Многостанционный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликта (csma/cd)
При использовании метода CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), например, в сети Ethernet, применяется отсрочка передачи (backoff) . Каждая станция посылает кадр, и если среда передачи свободна, то все проходит в обычном режиме и станция заканчивает свою работу. Если в процессе передачи возник конфликт, то передача осуществляется вновь, но для уменьшения вероятности конфликта станция ожидает некоторое время, которое называется временем отсрочки передачи. Для определения величины этого времени рационально, чтобы станция во второй раз ожидала несколько больше, чем до времени первого конфликта, а после второй передачи – несколько больше, чем до времени второго конфликта, и т. д.
При показательном законе отсрочки принято, что станция должна ждать интервал времени между 0 и 2N× (максимальное время распространения), где N – число попыток передачи. Другими словами, время ожидания передачи равно:
от 0 до (максимальное время распространения) в первый раз;
от 0 до 2N× (максимальное время распространения) во второй раз и т. д.
Время внутри этого интервала выбирается по случайному закону. Если станция имеет информацию для передачи, устанавливается параметр N. При возникновении конфликта первая из станций, обнаружившая его, посылает другим станциям сигнал о сетевом конфликте (jam signal).
Станции, получившие этот сигнал:
- удаляют полученные кадры;
- увеличивают значение параметра отсрочки.
Значение параметра отсрочки ограничено (обычно числом 15).
В
случае если число попыток не превышено,
станция ожидает случайное время,
основанное на текущем значении параметра
отсрочки передачи. 
На
рис.
1.3
показан пример передачи информации
согласно методу CSMA/CD. Первый канал начал
передачу. Вторая станция в это время
задерживает передачу (предполагается,
что она передавала информацию раньше),
после чего начинает передачу снова.
Первая станция после некоторой паузы
начала передачу, но во время передачи
третья станция тоже начала передачу.
Станции обнаруживают конфликт, прекращают
передачу и возобновляют ее по истечении
случайного времени. В данном примере
случайное время передачи не вызвало
повторного конфликта. Здесь t1,
t3
– случайные паузы после конфликта для
узлов 1 и 3 соответственно, tож
– время ожидания узлом 2 передачи из-за
занятости 1 и 3 соответственно.
При
большой загрузке среды вероятность
повторного конфликта велика (возможно
поступление информации от другой
станции). Поэтому метод CSMA/CD эффективно
работает при удельной нагрузке (занятие
среды в единицу времени) среды 0,3 (30%),
после чего повторение попыток приводит
к резкому ухудшению характеристик сети.
Многостанционный доступ с контролем несущей и устранением конфликта (csma/ca)
Процедура CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) отличается от предыдущей процедуры тем, что пытается избежать конфликтов. Станция перед посылкой информации проверяет, нет ли информации в среде передачи, и после этого ждет интервал безопасности от конфликта (interframe gap) . Если в этот момент не возникнет передача от другой станции, то станция ждет случайное время и захватывает среду. Это предотвращает возможность одновременного занятия, поскольку, если в этот момент две станции проверяют свободна ли среда, то случайное время начала передачи позволяет им разнести передачи по времени. Далее процесс идет согласно обычному алгоритму. Если приемник получает подтверждение в течение заданного времени, то передача проходит успешно. Если подтверждение не получено, станция увеличивает свой параметр задержки и время интервала безопасности.
Организация работы систем сотовой связи
Первая коммерческая сеть GSM была развернута в Германии в 1992 г.
Стандарт GSM-900 состоит из более, чем 100 книг – спецификаций с техническими условиями общим объемом более 5000 страниц, объединенных в 12 серий, от 2 до 30 книг в каждой серии. Ядро стандарта GSM 1800 составляют спецификации GSM. К ним добавлено 14 дополнительных спецификаций, определяющих отличия GSM-1800. В Республике Беларусь налаживается работа систем подвижной связи стандартов GSM-900 и GSM-1800.
Рассмотрим функциональное построение системы GSM, показанное на рис. 2.1. В схему входит центр коммутации подвижной связи MSC (Mobile Switching Centre), оборудование системы базовой станции BSS (Base Station System), центр управления и обслуживания OMC (Operation and Maintenance Centre) и подвижные станции MS (Mobile Stations). Функциональное сопряжение элементов системы осуществляется рядом интерфейсов. Все сетевые функциональные компоненты в GSM взаимодействуют в соответствии с системой сигнализации MKKTT N 7, представляющей собой совокупность сигналов, передаваемых между элементами сети для обеспечения установления и разъединения при обслуживании вызовов, а также для передачи различной служебной информации.
MSC обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений, необходимых для работы подвижной станции, а также маршрутизацию вызовов и функции управления вызовами. На MSC возложены функции коммутации радиоканалов при перемещении подвижной станции из одной зоны в другую и при появлении помех или возникновении неисправностей системы. MSC осуществляет постоянное слежение за подвижными станциями, используя регистры положения (HLR–Home Location Register) и перемещения (VLR–Visitor Location Register). В HLR хранится та часть информации о местоположении какой-либо подвижной станции, которая позволяет MSC доставить вызов станции. Регистр HLR содержит международный идентификационный номер подвижного абонента. Его используют для опознавания подвижной станции в центре аутентификации (AUC – Authentication Centre).
Регистр перемещения VLR обеспечивает контроль за передвижением подвижной станции из одной зоны в другую. Он обеспечивает функционирование подвижной станции за пределами зоны, контролируемой HLR. Когда в процессе перемещения подвижная станция переходит из зоны действия одного контроллера базовой станции BSC (Base Station Controller) в зону действия другого контроллера BSC, ее регистрирует новый контроллер, и в VLR заносится информация о номере области связи, которая обеспечивает доставку вызовов, подвижной станции. Для сохранности данных, находящихся в HLR и VLR, в случае сбоев предусмотрена защита устройств памяти этих регистров. AUC определяет ключи шифрования абонентских станций на основе базы данных, сосредоточенных в регистре идентификации оборудования EIR (Equipment Identification Register).
Практически HLR представляет собой справочную базу данных о постоянно прописанных в сети абонентах. В ней содержатся опознавательные номера и адреса, а также параметры подлинности абонентов, состав услуг связи, специальная информация о маршрутизации. Ведется регистрация данных о роуминге абонента, включая данные о временном идентификационном номере подвижного абонента (TMSI) и соответствующем VLR.
К данным, содержащимся в HLR, имеют дистанционный доступ все MSC и VLR сети и, если в сети имеются несколько HLR, в базе данных содержится только одна запись об абоненте, поэтому каждый HLR представляет собой определенную часть общей базы данных сети об абонентах. Доступ к базе данных об абонентах осуществляется по номеру IMSI или MSISDN (номеру подвижного абонента в сети ISDN). К базе данных могут получить доступ MSC или VLR, относящиеся к другим сетям, в рамках обеспечения межсетевого роуминга абонентов.
Второе основное устройство, обеспечивающее контроль за передвижением подвижной станции из зоны в зону, – регистр перемещения VLR. С его помощью достигается функционирование подвижной станции за пределами зоны, контролируемой HLR. Когда в процессе перемещения подвижная станция переходит из зоны действия одного контроллера базовой станции BSC, объединяющего группу базовых станций, в зону действия другого BSC, она регистрируется новым BSC, и в VLR заносится информация о номере области связи, которая обеспечит доставку вызовов подвижной станции. Для сохранности данных, находящихся в HLR и VLR, в случае сбоев предусмотрена защита устройств памяти этих регистров.
VLR содержит такие же данные, как и HLR, однако эти данные содержатся в VLR только до тех пор, пока абонент находится в зоне, контролируемой VLR. В сети подвижной связи GSM соты группируются в географические зоны (LA), которым присваивается свой идентификационный номер (LAC). Каждый VLR содержит данные об абонентах нескольких LA. Когда подвижный абонент перемещается из одной LA в другую, данные о его местоположении автоматически обновляются в VLR. Если старая и новая LA находятся под управлением различных VLR, то данные на старом VLR стираются после их копирования в новый VLR. Текущий адрес VLR абонента, содержащийся в HLR, также обновляется. VLR обеспечивает также присвоение номера "блуждающей" подвижной станции (MSRN). Когда подвижная станция принимает входящий вызов, VLR выбирает его MSRN и передает его на MSC, который осуществляет маршрутизацию этого вызова к базовым станциям, находящимся рядом с подвижным абонентом.
VLR также распределяет номера передачи управления при передаче соединений от одного MSC к другому. Кроме того, VLR управляет распределением новых TMSI и передает их в HLR. Он также управляет процедурами установления подлинности во время обработки вызова. По решению оператора TMSI может периодически изменяться для усложнения процедуры идентификации абонентов. Доступ к базе данных VLR может обеспечиваться через IMSI, TMSI или MSRN. В целом VLR представляет собой локальную базу данных о подвижном абоненте для той зоны, где находится абонент, что позволяет исключить постоянные запросы в HLR и сократить время на обслуживание вызовов.
Для исключения несанкционированного использования ресурсов системы связи вводятся механизмы аутентификации – удостоверения подлинности абонента. Центр аутентификации состоит из нескольких блоков и формирует ключи и алгоритмы аутентификации. С его помощью проверяются полномочия абонента и осуществляется его доступ к сети связи. AUC принимает решения о параметрах процесса аутентификации и определяет ключи шифрования абонентских станций на основе базы данных, сосредоточенной в регистре идентификации оборудования (EIR – Equipment Identification Register).
Каждый подвижный абонент на время пользования системой связи получает стандартный модуль подлинности абонента (SIM), который содержит: международный идентификационный номер (IMSI), свой индивидуальный ключ аутентификации (Ki), алгоритм аутентификации (A3).
С помощью записанной в SIM информации в результате взаимного обмена данными между подвижной станцией и сетью осуществляется полный цикл аутентификации и разрешается доступ абонента к сети.
Процедура проверки сетью подлинности абонента реализуется следующим образом. Сеть передает случайный номер (RAND) на подвижную станцию. На ней с помощью Ki и алгоритма аутентификации A3 определяется значение отклика (SRES), т.е.
SRES = Ki * [RAND]. (1)
Подвижная станция посылает вычисленное значение SRES в сеть, которая сверяет значение принятого SRES со значением SRES, вычисленным сетью. Если оба значения совпадают, подвижная станция приступает к передаче сообщений. В противном случае связь прерывается, и индикатор подвижной станции показывает, что опознавание не состоялось. Для обеспечения секретности вычисление SRES происходит в рамках SIM. Несекретная информация (например, Ki) не подвергается обработке в модуле SIM.