Тестирование беспроводных сетей
как возникла идея протестировать беспроводные сети
В настоящее время сети стандарта IEEE 802.11b стремительно обретают популярность. Беспроводные (Wireless) сети в части удобства развертывания и последующей эксплуатации всегда превосходили стандартные Ethernet-решения, однако их широкое распространение сдерживалось высокой стоимостью соответствующего сетевого оборудования.
Сейчас на рынке появилось новое поколение оборудования, предназначенного для организации беспроводных сетей. Благодаря относительно низким ценам оно прочно заняло нишу массового спроса. Хотя комплект оборудования, соответствующий интерфейсу IEEE 802.11b, все еще значительно дороже обычных сетевых карт Ethernet, общая стоимость работ по созданию сетевой инфраструктуры в ряде случаев бывает меньше именно для беспроводного варианта. Иными словами, в ценовом отношении сети IEEE 802.11b становятся привлекательной альтернативой проводным сетям Ethernet. Однако всегда следует помнить, что качество работы сетей характеризуется множеством различных показателей, среди которых удобство эксплуатации занимает важное, но не ключевое место. Определяющими параметрами являются скорость и надежность работы.
Попытки дать исчерпывающую характеристику указанным параметрам для Wireless-сетей, скорее всего, окончатся неудачей. Безусловно, все знают, что физическая скорость передачи данных в сетях стандарта IEEE 802.11b — 11 Мбит/с, но что можно сказать об эффективной скорости работы таких сетей в реальных условиях? Всем известно, что надежность работы — "больное место" беспроводной технологии, но как она зависит, например, от расстояния между элементами сети? Как видим, набирается достаточно обширный перечень вопросов. Лучший способ ответа на них — экспериментальный. Поэтому мы решили провести собственное тестирование беспроводной сети стандарта IEEE 802.11b.
несколько слов о целях исследования и методике
Цель нашего исследования заключалась в следующем:
1. измерить скоростные характеристики сети;
2. оценить стабильность работы сети;
3. выяснить какие параметры сети влияют на скорость и стабильность ее работы.
В наших исследованиях мы всегда стремимся получить результаты, которые могут быть полезны в практических ситуациях. Поэтому, чтобы оценить эффективную ("реальную") производительность сети, мы решили измерить скорость работы на самом высоком, прикладном уровне. Выбор параметра, характеризующего эффективную скорость, не столь тривиален, как может показаться на первый взгляд. Мы считаем, что для этих целей оптимально подходит скорость выполнения файловых операций.
Проблема измерения эффективной скорости заключается в следующем: эту скорость невозможно измерить ни штатными диагностическими средствами сетевых ОС, ни при помощи "лобовых" методов (измерение скорости "перекачки" файлов). Ниже в качестве примера показывается, что для этих целей не подходят популярные утилиты на базе ICMP-протокола. Конечно, это совсем не означает, что эффективную скорость сети невозможно измерить на практике. Напротив, существует множество диагностических средств и систем, позволяющих это сделать. К сожалению, подавляющее большинство из них иностранного производства, что сильно сужает круг их потенциальных пользователей.
Прекрасно, когда у вас есть диагностическое средство за несколько тысяч долларов США, позволяющее провести все измерения самостоятельно. Но что делать специалистам, которые не имеют доступа к подобным системам? Как раз для них и предназначена эта статья.
краткое описание архитектуры тестируемой сети
В локальной сети тестовой лаборатории компании ProLAN был создан беспроводный сегмент, который использовался в дальнейшем в качестве тестового полигона (Рисунок 1). При создании этого сегмента учитывались следующие обстоятельства:
1. Сети стандарта IEEE 802.11b обычно эксплуатируются в режиме "клиент/сервер", при котором беспроводная сеть состоит как минимум из одной точки доступа, подключенной к проводной сети, и некоторого количества беспроводных клиентских станций;
2. На клиентских станциях, как правило, устанавливаются сетевые адаптеры формата PC Card Type II.
Рисунок 1.
Мы решили использовать оборудование, относящееся к среднему ценовому сегменту, и остановили свой выбор на следующих образцах:
1. Точка доступа Cisco Aironet 350;
2. Сетевой адаптер PCI Cisco Aironet;
3. Сетевой адаптер ORiNOCO PC Card Silver.
Некоторые технические характеристики рабочих станций, на которые устанавливались адаптеры, приведены ниже (Таблица 1):
Таблица 1
Имя рабочей станции | Сетевой адаптер | Тип процессора | Память (Мб) | Индекс производи- |
ARMADA | ORINOCO PC Card | GenuineIntel Pentium(r) II Processor | 97752 | 619.6 |
MY | Cisco Aironet PCI | GenuineIntel x86 Family 6 Model 5 Stepping 1 - 400 Mhz | 261668 | |
сначала измерили скорость сети...
Для измерения скорости использовался разработанный компанией "ПроЛАН" программный пакет FTest v3.20. На клиентских станциях были запущены Агенты, выполняющие программу FTest Client. Эта программа осуществляет генерацию трафика и измеряет характеристики работы сети на прикладном уровне (эффективная скорость работы приложения). Результаты измерений представлены на Рисунке 2
Рисунок 2.
Эксперимент показал, что в сети стандарта IEEE 802.11b эффективная скорость выполнения файловых операций может достигать 500 Kb/sec. Заметим сразу, что эта скорость разительно отличается от скорости Wireless-сети на физическом уровне, составляющей 1400 Kb/sec.
Мы решили сравнить полученные результаты со скоростными показателями работы этих же станций в сети Ethernet. На клиентских станциях были установлены обычные сетевые адаптеры, после чего сеть была повторно протестирована программой FTest v3.20. Оказалось, что эффективная скорость станций возросла при этом примерно в 2 раза.
Для читателей, которые захотят самостоятельно провести сравнение, мы приводим результаты теста в сети Ethernet (Рисунок 3).
Рисунок 3.
оцениваем стабильность работы
Мы перешли к вопросу оценки стабильности работы беспроводных сетей. Вообще стабильность работы для сетей стандарта IEEE 802.11b является одной из главных проблем. Она зависит от множества факторов, среди которых отметим лишь несколько. На пути распространения радиоволн могут находиться различные препятствия, способные не только поглощать, но и отражать сигнал. Как следствие, часто встречается ситуация, когда на антенну, расположенную на приемной стороне, сигнал либо вообще не приходит, либо приходит несколько вариантов сигнала, сдвинутых по фазе один относительно другого. Естественно, что коэффициент ошибок при этом резко возрастает. Еще одной проблемой является сам диапазон, в котором функционируют беспроводные сети, — 2,4 ГГц. В нем работает множество различных бытовых приборов, например, генераторы микроволновых печей. Если у вас на работе стоит микроволновая печь, то "зависание" беспроводной сети в моменты приготовления пищи вполне вероятно.
Считаем, что изучение влияния внешних факторов на работу беспроводных сетей является темой отдельного исследования. В этот раз мы решили ограничиться лишь оценкой стабильности работы сети стандарта IEEE 802.11b в "идеальных" условиях.
На клиентской станции ARMADA был запущен и в течение двух суток работал файловый тест, входящий в состав программы NPM Probe. Результаты его работы приведены на Рисунке 4.
Рисунок 4.
Как видно из рисунка, во время теста не произошло никаких существенных изменений в скорости работы сети.
Часто возникает необходимость в строгом обосновании таких выводов. Покажем, как это можно сделать. Рассмотрим, к примеру, скорость выполнения клиентской станцией операции чтения с сервера (серый график на рисунке). Эту операцию можно считать случайной величиной. Степень "разбросанности" случайной величины характеризуется ее среднеквадратичным отклонением (СКО). Чем меньше значение СКО, тем меньше "аномалий" в ее поведении, и если нам удастся оценить это значение, мы сможем сделать однозначный вывод о "характере поведения" операции.
Вообще, вычисление статистических показателей — нетривиальная задача. Немногие диагностические программы обладают такими возможностями. В нашей повседневной практике мы используем для этих целей программный пакет Trend Analyst. Он позволяет производить комплексный анализ трендов (закономерностей поведения) любой величины, характеризующей работу сети. С его помощью можно изучать также взаимное влияние величин друг на друга, причем величины могут быть измерены разными средствами. В программу Trend Analyst были загружены измерения, снятые с помощью NPM Probe. Результат статистической обработки представлен ниже (Рисунок 5).
Рисунок 5.
Из рисунка, в частности, видно, что значение СКО оказалось равным 4,75. Столь малое значение полностью подтвердило наше предположение о стабильности операции чтения.
влияние внешних условий на "здоровье" сети
Мы провели ряд экспериментов по оценке влияния расстояния между элементами беспроводной сети на скорость связи. Напомним, что сам стандарт IEEE 802.11b предусматривает снижение скорости передачи данных при удалении Wireless-устройств друг от друга с максимального значения в 11 Мбит/с до одного из следующих фиксированных значений: 5,5; 2 и 1 Мбит/с.
Перед нами же стояла задача измерения эффективной скорости работы в зависимости от расстояния. Поэтому мы вновь запустили на станции ARMADA файловый тест, входящий в состав программы NPM Probe. Во время выполнения теста станцию постепенно удаляли от точки доступа, фиксируя изменение уровня приемного сигнала.
Нами было выделено 4 зоны:
1. Excellent Radio Connection;
2. Good Radio Connection;
3. Marginal Radio Connection;
4. Out of Range.
В каждой из этих зон станция находилась в течение 30 минут. По нашему мнению, этого количества времени было достаточно для сбора репрезентативной статистики о скорости работы сети. Графики, иллюстрирующие полученные результаты, представлены на Рисунке 6.
Рисунок 6.
Обратите внимание, что кроме графиков, отображающих среднюю скорость выполнения операций чтение/запись, на рисунке есть еще один — зеленого цвета. Он воспроизводит среднее время ответа на ICMP-запрос. Время "пинга" мы решили показать вместе с остальными параметрами неслучайно. Утилита Ping предназначена для проверки соединения с удаленными компьютерами, однако регулярно предпринимаются попытки использовать ее в качестве средства мониторинга скорости работы сети. Как видно из рисунка, в "поведении" зеленого и остальных графиков нет ничего общего. Это наглядно доказывает, что "пинг" очень слабо связан со скоростными характеристиками сети и не может быть использован в качестве диагностического средства.
В Таблице 2 приведены средние значения скорости операций чтения/запись по каждой из зон.
Таблица 2
Зона тестирования | Средняя скорость чтения (Кбит/с) | Средняя скорость записи (Кбит/с) |
Excellent | 220 | 225 |
Good | 215 | 220 |
Marginal | 164 | 144 |
Out of Range | 35 | 20 |
В Таблице 2 отражены все основные изменения в "здоровье" сети, происходившие в течение эксперимента. В ней зафиксированы периоды "стабильного состояния" — работа в зонах "Excellent" и "Good", этап резкого "ухудшения самочувствия" — пребывание в зоне "Marginal", а также момент "клинической смерти" — перенос рабочей станции в зону "Out of Range". Скорость файловых операций — прекрасный индикатор общего состояния, позволяющий определять наличие "заболевания".
Вспомним, что цель нашего исследования заключалась в определении параметров сети, влияющих на скорость ее работы или, продолжая медицинскую аналогию, выявлении симптомов заболевания. Ясно, что для "вынесения диагноза" только скорости файловых операций недостаточно.
окончательный диагноз
Расскажем, как можно поступить в нашем случае. В первую очередь, необходимо измерить все значимые параметры, характеризующие работу сети. Затем полученные результаты следует нормализовать (привести к общей шкале) и сравнить друг с другом, а также со скоростью файловых операций.
Если мы сможем найти такие характеристики сети, которые во всех временных интервалах ведут себя одинаково с показателями скорости записи/чтения, можно утверждать, что именно они влияют на скорость ее работы.
Для решения второй задачи у нас уже есть подходящая программа — Trend Analyst. С ее помощью мы можем провести регрессионный анализ любой сложности. Осталось только выбрать средство, позволяющее "снять" характеристики работы беспроводной сети. Для этих целей оптимально подходит программный анализатор протоколов Observer производства компании Network Instruments. Начиная с версии 8.1, он позволяет анализировать сети стандарта IEEE 802.11b. Специальный драйвер, разработанный инженерами Network Instruments совместно со специалистами компаний Cisco Systems и Symbol Technologies, позволяет перехватывать все пакеты, циркулирующие в беспроводной сети. Благодаря такой возможности стали доступны новые режимы отображения характеристик работы Wireless-сетей.
Одновременно с выполнением файлового теста, при помощи программы Observer измерялись различные характеристики работы сети. Программа, в частности, фиксировала следующие параметры:
· среднюю утилизацию сети (AvgUtilization);
·показатель уровня сигнала (AvgSignalQuality);
·количество пакетов (DataPkts);
·количество пакетов, переданных на скорости 11 Мбит/с (Freq DataPkts_11);
· количество ошибок (ErrPkts);
· общее количество переданных байт (Bytes).
Посмотрим, что же менялось в параметрах сети при переносе рабочей станции из одной зоны в другую (Рисунок 7). На рисунке отображены следующие параметры:
·средняя скорость выполнения операции чтения (ReadRate) — синий график;
·количество пакетов (DataPkts) — красный график;
·количество ошибок (ErrPkts) — желтый график.
Рисунок 7.
Из рисунка видно, что в результате переноса станции из зоны "Excellent" в зону "Good" резко возросло количество ошибок. Однако скорость выполнения файловых операций оставалась практически неизменной благодаря высокой скорости передачи данных. Дальнейшее удаление клиентской станции от точки доступа сопровождалось уменьшением силы передающего сигнала, что в итоге привело к переключению станции на меньшую скорость передачи (красный график "проседает" в зоне "Marginal"). Данные стали передаваться на меньшей скорости, и уровень ошибок снизился, но, к сожалению, "упала" и скорость сети. В финальной стадии эксперимента все данные передавались на малой скорости, соответственно эффективная скорость сети упала до своих минимальных значений.
подведем итоги
Итак, мы с вами узнали, что беспроводная сеть примерно в два раза "медленнее" стандартной сети Ethernet и в обычных условиях работает очень стабильно. Установили, какие параметры сети влияют на эффективную скорость работы. Выяснили, что эффективная скорость работы определяется скоростью передачи данных на физическом уровне, причем степень этой зависимости (корреляции) велика. На наш взгляд, совсем неплохие результаты для первого знакомства с сетью стандарта IEEE 802.11b.
По материалам компании ProLAN.
Сетевые решения. Статья была опубликована в номере 02 за 2003 год в рубрике технологии
