспроводных технологий 12
1.1 Общие сведения о беспроводных сетях передачи данных 12
1.2 Беспроводные технологии, состояния и перспективы 14
1.3 Технология беспроводной передачи данных Wi-Fi 17
1.4 Постановка задачи исследования 19
1.5 Выводы 22
ГЛАВА 2 Математическое моделирование промежуточного блока администрирования 24
2.1 Концепция использования промежуточного блока администрирования передачи данных при организации публичного беспроводного доступа к Интернет по технологии Wi-Fi 25
2.2 Анализ существующих систем передачи данных использующие технологию Wi-Fi 28
2.3 Математическое моделирование системы промежуточного блока администрирования 30
2.4 Программный комплекс и численный эксперимент 42
2.5 Математическое и имитационное моделирование работы системы беспроводной передачи данных с вырожденным потоком обслуживания 51
2.6 Выводы 68
ГЛАВА 3 Разработка и создание программного комплекса промежуточного блока администрирования передачи данных 70
3.1 Общие представления. Концепция работы информационной системы 71
3.2 Алгоритм работы информационной системы 73
3.3 Основные цели и задачи разработки программного комплекса 82
3.4 Выбор технического оборудования и программных инструментальных средств 84
3.5 Разработка и структурная составляющая рабочего проекта 85
3.6 Выводы 103
ГЛАВА 4 Практическая реализация 105
4.1 Внедрение 105
4.2 Возможности использования и развития информационной системы 109
4.3 Техническая реализация системы на масштабируемом уровне 113
4.4 Программная система для расширения области охвата образовательного процесса 119
Заключение 134
Список литературы 135
- Беспроводные технологии, состояния и перспективы
- Анализ существующих систем передачи данных использующие технологию Wi-Fi
- Алгоритм работы информационной системы
- Техническая реализация системы на масштабируемом уровне
Беспроводные технологии, состояния и перспективы
Беспроводные технологии включают в себя широкий диапазон решений, начиная от глобальных сетей передачи голоса и данных, позволяющих пользователю устанавливать беспроводные соединения на значительных расстояниях, и заканчивая технологиями инфракрасной передачи данных и радиосвязи, используемыми на небольших расстояниях. Технологии беспроводных сетей применяются в портативных и настольных компьютерах, карманных компьютерах, персональных цифровых помощниках (PDA), сотовых телефонах, компьютерах с перьевым вводом и пейджерах. Беспроводные технологии могут использоваться для самых различных целей. Например, мобильные пользователи могут использовать свои сотовые телефоны для доступа к электронной почте. Путешественники с портативными компьютерами могут подключаться к Интернету через базовые станции, установленные в аэропортах, на вокзалах и в других общественных местах.
Использование беспроводных телекоммуникационных средств для решения широкого спектра задач позволяет повысить эффективность и увеличить производительность труда. Беспроводные сети передачи данных помогают решать многие задачи в самых разнообразных сферах нашего общества [80].
Основу беспроводных технологий заложил американский изобретатель и художник Сэмюэл Финли Бриз Морзе. В 1837 году он разработал собственную систему электросвязи по металлическому проводу, которую назвал «Телеграф» [60,24]. Позже он разработал систему передачи информации и расшифрования ее на конечном приемнике и дал знаменитое название «Азбука Морзе» [72,60,85]. Система работает по принципу кодирования сигнала и по сей день используется, а так же является фундаментом современных сетевых технологий. Спустя длительное время после многих экспериментов выдающийся французский инженер Жан Морис Эмиль Бодо изобрел телеграфный мультиплексор, который стал основой передачей данных в многоканальном режиме и позволял по одному проводу передавать до шести телеграфных каналов. Это изобретение способствовало многим высоким достижениям в области передачи данных, одно из самых значимых изобретений «телексный код», которое используется по сегодняшний день. В 1877 году французский инженер на основе открытий Бодо создал символьный телеграфный код, который передавал символ с фиксированным размером 5 бит на символ [24].
Следующим выдающимся открытием стало создание телефона. Этому открытию способствовали 3 человека Элайша Грей, так же независимо от него профессор физиологии Бостонского университета – Александр Грейам Белл и Томас Уотсон [24].
Благодаря заложенным фундаментальным основам в конце 19 века началась эра беспроводных технологий, которая развивалась с огромной скоростью [8]. Значительный рост в развитии беспроводных технологий дала Всемирная паутина Интернет, воплотив идею работы в сети при помощи беспроводных устройств. И до сих пор развитие беспроводных технологий не останавливается, беспроводная передача данных является важным аспектом в жизни человечества.
В настоящее время доступ к корпоративной сети требуется практически каждому служащему, однако прокладка медного кабеля повсюду, где это необходимо - вещь, разумеется, труднореализуемая и дорогостоящая, идет ли речь о складе, конференц-зале или о квартире, а лучшее средство для обеспечения бесперебойной связи - это беспроводная ЛВС. Такие сети позволяют включить в рабочую среду каждый квадратный метр университетского городка, офиса или жилого дома. С появлением новых услуг для беспроводных ЛВС таких, как MobileStar Network, пользователи получают возможность доступа в Интернет в аэропорте и гостинице.
Беспроводные ЛВС существуют уже не один год, но до последнего времени для них не было разработано общепризнанных стандартов. Кроме того, эти системы с пропускной способностью 1,5 Мбит/с были недостаточно скоростными. Поэтому их использовали, прежде всего, для решения узкоспециальных задач таких, как организация обмена данными с устройствами для учета товарных запасов на предприятиях розничной торговли. Популярные беспроводные технологии узаконил принятый в 1997 г. американский стандарт IEEE 802.11 “Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications” и аналогичный международный стандарт ISO 8802.11 1998 г. Сейчас основная масса устройств RadioEthernet выпускается в соответствии со стандартом. В то же время появляются все новые модели, превосходящие по характеристикам действующее оборудование.
К 2000 году благодаря появлению нового стандарта IEEE (802.11b), а также стараниями участников консорциума производителей Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA) на рынок поступают новые, более дешевые изделия, которые отличаются высоким быстродействием и функциональной совместимостью с продуктами различных поставщиков. Ныне беспроводные технологии позволяют успешно решить проблему расширения зоны действия традиционной проводной сети. Необходимо отметить, что во многих случаях каналы беспроводной связи могут стать единственной возможностью подключения к ЛВС и выходу в Интернет [91].
Анализ существующих систем передачи данных использующие технологию Wi-Fi
В ходе численного эксперимента показано, что при росте интенсивности входного потока заявок/час и при уменьшении интенсивности обслуживания д0, величина 1 и длина очереди Lr при этом неограниченно возрастает и стремится к оо (рис 2.6). Это приводит к прекращению функционирования системы вследствие ее переполнения. Следовательно, администратор системы должен контролировать работоспособность системы и в случае достижении очереди необходимо принудительном порядке перезапустить систему.
Для третьей модели, так же как и для второй, администратором системы задано конкретное количество пользователей п0, которые могут одновременно находится в сети Интернет. Отличие же третьей модели состоит в том, что часть заявок, не дождавшись своей очереди подключения Интернет, покидают систему, это так называемые «нетерпеливые заявки», естественно, что в этом случае часть заявок теряется. Однако эта модель системы в принципе исключает возможность отказа, по причине переполнения.
Для построения графиков использовались значения tож (время ожидания пользователя в очереди), X (интенсивность заявок в час) и д0 (интенсивность обслуживания). В результате численного эксперимента получены следующие данные.
Графики работы системы при различных д0, X В ходе численного эксперимента было установлено, что если среднее время ожидания подключения к Интернету составляет приблизительно от 2 мин до 10 мин, то при увеличении X интенсивность заявок в час процент потерянных заявок будет расти при условии постоянной интенсивности обслуживания (рис 2.7). Следовательно, администратор системы может вмешаться в работу, если решит уменьшить процент потерянных заявок путем установки ограничений в пребывании пользователей в системе.
Математическое и имитационное моделирование работы системы беспроводной передачи данных с вырожденным потоком обслуживания В некоторых случаях, когда администратор коммерческой сети стремится привлечь как можно больше число клиентов и сократить время ожидания, а администратор сети, обслуживающей производство, хочет ограничить использование Интернет (рис 2.9) для личной переписки и посещения новостных форумов, может быть установлено фиксированное время 9 , по истечению которого пользователь отключается от сети [9]. Это переводит систему, как объект массового обслуживания в качественно новое состояние, поскольку поток обслуживания перестает быть случайным и оценивается не величиной і математического ожидания, а фиксированным значением Д= - одинаковым для всех подключений. Подобные потоки носят название вырожденных и при анализе без всякой потери общности можно положить А= 1.
По классификации Кендалла системы массового обслуживания такого типа относятся к классу M/D/s, где M означает, что входной поток требований является пуассоновским; D - что поток обслуживания вырожден; s - число соответствующее количеству каналов обслуживания (в нашем случае максимальное допустимое числу одновременных подключений) [17,47,25,54,56,68,76]. Дадим математическое описание процесса функционирования такой системы. Рассмотрим пуассоновский поток [23,86.53] клиентов с интенсивностью А, поступающий на вход беспроводной сети, в которой может быть обеспечена комфортная работа не более s пользователей одновременно. Если положить Д= 1, то обязательным условием нормальной работы сети, исключающим возможность неограниченного накопления требований в очереди, будет s А. Обозначим Рп -вероятность того, что в некоторый момент времени в системе (подключены к Интернет и ожидают в очереди) находятся n клиентов, а bn - вероятность того, что в системе находится не более n клиентов. Иначе говоря
Вследствие постоянства времени обслуживания, вероятность того, что к окончанию единичного временного интервала в системе будет некоторое определенное число клиентов можно выразить через вероятности числа клиентов в системе на начало единичного интервала, умноженные на вероятности поступления в течении этого интервала того или иного числа новых клиентов. Очевидно, что все клиенты, которые были подключены к Интернет на момент начало данного интервала покинут систему к его окончанию.
Замечания, сделанные о характере входного потока заявок и потока обслуживания приводят к системе уравнений
Первое уравнение соответствует ситуации когда очереди нет, т.е. в начале единичного временного интервала в сети находилось не более s клиентов, каждый из которых был подключен к Интернет, а в течение интервала появления новых клиентов отмечено не было. Второе уравнение соответствует случаю, когда на начало интервала в сети находилось не более s клиентов, а в его течение было зарегистрирован еще один клиент, помещенный в очередь; если в начале интервала были задействованы все s допустимых подключений, один клиент находился в очереди, а в ходе интервала новые клиенты не появлялись. Множитель — е_Л имеет смысл пуассоновской вероятности регистрации n новых клиентов в течение единичного интервала.
Введем в рассмотрение функцию P(z) = k=i Pkz\ где z в общем случае является комплексным переменным. Функции такого типа традиционно используются для анализа и решения систем уравнений подобного вида и носят название производящих функций. Совершенно очевидно, что P(1)=1.
Обозначим Ps(z) =H=opkZk . Тогда, умножив каждое из уравнений системы на z в соответствующей степени и просуммировав, получим
Поскольку 0 Pk 1, внутри единичного круга z 1 функция P(z) будет регулярной и ограниченной. Следовательно внутри единичного круга и на его окружности числитель имеет нули, в число которых входят все нули знаменателя в этой области. Из теории функций комплексного переменного известно [35-38,86] (Теорема Руше), что число таких нулей равно s. Обозначим их как z1; z2, ...zs. Нетрудно заметить, что одним из нулей является число 1. Так как числитель есть многочлен степени s, он может быть представлен как K(z — l)(z — z1)(z-z2)...(z-zs_1)
В силу структуры производящей функции P(z), вероятности состояний сети P0,Pi,... Рп определяется как коэффициенты разложений функции P(z) в степенной ряд при соответствующих степенях z.
Выясним некоторые важные характеристики беспроводной сети, относящихся к типу M/D/s. В вероятности того, что клиент, обратившийся к услугам системы в случайным момент времени t, будет сразу же подключен к Интернет. Фактически это означает, что к этому моменту времени число клиентов, находящихся в системе меньше числа допустимых подключений s и прибытие нового клиента не инициирует формирование очереди. Обозначим эту вероятность Р. Она равна сумме вероятностей того, что число задействованных подключений меньше s
Алгоритм работы информационной системы
В данной главе описывается полный этап создания аппаратно-программного комплекса промежуточной сети передачи данных при организации публичного доступа в сеть Интернет. Реализовано клиент-серверное приложение, которое в автоматизированном режиме имеет синхронизацию с удаленным сервером, где возможно контролировать ход работы беспроводных устройств, осуществлять обновление программного обеспечения дистанционно в автоматизированном режиме.
Управление устройств реализуется для администраторов (владельцев) беспроводных устройств посредством браузера методом подключения (авторизации) в специальной административной панели. Во время подключения пользователя к беспроводному устройству, программный комплекс автоматически получает все выходные данные устройства, тип устройства(мобильное устройство или компьютер), операционная система устройства, место подключения пользователя к беспроводному устройство. Следовательно, владелец беспроводного устройства может воздействовать на загрузку и показ определенным материалов попавших под фильтр пользователя
Внедрение было осуществлено в следующих компаниях: ОАО «Таттелеком», ООО «Гетвайдер», ЗАО «Холдинговая компания «Тулпар», ООО «Айти Софт», Пиццерия в Казани «Пицца Хаус», ООО «Формула», ООО «Етв Казань» рекламное агентство Спектр, и т.д.
В ОАО Таттелеком информационная система была протестирована на базе беспроводной сети ОАО "Таттелеком" (wifi.tattele.com). В рамках испытаний был собран тестовый стенд позволяющий осуществлять перенаправление пользователей на определенные Интернет-ресурсы с помощью механизма обработки DNS запросов. По результатам испытаний, ОАО Таттелеком подтвердил:
В результате проделанной работы на базе беспроводной сети ОАО Таттелеком совместно с рекламной компанией спектр и компанией Гетвайдер реализован масштабный проект по трансляции рекламных материалов через промежуточный блок администрирования, с возможностью управления рекламным содержимым через удаленный интерфейс администратора. В среднем ежедневный трафик по Республике Татарстан проходящий через промужеточный блок администрирования составляет 85000 посетителей в день (данные представлены в рис. 4.1)
Результаты работы были использованы в ЗАО «Холдинговая компания «Тулпар» для составления потребления нагрузки сети в заданном интервале времени. Во время пребывания в беспроводной сети Интернет абоненты активно пользовались информацией, которую сотрудники компании самостоятельно могли дистанционно контролировать на каждом устройстве, внедрение подтверждено соответсвующим актом.
ООО «Айти Софт» компания, реализующая на рынке РФ лицензионные программные продукты, успешно использует в компании разработанный программный комплекс в своей беспроводной сети. ООО «Гетвайдер» компания, работающая на территории РФ, реализует программные продукты для различных компании и предоставляет доступ к промежуточному блоку передачи данных через dns сервер
Пиццерия «Пицца Хаус» в г. Казани, занимается производством и реализуют свою продукции в собственном заведении. Компания успешно использует разработанный программный комплекс в своем заведении
Аппаратно-программный комплекс внедренный в компаниях ( структурная схема представлена в рис 4.2) имеет следующий алгоритм работы: 1. Пользователь подключается к беспроводной сети. 2. При введении любого адреса в адресной строке программы Браузер пользователя система автоматически перенаправляет на внутреннюю страницу компании, где размещена информация о компании, так же на странице предоставлена новостная лента новостей(новости представлены методом автоматизированной системы называемой, технология парсинг новостных ресурсов, т.е. новости берутся из различных источников глобальной сети Интернет).
Во время пользования Интернетом в беспроводной сети весь Интернет трафик проходит через информационную систему, называемую, фильтрацией Интернет трафика беспроводной сети передачи данных, т.е. у пользователя на всех страницах присутствует в нижней части экрана статичный блок с 15% заполнением от всего рабочего окна браузера, с информационным сопровождением, где возможно будут размещаться баннеры с переходам на внешние страницы глобальной сети Интернет.
Доступ в Интернет активированному пользователю доступен в течение заданного времени. По окончании предоставленного времени все запросы пользователя в программе Браузер будут снова перенаправлены на внутреннюю локальную страницу, где возможно повторно активировать доступ в Интернет.
Техническая реализация системы на масштабируемом уровне
В проекте предлагается метод для расширения возможностей получения учебно-методических материалов посредством компьютерных информационных сетей.
Публичные терминальные устройства с возможностью управления через сенсорный дисплей стали частью нашей повседневной жизни, практически каждый житель города знает и умеет использовать эти терминальные устройства с сенсорным дисплеем. Обладая достоинствами, такими как удобство, компактность, простота использования, легкость в интегрировании с различными информационными системами, они широко распространились по всем возможным видам организаций [64,100].
Акцентируя внимание на всех перечисленных достоинствах и существующих методах дистанционного обучения посредствам использования сетей Интернет, мы видим возможность и практический смысл в применении терминальных устройств для улучшения и расширения образовательного процесса (рис. 4.13).
Суть концепции заключается в возможности предоставлении изначально цифрового или же оцифрованного контента в публичных местах образовательных учреждениях. Фактической основой данной системы является IBM-совместимый компьютер с возможностью подключения к внешней сети и управляемый через тактильно-чувствительное устройство, заключенный в защитный пьедестальный корпус или смонтированный в специальные технологические пазы в стенах зданий.
Терминалы могут быть подключены к центральному серверу по сети передачи данных, таким образом скорости передачи информации могут достигать десятков мегабит, что позволит в реальном времени предоставлять самый широкий спектр медиа-контента, включая потоковое видео высокой четкости (High Definition).
Пользовательский ввод информации, такой как имя пользователя, пароли, почтовые адреса или другие виды текста могут вводиться с помощью аппаратных клавиатур, размещенных на терминальном устройстве, либо с помощью виртуальных экранных клавиатур. Ввод текстовой информации может быть необходим для случаев, когда доступ к образовательным ресурсам (платные курсы, личный кабинет и др.) ограничен из соблюдений безопасности или иных причин. Достоинство применения виртуальных клавиатур внутри приложений заключается в том, что пользователь не сможет вызвать системные команды, которые привязаны к клавишам физических устройств, к тому же виртуальные клавиатуры более гибкие и легче конфигурируемые средства ввода информации [81,89,90].
Предлагается несколько схем реализации коммутации между устройствами предлагаемой системы: 1) Единый сервер, осуществляющий функции маршрутизатора и сервера баз данных, к которому посредством сетей передачи данных подключено несколько терминалов в удаленных корпусах учебного заведения 2) Несколько серверов-маршрутизаторов, размещенных в отдельных корпусах учебного заведения, имеющие связь с главной базой данных (данный вариант имеет смысл при необходимости более тщательного контроля за сетевым трафиком), к которым подключены терминальные устройства с сенсорным дисплеем (рис. 4.14 и рис. 4.15)
Архитектура сети системы терминального доступа к образовательным ресурсам с локальным сервером-маршрутизатором Архитектура сети системы терминального доступа к образовательным ресурсам с единым сервером Алгоритм работы пользователя с системой: 1) пользователь подходит к терминалу с сенсорным дисплеем, установленному в учебном заведении; 2) изначально он видит стартовую страницу с навигационными клавишами (интерактивная карта, Курсы, Опросы, Фотогалереи, Предстоящие события, Доступ в Интернет и др.); 3) на странице размещена форма авторизации, которая осуществляет разрешение доступа клиента в сеть Интернет или к закрытым от неавторизованных пользователей курсам посредством ввода логина и пароля; 4) управление функционалом и ввод текста производится с помощью аппаратной или экранной клавиатуры; 5) сеть Интернет может быть доступна в течение определенного времени, а так же с ограничением скорости доступа.
Данный проект позволит расширить и улучшить образовательный процесс, который сделает получение важных материалов более удобным, за счет того, что пользователю не нужно будет занимать аудиторные, библиотечные и другие ограниченные по площади помещения. Принцип самообслуживания снимет нагрузку с персонала образовательного учреждения, а пользователям практически в любое время могут получить необходимую научную, административную или любую другую информацию. Развитие данной системы может сделать широкий шаг в системе образовательных технологий и способах предоставления и доставки информации [13].
При нажатии кнопки, пользователь получает доступ в Интернет с заданным количеством времени и скоростью. По прошествии заданного времени пользования доступом в сети Интернет, происходит обрыв соединения пользователя с сетью Интернет, при наборе www-адреса в программе-браузере, снова начинает перенаправлять на учебный портал (для пользователей подключенных через беспроводной канал передачи данных).
