Информатика в техническом университете / Информатика в техническом университете. Телекоммуникации и сети

4. Технологии глобальных сетей

ничных коммутаторах активизировать по одному элементу LEC для каждой эмулируемой сети (благодаря чему трафики локальных сетей Ethernet не смепшваются в сети ATM).

Для хранения информации о количестве активизированных эмулируемых сетей, а также об АТМ-адресах серверов LES и BUS вводится еще один сер­ вер - сервер конфигурации LECS (LAN Emulation Configuration Server). Этот сервер хранит список имен эмулируемых сетей, а также значения их основных параметров: АТМ-адреса серверов LES и BUS каждой сети, тип сети (напри­ мер, Ethernet или Token Ring), максимальный размер кадра, поддерживаемого этой сетью, и т. п. Поэтому каждый LEC по известному ему АТМ-адресу при инициализации устанавливает соединение с единственным в сети сервером LECS и получает от LECS список всех эмулируемых сетей и их параметров.

На основании полученной информации LEC выбирает эмулируемую сеть, к которой он желает присоединиться и известить об этом LECS. Затем LEC вы­ полняет процедуру присоединения к LES выбранной эмулируемой сети, регист­ рирует там МАС-адреса своих узлов и начинает работать с составной сетью. Протокол взаимодействия клиентской части протокола LANE, а именно LEC, с серверными частями этой спецификации LECS, LES и BUS называется LAN Emulation User-Network Interface (LUNI).

Система LANE обеспечивает эмуляцию сервиса локальных сетей типа Ethernet или Token Ring при передаче данных через сеть ATM и при этом не имеет значения, какой конкретно тип сетевого протокола применяется - для ATM решительно все равно, передается ли через ELAN трафик IP или IPX или AppleTalk или что-то еще. Иначе говоря, вся работа замкнута в рамках одной подсети без участия маршрутизаторов - ведь именно они должны разбираться в конкретных протоколах третьего уровня. При этом каждое оконечное АТМ-устройство может поддерживать более одной ELAN-сети одновремен­ но. Работающие в конкретной схеме сетевые протоколы не будут замечать, что между маршрутизаторами используется ATM.

Таким образом, система LANE позволяет организовывать различные под­ сети (т. е. участки, внутри которых не задействован алгоритм третьего уров­ ня), на границах которых установлены маршрутизаторы, с помощью которых происходит коммутация пакетов от одной подсети к другой, и эти маршрутиза­ торы уже вьшесены из структуры ATM.

Следовательно, для построения разветвленной IP-сети необходимо связать множество ELAN. Сеть ATM в коммутации между ELAN не используется. Сказанное иллюстрирует рис. 4.17, где показан пример построения большой сети на базе топологии ATM. На рис. 4.18 представлено видение этой же IP-сети с точки зрения маршрутизаторов.

На рис. 4.18 не показано, что между подсетями LAN-1 и LAN-4 существу­ ет гораздо более короткий путь, который проходит через узел ATM (см. рис. 4.17), не охваченный системой ЕА>Ш, что является одним из недостатков использования маршрутизаторов.

290

4,4. Технология ATM

Рис. 4.17. Пример построения сети на базе технологии ATM:

S - АТМ-юоммутатор; R - маршрутюатор; WS - рабочая станция

Еще один их существенный недостаток состоит в том, что маршрутизато­ ры являются (наравне с каналами связи) узкими местами в сети, вносящими дополнительные задержки при передаче. Действительно, у каналов связи огра­ ниченная пропускная способность, а у маршрутизаторов - ограниченная произ­ водительность, и при достаточно загруженной сети задержка коммутации бу­ дет весьма ощутимой (значительно большей, чем задержка передачи в случае использования ATM).

LAN.2 LAN-3

Рис. 4.18. Пример построения разветвленной IP-сети

291

4. Технологии глобальных сетей

Оптимизация процедуры выбора маршрутов через сеть ATM

Уменьшить задержку коммутации можно только одним путем - снизить колшхество транзитных маршрутизаторов либо увеличивая число сетей ELAN, повьппая, таким образом, связность сети, либо попытаться обеспечить пере­ дачу пакетов от отправителя до получателя, минуя транзитные маршрутизато­ ры. Именно этот последний способ и реализован в системе МРОА. Суть спо­ соба состоит в оптимизации работы системы LANE, т. е. ускорении передачи данных между ELAN. Кроме оптимизации процедуры выбора маршрутов че­ рез сеть ATM система NffОА оптимизирует пути прохождения кадров данных в одной подсети, т. е. выполняет функцию моста. Таким образом, система LANE действует не только в рамках одной подсети, но и в рамках одного сег­ мента.

Система МРОА работает по архитектуре клиент-сервер, причем существо­ вать она может только на базе LANE, т. е. это абсолютно неразрьшные систе­ мы. Клиент и сервер МРОА расположены чаще всего в разных устройствах, подключенных к сети ATM, и соединены друг с другом через ELAN, т. е. нахо­ дятся в одной подсети.

Главная задача клиента - выявить короткий путь до получателя и устано­ вить с ними АТМ-соединение. Для обеспечения этого он вьшолняет коммута­ цию данных, но никогда не использует протоколы маршрутизации. На стороне отправителя (ingress client) вьшолняется обнаружение потока данных, которые должны быть переданы через LANE к маршрутизатору, где расположен сер­ вер МРОА.

Когда поток данных устанавливается достаточно регулярным, то принима­ ется решение об установлении прямого АТМ-пути непосредственно до полу­ чателя. Начинается процесс установления АТМ-соединения с получателем. Казалось бы чего проще? Но это только на первый взгляд. В самом деле, пред­ ставим себе IP-сеть, некоторые узлы которой связаны через АТМ-структуру (рис 4.19). Пусть от рабочей станции WS-1 исходит поток данных к старщии WS-2. IP-адреса этих станций находятся в сетях, где нет устройств ATM, сле­ довательно, между ними невозможно установить прямое соответствие. Одна­ ко в таблицах маршрутизации маршрутизаторов записано, что для достижения требуемой сети нужно переслать пакет по следующему пути: R1-R2-R3-R4. Маршрутизаторы R2, R3 и R4 объединены через LANE и поэтому пакеты бу­ дут проходить через транзитный маршрутизатор R3. При этом клиенты МРОА (МРС-1, МРС-2) пока еще ничего не знают друг о друге. Когда выяснится, что поток между станциями WS-1 и WS-2 достаточно активный, то начинается процедура выявления короткого пути (shortcut), задачей которой для МРС-1 является обнаружение МРС-2 и установления с ним прямого виртуального ка­ нала. Для выполнения этой задачи и необходима МРОА и все ее компоненты.

Если такой путь возможен, то клиент, инициировавший его установление, занесет сведения о получателе в свою внутреннюю таблицу (ingress cache), установит виртуальное соединение и в дальнейшем будет передавать все пакеты

292

4.4. Технология ATM

Рис. 4Л9. Задача установления прямого пути между клиентами МРОА

внаправлении МРС-2 по нему, минуя маршрутизатор R3. МРС-2 направляет все пакеты, принятые от МРС-1 в свою ЕР-сеть. МРС-1 и МРС-2 расположены

вразных сетях, в разных ELAN и могут бьггь организованы по-разному. В частности, ELAN-1 может работать по протоколам Ethernet, а ELAN-2 ~ по протоколам Token Ring. Следовательно, МРС-2 должен произвести еще и пре­ образование заголовков кадров второго уровня для перехода между этими дву­ мя протоколами. Необходимость такого перехода передается в МРС-2 от сер­ вера MPS, и параметры этого перехода заносятся в его внутреннюю таблицу (egress cache).

МРОА-сервер - MPS перенаправляет информацию сетевого уровня между клиентами. Для этих целей, используется Next Нор Resolution Protocol (NHRP), реализуемый в Next Hop Servers (NHS). Дело в том, что на пути между клиен­ тами может бьггь несколько MPS, т. е. эти серверы объединены в сеть, и необ­ ходимо найти путь в этой сети между сервером-отправителем и серверомполучателем. Кроме того, с помощью MPS определяются параметры необходимьпс преобразований в клиентах на кадровом уровне модели. Таким образом, серверы служат только лишь для организации правильного взаимо­ действия между клиентами и помогают им обнаружить друг друга.

293

4. Технологии глобальных сетей

Спецификация МРОА описывает несколько типов МРОА-устройств.

•Пограничное устройство МРОА (МРОА edge device). Оно состоит из кли­ ента МРОА, клиента LEC и порта связи с местной IP-сетью. Иначе говоря, это устройство позволяет транслировать IP-пакеты из местной подсети в дру­ гую подсеть через МРОА.

•МРОА Host. Это устройство отличается от предьщущего тем, что оно не имеет связи с местной IP подсетью, т. е. это просто рабочая станция, осна­ щенная стеком ATM и имеющая IP адрес.

•Маршрутизатор. Он состоит из клиента LEC, сервера МРОА (MPS), кото­ рый в свою очередь включает еще и Next Нор Server (NHS).

Как видим, во всех устройствах присутствует клиент LEC, причем специ­ фикация допускает подключение МРС и MPS сразу к нескольким клиентам LEC, что дает возможность подвести к одному устройству несколько подсе­ тей. Однако, у одного клиенга LEC не может бьггь более одного МРОА-уст- ройства.

Для взаимодействия всех устройств спецификацией МРОА предусмотрен целый набор служебных потоков, которые нужны, во-первых, для распознава­ ния друг друга, а, во-вторых, для обмена служебной информацией в процессе работы. Так, МРС и MPS обнаруживают друг друга с помощью сервера LECS, т. е. при настройке LANE. Значит, в эту настройку должны быть включены параметры МРОА, конкретно, имена устройств, их типы и АТМ-адреса.

Управляющие потоки между клиентом и сервером используются для уп­ равления внутренними таблицами - Cache Management. Процедуры запросов и ответов позволят клиенту-отправителю (Ingress МРС) устанавливать прямое соединение, а клиенту-получателю (Egress МРС) - получить необходимые па­ раметры для преобразований кадров перед выдачей их в свою подсеть. Кроме того, с помощью служебных потоков клиент-получатель или сервер в случае, если он обнаружил, что содержимое внутренней таблицы перестало соответ­ ствовать реальной ситуации на сети, может послать очищающее сообщение -

Purge message.

Служебные потоки между серверами несут в себе информацию для работы процедуры маршрутизации и протокола NHRP (Next Нор Resolution Protocol), который определяет пути между серверами через сеть ATM. Поток данных между клиентами служит, гаавным образом, для передачи данных по ранее установленному прямому пути, минуя маршругизатор.

4.5. Технология мобильных сетей

Принципы построения цифровых сетей сотовой подвижной связи

Сотовые технологии обеспечивают связь между подвижными абонентами (ячейками) и стационарными серверами по радиоканалу. Поэтому сотовую связь и назьгоают мобильной. Основой развития мобильных сетей являются сото­ вые топологии. Доступ к радиоканалу осуществляется одним из следующих способов:

294

4.5.Технология мобильных сетей

•случайный доступ (метод ALOHA). Применяют только при малых на­ грузках. Его развитием стал метод МДКН/ОС, используемый в локальных сетях;

•технология CDMA. За каждым абонентом закрепляют фиксированную частоту, на которой с помощью временного мультиплексирования вьщеляется фиксированный временный слот (здесь подробно не рассматривается).

•технология TDMA (Time Division Multiple Access). Временное мультиплек­ сирование с вьщелением слота по требованию. Требования отсылают в корот­ кие интервалы времени (слоты запросов), при коллизиях запросы повторяют. Базовая станция выделяет свободные информационные слоты, сообщая их ис­ точнику и получателю.

К настоящему времени разработано три основных стандарта перспектив­ ных цифровых сетей сотовой подвижной связи (ССПС) с макросотовой топо­ логией сетей и радиусом соты, соответствующим максимальной дальности связи

врадиальных системах (около 35 км): общеевропейский стандарт GSM; аме­ риканский стандарт ADC (D-AMPS); японский стандарт JDC. Хотя эти стан­ дарты на цифровые ССПС и отличаются своими характеристиками, они пост­ роены на единых принципах и концепциях, использованных в стандарте GSM, и отвечают требованиям современных информационных технологий (табл. 4.4).

Таблица 4.4. Хара1сгеристи1си стандартов ССПС

295

Американский стандарт ADC (D-AMPS) разрабатывался для отличных от Европы условий: диапазон частот 800 МГц и работа в общей с существующей аналоговой ССПС AMPS полосе частот. В этом случае для щ1фровой ССЦС необходимо было сохранить частотный разнос каналов 30 кГц, используемый в AMPS, и обеспечить одновременную работу абонентских радиостанций как в аналоговом, так и в цифровом режимах. Применение специально разработанного речевого кодека (VSELP), имеющего скорость преобразования речевого сигнала 8 кбит/с, и цифровой дифференциальной квадратурной фазовой манипуляции со сдвигом я/4 позволило в режиме TDMA организовать три речевых канала на одну несущую с разносом канальных частот 30 кГц.

Японский стандарт JDC во многом совпадает с американским. Основное отличие состоит в использовании другого частотного диапазона, дуплексного разноса полос частот приема и передачи - 55 МГц при разносе каналов 25 кГц. Стандарт JDC адаптирован также к диапазону 1500 МГц.

Все рассмотренные стандарты обеспечивают взаимодействие цифровых ССПС с ISDN и PDN и гарантируют высокое качество передаваемых сообщений в режимах открытой или закрыгой (засекреченной) передачи.

Структура уровней в модели OSI применительно к стандарту GSM показана на рис. 4.20.

Принципы построения цифровых ССПС позволили использовать при органи­ зации сотовых сетей новые более эффективные модели повторного использо­ вания частот, чем в аналоговых сетях. В результате, без увеличения общей полосы частот системы связи, значительно возросло число каналов на одну соту (ячейку). В первую очередь, это относится к стандарту GSM. Вид моду­ ляции, способы кодирования и формирования сигналов в каналах связи, приня­ тые в GSM, обеспечивают прием сигналов с отношением сигнал/интерферен­ ция С/1-9 дБ, в то время как в аналоговых системах тот же показатель равен 18 дБ. Поэтому передатчики базовых станций (BTS), работающие на совпада­ ющих частотах, могут находиться на более близких расстояниях без потери высокого качества приема сообщений.

296

Помехоустойчивое кодирование

1j Формирование логических каналов

Модуляция: скачки по частоте и т.д. J

Рис. 4.20. Связь уровней GSM и OSI

Первьвш моделями повторного использования частот, которые применя­ лись в аналоговых ССПС, были модели с круговыми диаграммами направлен­ ности (ДН) антенн BTS. В сетях цифровых ССПС для сот с круговой ДН ан­ тенн применяют модель повторного использования частот, включающую 7 или 9 BTS. На рис. 4.21. представлена модель повторного использования частот для семи BTS. Модель с круговой ДН антенн предполагает передачу сигнала одинаковой мощности по всем направлениям, что для абонентских сташщй эк­ вивалентно приему помех со всех направлений.

Рис. 4.21. Модель повторного использования частот для семи BTS

297

4.Технологии глобальных сетей

^>

Рис. 4.22. Модель повторного использования частот с трехсекторными сотами

Эффективным способом снижения уровня помех является использование секторных антенн. В секторе направленной антенны сигнал излучается в одну сторону, а уровень в противоположном направлении сокращается до миниму­ ма. Разбиение сот на секторы позволяет более часто повторно применять ча­ стоты в сотах. Общеизвестная модель повторного использования частот в раз­ битых на секторы сотах включает три соты и три BTS. В таком случае задействуют три 120-градусные антенны BTS с формированием девяти групп частот (рис. 4.22).

Самую высокую эффективность использования полосы частот, т. е. наи­ большее число абонентов сети в вьзделенной полосе частот, обеспечивает раз­ работанная фирмой Motorola (США) модель повторного использования частот, включающая две BTS. Как следует из схемы, изображенной на рис. 4.23,

Рис. 4.23. Модель повторного использования частот в двух соседних сотах

298

4.5. Технология мобильных сетей

каждую частоту используют дважды в пределах модели, состоящей из четы­ рех BTS. Благодаря этому каждая из четьфех BTS в пределах действия шести 60-градусных антенн может работать на 12 группах частот.

Например, в сети GSM с общей полосой 7,2 МГц (36 частот) модель по­ вторного использования частот двумя BTS позволяет на одной BTS одновре­ менно применять 18 частот (в модели с тремя BTS таких частот 12).

В любой ССПС емкость сетей зависит от числа каналов связи в соте:

дящаяся на один речевой канал (/^ - полоса канала связи; п - число времен­ ных позиций в TDMA-кадре); F /f - число каналов связи; к - коэффициент повторного использования частот.

Всоответствии с определениями ГШ-Т (International Telecommunication Union

-Telecommunications Standardization Sector), сеть GSM предоставляет следую­ щие виды услуг:

•перенос информации (bearer services);

•предоставление связи (teleservices);

•дополнительные услуги (supplementary services).

Кроме того, предоставляются разнообразные услуги передачи данных. Або­ ненты GSM могут осуществлять обмен информацией с абонентами ISDN, обыч­ ных телефонных сетей, сетей с коммутацией пакетов и сетей связи с коммута­ цией каналов, используя различные методы и протоколы доступа, например Х.25. Возможна передача факсимильных сообщений, реализуемых при нали­ чии соответствующего адаптера для факс-аппарата. Уникальной возможнос­ тью GSM, которой не было в старьпс аналоговых системах, является дву­ направленная передача коротких сообщений SMS (Short Message Service) до 160 байт, передаваемых в режиме с промежуточным хранением данных. Ад­ ресату, являющемуся абонентом SMS, может быть послано сообщение, после которого отправителю посылается подтверждение о получении. Короткие со­ общения можно использовать в режиме широковещания, например, длятого, чгобы извещать абонентов об изменении условий дорожного движения в регионе.

Структурная схема и состав оборудования мобильных сетей связи

Функциональное построение и интерфейсы, принятые в стандарте GSM, ил­ люстрирует структурная схема, представленная на рис. 4.24. В схему входит центр коммутации подвижной связи MSC (Mobile Switcliing Centre), оборудова­ ние базовой станции BSS (Base Station System), центр управления и обслужива­ ния ОМС (Operations and Maintenance Centre) и подвижные станции MS (Mobile Stations).

299