Pomiary w sieciach Wi-Fi

Transkrypt

1 ZNUV 2014;38; Antoni Masiukiewicz, Piotr Szaleniec Akademia Finansów i Biznesu Vistula Warszawa Pomiary w sieciach Wi-Fi Streszczenie Sieci pracujące w standardzie , obok komórkowych, są obecnie najbardziej rozpowszechnionymi sieciami wykorzystującymi technologie bezprzewodowe. Ich popularność wynika z łatwej konfiguracji stanowisk ponieważ nie ma potrzeby układania okablowania, niskiej ceny urządzeń i pasm częstotliwości dostępnych dla wszystkich. Popularność skutkuje rosnącą liczbą sieci prywatnych i domowych, w których brak jest zarządzania zasobami częstotliwości. Prowadzi to w konsekwencji do wzajemnego zakłócania się sieci w standardzie szczególnie w miejscach, w których występuje ich duże zagęszczenie. Większa świadomość użytkowników może pomóc w lepszym doborze lokalizacji urządzeń i właściwej selekcji kanałów wykorzystywanych do komunikacji. Słowa kluczowe: , przepływność, kanały transmisyjne, interferencje. Kody JEL: O33 Wprowadzenie Wzrastająca popularność sieci bezprzewodowych pracujących w standardzie skutkuje w wielu lokalizacjach pogorszeniem uzyskiwanych parametrów transmisji, a przede wszystkim pogorszeniem praktycznie uzyskiwanej przepływności. Sieci Wi-Fi możemy sklasyfikować według wielu kryteriów (Dolińska, Masiukiewicz 2013). Jednym z nich jest fakt sposobu budowy sieci i jej przeznaczenia. Część sieci jest projektowana w sposób profesjonalny przy wykorzystaniu dostępnych zasad i narzędzi wspierających proces. Zazwyczaj dotyczy to sieci wykorzystywanych w firmach, instytucjach, uczelniach etc. Istnieje szereg metod wspierających proces projektowy, takich jak metoda Nealder- Mead (Gajewski, Wszelak 2007), metody stosowane w sieciach komórkowych (Dolińska, Masiukiewicz 2013), metody wykorzystywane przy planowaniu sieci o dużej liczbie użytkowników (Herenman et al. 2011). Sieci projektowane i administrowane stanowią jednak tylko ułamek wszystkich sieci w standardzie Dostępność urządzeń, ich niskie koszty, nielicencjonowane pasmo w połączeniu z innymi zaletami technologii bezprzewodowych spowodowały upowszechnienie tej technologii w małych sieciach prywatnych i domowych. W praktyce niewiele jest narzędzi wspierających budowę tego typu sieci. Bardzo często projektowanie sprowadza się do kilku podstawowych czynności takich jak: wybór nazwy sieci (SSID), wybór kanału, wybór lokalizacji AP. Zeszyty-naukowe-38_2014.indd :38:25

2 66 POMIARY W SIECIACH WI-FI Wybór kanału dla osób o niezbyt dużej wiedzy dotyczącej Wi-Fi ogranicza się do ustawienia kanału domyślnego, którym zazwyczaj jest jeden z kanałów niezakłócających w paśmie 2,4 GHz (non-overlapping) o numerach 1,6,11. Z kolei lokalizacja często wynika z położenia punktu dostępu przygotowanego przez ISP (Internet Service Provider dostawcę usług internetowych). Zarówno wybór kanału, jak i lokalizacja routera, punktu dostępowego (AP), mogą wpływać na uzyskaną jakość transmisji. Podstawowym problemem jest poziom interferencji wewnątrz- i międzykanałowych (Dolińska et al. 2013), drugim poziom sygnału własnej sieci. W przypadku interferencji głównym ich źródłem jest sam standard Jak wspomniano wcześniej, w paśmie 2,4 GHz do dyspozycji użytkowników są tylko trzy kanały na tyle odseparowane w dziedzinie częstotliwości (odstęp od częstotliwości środkowych wynosi dla nich 25 MHz), że wnoszone przez nie interferencje są bardzo małe. W przypadku gdy użycia kanałów sąsiednich (odstęp od 1 do 4) część mocy zakłóca kanał sąsiedni. Dobór właściwego kanału jest więc bardzo istotny z punktu widzenia optymalizacji poziomu interferencji. Moc interferencji podnosi poziom gęstości mocy szumów w kanale i zmniejsza stosunek sygnał-szum, a w konsekwencji ogranicza przepływność (Freeman 2007). W artykule przeanalizowano możliwości optymalizacji doboru kanału przeciętnego użytkownika sieci w standardzie , dokonano przeglądu oprogramowania, które pozwala na analizę i optymalizację selekcji kanałów i przedstawiono wyniki pomiarów sieci Wi-Fi w wybranych lokalizacjach (Szaleniec 2014). Programy do analizy sieci Wi-Fi W artykule przedstawiono parametry i możliwości pomiarowe kilku przykładowo wybranych programów do analizy sieci Wi-Fi. Omawiane programy są ogólnie dostępne w Internecie, a ich poziom zaawansowania pozwala na wykorzystanie przez zwykłego użytkownika. Programy te bazują na możliwościach pomiarowych karty zaimplementowanej w komputerze stacjonarnym, laptopie bądź innym urządzeniu przenośnym z zainstalowanym systemem operacyjnym Windows. Lista mierzonych parametrów może zawierać: nazwę sieci SSID, poziom sygnału mierzony w dbm, typ standardu a, b, g, n, rodzaj zabezpieczenia WEP/WPA/WPA2, adres fizyczny urządzenia, numer kanału na którym nadaje dana sieć, wykorzystywane pasmo nadawania w GHz, szerokość kanału w MHz, maksymalna przepływność sieci w Mb/s, Zeszyty-naukowe-38_2014.indd :38:25

3 ANTONI MASIUKIEWICZ, PIOTR SZALENIEC 67 widmowa gęstość mocy szumów w dbm, stosunek mocy sygnału do szumu w db, długość i szerokość położenia geograficznego. Część parametrów jest analizowana przez wszystkie programy, a część ma charakter opcjonalny. Koordynaty położenia geograficznego są podawane jedynie w przypadku gdy karta wykorzystywana do pomiarów obsługuje standard v zapewniający dystrybucję informacji na temat lokalizacji stacji roboczej (IEEE v, 2011). Najważniejszymi parametrami niezbędnymi do właściwej selekcji kanałów są: poziom sygnału sieci własnych i innych sieci w standardzie , numery kanałów na których nadają wszystkie sieci, wykorzystywane pasmo (2,4 lub 5 GHz). Przetestowano siedem programów, które pozwalają na analizę otoczenia z punktu widzenia liczby sieci Wi-Fi pracujących w standardzie i określenia podstawowych parametrów sieci. W tabeli 1 zestawiono informacje o testowanych programach. Tabela 1 Wybrane informacje o testowanych programach do analizy sieci w standardzie Nr Nazwa Wersja Strona www System operacyjny 1 Xirrus Wi-Fi Inspector xirrus.com Vista, Windows 7, XP 2 inssider Home programosy.pl Vista, Windows 7, XP 3 WirelessNetView 1.55 nirsoft.net Vista, Windows 7, XP 4 Ekahau HeatMapper ekahau.com Vista, Windows 7, XP 5 CommView for Wi-Fi tamos.com Vista, Windows 7, XP 6 Wi-Fi Hopper pobieralnia.pl Vista, XP 7 Network Stumbler netstumbler.com XP 1/ wersja czasowa, wykonuje analizy w czasie do 5 min od uruchomienia. 2/ wersja trial. Źródło: Szaleniec (2014). Wykorzystywane programy mają charakter freeware, za wyjątkiem Wi-Fi Hopper, w tym przypadku wykorzystano wersję próbną (trial). Program o nazwie inssider Home posiada praktycznie wszystkie funkcje zawarte w innych testowanych programach. Dzięki temu, w celu wykonania pomiarów i analizy parametrów sieci, można użyć tylko jednego programu. InSSIDer w wersji Home jest programem bezpłatnym, a oprócz tego charakteryzuje się prostą obsługą i czytelnym interfejsem graficznym. Obsługuje wszystkie standardy takie jak a, b, g, n, a w wersji 4 nawet standard ac. W zależności od zastosowanej karty Wi-Fi może analizować sieci wykorzystujące Zeszyty-naukowe-38_2014.indd :38:25

4 68 POMIARY W SIECIACH WI-FI oba pasma, zarówno 2,4 GHz, jak i 5 GHz. Wykryte sieci przedstawione są na czytelnym kolorowym wykresie i tabeli, dzięki którym od razu widać najważniejsze parametry, takie jak: nazwa, częstotliwość, szyfrowanie, kanał, czy bardzo ważne informacje o możliwych interferencjach wynikających z obecności innych sieci na używanym już kanale bądź innych sąsiadujących kanałach. W celu uzupełnienia informacji o kolorową mapę siły sygnału analizowanej sieci w danej lokalizacji, można użyć programu Ekahau HeatMapper, który jako jedyny z testowanych posiada taką funkcjonalność. Program ten potrafi za pomocą analizy poziomu sygnału w poszczególnych pomieszczeniach wyznaczyć graficzną mapę rozkładu poziomu sygnału sieci własnej. Po zakończeniu pomiaru na mapie badanej lokalizacji pojawiają się kolory od zielonego oznaczającego dobry sygnał po czerwony oznaczający słaby. Przykładowy rozkład poziomu sygnału sieci własnej i pokrycie zasięgiem ustalonej lokalizacji pokazano na rys. 1. Rysunek 1 Plan lokalizacji nr 1 wraz z położeniem access pointa oraz mapą zasięgu sieci nr 1 karta TP-LINK TL-WN721N Źródło: Szaleniec (2014). Zeszyty-naukowe-38_2014.indd :38:26

5 ANTONI MASIUKIEWICZ, PIOTR SZALENIEC 69 Dodatkową funkcją programu Ekahau HeatMapper jest lokalizacja położenia w którym znajduje się access point. W tabeli 2 zestawiono funkcjonalności testowanych programów. Badane sieci i lokalizacje Pomiary sieci przeprowadzono w 3 lokalizacjach, które różnią się od siebie położeniem geograficznym, wielkością i rozkładem pomieszczeń oraz zastosowanymi materiałami budowlanymi. Lokalizacje znajdowały się odpowiednio w budynkach wielorodzinnych i biurowcu. Na rysunkach 2-4 pokazano szkice lokalizacji, a w tabeli 3 przedstawiono ich wybrane parametry. Rysunek 2 Szkic lokalizacji 1 Źródło: jak w rysunku 1. Rysunek 3 Szkic lokalizacji 2 Źródło: jak w rysunku 1. Zeszyty-naukowe-38_2014.indd :38:26

6 70 POMIARY W SIECIACH WI-FI Tabela 2 Zestawienie funkcjonalności testowanych programów SSID Poziom sygnału [dbm] Pasmo [GHz] Szerokość kanału [MHz] Numer kanału Standard Maksymalna przepływność [Mb/s] Adres MAC Położenie na płaszczyźnie Stosunek sygnału do szumu [db] Program INNE Xirrus Wi-Fi Inspector TAK TAK 2,4/5 TAK TAK a,b,g,n NIE TAK TAK 1 NIE rodzaj zabezpieczenia identyfikacja adresów IP, DNS, gateway inssider Home TAK TAK 2,4/5 NIE TAK a,b,g,n TAK TAK NIE TAK 2 liczba innych sieci w danym kanale i w sąsiednich kanałach WirelessNetView TAK TAK 2,4/5 TAK TAK a,b,g,n TAK TAK NIE NIE możliwość zapisania wyników na dysku Ekahau Heat Mapper TAK TAK 2,4/5 NIE TAK a,b,g,n TAK TAK TAK NIE tworzenie mapy zasięgu, rodzaj zabezpieczenia Comm View for Wi-Fi TAK TAK 2,4/5 TAK TAK a,b,g,n TAK TAK NIE NIE Identyfikacja adresu IP, rodzaj zabezpieczenia, rozbudowane funkcje przechwytywanie i analizy pakietów Wi-Fi Hopper TAK TAK 2,4 TAK TAK a,b,g TAK TAK TAK 3 NIE funkcje menadżera połączeń Network Stumbler TAK TAK 2,4 TAK TAK b,g TAK TAK TAK 3 TAK lokalizacja AP na płaszczyźnie 1/ położenie jest określane na płaszczyźnie koła, gdzie odległość od środka (sieć własna) zależy od poziomu sygnału, a kierunek jest określony w sposób przypadkowy, 2/ stosunek sygnału do szumu/interferencji można odczytać z wykresu, 3/ położenie w oparciu o dane z systemu GPS. Źródło: jak w tabeli 1. Zeszyty-naukowe-38_2014.indd :38:26

7 ANTONI MASIUKIEWICZ, PIOTR SZALENIEC 71 Rysunek 4 a/ Szkic lokalizacji 3 (część 1) Źródło: jak w rysunku 1. Rysunek 4 b/ Szkic lokalizacji 3 (część 2) Źródło: jak w rysunku 1. Zbadano pięć sieci własnych wykorzystujących standard oraz zidentyfikowano częściowo inne sieci wykorzystujące ten standard i zakłócające sieci własne. Wykaz i parametry sieci własnych przedstawiono w tabeli 4. Zeszyty-naukowe-38_2014.indd :38:26

8 72 POMIARY W SIECIACH WI-FI Tabela 3 Wybrane parametry lokalizacji Nr lokalizacji Rodzaj budynku Konstrukcja ścian nośnych Ścianki działowe Piętro Powierzchnia (m 2 ) 1 wielorodzinny cegły cegły 7 piętro 50 2 wielorodzinny cegły cegły parter 30 3 biurowiec cegły, elementy płyty kartonowogipsowe 8 piętro 350 zbrojone Źródło: jak w tabeli 1. Tabela 4 Zestawienie i wybrane parametry sieci własnych Wyszczególnienie Sieć nr 1 Sieć nr 2 Sieć nr 3 Sieć nr 4 Sieć nr 5 SSID WAS14 WAS14 WAS14_5 mobile mobile Kanał Standard n n n g n Maksymalna przepływność [Mb/s] Pasmo [GHz] 2,4 2,4 5 2,4 2,4 Zabezpieczenie WPA2 - PSK WPA2 - PSK WPA2 - PSK WPA2 - PSK WPA2 - PSK Źródło: jak w tabeli 1. W sieciach własnych wykorzystano zarówno pasmo 2,4 GHz, jak i 5 GHz (jedna sieć). Używano standardu g i n. Dla pasma 2,4 GHz wykorzystano kanały 1 i 6. Wyniki pomiarów Pomiary sieci przeprowadzono w wybranych pomieszczeniach w trzech lokalizacjach. Zmierzono następujące parametry AP: wersja wykorzystywanego standardu , pasmo częstotliwości, kanał nadawania, poziom sygnału, zasięg i pokrycie lokalizacji. Większość pomiarów wykonano przy wykorzystaniu programu inssider Home oraz karty Wi-Fi Intel Centrino Ultimate-N W przypadku pomiaru zasięgu AP wykorzystano program Ekahau HeatMapper oraz karty TP-LINK TL-WN721N i Intel Centrino Ultimate-N Zeszyty-naukowe-38_2014.indd :38:26

9 ANTONI MASIUKIEWICZ, PIOTR SZALENIEC 73 W badanych lokalizacjach użytkownicy wykorzystywali dwa standardy: g i n. Na rysunku 5 przedstawiono statystykę sieci ze względu na używaną wersję standardu g/n. Rysunek 5 Podział sieci pod względem standardu g/n Źródło: jak w rysunku 1. Przykładowo w lokalizacji 2 na fakt dużej liczby stacji wykorzystujących standard n wpływ ma działanie operatora telewizji kablowej UPC, który wraz z usługą dostępu do Internetu dostarcza użytkownikowi modem z routerem Wi-Fi pracujący w tym standardzie. Podczas skanowania sieci lokalizacji za pomocą programu inssider stwierdzono, iż na 13 zidentyfikowanych sieci 11 nadaje w standardzie n, w tym 7 z nich to sieci uruchomione przez UPC, a tylko 2 sieci wykorzystują standard g. Większość zidentyfikowanych sieci wykorzystuje pasmo 2,4 GHz. Wynika to z konieczności zapewnienia kompatybilności ze starszymi wersjami standardu. W lokalizacjach 1-3 na 36 zidentyfikowanych sieci tylko dwie wykorzystywały pasmo 5 GHz. Wyniki pomiarów pokazano na rys. 6. Rysunek 6 Podział sieci z uwzględnieniem częstotliwości 2,4 GHz / 5 GHz Źródło: jak w rysunku 1. Zeszyty-naukowe-38_2014.indd :38:27

10 74 POMIARY W SIECIACH WI-FI W budynkach wielorodzinnych z dużą liczbą sieci Wi-Fi wybór kanału nadawania jest jednym z najistotniejszych czynników mających wpływ na jakość sygnału w sieci. Na rysunku 7 przedstawiono udział poszczególnych kanałów w transmisji w analizowanych lokalizacjach. Rysunek 7 Podział sieci z uwzględnieniem numeru kanału nadawania Źródło: jak w rysunku 1. Zeszyty-naukowe-38_2014.indd :38:28

11 ANTONI MASIUKIEWICZ, PIOTR SZALENIEC 75 Zgodnie z przewidywaniami najczęściej wykorzystywane są kanały nienachodzące na siebie, o numerach 1, 6, 11. Wśród 36 zidentyfikowanych sieci kanały 1, 6 i 11 wykorzystywało odpowiednio 7, 8 i 7 sieci. Tylko kanał 5 nie był wykorzystywany w żadnej lokalizacji. W poszczególnych lokalizacjach kanałów niewykorzystywanych było więcej: w lokalizacji 1 kanały 2, 3, 4, 5, 10, w lokalizacji 2 kanały 2, 5, 10, w lokalizacji 3 kanały 1, 3, 5, 7, 8, 9. W tabeli 5 przedstawiono wyniki pomiarów poziomu sygnału w wybranych lokalizacjach i pomieszczeniach. Analiza została przeprowadzona w lokalizacji 3 w trzech pomieszczeniach (pokój 1, pokój 5, klatka schodowa). Tabela 5 Poziom sygnału sieci lokalizacja nr 3 Pokój 1 Pokój 5 Klatka schodowa SSID dbm SSID dbm SSID dbm Mclaren -87 WAS14-50 Mobile -63 Mobile -89 Mobile -64 WAS14-69 Mclaren -64 WAS14_5-70 WAS14_5-70 Mclaren -72 Airportthru -70 Airportthru -79 YIT_Poland -78 S NET -86 YIT_Poland -89 Źródło: jak w tabeli 1. Liczba zidentyfikowanych sieci różni się znacząco w zależności od pomieszczenia i zależy od jego ułożenia w bryle budynku (liczba i jakość ścian, dostęp do okien, odległość od sąsiednich budynków). Przykładowy pomiar zasięgu sieci z wykorzystaniem programu Ekahau HeatMapper pokazano na rysunku 8. Pomiary w zależności od rodzaju wykorzystywanych urządzeń (typ AP i rodzaj karty wykorzystywanej do pomiaru) wskazują na różny zasięg sieci. Dla niektórych konfiguracji występują obszary bez zasięgu lub ze słabym poziomem sygnału. Rozwiązaniem byłoby dodanie repeterów lub zmiana położenia AP. Zeszyty-naukowe-38_2014.indd :38:28

12 76 POMIARY W SIECIACH WI-FI Rysunek 8 Mapa zasięgu sieci nr 4 w lokalizacji nr 3 (część 1) wraz z lokalizacją access pointa (karta Intel Ultimate-N 6300, program Ekahau HeatMapper) Źródło: jak w rysunku 1. Podsumowanie W tabeli 6 przedstawiono statystykę dla kilku wybranych parametrów analizowanych sieci. Tabela 6 Wybrane parametry testowanych sieci wyniki Parametr Lokalizacja 1 Lokalizacja 2 Lokalizacja 3 Razem Liczba AP Kanał Kanał Kanał g n ,4 [GHz] [GHz] Źródło: jak w tabeli 1. Zeszyty-naukowe-38_2014.indd :38:28

13 ANTONI MASIUKIEWICZ, PIOTR SZALENIEC 77 Można stwierdzić, że największa liczba (34) pracuje na częstotliwości 2,4 GHz, a tylko 2 na 5 GHz. Podobnie duża różnica jest w przypadku używanego standardu gdzie 27 sieci pracuje w technologii n, a 7 sieci w technologii g. Pośród używanych kanałów na częstotliwości 2,4 GHz największą popularność mają kanały 1, 6 oraz 11 czyli tak zwane non-overlapping channels. Wyniki wskazują, że pomimo dostępności w standardzie pasma 5 GHz jest ono słabo wykorzystane. Drugi istotny problem to brak zarządzania kanałami transmisyjnymi: użytkownicy wybierają domyślne, co powoduje wzrost interferencji w kanałach 1,6,11. Bibliografia Dolińska I., Masiukiewicz A. (2013), Technologie i aplikacje bezprzewodowe, Wydawnictwo AFiBV, Warszawa. Dolińska I., Masiukiewicz A., Rządkowski G. (2013), The Mathematical Model for Interference Simulation and Optimization in n Networks, Workshop, Concurrency Specification and Programming 2013, Warsaw University, Warsaw. Freeman R.L. (2007), Radio System Design for Telecommunication, Wiley Interscience, IEEE, New Jersey Gajewski P., Wszelak S. (2007), Optymalizacja wyboru punktów dostępowych w sieciach WLAN metoda bezpośredniego poszukiwania, Przegląd Telekomunikacyjny, nr 8-9. Hereman F., Joseph W., Tanghe E., Plets D. and Martens L. (2011), Prediction of Range, Power Consumption and Throughput for IEEE n in Large Conference Rooms, (in:) Proceedings of the 5th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP), Rome. IEEE Std v (2011). Szaleniec P. (2014), Narzędzia do monitorowania sieci lokalnej WLAN, Praca dyplomowa, AFiBV, Warszawa. Measurements on Wi-Fi Networks Summary The networks operating in the standard, besides the mobile phone networks, are now the most frequent networks exploiting wireless technologies. Their popularity issues from an easy configuration of stations as there is no need to cable laying, low price of equipment and frequency bands accessible to all. The popularity leads to a growing number of private and home networks where there is no frequency resource management. In result, it leads to mutual interference of networks in the standard, particularly in the places where there is high density thereof. Greater awareness of users may help in a better selection of location of equipment and a proper selection of the channels used for communication. Key words: , throughput, transmission channels, interferences. JEL codes: O33 Zeszyty-naukowe-38_2014.indd :38:28

14 78 POMIARY W SIECIACH WI-FI Artykuł nadesłany do redakcji w czerwcu 2014 r. All rights reserved Afiliacja: dr Antoni Masiukiewicz inż. Piotr Szaleniec Akademia Finansów i Biznesu Vistula ul. Stokłosy Warszawa tel.: a.masiukiewicz_globalteam@op.pl p.szaleniec@gmail.com Zeszyty-naukowe-38_2014.indd :38:28