Вычислительные машины, сети и системы модели и методы описания вычислительных систем. Учебное пособие
.pdfНеотъемлемыми элементами любой сети являются линии передачи – кабели. Обычно для передачи данных используются кабели «витая пара» и коаксиальный.
Вне зависимости от используемого кабеля для каждой рабочей станции необходимо иметь сетевой адаптер. Сетевой адаптер – это плата, которая вставляется в материнскую плату компьютера. Она имеет два разъема для подключения к сетевому кабелю. Тип соединения: RJ-45 – для витой пары, BNC – для коаксиального кабеля.
2.5. Беспроводные сети
Вычислительная сеть, основанная на беспроводном (без использования в качестве линии передачи данных кабелей) принципе, полностью соответствующая стандартам для обычных проводных сетей, называется беспроводной.
Наиболее популярной является следующая классификация технологий беспроводных сетей: по дальности связи и количеству абонентов, входящих в беспроводную сеть.
1.Персональные беспроводные сети.
2.Беспроводные сенсорные сети.
3.Малые локальные беспроводные сети.
4.Большие локальные беспроводные сети.
5.Глобальные беспроводные сети:
5.1.Мобильная связь поколения 1G.
5.2.Мобильная связь поколения 2G.
5.3.Мобильная связь поколения 2.5G.
5.4.Мобильная связь поколения 3G.
5.5.Мобильная связь поколения 3.5G.
5.6.Мобильная связь поколения 4G.
5.7.Другие глобальные беспроводные сети. 6. Спутниковая связь.
GSM (Global System for Mobile Communications) – один из наи-
более распространенных с 2010 г. стандарт беспроводной цифровой сотовой мобильной связи. Стандарт относится к поколению 2G и обеспечивает разделение каналов по времени и частоте. Передача данных в стандарте возможна в четырех диапазонах частот: 450, 900, 1800, 1900 МГц. Используемый диапазон частот зависит от типа телефона и региона, в котором он применяется. Многие телефоны одновременно поддерживают несколько диапазонов, есть и такие, которые поддерживают все четыре возможных диапазона.
21
GPRS (General Packet Radio Service) – технология пакетной радио-
связи, являющаяся надстройкой над стандартом беспроводной цифровой сотовой мобильной связи GSM (система, которая реализует и поддерживает протокол пакетной передачи информации в рамках сети сотовой связи GSM). При использовании технологии GPRS данные собираются в пакеты и только затем передаются, при этом максимальная теоретическая скорость может достигать 171,2 кбит/с при средней в 50…60 кбит/с, в отличие от GSM-сети, обеспечивающей максимум 14,4 кбит/с. В основном GPRS используется для передачи данных между устройствами в сети GSM и доступа к сети Internet. Для работы в Сети можно использовать компьютер, ноутбук или электронный органайзер. При этом можно просматривать HTMLстраницы, перекачивать файлы, работать с электронной почтой и любыми другими ресурсами Интернета.
Технология GPRS предоставляет немедленный доступ к услугам, без необходимости дозваниваться к интернет-провайдеру. Пользователи GPRS получают доступ к Интернету в полном объеме, как при проводном соединении. Можно работать с WAP-сайтами непосредственно с телефонного аппарата GPRS. Оплачивается только объем посланной/полученной информации, а не эфирное время. До сих пор в сотовых сетях для передачи или приема данных абонентом занимался целый канал на время от установления соединения до его разрыва, которое оплачивалось вне зависимости от его загрузки.
Принципы построения системы GPRS
На структурном уровне систему GPRS можно разделить на 2 части: подсистему базовых станций и ядро сети GPRS (GPRS Core Network). В подсистему базовых станций входят все контроллеры и базовые станции системы GSM, которые поддерживают пакетную передачу данных на программном и аппаратном уровне. Ядро сети GPRS включает в себя совершенно новые сетевые элементы, предназначенные для обработки пакетов данных и обеспечения связи с сетью Интернет.
Основным сетевым элементом является пакетный коммутатор –
SGSN (Serving GPRS Support Node). Данный сетевой элемент берет на себя все функции обработки пакетной информации и преобразования кадров GSM в форматы, используемые протоколами TCp/Ip глобальной компьютерной сети Интернет. Пакетный коммутатор призван разгрузить GSM-коммутатор, обеспечивая обработку пакетной информации, оставляя обычному коммутатору лишь голосовой трафик.
22
Вторым важным сетевым элементом является GPRS-шлюз –
GGSN (Gataway GPRS Support Node). Он обеспечивает связь системы
GPRS с пакетными сетями передачи данных: Internet, Intranet, X.25 и др. GGSN содержит всю необходимую информацию о сетях, куда абоненты GPRS могут получать доступ, а также параметры соединения.
Кроме упомянутых элементов, в GPRS Core входят другие элементы: DNS (Сервер доменных имен), Charging Gateway (Шлюз для связи с системой тарификации), border Gateway (Пограничный шлюз) и другие вспомогательные элементы.
Следует отметить широкие возможности масштабирования системы GPRS. При быстром увеличении количества абонентов, пользующихся услугой пакетной передачи данных, возможно увеличение емкости системы GPRS за счет расширения или установки дополнительных пакетныхкоммутаторов(SGSN).Приувеличениисуммарногообъемаданных, передаваемых абонентами (при несущественном увеличении числа абонентов), возможна установка дополнительных GPRS-шлюзов, которые обеспечат большую суммарную пропускную способность всей системы, а также расширение системы базовых станций. Таким образом, наращивая систему GPRS, оператор сможет обеспечивать высокое качество услуг,основанныхнапакетнойпередачеданных.
Терминальное оборудование GPRS
Для того чтобы использовать возможность передачи данных посредством системы GPRS, требуются специальные терминалы, поддерживающие работу в режиме GPRS.
Стандартами определены 3 класса GPRS терминалов:
–класс А – терминал позволяет осуществлять одновременно голосовое соединение и работу в режиме GPRS;
–класс В (сотовые телефоны) – терминал поддерживает и голосовые соединения, и передачу данных в пакетном режиме (GPRS), но эти режимы используются не одновременно (во время передачи данных через GPRS абонент не может совершать и принимать голосовые звонки и наоборот);
–класс С – терминал обеспечивает только передачу данных в пакетном режиме.
При использовании системы пакетной передачи абонент получает
иотправляет данные с переменной скоростью, которая определяется условиями распространения сигнала и наличием свободных каналов в пределах заданной соты. При этом динамическое выделение кана-
23
лов производится исходя из приоритета голосовых каналов, т.е. система автоматически выделяет под пакетную передачу все каналы, не занятые передачей голоса. Таким образом, реальная скорость приема и передачи будет во многом зависеть от загруженности голосовых каналов в пределах каждой конкретной соты.
2.6. Radio-Ethernet
Радиосистемы, использующие расширение спектра методом прямой последовательности (так называемые Radio-Ethernet), на сегодняшний день уже достаточно хорошо опробованы для связи локальных сетей, удаленных друг от друга на расстояние в десятки километров [6]. Кроме того, эти системы позволяют строить сети типа точка-многоточка, которые описываются и характеризуются как сети микросотовой связи, в которых абоненты имеют фиксированное положение. Беспроводная сеть передачи данных состоит из базовых станций, увязанных между собой в единую инфраструктуру и соединенных с информационным центром – источником информации для потребителей, являющихся абонентами этой сети. Структура сети обеспечивает двунаправленный обмен информацией между абонентом и информационным центром (интернет-провайдером) либо другим абонентом, подключенным к сети. Таким образом, имеется постоянная связь одного либо нескольких офисов с информационным центром либо другим офисом. Структура сохраняется даже при смене местоположения абонента, главное установить связь с сетью, что возможно из любой точки города. Рассмотрим характеристики микросотовой системы связи, использующей оборудование, присутствующее сегодня на рынке и имеющее скорость до 11 Мбит/с. Наиболее распространены сегодня устройства, производимые компаниями Aironet Wireless Technology Inc., Lucent Technologies, BreezeCom. В ряду устройств, позволяющих построить систему передачи данных, есть как радиобриджи – устройства, подключаемые к компьютерам с помощью стандартных сетевых средств, так и радиокарты – предназначенные для использования как платы расширения стандартных персональных компьютеров. При этом система допускает использование в режиме базовых станций только радиобриджи, а в режиме клиента – и радиобриджи, и радиокарты. Базовая станция, как и в системах сотовой связи, устанавливается так, чтобы обеспечивать покрытие определенной зоны обслуживания. При этом применяются различные
24
типы антенн – от простейших штыревых с круговой диаграммой направленности, до сложных систем секторных антенн, позволяющих изменять диаграмму направленности излучения в зависимости от потребностей. Каждый радиобридж, работающий в режиме базовой станции на скорости 2 Мбит/с, позволяет обслуживать 10–15 абонентов, при этом средняя скорость работы каждого из абонентов будет не ниже 64 кбит/с. Увеличение количества абонентов допустимо, но приводит к деградации скоростных характеристик канала. Кроме того, в непосредственной близости на одной крыше без применения специальных технических мер можно устанавливать до трех комплектов сотообразующего оборудования, а с применением этих мер – до шести. Таким образом, количество обслуживаемых абонентов одной базовой станцией может достигать 45 или даже 90. Взаимоувязка базовых станций между собой, а также привязка их к информационным ресурсам – поставщикам информации – может осуществляться самыми различными способами, как традиционными оптоволоконными или проводными, так и радиосредствами. Применение самого быстродействующего оборудования, работающего со скоростью 11 Мбит/с в сочетании с увеличением плотности расположения базовых станций, позволит существенно увеличить количество абонентов и скорость доступа для каждого из них.
Radio-Ethernet – это стандарт организации беспроводных коммуникаций на ограниченной территории в режиме локальной сети, т.е. когда несколько абонентов имеют равноправный доступ к общему каналу передачи информации. Радиоканалы, согласно этому стандарту, могут быть организованы на основе технологий широкополосного сигнала (ШПС) по методу прямой последовательности (DSSS) или частотных скачков (FHSS). Радиомодули, реализующие технологию ШПС (DSSS и FHSS) функционируют в соответствии со стандартом
IEEE 802.11 – Radio-Ethernet в диапазоне частот 2,4 ГГц. В режиме
FHSS весь диапазон 2,4 ГГц используется как одна широкая полоса (с 79 подканалами).
В режиме DSSS этот же диапазон разбит на несколько широких DSSS-каналов, так что до трех таких каналов может использоваться независимо и одновременно на одной территории (дополнительные каналы определены в перехлест с основными тремя, чтобы иметь возможность отстроиться от помех, если они все же возникли). Номинальная скорость каждого канала 2 Мбит/с. В режиме DSSS максимальная скорость передачи данных достигает 11 Мбит/с. В режиме
25
FHSS скорость передачи данных не превышает 4 Мбит/с. Пропускная способность базовых станций может быть повышена в 3–6 раз за счет применения нескольких одновременно работающих устройств.
Метод доступа к общему каналу – коллизионный, но, в отличие от обыкновенного кабельного Ethernet›а, имеется фаза предварительного резервирования канала, так что коллизии между абонентами допускаются только при резервировании (в процессе «соревнования» за занятие канала), а собственно передача данных начинается уже без возможности коллизий. Такой метод называется CSMA/CA(Carrier Sense MultipleAccess/CollisionAvoidance) и описан в стандарте 802.11.
Системы ШПС, или Spread Spectrum (распределенный спектр), первоначально разрабатывались как в США, так и в России, преимущественно для применения в военных целях для обеспечения повышенной защищенности от помех, а также достижения высокого уровня секретности при передаче сообщений. Принцип работы устройств ШПС состоит в «размазывании» радиосигнала в широкой полосе частот с использованием специальных алгоритмов распределения. Генерация ШПС осуществляется с помощью псевдослучайной последовательности (Pseudorandom Number, PN), задающей алгоритм распределения. Каждое приемное устройство для декодирования сообщения должно знать кодирующую последовательность. Устройства, имеющие различные PN, фактически не «слышат» друг друга. Поскольку мощность сигнала распределяется по широкой полосе, он оказывается «спрятанным» в шумах и по своим спектральным характеристикам также напоминает шум в радиоканале. Это обстоятельство и дало название методу – шумоподобные сигналы. В методе FHSS приемник и передатчик синхронно каждые несколько миллисекунд перестраиваются на различные несущие частоты в соответствии с алгоритмом, задаваемым псевдослучайной последовательностью. Лишь приемник, использующий ту же самую последовательность, может принять сообщение. При этом предполагается, что другие системы, работающие в том же частотном диапазоне, используют иную последовательность и поэтому практически не мешают друг другу. Для тех случаев, когда два передатчика пытаются использовать ту же самую частоту одновременно, предусмотрен протокол разрешения столкновений, по которому передатчик делает попытку повторно послать данные на следующей в последовательности частоте. В методе DHSS в передаваемый в радиоканале сигнал вносится значительная
26
избыточность путем передачи каждого бита информации одновременно в нескольких (порядка 10) частотных каналах. Обратное сжатие в приемнике осуществляется с помощью коррелятора, использующего ту же самую кодовую последовательность. После коррелятора сигнал может быть подвергнут дополнительной узкополосной фильтрации, улучшающей отстройку от мешающих передатчиков. С повышением избыточности кодирования увеличивается соотношение сигнал/шум.
Сравнивая методы широкополосной передачи, можно увидеть, что каждый имеет свои сильные и слабые стороны. Метод DSSS позволяет достигать значительно большей производительности (до 11 Мбит/с) и, кроме того, обеспечивают большую устойчивость к узкополосным помехам (поскольку выбором поддиапазона для передачи часто удается отстроиться от помех) и большую дальность связи. Оборудование DSSS несколько сложнее и дороже FHSS. Продукция для FHSS выпускается значительно большим количеством компаний, она проще и дешевле, однако и пропускная способность ее ниже. Еще одно достоинство FHSS-устройств состоит в том, что они, в отличие от DSSS, могут сохранять работоспособность в условиях широкополосных помех – например, создаваемых DSSS-передатчиками; но это оборачивается тем, что сами они мешают обычным узкополосным устройствам. Сравнивая эти два метода, можно видеть, что вариант со скачками по частоте в общем случае обеспечивает лучшую избирательность по соседнему каналу. DSSS-сигнал имеет меньшую мощность на заданной частоте, чем более узкополосный FHSS-сигнал. Потенциально более низкое соотношение сигнал-шум в методе DSSS компенсируется высоким усилением в канале обработки сигнала. Системы с прямой последовательностью в состоянии принимать и осуществлять корреляционную обработку сигнала с мощностью ниже среднего уровня шумов в канале.
Преимущества радиооборудования, выполненного по технологии
Spread Spectrum, очевидны:
–высокая скорость передачи информации – до 11 Мбит/c на одно устройство;
–малая интегральная мощность, обеспечивающая санитарную безопасность и малые помехи для других пользователей эфира;
–высокая помехоустойчивость, обусловленная избыточностью данных в радиоканале;
–качество связи, практически не зависящее от погодных условий;
27
–возможность работы нескольких сетей в одной полосе частот с малым влиянием одной на другую;
–высокая конфиденциальность передачи данных.
Во всем мире стремительно растет потребность в беспроводных соединениях, особенно в сфере бизнеса. Пользователи с беспроводным доступом к информации всегда и везде могут работать гораздо более производительно и эффективно, чем их коллеги, привязанные к проводным телефонным и компьютерным сетям.
Обычно беспроводные сетевые технологии группируются в три типа, различающиеся по масштабу действия их радиосистем, но все они с успехом применяются в бизнесе.
PAN (персональные сети) – короткодействующие, радиусом до 10 м сети, которые связывают ПК и другие устройства – КПК, мобильные телефоны, принтеры и т.п. С помощью таких сетей реализуется простая синхронизация данных, устраняются проблемы с обилием кабелей в офисах, реализуется простой обмен информацией в небольших рабочих группах. Наиболее перспективный стандарт для
PAN – это Bluetooth.
WLAN (беспроводные локальные сети) действуют в радиусе до 100 м. С их помощью реализуется беспроводной доступ к групповым ресурсам в здании, университетском кампусе и т. п. Обычно такие сети используются для продолжения проводных корпоративных локальных сетей. В небольших компаниях WLAN могут полностью заменить про- водныесоединения.ОсновнойстандартдляWLAN–802.11.
WWAN (беспроводные сети широкого действия) – беспроводная связь, которая обеспечивает мобильным пользователям доступ к их корпоративным сетям и Интернету. Пока здесь нет доминирующего стандарта, но наиболее активно внедряется технология GPRS – быстрее всего в Европе и с некоторым отставанием в США.
На современном этапе развития сетевых технологий, технология беспроводных сетей Wi-Fi является наиболее удобной в условиях, требующих мобильность, простоту установки и использования. Wi-Fi (от англ. wireless fidelity – беспроводная связь) – стандарт широкополосной беспроводной связи семейства 802.11, разработанный в г. Как правило, технология Wi-Fi используется для организации беспроводных локальных компьютерных сетей, а также создания так называемых горячих точек высокоскоростного доступа в Интернет.
Беспроводные ЛВС – самый динамичный сектор коммуникационных технологий.
28
2.7. Архитектура, компоненты сети и стандарты
Стандарт RadioEthernet IEEE 802.11 – это стандарт организации беспроводных коммуникаций на ограниченной территории в режиме локальной сети, т.е. когда несколько абонентов имеют равноправный доступ к общему каналу передач. IEEE 802.11 – первый промышленный стандарт для беспроводных локальных сетей (Wireless LocalArea Networks ), или WLAN. Стандарт был разработан Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), 802.11 может быть сравнен со стан-
дартом 802.3 для обычных проводных Ethernet-сетей.
Стандарт RadioEthernet IEEE 802.11 определяет порядок организации беспроводных сетей на уровне управления доступом к среде (MAC-уровне) и физическом (PHY) уровне. В стандарте определен один вариант MAC (Medium Access Control) уровня и три типа физических каналов.
Подобно проводному соединению, Ethernet IEEE 802.11 определяет протокол использования единой среды передачи, получивший название carrier sense multiple access collision avoidance (CSMA/CA).
Вероятность коллизий беспроводных узлов минимизируется путем предварительной посылки короткого сообщения, называемого ready to send (RTS), оно информирует другие узлы о продолжительности предстоящей передачи и адресате. Это позволяет другим узлам задержать передачу на время, равное объявленной длительности сообщения. Приемная станция должна ответить на RTS посылкой сообщения, называемого clear to send (CTS). Это позволяет передающему узлу узнать, свободна ли среда и готов ли приемный узел к приему. После получения пакета данных приемный узел должен передать подтверждение (ACK) факта безошибочного приема. Если ACK не получено, попытка передачи пакета данных будет повторена.
Встандарте предусмотрено обеспечение безопасности данных, которое включает аутентификацию для проверки того, что узел, входящий в сеть, авторизован в ней, а также шифрование для защиты от подслушивания.
На физическом уровне стандарт предусматривает два типа радиоканалов и один тип инфракрасного диапазона.
Воснову стандарта 802.11 положена сотовая архитектура. Сеть может состоять из одной или нескольких ячеек (сот). Каждая сота управляется базовой станцией, называемой точкой доступа (Access Point, AP). Точка доступа и находящиеся в пределах радиуса ее дей-
29
ствия рабочие станции образуют базовую зону обслуживания (Basic Service Set, BSS). Точки доступа многосотовой сети взаимодействуют между собой через распределительную систему (Distribution System, DS), представляющую собой эквивалент магистрального сегмента кабельных ЛС. Вся инфраструктура, включающая точки доступа и распределительную систему, образует расширенную зону обслуживания (Extended Service Set). Стандартом предусмотрен также односотовый вариант беспроводной сети, который может быть реализован и без точки доступа, при этом часть ее функций выполняется непосредственно рабочими станциями.
В настоящее время существует множество стандартов семейства
IEEE 802.11:
1.802.11 – первоначальный основополагающий стандарт. Поддерживает передачу данных по радиоканалу со скоростями 1 и 2 (опционально) Мбит/с.
2.802.11a – высокоскоростной стандарт WLAN. Поддерживает передачу данных со скоростями до 54 Мбит/с по радиоканалу в диапазоне около 5 ГГц.
3.802.11b – самый распространенный стандарт. Поддерживает передачу данных со скоростями до 11 Мбит/с по радиоканалу в диапазоне около 2,4 ГГц.
4.802.11c – стандарт, регламентирующий работу беспроводных мостов. Данная спецификация используется производителями беспроводных устройств при разработке точек доступа.
5.802.11d – стандарт определяет требования к физическим параметрам каналов (мощность излучения и диапазоны частот) и устройств беспроводных сетей в целях обеспечения их соответствия законодательным нормам различных стран.
6.802.11e – создание данного стандарта связано с использованием средств мультимедиа. Он определяет механизм назначения приоритетов разным видам трафика, таким как аудио- и видеоприложения, а также требование качества запроса, необходимое для всех радиоинтерфейсов IEEE WLAN.
7.802.11f – данный стандарт, связанный с аутентификацией, определяет механизм взаимодействия точек связи между собой при перемещении клиента между сегментами сети и описывает порядок связи между равнозначными точками доступа. Другое название стандарта – Inter AccessPointProtocol.
30