Radioamatorska sieć HamNET
| Publikacja elektroniczna
| |
| Autor | Waldemar SP2ONG |
| Data publikacji | grudzień 2015 |
| Miejsce publikacji | Toruń |
Krótka historia HamNET w Polsce
Sieciami cyfrowymi w krótkofalarstwie zajmowałem się od dawna tzn już w 1990 roku, robiąc pierwsze próby Packet Radio na Commodore 64. Jesienią 1991 roku otrzymałem z PAR licencję na prace eksperymentalną do pracy na Packet Radio (pod moim dawnym znakiem SP8ONG). W latach 1992-2003 starałem się propagować używanie protokołu TCP/IP na Packet Radio wykorzystując AX.25 oraz bramki AMPRNet do budowy sieci AMPRNet w Polsce. W tym czasie była dość liczną grupa krótkofalowców pracujących w sieci AMPRNet wykorzystując program JNOS.
Po mojej przerwie ponad 10 letniej w krótkofalarstwie w 2013 roku przy próby reaktywacji packet radio okazało się że jest to już historia i koledzy na zachodzie Europy i USA zaczęli od kilku lat budować amatorska sieć HamNET której protokołem nośnym jest TCP/IP wykorzystując dostępne urządzenia do pracy WiFi na pasmo 2.4 GHz i 5.7 GHz.
Zacząłem od jesieni 2013 budować http://hamnet.ugu.pl [1] na której umieszczałem informacje o amatorskiej sieci HamNET aby propagować te formę komunikacji miedzy radioamatorami w SP. Uruchomiłem pod swoim znakiem serwer z usługami w ramach sieci HamNET wykorzystując do tego komputer Raspberry Pi z dystrybucją Debiana by DL3DCW. W tym samym czasie udało się podobny serwer uruchomić przez SP6FIG pod znakiem SR6DWH. Po jakimś czasie SP4WK dołączył z swoim serwerem na RPI pod znakiem klubowym SP4YWM.
Teraz przyszedł czas na szukanie rozwiązań od strony radiowej na 2.3 GHz oraz 5.7 GHz. Koledzy w DL gdzie najbardziej rozbudowana była sieć HamNET użyli topologii sieci typu infrastruktura co wymagało sporego nakładu w sprzęt. Śledziłem także prace nad rozwojem Broaband Hamnet w USA gdzie koledzy wykorzystują OpenWRT i sprzęt Linksys WRT54 do budowy sieci na bazie topologii Mesh network, która wydała mi się że w naszych warunkach sprawdzi się. Ale sprzęt ten bez przeróbki pracował na częstotliwościach ogólnodostępnych dla pracy urządzeń WiFi, gdzie pasmo powyżej 2.4 GHz jest bardzo mocno zajęte poprzez lokalne domowe WiFi routery itp.
Zacząłem pierwsze eksperymenty na bazie BBHN oraz WR54G. Wszystko właściwie działało i rok 2014 był rokiem prób z tym sprzętem i wykorzystaniem do lokalnej siec w klubie SP2PMK. Udało się zdobyć fundusze w klubie na sprzęt firmy Ubiquiti co dało szanse na szukanie rozwiązań na bazie systemu AirMAX OS. System AirMAX nie pozwala na skorzystanie z topologii siec typu Mesh poprzez brak możliwości ustawienia karty WiFi w tryb AD-HOC. Nadal zatem budowa sieci została na bazie OpenWRT i na kanałach powyżej 2.4 GHz. Szukając rozwiązania jedyna droga to zmiana w kodzie OpenWRT i wykorzystanie sprzętu na bazie chipów radiowych Atheros, które pracują od 2.3 GHz do 2.480 GHz.
Rozpocząłem prace nad przerobieniem systemu OpenWRT dostępnego na sprzęt Ubiquiti który ma chipy radiowe pozwalające pracować w ramach bandplanu. Prace posuwały się powoli gdyż nie było nikogo kto robił to tzn zmiana kodu OpenWRT tak aby był funkcjonalny na pasmie radioamatorskim poniżej 2.4 GHz. Istniały przeróbki ale pozwalające pracować na pasmie 5.7 GHz. Dzięki współpracy z klubem SP2PMK udało się uruchomić bramkę AMPRNet oraz cały serwer HamNET z usługami dla lokalnych radioamatorów. Na etapie kiedy nie było łącza radiowego dostęp do serwera HamNET odbywa się przy pomocy VPN.
W wrześniu 2014 roku doszło do mojej współpracy z SP9FUT gdzie determinacja SP9FUT w robieniu testów na sprzęcie Ubiquiti i moich kolejnym prób zmian kodu w OpenWRT doprowadziły że na początku lutego 2015 udało się opublikować pierwszą wersję firmware HamNET-Mesh OpenWRT dla urządzeń Ubiquiti Nanostation 2 i Nanostation M2. W Lutym 2015 kontaktował się SQ9MDD który zainteresował się HamNET i uruchomieniem w Warszawie lokalnej sieci HamNET. Coraz więcej kolegów zaczęło się interesować HamNET którzy zaczęli robić lokalne eksperymenty SQ9IWE, SQ9NFQ, SQ8AQX. Jak potoczy się dalsza historia HamNET PL i co będzie dalej czas swoje pokaże...
Czym jest sieć HamNET?
High-speed Amateur radio Multimedia NETwork (geneza nazwy HamNET) jest przede wszystkim bazująca na radiu, protokole TCP/IP, o dużej szybkości sieci dla radioamatorów. Sieć HamNET jako nowoczesna, z szybkim medium oferuje wiele możliwych zastosowań:
- Transmisję danych danych APRS
- Łącza pomiędzy przemiennikami systemu D-Star
- Transmisję poczty elektronicznej np w systemie WinLink 2000
- Transmisję obrazów amatorskiej telewizji
- Transmisję głosu – VoIP przez serwer Mumble
- Wymianę informacji w systemie „Instant messaging” (Jabber / XMPP)
- Dostęp do amatorskich witryn WWW
- dostęp przez przeglądarkę internetową do DX Cluster
- Zdalny dostęp do odbiorników SDR i radiostacji sterowanych poprzez siec
- Zdalne sterowanie przemienników amatorskich
- Przekazywanie obrazów kamer typu WebCAM
Obecnie, szybkość transmisji w sieci HamNET jest pomiędzy 1Mb/s do 50 Mb/s, w zależności od zastosowanej technologii. Sieć HamNET ma jedną wspólną cechę, używa protokołu TCP/IP jako protokołu warstwy nośnej. Ponieważ podstawowy protokół jest TCP/IP wykorzystuje się tu protokół AXIP dla warstwy AX.25 więc obecna infrastruktura sieci AX.25 jest widziana w ramach HAMNET.
Czym nie jest HamNET?
HamNET nie zastępuje Internetu. HamNET nie oferuje dostępu do Internetu. HamNET jest zamkniętą siecią dla radioamatorów zapewniającą szybka komunikacje poprzez radiowe linki w oparciu o dostępną technologie. Wykorzystywane są także bramki Amprnet w celu połączenia lokalnych sieci po całym świecie dzięki temu krótkofalowcy z Polski mogą łączyć się z innym krótkofalowcami na świecie którzy mają swoje lokalne radiowe sieci podłączone do bramki Amprnet.
Sieć HamNET może być uzupełnieniem kanału łączności w sytuacjach kryzysowych w ramach współpracy z innymi jednostkami jako kanał cyfrowej łączności którego niezależna infrastruktura od istniejącej sieci Internet oparta jest o własne linki radiowe.
Zaprezentowany poniżej materiał ma na celu przybliżenie szczegółów związanych z budową sieci HamNET typu Mesh. W materiale tym skorzystano z innych opracowań które zostały wymienione na końcu tego opracowania.
Sieć HamNET
W ramach sieci HamNET można stosować różne dostępne topologie sieci WIFI zaczynając od klasycznej Punkt Dostępowy (Access Point) ↔ stacje indywidualne poprzez WDS aż do sieci typu Mesh Network. Wybór topologi lokalnej sieci zależy od lokalnych rozwiązań i decyzji lokalnego środowiska. Różne topologie mogą się z sobą łączyć na styku lokalnych sieci.
Czym różni się tryb WDS od sieci Mesh?
Tryby WDS (Wireless Distribution System) oraz Mesh często uważane są za tożsame. Funkcjonalność rozwiązania WDS jest taka sama jak routera Mesh.
WDS jest jednak inicjowany przez ręczną konfigurację każdego punktu dostępowego, polegającą na tworzeniu statycznych wpisów w tablicy przekazywania pakietów. WDS nie wyznacza najlepszej ścieżki, a w przypadku niedostępnego łącza do wyznaczonego miejsca przeznaczenia, pakiety są odrzucane. Nie istnieje dynamiczna rekonfiguracja tras.
Routery Mesh natomiast automatycznie odkrywają sąsiadów i uczą się najlepszej ścieżki do każdego miejsca przeznaczenia. Jeżeli któryś z routerów nie odpowiada, pakiety przekazywane są przez nową, możliwie najlepszą trasę.
Bezprzewodowa sieć HamNET typu Mesh
Bezprzewodowa sieć HamNET typu Mesh (multipoint-to-multipoint) składa się z węzłów siatki, które tworzą szkielet sieci. Węzły sieci (mesh node) są zdolne do automatycznego konfigurowania i ponownego rekonfigurowania się dynamicznie, aby utrzymać połączenia węzłów sieci. Ta ciekawa własność sieci eliminuje potrzebę zarządzania scentralizowanego. Inteligentne trasy pozwalają stacjom przekazywanie pakietów danych do innych stacji, które mogą nie być w bezpośrednim zasięgu bezprzewodowych routerów. Poniżej rysunki przestawiają przykładową topologię sieci.
- Stacja Mesh Node
Bezprzewodowa stacja mesh node / network node składa się z anteny oraz bezprzewodowego routera ustawionego w tryb AD-HOC. Mesh node powinien być na zewnątrz. Jeśli użyty bezprzewodowy router nie był przeznaczony do instalacji na zewnątrz powinien być umieszczony w wodoszczelnej obudowie na zewnątrz. Antena może być standardowa dookólna lub kierunkowa montowana na zewnątrz. Stacja mesh node komunikuje się tylko z innymi stacjami typu mesh node.
Każdy network node jest „przekaźnikiem” dla innych węzłów w sieci. Dzięki temu w sytuacji kiedy węzeł A nie ma zasięgu bezpośredniego z węzłem B bo pomiędzy nimi jest np góra, wysokie budynki itp węzły A i B mogą się połączyć między sobą różnymi ścieżkami jak to jest pokazane na rysunku poniżej:
- Co się dzieje kiedy pojawi się nowy węzeł w zasięgu sieci?
Jak widać na rysunku powyżej sieć automatycznie przekonfiguruje się i będzie możliwe łącznie się z nowym węzłem sieci a także wykorzystać go jako przekaźnik. Jak widać sieć typu HamNET Mesh jest siecią dynamiczną i pozwala łączyć się z węzłami z którymi nie ma np bezpośredniego zasięgu.
- Zalety sieci typu Mesh
- Odporność na uszkodzenia. Wyłączenie węzła nie powoduje uszkodzenia sieci i braku transmisji. Jeżeli istnieje trasa alternatywna, cała sieć jest w stanie automatycznie rekonfigurować swoje połączenia.
- Brak centralizacji. Nie ma wyróżnionego hosta pełniącego rolę nadrzędną, więzły samodzielnie komunikują się między sobą wymieniając informacje.
- Samokonfigurowalowność sieci. Wystarczy włączyć urządzenie do sieci, aby router samodzielnie ustalił domyśle trasy i połączenia z punktami sąsiednimi. Nie jest wymaganie podanie adresów bramek, tabel routingu i innych parametrów.
W przypadku sieci typu Mesh nie trzeba łączyć się na duże odległości jak w przypadku innych konfiguracji sieci bezprzewodowych tylko do najbliższego sąsiada, nie są więc wymagane duże moce nadawania oraz potrzeby zastosowania anten o dużym zysku. Choć w początkowym etapie budowy takiej sieci gdzie nasycenie węzłami mesh jest małe może okazać się że anteny z dobrym zyskiem będą bardzo pomocne.
- Siec typu Mesh ma też swoje wady
Jedną z wad jest potrzeba bezustannej wymiany informacji o strukturze sieci i połączeń. W związku z tym część pasma może być przeznaczona na potrzeby własne takiej sieci. Wydajność ta może spaść znacząco gdy w jednym segmencie sieci będzie jak podają inni od ok 150 do 200 nodów. W przypadku sieci HamNET w Polsce raczej trudno będzie osiągnąć takie nasycenie liczby stacji w jednym miejscu. Liczba skoków /hops ma wpływ na przepustowość linku między nodami.
Analizując różnice pomiędzy typami siec typu infrastruktura (AP- Station) i Mesh nie trudno zauważyć że w przypadku zastosowania technologii AP- Station w wyniku awarii, wyłączenie jednego z AP, część sieci nie będzie miała komunikacji z sobą do czasu usunięcia problemu. W przypadku sieci Mesh wyłączenie lub awaria jednego elementu sieci nie wpłynie na jej funkcjonalność i po krótkim czasie sieć sam się zrekonfiguruje i wyznaczy nowe trasy aby zapewnić komunikacje dla wszystkich dostępnych nodów w sieci. Mając to na uwadze wydaje się ze typ sieci Mesh jest idealnym rozwiązaniem dla radioamatorów gdzie węzły/nody sieci składają się z indywidualnych stacji uruchomionych przez radioamatorów i stan ich dostępności może zmieniać się dynamicznie co w przypadku sieci typu infrastruktura wymagałoby wprowadzanie często zmian w trasowaniu sieci i przebudowy jej aby zapewnić stałą łączność wszystkich stacji w sieci lokalnej w przypadku wyłączania się stacji indywidualnych.
Zasady bezprzewodowej sieci HamNET Mesh
Komunikacja między węzłami siatki odbywa się między urządzeniami typu WI-FI określanymi jako mesh node / network node używając standardu IEEE 802.11 a/b/g, które są podłączone do anten zewnętrznych.
Wszystkie bezprzewodowe routery mesh node są ustawione w trybie ad-hoc.
Każdy węzeł w sieci HamNET ma ten sam ESSID (nazwa np: HamNET-2 ) i BSSID (numer). BSSID należy ustalić wspólny, aby uniknąć podziału sieci bezprzewodowej. Można przyjąć że BSSID zawiera w kodzie nazwę HamNET używając do tego narzędzia call2mac:
BSSID 5.7 GHz HamNET-5: A2:84:B4:B8:94:D1
BSSID 2.3 GHz HamNET-2: A2:84:B4:B8:94:D2
Wszystkie węzły w sieci HamNET będą działać na tym samym kanale (częstotliwości) np 247: 2.632 GHz lub 254: 2.397 GHz.
W idealnym rozwiązaniu sieci HamNET typu Mesh każdy węzeł powinien być w stanie „zobaczyć” co najmniej dwa inne węzły (mesh node). Pozwala to na zachowanie pełnej funkcjonalności sieci, w przypadku wyłącznie jednego z węzłów sieci (np. z powodu awarii sprzętu lub awarii zasilania).
Adres IP w sieci mesh powinien być unikalny aby każdy komputer w sieci mógł połączyć się z innym komputera w sieci. Adres IP otrzymasz od lokalnego koordynatora sieci.
Nazwy nodów sieci HamNET-Mesh muszą zawierać znak wywoławczy zgodnie z przydzielonym pozwoleniem z UKE oraz użytkownik sieci musi posiadać ważne pozwolenie radiowe zezwalające na prace w pasmie radioamatorskim zgodnie z obowiązującym bandplanem.
Komputer może połączyć się z siecią HamNET Mesh za pośrednictwem kabla sieciowego podłączonego do własnego bezprzewodowego mesh node. Wszystkie węzły sieci tworzą szkielet sieci HamNET.
Protokół trasowania (ang. routing) sieci mesh bazuje na oprogramowaniu OLSR, który będzie kierować ruchem IP pomiędzy interfejsami bezprzewodowych węzłów siatki. OLSR uczy się potencjalnych trasy, słuchając informacji o routingu wymienianych w sieci i utrzymuje tabele routingu dynamicznego. Stosowana metoda rutingu to od węzła do węzła (hop by hop), czyli każdy element sieci używa najaktualniejszych danych by przesłać pakiety do celu. Funkcja ta zapewnia trasowaniu odporności na uszkodzenia, dostarczając alternatywną trasę, gdy jakiś węzeł jest niedostępny.
OLSR jest wysoce skalowalny. Jest używany z powodzeniem w publicznych społecznościowych bezprzewodowych sieci typu mesh z 2000 węzłów (sieć bezprzewodowa), w Atenach węzłów (~ 600), FreiFunk.net ~ 400 węzłów.
Sąsiad – (ang. Neighbor czyli mesh node) pojęcie określające inny węzeł sieci, do którego dane mogą być transmitowane bezpośrednio, wykorzystując dostępne medium transmisji bez pomocy innych pośrednich węzłów sieci.
Skok – (ang. hop) jest jedną ze stosowanych przez protokoły routingu jednostek miary odległości w celu określenia jakości drogi prowadzącej do celu. Liczbowo określa ona liczbę ruterów, lub w przypadku sieci bezprzewodowych ad-hoc węzłów sieci, przez które musi być przekazywany pakiet, aby dotarł on do żądanego urządzenia docelowego.
Wykrywanie sąsiadów
W ramach sieci typu Mesh mam dostępne wiele protokołów które pozwalają wyznaczyć najbardziej optymalną trasę pomiędzy nodami w sieci. Można wymienić najbardziej popularne rozwiązania: OLSRD, B.A.T.M.A.N., Babel, BMX6. W tej publikacji będą przedstawione OLSRD oraz Babel.
Każdy węzeł sieci musi rozpoznać sąsiadów, z którymi ma dostępne połączenie dwukierunkowe. W tym celu rozgłaszane są wiadomości HELLO, zawierające informacje o wszystkich sąsiadach węzła. Pakiet HELLO zawiera listę adresów sąsiadów, do których istnieją sprawdzone połączenia dwukierunkowe i listę adresów sąsiadów słyszanych przez dany węzeł, z którymi połączenia nie zostały potwierdzone jako dwukierunkowe. Gdy inny węzeł odkryje, że został wpisany na drugą z list uznaje, że połączenie jest dwukierunkowe. Wiadomości te pozwalają węzłom sieci na zdobycie informacji o wszystkich sąsiadach w odległości do 2 skoków. Informacje te służą za punkt wyjścia w wyborze węzłów MPR. Protokół OLSR utrzymuje tablicę sąsiadów, w której przechowuje informacje o sąsiadach odległych o 1 skok od węzła, status połączenia między nimi oraz listę sąsiadów odległych o 2 skoki, do których mają dostęp poprzednio wymienione węzły. Status połączenia informuje, czy połączenie jest jedno-, dwukierunkowe czy może z węzłem MPR. Oczywiście status „połączenie z MPR” oznacza także połączenie dwukierunkowe. Każdy wpis w tablicy ma przypisany mu czas ważności, po upływie którego, połączenie zostaje uznane za nieważne, a w końcu zostaje usunięte z tablicy. Tablica ma przypisany także numer sekwencyjny, który oznacza najbardziej aktualny zbiór węzłów MPR. W momencie uaktualniania zbioru węzłów MPR lub ich wyboru numer ten jest zwiększany.
Parametry używane do określenia jakości linków w OLSR: LQ i NLQ.
- Forward link NLQ – Neighbor Link Quality, jakość linku u sąsiada, % sukces odebranych pakietów sąsiada przez mój mesh node
- Feedback LQ - Link Quality, % sukces odebranych naszych pakietów przez sąsiada
gdzie 1 oznacz 100% a 0.5 oznacz 50%.
ETX (ang. Expected Transmission Count) wskazuje jak dobre jest połączenie pomiędzy dwoma nodami i jak często muszą być wysyłane pakiety aby dotrzeć do innego noda.
ETX jest wyliczane wg formuły:
Przejęte zostało że wartości ETX poniżej 2 jest bardzo dobre, wartości pomiędzy 2 a 4 dobre, wartość pomiędzy 4 a 10 nadal użyteczne, poniżej 10 możliwe że złe.
Bandplan
Aktualny badplan dla pasm 2,3 GHz i 5,7 GHz [2]
Analizując powyższe tabele i przy poszanowaniu zasad Ham Spirit i Bandplanu IARU możemy pracować na:
- Digital communications: 2355 - 2365 MHz & 2392 - 2400 MHz
- Digital communications: 5670 - 5700 MHz
Najczęściej stosowane kanały i szerokości do pracy HamNET w Europie:
| Częstotliwość | Szerokość kanału | Numer kanału |
|---|---|---|
| 2362 MHz | 5/10 MHz | 247 |
| 2397 MHz | 5/10 MHz | 254 |
| 3425 MHz | 10 MHz | |
| 3455 MHz | 10 MHz | |
| 5675 MHz | 10 MHz | 135 |
| 5685 MHz | 10 MHz | 137 |
| 5695 MHz | 10 MHz | 139 |
| 5745 MHz | 10 MHz | 149 |
| 5795 MHz | 10 MHz | 159 |
| 5805 MHz | 10 MHz | 161 |
| 5815 MHz | 10 MHz | 163 |
| 5825 MHz | 10 MHz | 165 |
Oprócz kanałów które są w zakresie bandplanu, jeśli zastosowany sprzęt nie pozwala nam pracować na tych kanałach możemy budować lokalna sieć na kanałach dostępnych dla sieci WiFi ale z zachowaniem przepisów w paśmie 2,4 GHz
Przypisy
- ↑ https://web.archive.org/web/20180216030040/http://hamnet.ugu.pl/ (Dostęp: 18 czerwca 2024)
- ↑ https://pk-ukf.pl/band-plany/ ― Band-plany (Dostęp: 16 czerwca 2024)