VoIP i mesh cz. 1

W związku z tym, że zawodowo zajmuję się ostatnio sprawami związanymi z technologiami VoIP, zainteresował mnie temat wykorzystywania tej technologii w sieciach mesh. Natrafiłem na przegląd tematu opracowany przez IEEE, trochę już leciwy, bo z 2006 roku. W tym wpisie zawarte będą spostrzeżenia z lektury, uzupełnione nowszymi informacjami, które uzyskałem w trakcie pracy.

Tytuł wyżej wymienionego przeglądu to "Performance Optimizations for Deploying VoIP Services in Mesh Networks", czyli optymalizacja wydajności wdrażania usług VoIP w sieciach mesh. Link do artykułu:

Performance Optimizations for Deploying VoIP Services in Mesh Networks

Mikrotik RouterOS 5 v5rc11

System Mikrotika wchodzi w nową fazę wersji beta, co wiąże się z kolejnymi zmianami. Większość z nich stanowią poprawki błędów wykrytych w poprzedniej edycji, można je zobaczyć na forum: http://forum.mikrotik.com/viewtopic.php?f=1&t=49717

Lutowy newsletter Mikrotika (http://www.mikrotik.com/download/share/newsletter30.pdf) informował o tym, że wersja v5rc8 ma być oficjalną 'piątką', niestety wykryto w niej sporo błędów, których nie ustrzegły się także kolejne 'release candidate'. W związku z tym na w pełni funkcjonalny RouterOS 5 przyjdzie nam jeszcze trochę poczekać.

Znikające lodowce pod kontrolą sieci mesh

Współpracujące grupy naukowców z dwóch uniwersytetów w Wielkiej Brytanii pracują nad projektem systemu monitorującego ruchy lodowców na obrzeżach Grenlandii. Sieć czujników zawierać będzie odbiorniki GNSS (Global Navigation Satellite System, globalny system satelitów nawigacyjnych) oraz węzły Wi-Fi do przekazywania informacji. Całość zostanie zainstalowana w południowo-wschodniej Grenlandii, będzie mierzyć zmiany w geometrii oraz ruchu lodowców.

Testbed dla symulacji sieci mesh w środowiskach zamkniętych

IEEE 802.11s Wireless Mesh Networks for Last-Mile Internet Access: An Open-Source Real-World Indoor Testbed Implementation to praca przedstawiająca implementację mesh pozwalającą na przeprowadzanie testów działania sieci z uwzględnieniem propagacji fal w zamkniętych pomieszczeniach.

Przykładowe badanie z pracy, przepustowość UDP dla wzrastającego pasma przy wybranej topologii.

Tłumaczenie abstract:

W związku z łatwością instalacji oraz możliwością samoleczenia, sieci WMN są obiecującą technologią oferującą szerokie możliwości zastosowania. Pomimo, że standaryzacja IEEE 802.11s jest wciąż w opracowaniu, jej główne elementy np. architektura oraz routing w warstwie MAC są już jasno określone.

Darwin stawia na mesh

Miasto Darwin w Australii rozpoczęło korzystanie z sieci mesh typu multicast, po zainstalowaniu 109 kamer CCTV. Koszty projektu to 8 mln dolarów. Wykonawcą została firma Security and Technology Services (STS), całe zadanie zlecone zostało przez Departament Policji, Straży Pożarnej oraz Pogotowia.

Standardowe rozwiązania przysporzyły wielu problemów związanych z zarządzaniem siecią kamer, często zasilanie systemu było przerywane z powodu burz. Problematyczne okazało się także przesyłanie sygnału o wysokiej jakości obrazu do miejsca przeznaczenia.

Warstwa fizyczna mesh cz.2 - OFDM oraz UWB

OFDM

OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing, ortogonalna multipleksacja poprzez dzielenie częstotliwości) jest jedną z metod modulacji, która polega na równoczesnej transmisji wielu strumieni danych na ortogonalnych częstotliwościach nośnych. Oznacza to zastąpienie pojedyńczego kanału kilkoma wolniejszymi kanałami umieszczonymi blisko siebie (lub częściowo pokrywającymi się) na widmie częstotliwości.

OFDM znalazł już zastosowanie w technologiach sieci bezprzewodowych. Standardy IEEE 802.16 WiMax (starsza wersja), IEEE 802.11a, IEEE 802.11g oraz IEEE 802.20 MBWA wykorzystują ten rodzaj modulacji.

OFDM pozwoliło na znaczące ulepszenie przepustowości w sieciach mesh: z 11 Mbps do 54 Mbps.

Inne wersje OFDM:

Warstwa fizyczna mesh cz.1 - Systemy MIMO

Na chwilę obecną warstwa fizyczna dla sieci mesh nie jest jeszcze w pełni zdefiniowana. Wszelkie implementacje tych sieci posługują się istniejącymi standardami WLAN (IEEE 802.11 a/b/g/n) lub innymi technologiami bezprzewodowymi.

Warstwa fizyczna w sieciach kratowych może być udoskonalona na kilka sposobów:

- ulepszenie anten służących do przesyłania informacji przez medium radiowe (anteny kierunkowe, systemy MIMO: multiple input multiple output)

- bardziej zaawansowane techniki modulacji oraz transmisji (OFDM, UWB)

Na zdjęciu widoczna antena firmy Sencity wykorzystująca MIMO, pracująca w pasmach 2,4 oraz 5 GHz.

Mikrotik RouterOS 5

Piąte wydanie systemu sieciowego routerów Mikrotik weszło niedawno (27 października) w fazę RC2. Informacje o zmianach można znaleźć na stronie forum: http://forum.mikrotik.com/viewtopic.php?f=1&t=46187&start=0

Najważniejsze usprawnienia w porównaniu do wersji poprzedniej:

- wprowadzenie szyfrowania dla nowego protokołu 'nv2', przeznaczonego do kart bezprzewodowych opartych na chipsetach Atherosa
- dodanie obsługi komendy STOR ftp dla narzędzia 'tool fetch' przeznaczonego do pobierania plików z urządzeń sieciowych na routery Mikrotika
- naprawienie błędu w protokole OSPF, objawiającego się zawieszaniem routera przy współpracy z zewnętrznym LSA (link-state advertisement dla protokołu IP) przy używaniu funkcji przekazywania adresów (forwarding address)
- dodanie obsługi NAT-T w ipsec (dzięki temu szyfrowane pakiety ipseca przechodzą przez NAT).
- usprawnienie logowania błędów dla ipsec
- dodanie współpracy ipsec z EoIP, GRE, PPTP oraz L2TP
- support dla chipsetu bezprzewodowego Atheros AR9271
- rozszerzenie supportu dla kart ethernetowych Intel 82575/82576 PCI-Express
- obsługa wykrywania stanów bezczynności w routerach RB1xx/RB5xx w profilach /tool
- naprawiona ręczna konfiguracja siły 'tx' dla 802.11n w Winbox
- usprawniony 'torch' (narzędzie służące do monitorowania ruchu sieciowego)

Cisco Mesh

Gigant rynku, firma Cisco, ma w swojej ofercie urządzenia oraz rozwiązania dotyczące kratowych sieci bezprzewodowych. Proponuje wykorzystanie swoich mostów bezprzewodowych serii Cisco Aironet 1300, 1400 oraz 1500. Opisuje zaprojektowany przez siebie protokół routingu mesh o nazwie Adaptive Wireless Path Protocol (AWPP, adaptywny bezprzewodowy protokół ścieżek). AWPP obejmuje podstawowe funkcjonalności kratowe, czyli "samoleczenie" sieci w przypadku awarii na którejś ze ścieżek, optymalizację ruchu na trasach oraz automatyczne reagowanie na zmiany w topologii sieci. Wykorzystywany jest także QoS.

Na zdjęciu Mesh AP, model Cisco 1500 z zainstalowanymi antenami:

Mikrotik video tutoriale

Na stronie Grega Sowella można znaleźć przystępne tutoriale dotyczące obsługi routerów Mikrotika. Znajdują się pod tym adresem: http://gregsowell.com/?page_id=951

Obejmują zarówno podstawową konfigurację urządzeń, jak i bardziej zaawansowane rzeczy: VPN, routing, bezpieczeństwo. Są w języku angielskim, każda czynność opisywana jest słownie i równocześnie pokazywana na ekranie.

Wygląda na to, że nie da się dać embedda filmów (podejrzewam też, że autor by sobie tego nie życzył). Poniżej więc tylko zrzut ekranu, a same tutoriale pod podanym wcześniej linkiem.

Mikrotik RouterOS i mesh

Opisy ustawień obsługujących interfejsy kratowe dla systemu RouterOS z linii poleceń.
Właściwie cała zabawa obraca się wokół protokołu HWMP+.

Na zrzucie ekranu przykładowa konfiguracja węzła pochodząca z wiki Mikrotika, w środku posta pełny opis.

Obsługę HWMP+ w RouterOS wykonuje się za pomocą trzech głównych poleceń:

- /interface mesh, które konfiguruje interfejs mesh
- /interface mesh port, które konfiguruje porty na interfejsie mesh
- /interface mesh fdb, które konfiguruje status read-only (tylko do odczytu) dla FDB (Forwarding Database) interfejsu mesh

Praktyczny test open80211s cz. 2

Kolejna część testu działania open80211s. Przeprowadzona na dwóch laptopach z systemem Ubuntu 10.04 (ze względu na w miarę aktualną wersję kernela, CentOS oraz Knoppix okazały się poza tym kapryśnie na USB). Wszystkie kroki były wykonywane na obydwu komputerach.

Pierwszy krok to instalacja pakietu libnl-dev, wymaganego przez IW.


Następnie instalacja IW, ale tu niespodzianka: okazuje się, że w Ubuntu trzeba uaktywnić dodatkowe źródła pakietów o nazwie "Universe".

Można to załatwić bez linii poleceń, jednym kliknięciem w GNOME.

IPTV poprzez mesh

Na stronie https://research.sabanciuniv.edu/12219/2/tce09.pdf znajduje się artykuł napisany przez dwóch członków IEEE, dotyczący wykorzystania sieci kratowych w technologii IPTV (telewizja przez IP). Proponowanym do wykorzystania kodekiem jest H.264, opisano możliwą implementację dla mesh. Autorzy opisują również m. in. część standardu 802.11s, która dotyczy multimediów o nazwie "Enhanced Distributed Coordination Access" (EDCA). EDCA obejmuje QoS (zapewnienie jakości usług), który ustanawia cztery priorytety dla multimediów: "Best Effort" (BE, zapewniona najwyższa przepustowość), "Background" (BG, działanie w tle), "Video" (VI, dla obrazu) i "Voice" (VO, dla głosu). Przeprowadzono testy działania rozwiązania, wyniki przedstawione są w pracy w formie wykresów. Jednym z nich jest prawdopodobieństwo zgubienia pakietu danych multimedialnych dla wzrastającego obciążenia sieci ruchem protokołu UDP:

Największa wdrożona sieć kratowa

Działa w Oklahoma City, USA. Wystartowała w 2006 roku, obsługuje obecnie ponad 4 TB ruchu miesięcznie. W grudniu 2009 roku jej zasięg pokrywał 95% powierzchni miasta wynoszącej około 1600 kilometrów kwadratowych. Projekt został zrealizowany przez firmę Tropos, w ciągu trzech lat oszczędności nim spowodowane wyniosły 10 mln. dolarów. Oprócz standardowego dostępu sieć obsługuje m.in. monitoring, systemy raportujące, GPS. Uniwersytet Oklahomy wykorzystuje ją również do monitorowania warunków atmosferycznych, dane tak uzyskiwane są dostępne za pomocą 36 stron WWW. Cały system mesh z roku na rok systematycznie się rozrasta, na chwilę obecną pracuje w nim kilka tysięcy mobilnych routerów.

Mapa zasięgu sieci (stan na rok 2008). Niebieska linia to prawie pełne pokrycie, czerwona częściowe.

Instalacja open80211s na komputerze służącym za węzeł mesh cz. 2

Kolejnym krokiem jest przypisanie do interfejsów mesh każdego węzła adresów IP z tej samej podsieci. Wykonywane jest to za pomocą polecenia:

ifconfig "nazwa_interfejsu" "adres_ip"

Domyślna konfiguracja powoduje, że wszystkie węzły będą wyszukiwać towarzyszy o tym samym identyfikatorze mesh a po znalezieniu spróbują nawiązać połączenie peer2peer.
Aktywne połączenia można sprawdzić za pomocą polecenia:

iw dev "nazwa_interfejsu" station dump 

Przykładowy wynik:

Słoneczny mesh, 802.11s Power Save

Na stronie http://owl.eng.mcmaster.ca/~todd/SolarMESH/ zaprezentowany jest projekt sieci kratowej zasilanej energią słoneczną. Tylko ona jest konieczna, nie jest wymagane stosowanie żadnych dodatkowych baterii, PoE itd. Sieć działa nieprzerwanie od 2003 roku, oczywiście ze stopniowymi usprawnieniami.

Na zdjęciu jeden z zainstalowanych węzłów:

Do działania tak zasilanej sieci konieczne jest stosowanie technologii "uśpienia" routerów w okresach czasu, gdy nie są aktywnie wykorzystywane. Standard 802.11s będzie implementował konieczne do tego mechanizmy. Określane są jako PS (Power Save). Ich głównym elementem będą komunikaty DTIM (Delivery Traffic Indication Message, wskazanie do dostarczenia ruchu sieciowego) oraz ATIM (Announcement Traffic Indication Message, zawiadomienie o ruchu sieciowym). DTIM stanowi sygnał do włączenia pełnego zasilania oraz rozpoczęcia wymiany danych. ATIM określa, w jak długich przedziałach czasowych węzeł ma nasłuchiwać powiadomień.

W środku opis działania dla komunikacji w 802.11s.

Praktyczny test open80211s cz. 1

Postanowiłem sprawdzić, czy instalacja opisana w poprzednim wpisie działa w praktyce.
Pominąłem punkt 1 ze względu na to, że mam wersję kernela 2.6.26 i nie chciałem sobie rozkonfigurować działającego systemu. Test był przeprowadzany na Debianie 5.0 "Lenny".

Pierwszym krokiem było zainstalowanie IW, ale najpierw konieczne było dodanie odpowiednich bibliotek w wersjach developerskich.  W tym przypadku "libnl-dev":

Następnie zainstalowanie IW ze źródeł ze strony http://linuxwireless.org/en/users/Documentation/iw oraz sprawdzenie, czy działa.

Instalacja open80211s na komputerze służącym za węzeł mesh cz. 1

Poradnik, krok po kroku, konfiguracji linuksowego węzła sieci kratowej. Na podstawie http://www.open80211s.org/trac/wiki/HOWTO

0) Początek
Podczas instalacji nie można korzystać z managerów wifi, takich jak NetworkManager. Jeśli są uruchomione, należy wykonać "kill". Można używać kernela od wersji 2.6.26, co upraszcza nieco sprawę. Jeśli taki jest obecny można pominąć punkt 1, ale nie jest to zalecane (jądro "wireless-testing" zawiera najbardziej aktualną wersję softu).

1) Jądro
Ściągamy jądro testowe "wireless-testing", ze strony http://git.kernel.org/?p=linux/kernel/git/linville/wireless-testing.git;a=summary;
Konfigurujemy jądro włączając do niego stos mac80211 z parametrami do mesha (CONFIG_MAC80211, CONFIG_MAC80211_MESH) i  uruchamiając driver używanej bezprzewodowej karty sieciowej.
Potem następuje kompilacja tak przygotowanego jądra.
Można pominąć ten krok i posłużyć się gotowcem ze strony http://linuxwireless.org/en/users/Download
ale jednak najlepiej skonfigurować wszystko od podstaw.

2) Instalacja IW
IW pozwala na prostą konfigurację ustawień bezprzewodowych z linii poleceń. Jest dostępne razem z systemem w niektórych wersjach linuxa (np. w debianie SID, wersja niestabilna). Informacje o IW można znaleźć na stronie http://linuxwireless.org/en/users/Documentation/iw/

IEEE 802.11s Draft 7, OLPC

Po spotkaniu grupy zadaniowej 802.11s w San Diego,USA w lipcu tego roku ustalono, że szkic numer 7 standardu zostanie niedługo zatwierdzony. Członkami grupy są cztery osoby, dwie z firmy Philips oraz po jednej z Sony i Motoroli.

Informacje o odbytych spotkaniach można zobaczyć na stronie http://www.ieee802.org/11/Reports/tgs_update.htm

Dostęp do pełnych szkiców standardu mają tylko członkowie komitetu IEEE. Część informacji można znaleźć na stronie inicjatywy społecznej OLPC ("One Laptop Per Child") pod adresem http://wiki.laptop.org/go/Mesh_Network_Details, ponieważ będzie ona bazować na modyfikacji standardu mesh (OLPC-Mesh).

Na zdjęciu komputer XO opracowywany przez OLPC, który będzie wykorzystywać sieci kratowe do łączności:

Omijanie awarii

Fajnym i pożytecznym elementem mesha jest zdolność przekierowywania ruchu sieciowego w przypadku braku łączności z którymś z węzłów. Zazwyczaj istnieją wtedy inne ścieżki, którymi mogą płynąć dane (w sieci mesh przeważnie istnieje redundancja połączeń).

Przykładowo dostępne są trzy węzły, o numerach 1, 3 oraz 5. Na rysunku komunikacja odbywa się bezpośrednio pomiędzy 3 i 5: