Реферат Цифровая система подвижной радиосвязи стандарта GPRS
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
Цифровая система подвижной радиосвязи стандарта
GPRS.
Технология построения; коммутация каналов и коммутация пакетов. Принципы передачи данных в пакетных сетях: стек протоколов
TCP/
IP;
IP-адресация; маршрутизация дейтаграмм.
Архитектура сети
GPRS. Интерфейсы сети
GPRS, радиоинтерфейс сети; физические и логические каналы в сети
GPRS; передача пакетных данных по радиоинтерфейсу; шифрование в сети
GPRS.
Услуги и качество обслуживания в сети
GPRS (услуги и их безопасность, сбор данных о соединении, качество обслуживания).
Управление трафиком в сети
GPRS: подключение и отключение в сети; данные об абоненте; переопределение местоположения; управление сеансом.
Гл
а
в
а
13
ТЕХНОЛОГИЯ
ПОСТРОЕНИЯ
СЕТИ
GPRS
13.1.
Общее
представление
В традиционной сети GSM возможна передача данных со скоростью 9,6 Кбит/с при использовании режима коммутации каналов. Указанное значение можно существенно увеличить, применив технологию высокоскоростной передачи данных по коммутируемым каналам, т.е. выделения одному абоненту на несущей частоте нескольких слотов. Так, при выделении четырех слотов скорость передачи может составлять до 48 Кбит/с. К достоинствам такой технологии относятся высокая и постоянная скорость и малая задержка, гарантирующие передачу информации в реальном времени.
В то же время даже при использовании технологии высокоскоростной передачи данных с коммутацией каналов (HSCSD) на время всего сеанса связи между абонентами организуется дуплексный канал, который находится в исключительном пользовании данной пары абонентов независимо от его реальной загруженности. Так как многие приложения (электронная почта, факс, работа в сети Интернет) характеризуются неравномерным трафиком, передача данных на основе коммутации каналов может оказаться неэффективной с точки зрения использования сетевых ресурсов.
Для повышения эффективности передачи данных в сетях GSM Европейским институтом стандартов в области телекоммуникаций (ETSI — European Telecommunications Standards Institute) была осуществлена модернизация стандарта GSM, позволившая организовать услугу передачи данных на базе пакетной коммутации. В рамках такой технологии действующую сеть необходимо подвергнуть некоторому видоизменению: развернуть принципиально новые узлы, изменить некоторое оборудование, инсталлировать дополнительное программное обеспечение. Фактически при этом параллельно действующей сети создается новая сеть, тесно связанная со старой и использующая общие с ней ресурсы. Рассмотрим принципы построения и функционирования сети GPRS [4, 6].
13.2.
Коммутация
каналов
и
коммутация
пакетов
В основу реализации традиционной сети GSM положен принцип коммутации каналов, т.е. при каждом сеансе связи сетевые ресурсы в полном объеме предоставляются абонентам на весь период соединения. Такой подход обеспечивает относительно малые задержки сигналов и обычно используется в мобильных и стационарных сетях для передачи речевых сообщений.
Однако, как уже говорилось, существует класс сетей передачи данных с использованием принципа коммутации пакетов, при котором передаваемая информация делится на отдельные части — пакеты, содержащие наряду с информационной частью адрес (идентификатор) назначения, позволяющий специальным сетевым устройствам — маршрутизаторам — передавать пакет по сети, а также во внешние сети.
Разницу рассматриваемых принципов коммутации иллюстрирует рис. 13.1.
С исторической точки зрения пакетная сеть GPRS является развитием существующих сетей с канальной коммутацией, так как позволяет организовать обмен данными непосредственно от мобильного абонента.
В то же время в такой сети обеспечивается доступ к сетям передачи данных, работающим по стандартным сетевым протоколам, например протоколам Х.25 корпоративных сетей или Интернет-протоколам.
Пакеты информации от различных абонентов объединяются (мультиплексируются) маршрутизатором в укрупненные блоки, передача которых далее осуществляется по отдельным участкам сети в определенной последовательности. Например, после передачи пакета данных от одного абонента радиоканал может быть предоставлен другому абоненту. Таким образом, пакеты данных проходят практически через все элементы сети GPRS, а также, возможно, через ряд подсетей.
Несмотря на то что передача информации при GPRS осуществляется дискретным образом, у абонентов создается впечатле-
ние прямого физического соединения, называемого в этом случае виртуальным. Однако в этих сетях все же возможны различные задержки, поэтому между сетевым оператором и потребителем должны быть оговорены условия по качеству предоставляемых услуг.
Скорость передачи информации в сетях с пакетной коммутацией не является фиксированной, как это имеет место в сетях с коммутацией каналов, а может изменяться в зависимости от текущего состояния сети и потребности абонентов. Стандарт GPRs предусматривает широкий диапазон скоростей передачи данных-от 100 бит/с до 100 Кбит/с, но в любом случае выбор конкретного значения осуществляется как компромисс между скоростью передачи и зоной покрытия.
Сравнивая возможности передачи данных в традиционной сети GSM и сети GSM/GPRS, следует, прежде всего, заметить меньшие требования последних к ограничению зоны охвата и допустимому количеству ошибок. Напомним, что в сети GSM передача данных возможна с максимальной скоростью 14,4 Кбит/с однако такая услуга обеспечивается за счет снижения корректирующей способности помехоустойчивого кодирования, а следовательно, уменьшения зоны охвата. В то же время в сети GPRS за счет выделения всех восьми слотов достигается скорость передачи 171,2 Кбит/с. При этом, если приложение от одного пользователя занимает менее одного слота, возможно объединение в одном слоте нескольких таких приложений от разных пользователей, что еще больше увеличивает эффективность использования сетевых ресурсов.
13.3.
Сеть
GPRS
как
путь
к
системам
третьего
поколения
В настоящее время в мире насчитывается более 1,5 млрд. мобильных абонентов и более 300 млн. пользователей сети Интернет, и можно утверждать, что доступная мобильная связь и доступ к глобальной информационной сети являются основной тенденцией современного общества.
Несмотря на потенциальные преимущества перспективных стандартов систем множественного доступа с кодовым разделением стандарт GSM фактически является лидером систем мобильной связи во всем мире (используется примерно 2/3 от общего числа мобильных абонентов), и эта ситуация будет сохраняться по меньшей мере еще одно десятилетие. Исходя из этого естественными выглядят усилия по его модернизации и вовлечению в создаваемую концепцию универсальной системы мобильной связи — УСМС (UMTS).
Вовлечение сети GSM в концепцию yMTS предполагает наличие в первой нескольких необходимых составляющих, в число которых входят (рис. 13.2): I
•
высокоскоростная передача дан-jpjx со скоростями до 57,6 Кбит/с в сетях GSM при коммутации каналов;
• передача данных со скоростями до 171,2 Кбит/с в сетях GPRS при коммутации пакетов;
• повышенная (до 384 Кбит/с) скорость передачи данных (EDGE — Enhanced Data Rate for GSM Evolution);
• универсальная система мобильной связи, реализующая скорости передачи данных до 384 Кбит/с на большие расстояния и до 2 Мбит/с на малые расстояния.
Высокоскоростная передача данных с коммутацией каналов HSCSD, являющаяся первым этапом на пути продвижения GSM в UMTS, предусматривает объединение нескольких слотов для передачи информации от каждого пользователя. При этом добавление каждого слота увеличивает скорость передачи данных до 9,6 или 14,4 Кбит/с, а объединение четырех слотов позволяет достичь скорости передачи 38,4 или 57,6 Кбит/с.
Для того чтобы добиться приближения характеристик мобильных сетей к характеристикам стационарных сетей, необходимо прежде всего обеспечить в них сравнимые скорости передачи данных. Среди большого количества сетей передачи данных ориентиром является сеть, обеспечивающая скорость передачи 64 Кбит/с, и именно технология HSCSD позволяет осуществить такое приближение.
Следующим шагом на пути эволюции от GSM к UMTS является технология GPRS, позволяющая достигать скоростей передачи Данных до 171,2 Кбит/с. При этом необходимые дополнительные сетевые элементы, обеспечивающие, в первую очередь, доступ Данных к сетям Интернет/Интранет, устанавливаются параллельно существующим функциональным узлам сети GSM (рис. 13.3).
Как уже говорилось, GPRS позволяет эффективно использовать ресурсы, обеспечивая их гибкое разделение между пользователями. Так, ресурсы радиоканала оказываются задействованными только в момент непосредственной передачи информации, даже если абоненты соединены постоянно. При этом установление соединения происходит практически мгновенно, а пользователи Реально находятся в режиме передачи данных промежуток времени, меньший, чем время соединения.
| |
Сравнив технологии HSCSD и GPRS, можно сказать, что первая — обеспечивает гарантированные скорость и задержку передачи сообщений и, следовательно, идеально подходит для передачи услуг в реальном времени, например для передачи малокадрового видеосигнала. Кроме того, использование этой технологии не требует от оператора больших дополнительных вложений для модернизации сложившейся структуры сети.
Технология же GPRS больше подходит для услуг динамичного характера, например таких, как телеметрия или телеуправление. Для обеспечения подобных услуг необходима установка дополнительного оборудования, что требует существенных финансовых и организационных затрат. К тому же для некоторых из существующих функциональных узлов традиционной сети GSM потребуется частичная или полная модернизация программно-аппаратного обеспечения.
На смену GPRS должна прийти технология, обеспечивающая повышенную скорость передачи данных, т. е. позволяющая достигать значений до 384 Кбит/с. Достижение указанной скорости передачи данных возможно за счет использования более эффективной многопозиционной схемы модуляции ФМ-8 (PSK — Phase Shift Keying), т.е. фазовой манипуляции с восемью возможными значениями начальной фазы высокочастотного колебания. (Напомним, что в традиционной GSM используется ГММС — гауссовская модуляция с минимальным сдвигом частоты.) Несмотря на то что использование ФМ-8 приводит к некоторому снижению помехоустойчивости приема, а следовательно, к сокращению зоны покрытия, этот метод тем не менее более предпочтителен из-за обеспечения существенно более высокой скорости передачи.
Наконец, вершиной эволюции GSM является концепция универсальной системы мобильной связи, реализуемой по принципу множественного доступа с широкополосным кодовым разделением (WCDMA — Wideband Code Division Multiple Access), обуславливающим достижение скорости передачи данных до 2 Мбит/с.
правда, на небольшие расстояния1. Такая концепция реализует целый ряд услуг, включая передачу речи, видео, Интернет/Интернет-трафик, высокоскоростную передачу данных и др.
В UMTS должен использоваться новый радиоинтерфейс, а также новые сетевые компоненты, и главная задача заключается в их объединении модульным способом с существующими функциональными узлами. Такой подход способен обеспечить операторам плавный переход к данной концепции, при котором основной «пор делается на уже существующую сетевую инфраструктуру.
13.4.
Требования
к
обеспечению
услуг
Как уже отмечалось, в ситуациях, когда неуклонно растет и речевой трафик, и требования к повышению степени мобильности абонентов, сетевые операторы вынуждены искать новые способы поддержания своей конкурентоспособности. Эти способы включают в себя не только проведение гибкой ценовой политики, но и в большей степени предоставление новых видов услуг. При этом возможность разделения сетевых ресурсов между различными группами пользователей должна привлекать все большее число абонентов.
Оценивая выгоды от введения GPRS и предоставления новых услуг, следует разграничивать взгляды на эту проблему как поставщиков услуг, так и пользователей.
Преимущества для пользователей. Поскольку сегодня Интернет прочно вошел в повседневную жизнь, то возможность объединения глобальной информационной сети и наиболее распространенной сети мобильной связи выглядит весьма перспективной. При этом пользователям предоставляется возможность получения немедленного доступа к данным подобно тому, как если бы они работали в локальной сети одного офиса. Абонентам не приходится устанавливать соединение всякий раз, когда возникает необходимость в передаче. Более того, плата за соединение вообще не взимается, и стоимость передачи данных зависит лишь от их объема. Наконец, благодаря высокой скорости передачи данных становится возможным предоставление новых привлекательных услуг, а также передача файлов больших объемов.
Преимущества для операторов. Введение новых услуг приводит К увеличению прибыли для операторов, зависящей как от объема Передаваемых данных, так и от качества передачи. В настоящий Момент сеть Интернет превратилась в интерактивную мультиме-
F' Концепция UMTS предполагает использование принципов WCDMA только в городских зонах; обслуживание сельских зон будет, по всей вероятности, базироваться на принципах GSM/GPRS/EDGE
дийную среду, объединяющую десятки миллионов людей, которые могут подключаться к ней, находясь как дома, так и на работе, и уже сегодня сетевые операторы в большой степени обеспечивают передачу не только речи, но и различных данных. Более того, использование GPRS может оказаться весьма полезным и в отношении речевого трафика, особенно в часы наибольшей нагрузки.
Анализ изложенных преимуществ показывает неизбежную необходимость введения оператором услуг GPRS. Возможная отсрочка этого процесса объясняется либо значительным лидерством по отношению к другим операторам, функционирующим на данной территории, либо потерей в конкурентной борьбе наиболее выгодных ниш, что делает бесперспективным дополнительные финансовые вложения в модернизацию сети.
В отличие от традиционной GSM доступ в GPRS может осуществляться либо стандартно, либо с дополнительными услугами, которые могут обеспечивать оператора дополнительными доходами.
Среди таких услуг главными являются следующие:
• функции интернет-провайдера, т.е. доступ в Интернет, поддержка домашних страниц, организация новостных групп и др.;
• функции главного поставщика дополнительных услуг;
• функции посредника по обеспечению беспроводного доступа к дополнительным услугам.
Заметим, что обеспечение деловым людям доступа к глобальным и корпоративным сетям на первых порах развития GPRS обычно составляет основную часть прибыли, однако в дальнейшем, с ростом сети и уменьшением стоимости мобильных разговоров, как правило, происходит перераспределение доходов в сторону таких услуг, как игры, лотереи, биржевая информация и т. п.
Когда сетевой оператор предлагает себя в качестве поставщика услуг, одной из наиболее важных для него проблем является определение степени самостоятельности, т. е. того, какая часть услуг будет предоставлена им самим, а какая часть — посредниками. Если, например, оператор работает как обычный интернет-провайдер, то это ставит его в жесткие рамки при решении вопросов по изменению цен, скорости, доступности и др. В этом случае даже при низких ценах на услуги возможности увеличения прибыли оператора ограничены. Однако такой способ гарантирует оператору минимальный риск.
Если же оператор работает как универсальный провайдер, это обеспечивает ему возможность самостоятельно предлагать свои услуги абонентам. В этом случае он может как разграничивать новых пользователей и соответствующую прибыль на отдельные подгруппы, так и проводить отдельную политику для индивидуальных пользователей. Несмотря на то что этот путь открывает существенно (большие возможности по увеличению прибыли, он тем не менее значительно более рискованный, поскольку связан с большими денежными вложениями и привлечением новых специалистов.
13.5.
Тарификация
в
сети
GPRS
При использовании абонентом определенных услуг и приложений оператору для составления абонентского счета необходимо иметь определенную информацию от различных элементов сети. В GPRS такая информация формируется в двух функциональных элементах: обслуживающем узле и GPRS-шлюзе. Шлюз системы тарификации, получив эту информацию, обрабатывает ее и транслирует в подсистему выписки счетов. Например, фиксированию подлежит объем передаваемой информации или число коротких сообщений, переданных через сеть GPRS.
Если сетевой оператор выступает как интернет-провайдер, то фиксируемая информация ограничивается лишь объемом переданных данных. Если же оператор выступает в качестве универсального провайдера, необходимо формировать подробные отчеты, содержащие учетные данные об использовании основных и дополнительных услуг.
Следует обратить внимание на то, что сбор и фиксирование информации в сети GPRS значительно сложнее, чем в традиционной сети GSM. Кратко перечислим позиции, в соответствии с которыми может происходить тарификация информации:
• общая тарифная ставка (стандартный доступ в Интернет);
• диапазон скоростей передачи речи и данных;
• скорость обслуживания в режиме реального времени;
• точка доступа (Интернет, Интранет);
• требуемое качество обслуживания;
• безопасность доступа, секретность передаваемой информации;
• наличие объединенной службы сообщений (электронной почты, коротких сообщений, голосовой почты, факса);
• дополнительные услуги (доступ к банковскому счету, электронные покупка и оплата, развлечения);
• рекламирование.
Учитывая изложенное, можно заключить, что в сетях GPRS Имеются большие возможности по дифференцируемому обслуживанию абонента.
Некоторые из предоставляемых услуг, связанные с четко разделяемыми этапами (запросом, предоставлением отдельного файлы, могут автоматически генерировать учетные записи. Другие Услуги (например, электронная почта) требуют наличия внешних Механизмов, отслеживающих объемы передаваемой информации
| |
Сбор и объединение учетных записей могут осуществляться различными методами, выбор которых возлагается на оператора. На рис. 13.4 приведена схема составления счета за оказанные услуги.
Контрольные вопросы
1. В чем различие между коммутацией пакетов и коммутацией каналов?
2. Что такое виртуальное соединение?
3. Опишите эволюцию сотовых сетей мобильной связи к системам третьего поколения.
4. Каковы преимущества сети HSCSD по сравнению с сетью GPRS?
5. Каковы принципы тарификации в GPRS и в чем состоит их отличие от тарификации в традиционной GPRS?
7. Прикладной уровень | Верхний уровень |
| 6. Уровень представления | |
| 5. Сеансовый уровень | |
| 4. Транспортный уровень | Нижний уровень |
| 3. Сетевой уровень | |
| 2. Канальный уровень | |
| 1. Физический уровень |
Глава 14
ПРИНЦИПЫ
ОРГАНИЗАЦИИ
ПЕРЕДАЧИ
ДАННЫХ В
ПАКЕТНЫХ
СЕТЯХ
14.1.
Эталонная
модель
взаимодействия открытых
систем
Организация передачи информации в пакетных сетях существенно отличается от принципов передачи информации в сетях с коммутацией каналов. При разбиении исходной информации на отдельные блоки и последующей их пересылке необходимо предусмотреть механизмы, обеспечивающие безошибочное прохождение этих блоков внутри сети и вне ее. Наличие большого числа удаленных друг от друга абонентов или терминалов предполагает адресацию промежуточных и оконечных устройств и эффективную маршрутизацию пакетов данных по мере их доставки от источника к получателю.
Рассмотрим коротко основные принципы передачи информации в пакетных сетях, построенных на основе эталонной модели взаимодействия открытых систем.
В
Эталонная модель предполагает структуру (рис. 14.1), в которой все процессы разнесены на семь взаимоподчиненных уровней.
При этом уровень с меньшим номером предоставляет услуги смежному с ним верхнему уровню, используя для этого услуги смежного с ним нижнего уровня. Следовательно, самый верхний седьмой уровень только потребляет услуги, а самый нижний первый - только предоставляет их.
Задачей всех уровней в конечном счете является обеспечение прикладных процессов, т.е. процессов, связанных с вводом, хранением, обработкой и выдачей информации пользователям. Однако наряду с прикладными процессами существует значительное число различных процессов поддержки, организация которых связана с наличием соответствующих протоколов. Все протоколы принято условно подразделять на две категории: протоколы верхнего уровня (с 5-го по 7-й) и протоколы нижнего уровня (с 1-го по 4-й).
Наивысшим является прикладной (пользовательский) уровень, определяющий смысловое содержание информации, которой обмениваются открытые системы при совместном решении поставленной задачи.
Шестой уровень называется уровнем представления, т.е. он определяет формат представления сетевой информации, поскольку сеть может объединять различные оконечные терминалы. Заметим, что в гипотетическом случае полностью однородной среды надобность в таком уровне отпадает.
Основным назначением пятого — сеансового — уровня является организация способов взаимодействия между прикладными процессами: их соединения, поддержки совместной работы и разъединения.
Главная задача протоколов нижнего уровня состоит в быстром и надежном перемещении необходимой для передачи информации, поэтому их часто называют протоколами транспортной сети. Вход в транспортную сеть осуществляется через так называемый порт, которым обеспечен каждый процесс, и перед входом в транспортную сеть пользовательская информация получает заголовок того процесса, который ее породил.
Четвертый — транспортный — уровень служит для обеспечения пересылки сообщений между двумя взаимодействующими системами с использованием более низких уровней. Конкретно данный уровень принимает от вышестоящего уровня некоторый блок данных и обеспечивает его транспортировку через сеть к удаленному пользователю.
Следует подчеркнуть, что в задачи уровней, находящихся выше транспортного, не входит знание структуры сети, т.е. им известны лишь удаленные пользователи (или системы), с которыми они взаимодействуют.
В задачи третьего — сетевого — уровня входят маршрутизация сообщений, организация транспортных каналов и управление
информационными потоками, а также учет предоставленных услуг.
Второй — канальный — уровень представляет собой организованный на основе физического соединения комплекс методов и Процедур управления каналом передачи данных (например, установление соединения, его поддержка и разъединение, обнаружение и исправление ошибок).
Наконец, первый — физический — уровень обеспечивает непосредственную связь с физической средой передачи информации. Он определяет правила передачи сообщений через физическую среду (частотный диапазон, используемые сигналы, методы модуляции), а также механические и электрические характеристики сетевых устройств.
Приведенная семиуровневая модель является традиционной при описании взаимодействия открытых систем. Тем не менее спустя некоторое время после появления и успешного использования данной модели в США в Институте инженеров по электротехнике и электронике (IEEE — Institute of Electrical and Electronics Engineers) была разработана ее модификация. Суть этой модификации заключалась в том, что канальный уровень подразделялся на два подуровня: управления логическим каналом и доступа к среде.
Уровень управления логическим каналом (LCC — Logical Link Control) отвечает за достоверную передачу кадров между абонентами (терминалами), а также реализует взаимодействие с сетевым уровнем.
Главной функцией уровня доступа к среде (MAC — Media Access Control) является, как это следует из его названия, обеспечение доступа к каналу. Кроме того, на этом уровне производится согласование режимов работы физического и канального уровней.
14.2.
Стек
протоколов
TCP/IP
В настоящее время не ослабевает рост интенсивности потоков Пользовательской информации, а следовательно, и эффективности ее обработки. Глобальная сеть Интернет изменила способ представления информации, собрав на своих серверах все ее виды: [текст, звук, графику, видео.
Фактически создание любой локальной сети тем или иным способом затрагивает необходимость обращения к ресурсам Интернет, т.е. приводит к необходимости регулирования процессов Межсетевого взаимодействия. Для поддержки таких процессов было [Создано семейство протоколов, которое в дальнейшем было нарвано стеком протоколов (TCP/IP — Transmission Control Protocol/Intemet Protocol)1. Основными задачами этого семейства протоколов являются следующие:
• распознавание сбоев в сети и восстановление ее работоспособности;
• распределение ресурсов сети между отдельными пользователями и уменьшение потоков данных при ее перегрузке;
• отслеживание задержки и потери пакетов;
• определение ошибок в переданных сообщениях и использование методов коррекции;
• обеспечение упорядоченного движения пакетов в сети.
Протоколы TCP/IP обеспечивают пользователям два основных преимущества.
1, Дейтаграммный механизм доставки пакетов. Маршрут передачи небольшой части сообщения (пакета) определяется на основа
нии адресной информации, входящей в его состав, а доставка
отдельных частей осуществляется независимо друг от друга по раз
личным маршрутам. Такой тип доставки делает протоколы TCP/IP
легко адаптируемыми к широкому диапазону сетевого оборудования.
2.
Надежные транспортные потоки. Большинство приложений
требует от программного обеспечения автоматического восстановления ошибок, возникающих в процессе передачи. Надежные транспортные потоки позволяют устанавливать логическое соединение между приложениями, а затем посылать по этому соединению большие объемы данных.
Колоссальный рост сети Интернет и желание абонентов пользоваться услугами глобальной сети способствовали непрерывному и упорядоченному развитию протоколов TCP/IP. Координационный совет сети Интернет (IAB — Internet Activities Board) разработал серию документов RFC (Requests For Comments), описывающих сетевые услуги и их реализацию, в том числе стандарты TCP/IP. При этом следует иметь в виду, что протоколы TCP/IP всегда публикуются в виде документов RFC, но не все документы RFC определяют стандарты протоколов.
1 История создания TCP/IP началась с момента, когда Министерство обороны США столкнулось с проблемой объединения большого числа компьютеров с различными операционными системами. Для этого в
В
Содержание документов RFC подразделяется на две части:
• состояние стандартизации: стандарт утвержден, стандарт предложен к рассмотрению, предложен экспериментальный протокол, протокол устарел и в настоящее время не используется;
• статус протокола: требуется для внедрения, рекомендуется для внедрения, может внедряться производителем по выбору, не рекомендуется к внедрению.
Стек TCP/IP был разработан до появления модели ВОС, поэтому соответствие его уровней (рис. 14.2) уровням модели ВОС достаточно условное.
Структуру TCP/IP можно разделить на четыре уровня. Самый нижний уровень — сетевого интерфейса (уровень IV
) соответствует физическому и канальному уровням модели ВОС. Этот уровень отвечает за прием дейтаграмм и их передачу по выбранному маршруту. Он поддерживает протоколы физического и канального уровней широко распространенных локальных и глобальных сетей, таких как Ethernet, Token Ring, FDDI, X.25.
Сетевой уровень (уровень III) определяет межсетевое взаимодействие, принимая от вышестоящего уровня запрос отправителя на посылку пакета вместе с адресом получателя, помещая пакет в 'дейтаграмму и при необходимости используя алгоритм маршрутизации. На приемной стороне механизмы сетевого уровня извлекают пакет из дейтаграммы и определяют, какой из протоколов вышестоящего уровня необходим для дальнейшей обработки.
Основной задачей транспортного уровня (уровня II) является 'обеспечение взаимодействия между приложениями, для чего используется механизм подтверждения правильно принятых пакетов и повторная передача искаженных или утерянных пакетов.
| Уровни модели ВОС | Уровни стека TCP/IP |
| Прикладной Представления | Уровень I — прикладной |
| Сеансовый Транспортный | Уровень II — транспортный |
| Сетевой | Уровень III — сетевой |
| Канальный Физический | Уровень ГУ — сетевого интерфейса |
Транспортный уровень принимает информацию от нескольких приложений и передает ее на нижестоящий уровень, добавляя служебную информацию, предназначенную для борьбы с ошибками.
Наконец, вершиной TCP/IP является прикладной уровень (уровень I), на котором реализованы широко используемые приложения: протокол передачи файлов между удаленными системами, протокол эмуляции удаленного терминала, почтовый протокол и др. Каждая прикладная программа выбирает тип транспортировки (либо непрерывный поток сообщений, либо последовательность пакетов) и передает данные на транспортный уровень в требуемой форме.
Упрощенно пересылка сообщения между приложениями состоит в последовательной передаче его вниз через соседние уровни стека отправителя, далее по уровню сетевого интерфейса (уровню Г/) стека TCP/IP или физическому уровню модели ВОС и, наконец, приеме сообщения получателем и передаче его вверх по протокольным уровням (рис. 14.3.).
Практически ситуация оказывается несколько сложнее. В структуре TCP/IP существует наиболее значимый — сетевой уровень, в основу которого положен Интернет-протокол (IP). Каждый уровень стека принимает решение о корректности принятого сообщения и производит определенное действие, основываясь на значении его адреса и типе. Интернет-протокол способен взаимодействовать с несколькими протоколами более высокого уровня и несколькими сетевыми интерфейсами. Таким образом, процесс передачи сообщений практически выглядит следующим образом-Отправитель передает сообщение, которое на сетевом уровне (уровнем) помещается IP в дейтаграммы и посылается в сеть отправителя (Сеть 1). В промежуточных устройствах дейтаграммы передаются вверх до сетевого уровня, на котором IP отправляет их обратно вниз, в сеть получателя (Сеть 2). В оконечной сети IP выделяет сообщение из дейтаграмм и передает его на верхние уровни.
Исходя из сказанного рассматривать принципы функционирования TCP/IP целесообразно начиная именно с сетевого уровня.
Введем некоторые базовые термины, касающиеся процессов передачи информации между уровнями.
Название передаваемого блока данных зависит от того, на каком уровне он находится. При нахождении блока на сетевом уровне его называют кадром. Если блок данных находится между уровнем сетевого интерфейса и сетевым уровнем, он называется дейтаграммой. Блок данных, находящийся между транспортным и сетевым уровнями, называется IP
-пакетом. Наконец, данные верхнего — прикладного уровня называются сообщениями.
Интернет
-
протокол
.
IP
-
адресация
Интернет-протокол является основополагающим протоколом всего TCP/IP. Реализуя механизмы прохождения информации по различным сетям, он выполняет следующие основные функции:
• определение базового блока передачи данных — дейтаграммы, ее формата и значений полей в заголовках;
• фрагментацию дейтаграммы и ее обратного восстановления;
• надежную доставку дейтаграммы получателю;
• обеспечение логической адресации устройств в сети;
I • поддержку маршрутизации.
Любая дейтаграмма состоит из заголовка и поля данных, следующего сразу за заголовком. Пример структуры полей заголовка приведен в табл.14.1.
| | | | |
| Номер версии (4 бит) | Длина заголовка (4 бит) | Тип услуги (8 бит) | Общая длина заголовка (16 бит) |
| Идентификатор (16 бит) | Флаги (3 бит) | Смещение фрагмента (13 бит) | |
| Время жизни (8 бит) | Протокол (8 бит) | Контрольная сумма заголовка (16 бит) | |
| Адрес отправителя (32 бит) | |||
| Адрес получателя (32 бит) | |||
| Опции (переменная длина) | Выравнивание числа бит до 32 | ||
Фрагментация большой дейтаграммы заключается в разделении ее на несколько частей. В большинстве сетей определен максимальный размер передаваемого блока (MTU — Maximum Transmission Unit), например в сети Ethernet он составляет 1 500 байт, а в сети FDDI - 4096 байт.
На рис. 14.4 представлена процедура фрагментации и восстановления дейтаграммы.
Пусть, например, отправителю необходимо передать сообщение длиной 5 700 байт из сети, в которой ограничение на максимальный размер кадра составляет 4096 байт, в сеть, где аналогичное значение — 1 500 байт. При поступлении блока на сетевой уровень Интернет-протокол делит его на две равные дейтаграммы, установив в первой из них отличный от нуля флаг фрагментации. Значение флага фрагментации во второй дейтаграмме равно нулю, что указывает на то, что это последний фрагмент сообщения. Размер каждой дейтаграммы составляет 2 850 байт плюс заголовок 20 байт (при отсутствии опций), что укладывается в кадр сетевого уровня.
Дейтаграммы поступают в маршрутизатор, который определяет, что их необходимо передать в сеть, в которой ограничение на максимальный размер кадра составляет 1 500 байт. Для этого из каждой дейтаграммы извлекаются фрагменты сообщения, делятся пополам, и формируются новые дейтаграммы, каждая из которых имеет размер (1425 + 20) байт, что меньше ограничения на максимальный размер кадра принимающей сети. При этом по пути маршрутизации фрагменты дейтаграмм не укрупняются, даже если текущая сеть допускает такое укрупнение. Восстановление исход ного сообщения производится в месте назначения путем выполнения последовательности обратных операций.
В сетях, построенных на базе TCP/IP, оконечные устройства (мобильный терминал, персональный компьютер, коммуникационный сервер и др.) имеют уникальные адреса, позволяющие идентифицировать эти устройства в сетевом пространстве. Адресация осуществляется с использованием трех уровней:
• физического адреса узла, определяемого технологией, по которой построена сеть. Формат физического адреса предполагает 6 байт; при этом старшие 3 байт определяют фирму-производителя, а младшие 3 байт уникальны и назначаются производителем в качестве идентификатора конкретного устройства;
• IP
-адреса, используемого на сетевом уровне модели ВОС и состоящего из четырех байт. IP-адрес назначается независимо от физического адреса, и именно он является определяющим при рассмотрении процессов межсетевого взаимодействия;
• символьного адреса, назначаемого сетевым администратором и предназначенного для удобства запоминания и обращения.
На самом деле IP-адрес состоит из двух четырехбайтовых частей: собственно адреса и маски сети, которая несет информацию о том, какая часть адреса принадлежит главной сети, а какая — подсети. Если терминалы принадлежат одной и той же подсети, то они могут устанавливать между собой прямое соединение по Интернет-протоколу, если же они принадлежат различным подсетям, необходима маршрутизация.
В приведенном на рис. 14.5 примере наложение маски 255.255.255.0 выделяет подсеть 195.209.0.0, которую можно обозначить как 195.209.0.0/16, где 16 — число старших разрядов, выделяющих подсеть.
Адреса бывают статическими и динамическими. Статический адрес постоянно закреплен за абонентом (либо устройством, например компьютером), и всякий раз при подключении к сети обмен пакетами производится по этому адресу. Динамический же [адрес назначается абоненту на время сеанса, по окончании которого он может быть передан другому абоненту. Обычно статическая адресация используется в локальных сетях, а при работе в сети Интернет абонентам назначаются динамические адреса.
Адресация в локальной сети (в частности, в сети GPRS) связана с понятием порта. Применительно к компьютеру номер пор-
та определяет точку физического доступа в него. В сети Интернет портом также называется любое приложение, размещенное в узле что позволяет адресовать запросы к определенным файловым струк-турам, а также к аппаратным средствам, объединенным в группу единым адресом. Например, группе абонентов GPRS одного оператора со стороны сети Интернет может быть присвоен один ад. рее, но на уровне протокола пользовательских дейтаграмм (см. далее) каждый абонент будет иметь свой уникальный номер порта. Всего возможно 216 портов с номерами от 0 до 65 535. Адрес с указанием порта записывается в виде <адрес>:<порт>, например 195.209.231.196:33. Локальная адресация внутри сети GPRS принята не только для более эффективного использования адресного поля, но также для ее зашиты от несанкционированного доступа.
Протокол
разрешения
адресов
Поскольку IP-адрес назначается независимо от физического адреса, необходимо определить соответствие между этими адресами. Процесс определения их соответствия называется разрешением адресов, и решение этой задачи возложено на протокол разрешения адресов (ARP — Address Resolution Protocol).
Функционально протокол разрешения адресов состоит из двух частей, одна из которых определяет физические адреса при посылке дейтаграммы, а другая — отвечает на запросы от других устройств в сети. Для уменьшения количества посылаемых запросов каждое устройство, использующее данный протокол, имеет
| |
память, называемую таблицей разрешения адресов, где хранятся сведения о соответствующих парах физических и IP-адресов.
Рассмотрим пример разрешения адресов двумя рабочими станциями А и В в локальной сети (рис. 14.6):
1 — станция А, которой необходимо передать информацию станки В, с помощью проверки IP-адреса и маски подсети определяет, что станция В находится в той же локальной сети;
2 — станция А проверяет свою таблицу разрешения адресов и, не находя в ней физического адреса станции В, посылает широковещательный ARP-запрос, содержащий IP-адреса обеих станций;
3
— станция В, получив запрос, сравнивает полученный адрес со своим собственным. Если адреса не совпадают, то запрос игнорируется;
4
— при совпадении адресов станция В посылает ответ станции А, в котором содержится физический адрес станции В, после чего обе станции обновляют свои таблицы разрешения адресов.
Каждая запись в таблице разрешения адресов имеет определенное время жизни (обычно 10 мин), и если с момента ее появления она не использовалось больше, чем заданный временной интервал, например 2 мин, то происходит ее удаление.
Протокол
управляющих
сообщений
Протокол управляющих сообщений (ICMP — Internet Control Message Protocol) является вспомогательным в TCP/IP и позволяет сообщать оконечному устройству об ошибках при передаче. Данный протокол является составной частью IP и включается в Каждую его реализацию, т.е. управляющие сообщения передаются в дейтаграммах. Причина использования Интернет-протокола для передачи управляющих сообщений заключается в том, что по мере продвижения к конечному пользователю они могут пройти несколько физически различных сетей, следовательно, необходим инвариантный к физической среде носитель, способный преодолевать все разнообразие сетевых топологий.
Существует два типа управляющих сообщений: собственно управляющие сообщения и сообщения об ошибках. В табл. 14.2. представлены основные типы управляющих сообщений. Сообщения ♦Ответ на эхо» и «Запрос эха» являются самыми используемыми Ири отладке, поскольку помогают идентифицировать возникающие |*сети проблемы. Так, проверка получения дейтаграммы и успешный прием ответа свидетельствуют о работоспособности основных частей транспортной системы.
Подчеркнем, что данный протокол не в состоянии корректировать ошибки — его задачей является лишь информирование о
| Номер | Тип сообщения | Номер | Тип сообщения |
| 0 | Ответ на эхо | 12 | Ошибка параметров в дейтаграмме |
| 3 | Получатель недостижим | 13 | Запрос временной отметки |
| 4 | Подавление источника | 14 | Ответ для временной метки |
| 5 | Изменение маршрута | 17 | Запрос маски адреса |
| 8 | Запрос эха | 18 | Ответ на запрос маски адреса |
| 11 | Превышено время для дейтаграммы | | |
них, и отправитель (терминал) должен сам принимать решения, связанные с использованием соответствующих приложений. При этом протокол управляющих сообщений не может быть использован для передачи сообщений об ошибках промежуточным устройствам, поскольку дейтаграмма содержит поля, которые определяют только адреса получателя и отправителя и не содержат никакой информации о предполагаемом маршруте движения. Когда дейтаграмма находится в одном из промежуточных узлов, нельзя узнать, какой путь она прошла до этого, следовательно, если обнаружена ошибка, нельзя определить, в каком месте находится первопричина этой ошибки или сбоя. Однако существует возможность послать отправителю сообщение об ошибке, предоставив ему самостоятельно принимать решение.
Протокол
пользовательских
дейтаграмм
Протокол пользовательских дейтаграмм (UDP — User Datagram Protocol) является одним из двух протоколов, функционирующих на более высоком, чем Интернет-протокол, уровне, поскольку предоставляет приложениям транспортные услуги. Этот протокол обеспечивает негарантированную доставку дейтаграмм получателю и не поддерживает установку соединений.
Взаимодействие между приложениями и протоколом пользовательских дейтаграмм осуществляется через протокольный порт, т.е. механизм, позволяющий рабочей станции поддерживать одновременно несколько сеансов связи. Когда рабочая станция получает из сети пакет на свой адрес, она может направить его определенному приложению, используя уникальный номер порта, который определяется во время установки сеанса.
Обеспечение передачи дейтаграмм между приложениями предполагает операции мультиплексирования и демультиплексирования, осуществляемые с использованием механизма назначения портов. Такой протокольный порт и его номер получаются каждым приложением от операционной системы, после чего приложение может послать дейтаграмму с указанием номера порта в соответствующем поле.
Функционирование протокольного порта подобно обслуживанию очереди, т.е. операционная система создает внутреннюю очередь, в которой хранятся поступающие сообщения. Если у какого-либо сообщения номер порта не входит в список используемых портов, то соответствующая дейтаграмма уничтожается и посылается сообщение протокола управляющих сообщений «Порт недоступен».
Существуют два способа назначения портов. Первый способ — это централизованное назначение портов из соответствующего списка, который публикуется центральным органом — Агентством по выделению имен и уникальных параметров протоколов (IANA — Internet Assigned Numbers Authority). На данный момент этот список содержит 1 023 позиции, и в большинстве случаев такие порты используются системными процессами.
Второй способ предполагает динамическое назначение портов, осуществляемое по необходимости самой системой. Числовые значения таких портов находятся в пределах от 1 024 до 65 535. Для получения информации о текущем назначении портов необходимо послать соответствующий запрос.
Протокол
управления
передачей
Протокол управления передачей (TCP — Transmission Control Protocol) предназначен для использования в качестве транспортного средства при взаимодействии удаленных устройств, работающих в пакетных сетях. Функционируя на транспортном уровне, он устанавливает логическое соединение между приложениями и обеспечивает надежную транспортировку данных.
Для надежной транспортировки данных протокол управления передачей должен обеспечивать выполнение следующих основных задач:
• передачу данных;
• поддержку достоверности данных при передаче;
• управление потоком данных;
• разделение каналов передачи данных;
• обслуживание установленных соединений;
• установку приоритетов пользователей;
• обеспечение безопасности при передаче данных.
Единицей данных протокола управления передачей является сегмент. Изначально каждая прикладная программа вызывает программу протокола управления передачей и передает ей буфер данных, из которых формируются сегменты, т.е. некоторая непрерывная часть данных. Далее для передачи каждого сегмента вызывается Интернет-протокол, который осуществляет фрагментацию и сборку сегментов, необходимые для их передачи через множество сетей. Сегменты не обязательно должны быть одного размера, но в любом случае сегмент максимального размера должен полностью помещаться в дейтаграмму.
На приемном конце адресатом является соответствующий модуль протокола управления передачей, который помещает данные сегмента в буфер прикладной программы получателя. С каждым модулем TCP связан модуль IP, обеспечивающий передачу данных по локальной сети. При этом сегмент TCP помещается в дейтаграмму IP, которая, в свою очередь, помещается в кадр канального уровня.
Надежность передачи обеспечивается механизмом подтверждения после приема блоков данных, а также использованием нумерации очередей, в которые выстраиваются передаваемые байты данных. Для этого первому байту в сегменте присваивается некоторый номер, называемый номером очереди для сегмента. Нумерация байтов в сегменте осуществляется в пределах диапазона 0...(232 - 1) таким образом, что первый байт после заголовка имеет наименьший номер, а последующие байты нумеруются по возрастанию.
Правильность передачи каждого сегмента должна подтверждаться квитанцией получателя, а в случае искажения или потери данных должна быть предусмотрена повторная передача. Когда TCP передает сегмент данных, он создает его копию, которая помещается в очередь повторной передачи, после чего запускается таймер. Если в пределах назначенного срока приходит подтверждение передачи, то сохраненная копия удаляется из очереди, в противном случае сегмент посылается повторно.
Несмотря на достаточный диапазон номеров он оказывается мал для исключения появления так называемых дублей, которые возникают в случаях, когда весь диапазон номеров исчерпан, а отправленные сегменты не получили подтверждения. Так, в существующих сетях при скорости передачи 100 Мбит/с цикл использования всего диапазона номеров составляет около 5 мин. Если за это время не пришло подтверждение передачи, то двум разным сегментам могут быть назначены одинаковые номера, что, разумеется, может вызвать коллизии. Для решения таких проблем используется механизм опознавания, основанный на накоплении, т. е. опознание N
-
ro
номера означает, что получены и распознаны все байты с номерами N
—
l
,
N
—2 и т.д.
14.3.
Маршрутизация
дейтаграмм
Рассмотренный ранее стек протоколов TCP/IP разработан для обеспечения взаимодействия удаленных систем, но корректная и эффективная пересылка пакетов данных невозможна без наличия ряда промежуточных устройств — маршрутизаторов. В процессе пересылки сообщений между двумя абонентами, расположенными в различных сетях, формируемые блоки данных после отработки протоколов всех уровней оказываются в маршрутизаторе сети отправителя. Далее происходит их передача по некоторому, заранее не определенному маршруту, пока они не окажутся в маршрутизаторе сети получателя, который и передает эти блоки получателю по известному физическому адресу. При этом сами промежуточные маршрутизаторы передают блоки данных, основываясь не на физическом адресе, а на номере сети получателя.
Выделяют два типа маршрутизации: прямую и косвенную. Прямая маршрутизация может быть реализована, когда отправитель и получатель расположены в пределах одной сети. Поскольку в этом случае IP-адрес получателя известен, то дейтаграмма помещается в кадр канального уровня, затем с помощью протокола разрешения адресов определяется физический адрес получателя, после чего дейтаграмма доставляется по назначению с использованием ресурсов одной сети.
Если отправитель и получатель располагаются вне пределов одной сети, то возникает необходимость использования косвенной маршрутизации, т.е. выполняемой на уровне IP. Решение о выборе пути для каждой дейтаграммы принимается на основе анализа таблицы маршрутизации, содержащей информацию о топологии системы сетей. При этом всегда ставится задача по оптимизации маршрута, т.е. доставке сообщения с наименьшей задержкой в условиях текущего трафика.
Существующие методики оптимизации маршрута можно условно разделить на два класса: одношаговую и многошаговую.
В случае одношаговой оптимизации каждый маршрутизатор принимает решение о выборе только одного шага, т.е. о выборе пути до соседнего маршрутизатора. При этом в таблице маршрутизации содержатся не полные маршруты в виде цепочек IP-адресов, а только совокупность IP-адресов до соседнего маршрутизатора. Такой подход к оптимизации маршрута, снимая ограничения на максимальное число промежуточных узлов, формирует Распределенную ответственность за выбор пути доставки сообщения.
Построение таблицы маршрутизации при одношаговой оптимизации возможно путем использования:
• алгоритмов фиксированной маршрутизации, применяемых в Простых сетях. Таблица маршрутизации и оптимальные маршруты
доставки сообщений между различными устройствами сети в этом случае составляются сетевым администратором вручную;
• алгоритмов простой маршрутизации. Таблица маршрутизации в данном случае составляется на основании данных, содержащих-ся в проходящих через маршрутизатор дейтаграмм. При этом возможна либо случайная маршрутизация (когда дейтаграммы передаются в любом случайном направлении кроме исходного), либо лавинная (когда дейтаграммы передаются во всех направлениях кроме исходного), либо, наконец, маршрутизация по предыдущему опыту;
• алгоритмов адаптивной маршрутизации. В этом случае маршрутизаторы периодически обмениваются между собой информацией о текущем состоянии сетевой топологии и трафика, что на практике используется наиболее часто.
При использовании алгоритмов многошаговой оптимизации выбор маршрута пересыпки данных производится первым маршрутизатором, а все остальные только отрабатывают выбранный маршрут. На практике такие алгоритмы используются, как правило, только на этапе отладки.
Управление таблицей маршрутизации во всех промежуточных узлах должно осуществляться динамически, что в большой распределенной сети является весьма сложной задачей. Решение этой задачи основано на использовании семейства протоколов маршрутизации:
протокола маршрутной информации (RIP — Routing Information Protocol);
протокола первоочередного открытия кратчайшего маршрута (OSPF — Open Shortest Path First);
протокола
связи
между
промежуточными
системами
(IS-IS — Intermediate System to Intermediate System);
внешнего
шлюзового
протокола
(EGP — Exterior Gateway Protocol);
пограничного межсетевого протокола (BGP — Border Gateway Protocol).
В зависимости от топологии сети маршрутизаторы могут поддерживать один или несколько протоколов маршрутизации. В табл.
| | Номер сети получателя 195.209.0.0 | | |
| Следующий маршрутизатор | Число переходов | Протокол маршрутизации | Таймер |
| 195.209.3.1 | 3 | RIP | 235 |
| 195.209.1.7 | 3 | RIP | 210 |
| 195.209.0.9 | 5 | RIP | 98 |
[4.3 приведен пример простой таблицы маршрутизации, содержащей типичные записи:
• следующий маршрутизатор — адрес маршрутизатора, которому необходимо переслать дейтаграмму, чтобы доставить ее получателю;
• число переходов — число маршрутизаторов, которые должны [обработать дейтаграмму прежде, чем она попадет к получателю; • протокол маршрутизации — определяет протокол, с помощью которого данная запись появилась в таблице маршрутизации;
• таймер — показывает время, прошедшее с момента последнего обновления данной записи.
Контрольные вопросы
1. Что означает термин «открытая система»?
2. Опишите семиуровневую модель взаимодействия открытых систем. i
3. Почему возникла необходимость введения LCC- и МАС-подуровней?
4. В чем состоят основные задачи TCP/IP?
5. Что такое дейтаграммный принцип передачи данных?
6. Чем отличается динамический IP-адрес от статического?
7. Каковы основные задачи ТСР-протокола?
8. Опишите принцип косвенной маршрутизации и назовите типы таблиц маршрутизации.
| |
Глава 15
АРХИТЕКТУРА
СЕТИ
GPRS
.
ИНТЕРФЕЙСЫ И
ПРОТОКОЛЫ
15.1.
Архитектура
сети
GSM
/
GPRS
В GPRS вся предназначенная для посылки информация разбивается на отдельные пакеты и посылается в сеть, при этом на приемной стороне из полученных пакетов реконструируется исходное сообщение, а в случае обнаружения ошибок неверно принятые пакеты могут быть переданы еще раз.
Архитектурное построение сети GPRS представлено на рис. 15.1, из которого видно, что введение технологии пакетной передачи дополняет традиционную сеть GSM новыми элементами, среди которых главными являются обслуживающий узел — ОУ (SGSN — Serving GPRS Support Node) и шлюз GPRS
(GGSN — Gateway GPRS Support Node).
| |
Обслуживающий узел выполняет роль, аналогичную роли ЩКПС в традиционной GSM, и на него возложены следующие основные функции:
• сопряжение протоколов, используемых в пакетных сетях, с протоколами, по которым организуется передача информации между БС и МС;
• аутентификация абонента и шифрование сообщений;
• сжатие данных;
•маршрутизация (совместно с GPRS-шлюзом) пакетов данных;
• организация взаимодействия между ДР и ЦКПС/ГР;
•накопление (совместно с GPRS-шлюзом) статистической информации о соединениях.
В функции шлюза GPRS входят следующие операции: г • сопряжение с внешними пакетными сетями;
• маршрутизация пакетов данных, поступающих в сеть GPRS \
pt
внешних пакетных сетей, и пакетов данных от МС во внешние пакетные сети;
• накопление статистической информации о соединениях;
• распределение динамических и статических адресов.
При сетевом подходе к организации обмена информацией структура GPRS является подсетью внешних пакетных данных, где GPRS-шлюз выполняет роль маршрутизатора со стороны подсистемы базовых станций. При этом абоненты или мобильные терминалы выступают как пользователи внешней сети передачи данных, в которой абоненту присваивается постоянный (статический) или временный (динамический) адрес, обеспечивающий прохождение информационных пакетов. Когда GPRS-шлюз получает данные, адресованные конкретному абоненту в мобильной сети, он проверяет, является ли адрес активным, т.е. находится ли абонент в активном состоянии. Если это так, то данные из шлюза пересылаются в ОУ, в противном случае они задерживаются.
Принципиальное отличие передачи данных в сетях с коммутацией пакетов от передачи данных в сетях с коммутацией каналов заключается в том, что необходимые канальные ресурсы в первом случае выделяются лишь на время передачи соответствующих пакетов информации. Такой подход позволяет, с одной стороны, один физический канал использовать для передачи пакетов от разных абонентов, а с другой — для одного абонента выделить разные каналы, передача по которым осуществляется Независимо.
При одновременном использовании одних и тех же канальных Ресурсов несколькими абонентами возможно возникновение очереди, вызывающей задержку в связи. Допустимая временная задержка — одна из характеристик, определяющих качество обслуживания абонентов. На этом фоне спецификация GPRS предусматривает предоставление услуг абонентам с различным качеством, в зависимости от оплаты. Качество предоставляемых услуг определяемое параметром QoS (Quality of Service), отражает следующие характеристики:
• приоритет абонента;
• надежность передачи информации;
• допустимую задержку сообщения;
• среднюю и максимальную скорости передачи данных. Наряду с ОУ и шлюзом GPRS в структуру пакетной подсети входят пограничный шлюз (BG — Border Gatenay), обеспечивающий прямое соединение между различными операторами сетей GPRS, а также шлюз тарификации (CGF — Charging Gateway Functionality) и шлюз перехвата.
Для доставки абонентам пакетной сети информации используется адресация пакетов, подобная той, что используется в локальных и глобальных сетях. Несмотря на то что при использовании протоколов передачи данных естественной выглядит числовая адресация абонентов, все же с точки зрения пользователей и разработчиков более удобной является символьная адресация. Поэтому в состав GPRS входит сервер доменных имен (DNS — Domain Name Server), преобразующий числовые адреса в символьные (например, числовой адрес 195.209.231.196 — в символьный адрес spbstu.ru).
На рис. 15.2 приведен пример получения управляющим узлом подсети GPRS адреса узла глобальной сети с символьным именем spbstu.ru:
1 — узел поддержки шлюза GPRS посылает запрос в местный DNS-сервер о числовом адресе, соответствующем символьному имени spbstu.ru;
2 — местный DNS-сервер не находит ответа, поскольку в его базе данных содержится информация только об устройствах и
| |
льзователях своей подсети, поэтому он переадресует запрос в корневой DNS-сервер;
3 — корневой DNS-сервер передает список адресов DNS-cepверов, оканчивающихся на .ru;
4 — местный DNS-сервер направляет запрос в .ru DNS-сервер
5 — с одного из DNS-серверов приходит адрес spbstu.ru;
6 — получив адрес, местный DNS-сервер пересылает его дополнительно в управляющий узел, где информация сохраняется в течение определенного времени для отправления по этому адресу пакетов.
По сравнению с традиционной GSM сеть GPRS подобно всем сетям с пакетной коммутацией более уязвима. Для предотвращения (или хотя бы снижения) внешних воздействий злоумышленников в ее состав включается набор программно-аппаратных средств межсетевой защиты, называемый брандмауэр (FW — FireWall).
При создании подсети GPRS усложняются функции базовых станций и их контроллеров. Так, в БС встраивается дополнительный блок управления пакетами (PCU — Packet Control Unit), a КБС дополняется блоком канального кодирования (CCU — Channel Codec Unit), после чего назначаются следующие дополнительные функции:
• предоставление абонентам пакетной сети физических каналов в соответствии с закрепленным за ними качеством обслуживания QoS;
• обеспечение фрагментации и формирования кадров для их
| |
рредачи по радиоканалу;
• отслеживание качества обслуживания QoS абонентов при передаче информации по радиоканалу.
Для успешного обслуживания абонентов сети GPRS в МС должно быть установлено (или активизировано) дополнительное программное обеспечение, а в ряде случаев к МС может быть присоединено и внешнее оборудование. Спецификации GPRS предусматривают возможность использования для обеспечения поддержки услуг GPRS мобильных станций трех классов:
• МС класса А, способных одновременно и независимо поддерживать как традиционные GSM-услуги, так и специализированные услуги GPRS;
Е • МС класса В, способных поддерживать как традиционные GSM-yaiyiit. так и специализированные услуги GPRS, но не одновременно;
• МС класса С, способных поддерживать только услуги GPRS.
Из изложенного ясно, что для оказания услуг GPRS необходима реализация ряда дополнительных интерфейсов, отсутствующих 8 традиционной сети.
15.2.
Интерфейсы
сети
GPRS
Технология построения сети GPRS предполагает добавление в традиционную сеть GSM ряда новых интерфейсов, названия которых обычно начинаются с префикса G. На рис. 15.3 представлены логические связи и участки взаимодействия различных интерфейсов.
Для организации в сети GPRS передачи пакетной информации используются следующие интерфейсы:
• Um (между МС и стационарной частью сети GPRS), служащий для обеспечения доступа МС в сеть GPRS. Фактически данный интерфейс аналогичен радиоинтерфейсу в традиционной GSM, обеспечивающему доступ МС к БС;
• Gb (между ОУ и БС), на основе которого осуществляется передача трафика GPRS, а также сигнальной информации радиоканала между соответствующими частями GSM и GPRS;
• Gn, позволяющий осуществлять взаимодействие между несколькими ОУ в пределах одной сети GSM;
• Gp, позволяющий осуществлять взаимодействие между несколькими ОУ в различных сетях GSM;
• Ga (между ОУ и шлюзом тарификации), обеспечивающий передачу данных о соединении внутри одной сети;
• Gs (между ОУ и ЦКПС), посредством которого сеть GPRS посылает запросы в сеть GSM и получает ответы. Использование этого интерфейса существенно повышает эффективность использования ресурсов сети;
| |
• Gd (между ОУ и шлюзом GSM), предназначенный в первую очередь для увеличения эффективности передачи коротких сообщений;
Г • Gf (между ОУ и РИО), по которому в сеть GPRS передается информация об используемом оборудовании, в том числе содержимое белого, черного и серого списков;
• Gr (между ОУ и ДР), позволяющий сети GPRS определять
местоположение МС. Кроме того, такой интерфейс может быть
использован в случае необходимости для передачи данных в МС,
находящуюся в неактивном состоянии.
Кроме рассмотренных в сети GPRS существует еще два интерфейса, существенно отличающихся от других:
• Gi (между ОУ и какой-либо внешней сетью), по которому организуется сопряжение сети GPRS с внешней сетью передачи данных. Следует заметить, что такой интерфейс не является жестко стандартизованным;
• R (между терминальным оборудованием и оконечными станциями — телефонами), с помощью которого можно, например, передавать данные с карманного компьютера через мобильный телефон (на рисунке не показан). Физической реализацией интерфейса R являются рекомендации ITU-T V.24/V.28.
15.3.
Физические
и
логические
каналы
в
сети
GPRS
Для передачи по радиоинтерфейсу пакетов данных и сигнальной информации в структуре подсети GPRS организованы логические каналы, размешенные в физических каналах, которые выделяются из общего ресурса сети GSM и называются каналами передачи пакетных данных (PDCH — Packet Data CHannel). Наряду с наличием в GPRS аналогичных традиционной GSM-структуре принципов организации логических каналов, между ними существует и ряд существенных различий, связанных, прежде всего, с тем, что распределение сетевых ресурсов может быть как статическим, так и динамическим.
Канал трафика пакетных данных (PDTCH — Packet Data Traffic iCHannel) выделяется каждой МС для передачи абонентских данных. Различают два вида таких каналов — в восходящем (PDTCH/U) и нисходящем (PDTCH/D) направлениях. Следует обратить внимание на то, что в каналах пакетного трафика может также передаваться и сигнальная информация в отличие от традиционной GSM, где для этих целей служит канал SDCCH. В частности, каналы пакетного трафика используются для функций управления мобильностью, т.е. для обеспечения сети информацией о местоположении МС в домашней или чужой сети, что позволяет произвести вызов абонента и доставить ему сообщение. Для этого зона обслуживания разбивается на области маршрутизации — ОМ (RA -_ Routing Area), каждая из которых может как совпадать с зоной местоположения, так и составлять часть ее (вплоть до территории одной соты). В пределах ОМ действует идентификатор области маршрутизации (RAI — Routing Area Identity), образуемый (рис, 15.4) добавлением к идентификатору зоны местоположения кода маршрутизации (RAC — Routing Area Code). Код маршрутизации состоит из восьми двоичных разрядов, что позволяет в одной ЗМ организовать до 256 ОМ.
Канал управления пакетным вещанием (РВССН — Packet Broadcast Control CHannel) передает в нисходящем направлении информацию, схожую с той, что передается в традиционном вещательном канале (ВССН). Иногда отдельный канал РВССН не организуется, тогда информация в канале ВССН становится общей как для GSM, так и для GPRS.
Каналы общего управления пакетной передачей (РСССН — Packet Common Control CHannel) объединяют группу однонаправленных логических каналов, передающих сигнальную информацию:
• канал случайного доступа при пакетной передаче (PRACH — Packet Random Access CHannel), no которому МС производит первое обращение к подсети GPRS при необходимости передачи данных или сигнальной информации;
• канал пейджинга при пакетной передаче (РРСН — Packet Paging CHannel), используемый для вызова МС перед передачей пакетов в нисходящем направлении, т.е. когда МС находится в состоянии ожидания;
• канал разрешения доступа при пакетной передаче (PAGCH — Packet Access Grant CHannel), no которому сеть в ответ на обращение МС по каналу PRACH выделяет ей ресурсы для передачи пакетов;
• канал предупреждения при пакетной передаче (PNCH — Packet Notification CHannel), предназначенный для предупреждения группы МС перед началом передачи пакетов в нисходящем направлении.
Выделенные каналы управления пакетной передачей (PDCCH — Packet Dedicated Control CHannel) объединяют следующие логические каналы:
• совмещенный канал управления при пакетной передаче (РАССН —
Packet Associated Control CHannel), который предает информацию для конкретной МС, включая сообщения об изменении мощности, назначении и переназначении ресурсов, а также ресурсах
| MCC | MNC | LAC | RAC |
pDTCH и т. п. В отличие от традиционной GSM в GPRS для одной МС может быть выделено несколько каналов пакетного трафика, но их поддержку осуществляет один РАССН. Особенностью этого канала является двунаправленность (работа в восходящем и нисходящем направлениях), хотя каналы пакетного трафика, с которыми он ассоциирован, однонаправлены вниз. Кроме того, РАССН не является жестко фиксированным, и сообщения по нему идут по мере необходимости;
• канал управления временем упреждения при пакетной передаче (РТССН — Packet Timing Advance Control CHannel), который используется для того, чтобы сеть могла оценить необходимое время упреждения по отношению к данной МС. Различают два вида таких каналов: в восходящем (PTCCH/U) и нисходящем (PTCCH/D) направлениях, причем во втором случае информация может передаваться сразу нескольким МС.
Вся совокупность логических каналов, используемых в сети GPRS, и их направленность представлены на рис. 15.5.
15.4.
Протоколы
передачи
данных
в
сети
GPRS
Как уже говорилось, для реализации пакетной передачи данных сеть GSM дополняется рядом новых интерфейсов, поддерживаемых соответствующими протоколами, реализация которых основана на принципах семиуровневой модели ВОС. Всю совокупность таких протоколов можно условно подразделить на Два класса:
• протоколы передачи данных, используемые для передачи данных от абонентов и выполнения контролирующих функций; : • протоколы передачи сигнальной информации, используемые для передачи служебной информации и поддержки функций передачи данных.
Протоколы, используемые для передачи абонентских данных, спецификациях GPRS принято называть плоскостью передачи Transmission Plane), а протоколы, используемые для передачи
| |
сигнальной информации, — сигнальной плоскостью (Signaling Plane).
Как уже говорилось в гл. 14, пользовательские данные пересылаются в виде пакетов, называемых дейтаграммами (или IP/X.25-блоками), и на рис. 15.6 представлена структура протоколов передачи таких пакетов между наиболее важными узлами сети GPRS. Рассмотрим прежде всего назначение основных протоколов, связанных с передачей данных в Um-интерфейсе.
Протоколы
передачи
данных
в
Um
-
интерфейсе
В целях более гибкого использования протоколов в Um-интерфейсе физический уровень модели ВОС разделен на два подуровня: радиочастотный подуровень (RF — Radio Frequency) и подуровень физического канала (PHL — PHysical Link).
Протоколы радиочастотного подуровня определяют структуру радиоканала, в частности параметры несущего колебания, схему модуляции, характеристики приемопередающих устройств. Радиоинтерфейс сети GPRS совпадает с радиоинтерфейсом Um сети GSM.
Протоколы подуровня физического канала обеспечивают распределение ресурсов единого канала между мобильными абонентами и их соединение с сетью. На этом подуровне закладывается механизм прямой коррекции ошибок (FEC — Forward Error Cor Rection), позволяющий обнаруживать и исправлять неправильно Переданные пакеты данных. Кроме того, на этом подуровне производится поддержка разбиения блоков более высокого канального уровня на совокупность МДВР-кадров, т.е. каждый блок вы-Кнестояшего уровня разбивается на четыре временных кадра. На Конец, подуровень физического канала содержит в себе возможности дальнейшей модернизации сети.
Протоколы канального уровня тесно связаны между собой и в совокупности обеспечивают высоконадежную передачу данных по радиоинтерфейсу.
Протокол контроля доступа к среде (MAC — Medium Access Control) устанавливает канал и мультиплексирует данные, и на него возложены следующие функции:
• обеспечение эффективного мультиплексирования данных и контроля сигнальной информации в восходящем и нисходящем каналах. При этом в нисходящем канале мультиплексирование контролируется заранее предопределенным механизмом расписания, а в восходящем — определяется для каждого пользователя в отдельности, например при ответе на запрос услуги;
• обеспечение доступа к установленному мобильному каналу передачи, разрешение конфликтов между отдельными попытками доступа к каналу различных абонентов;
• обеспечение доступа к разорванному мобильному каналу передачи, фиксирование попыток доступа к разорванному каналу, включая организацию очереди пакетов;
• установление приоритета обработки пакетов.
На протокол контроля радиоканала (RLC — Radio Link Control) возложено выполнение следующих функций:
• установление и обеспечение связи между уровнем управления среды доступа и уровнем управления логическим соединением;
• сегментацию и восстановление пакетов данных при переходе их с одного уровня иа другой;
• обратную коррекцию ошибок — процедуру, включающую в себя изъятие повторно переданных ошибочных кодовых слов (сам механизм коррекции ошибок обеспечивается на физическом уровне).
Описанные задачи протоколов RLC/MAC реализуются в блоке управления пакетом и в блоке канального кодирования (см. подразд. 15.1), являющихся составной частью модифицированной БС.
Блок управления пакетом выполняет следующие функции:
• сегментацию LLC-блока (см. далее) на RLC-блоки в восходящем канале;
• восстановление LLC-блоков из RLC-блоков в нисходящем канале:
• формирование канала пакетной передачи данных в восходя-щем и нисходящем каналах;
• организацию автоматического запроса повторной передачи (ARQ — Automatic Repetition Query) RLC-блоков;
• управление доступом к каналу;
• контроль ресурсов радиоканала (питания, перегрузки и т.п.).
В блоке кодирования осуществляются следующие операции:
• помехоустойчивое кодирование, включающее в себя прямую коррекцию ошибок и перемежение;
• вычисление параметров радиоканала (уровня принимаемого сигнала, текущего QoS и др.).
Протокол управления логическим соединением (LLC — Logical Link Control) обеспечивает логическое соединение между МС и ОУ, даже если в этот момент нет их физического соединения на более низком уровне, т. е. если абонентские пакеты в этот момент не передаются. Будучи независимым от протоколов более низких уровней, этот протокол одновременно предоставляет надежный и безопасный логический канал для протоколов более высоких уровней.
Протокол LLC обеспечивает поддержку канала передачи данных с шифрованием между МС и ОУ. При этом соединение поддерживается при пересечении границ сот, обслуживаемых одним ОУ, в случае же обслуживания сот разными ОУ существующее соединение освобождается и устанавливается новое соединение с новым ОУ. Заметим, что прямое соединение между двумя МС не поддерживается. Данный протокол независим от базовых протоколов радиоинтерфейса, и при обеспечении возможности работы его с различными протоколами радиоинтерфейса может возникнуть необходимость выполнения некоторых настроек, например длины LLC-блока или показания таймера (максимальная длина LLC-блока составляет 1 600 байт).
Для протокола управления логическим соединением определено два режима работы: с подтверждением и без подтверждения. В режиме с подтверждением происходит повторная ретрансляция данных в случае отсутствия подтверждения в течение отведенного интервала времени.
В режиме без подтверждения, в котором передаются короткие сообщения и сигнальная информация, не требуется ответа на передаваемые данные. При этом информация может передаваться как в защищенном, так и незащищенном виде.
На уровне LLC обеспечиваются:
• передача LLC-блоков между МС и ОУ в режиме точка—точка с подтверждением и без подтверждения;
• доставка LLC-блоков от ОУ к МС в режиме точка—много точек;
контроль потока LLC-блоков между МС и ОУ;
кодирование LLC-блоков;
• обнаружение и восстановление ошибочных (потерянных) LLC-блоков.
Взаимодействие протоколов физического и канального уровней в Um-интерфейсе, т.е. последовательное преобразование LLC-j&ioKOB во временные кадры иллюстрирует рис. 15.7. . Протокол зависимого сближения (SNDCP — SubNetwork •Dependent Convergence Protocol) относится к сетевому уровню взаимодействия. Главная его задача заключается в установлении точек доступа к протоколам более высокого и более низкого уровней. Кроме того, в функции данного протокола также входит обес
печение сжатия, сегментации и мультиплексирования пакетов данных.
На рис. 15.8 показан пример действия протокола пакетной передачи данных (PDP — Packet Data Protocol) на уровень LLC. Определение идентификатора точки доступа (NSAPI — Network Service Access Point Identifier) осуществляется посредством анализа специального набора параметров данного протокола — так называемого PDP-контекста. Вычисленный NSAPI затем помещается в заголовок LLC-блока в целях указания приложения, к которому принадлежат пакеты. Заметим, что один PDP может иметь несколько PDP-контекстов и, следовательно, несколько различных точек доступа.
Протоколы
передачи
данных
в
Gb
-
интерфейсе
Gb-интерфейс обеспечивает мультиплексирование данных от различных пользователей в одном физическом канале посредством применения технологии ретрансляции кадров (FR — Frame Relay), заключающейся в том, что пользователю при передаче или получении данных предоставляются физические ресурсы системы, которые высвобождаются по окончании процесса приема-передачи. Такая ситуация, очевидно, существенно отличается от ситуации в традиционной GSM, где один пользователь имеет право на физические ресурсы (в одном слоте) на все время соединения независимо от состояния ее активности.
При использовании указанной технологии между ОУ и БС устанавливается постоянное виртуальное соединение (PVC — Permanent Virtual Circuit), обеспечивающее передачу LLC-блоков, в которых 2 байт отводится на адресное поле, а максимальный размер информационного поля составляет 1 600 байт. При этом поддерживается механизм обнаружения ошибок без восстановления искаженных (утерянных) блоков.
Скорость передачи в Gb-интерфейсе может варьироваться для каждого отдельного пользователя вплоть до максимального значения 2 Мбит/с.
Протокол передачи пакетов в подсистему базовых станций (BSSGP — Base Station Subsystem GPRS Protocol) обеспечивает передачу пользовательских данных и сигнальной информации между ОУ и БС. Его главной целью является обеспечение необходимого качества услуг, а также маршрутизация информации. Кроме того, на протокол возлагаются задачи управления ОУ и БС. Основными функциями BSSGP являются:
• организация канала без установления соединения;
• передача данных между ОУ и БС без подтверждения;
обеспечение двухстороннего контроля данных;
• поддержка вызовов от ОУ к БС;
• удаление старых сообщений в БС при обновлении;
• поддержка каналов второго уровня.
Протоколы
передачи
данных
в
Gn
-
интерфейсе
Взаимодействие между МС и внешней пакетной сетью предполагает «прозрачную» работу с открытыми, т.е. известными обеим сторонам IP-адресами. Однако прежде чем пакет данных от МС поступит в GPRS-шлюз своей сети, он должен, пройдя по нескольким функциональным узлам, оказаться в ОУ (аналогично ситуация складывается при приеме пакетных данных от внешней МС).
В принципе возможно так организовать передачу пакетов, что весь маршрут, в том числе и внутри сети GPRS, будет проходить по открытым IP-адресам. Однако такая организация представляется далеко не лучшим решением задачи по многим параметрам, в том числе с точки зрения информационной безопасности. Исходя из этого целесообразно построение маршрута внутри сети GPRS (прежде всего между ОУ и GPRS-шлюзом), при котором передача пакетов будет осуществляться по внутренним, неизвестным для внешних пользователей IP-адресам.
Реализация указанной концепции осуществляется путем создания специального «туннеля» между ОУ и GPRS-шлюзом (рис. 15.9), при котором внешние IP-пакеты помещаются сначала в специальные «контейнеры», а затем — во внутренние IP-пакеты, после чего передаются внутри сети GPRS. При этом в процессе туннелирования происходит последовательная инкапсуляция пакетов, т.е. добавление к заголовку предыдущего уровня заголовка текущего уровня (рис. 15.10).
Организация процессов туннелирования в Gn-интерфейсе основана на использовании Интернет-протокола и протокола пакетного туннелирования (GTP — GPRS Tunneling Protocol), поэтому туннельные пакеты часто называют GTP-пакетами. Структура IP-пакета была показана в табл. 14.1. Кратко рассмотрим структуру GTP-пакета.
GTP-пакет состоит из двух частей: заголовка и информационной части. Заголовок содержит 16 байт и включает в себя следующую информацию:
• тип сообщения (значения 1...52 для сигнализации и 255 — для данных);
• длину сообщения в байтах;
• последовательность значений для идентификации транзакций сигнальных сообщений и счетчик дейтаграмм;
• число LLC-блоков, используемых для процедуры переопределения области маршрутизации, применяемой для координации передачи данных между МС и ОУ;
• флаг, отражающий включение числа LLC-блоков;
• туннельный идентификатор (TID — Tunnel IDentifier), содержащий код страны (МСС), код мобильной сети (MNC), идентификационный код мобильной станции (MSIN) и идентификатор точки доступа сетевой услуги (NSAPI).
Наряду с рассмотренными протоколами в Gn-интерфейсе также используются протоколы передачи данных (UDP/TCP — User Datagram Protocol / Transmission Control Protocol), служащие для передачи инкапсулированных GTP-пакетов между магистральными узлами с подтверждением (TCP) или без подтверждения (UDP) принятых данных, и протоколы L
1 и L
2, являющиеся независимыми протоколами физического и канального уровней, так как спецификациями GSM они не определены, и их реализация находится в компетенции оператора (внутри сети GPRS) или должна быть согласована с оператором внешней пакетной сети.
15.5.
Радиоинтерфейс
сети
GPRS
Как уже говорилось, для физической передачи информации внутри сети GPRS организован канал пакетной передачи данных (см. рис. 15.5), ресурсы которого распределены на две части: для
звокупности всех МС и для остальной сети. Организация различных логических каналов в физическом канале аналогична организации их в традиционной сети GSM и достигается путем использования мультикадровой структуры.
При пакетной передаче организован 52-кадровый мультикадр [(рис. 15.11). В отличие от традиционной GSM, где реализована структура 51/26-кадрового мультикадра, в PDCH мультикадр состоит Ез 52 кадров МДВР и содержит 12 блоков В0...В11 по четыре [ кадра в каждом, два пустых (резервных) кадра и два кадра, предназначенных для логического канала РТССН. Напомним, что в одном блоке содержится последовательность из четырех информационных пакетов, размещенных в четырех последовательных (а не в одном) кадрах на одной рабочей частоте в одном и том же слоте.
Каждый блок используется для передачи сообщения одного из каналов пакетного трафика или каналов управления, за исключением канала РТССН, информация которого расположена в 13-м (PTCCH/U) и 39-м (PTCCH/D) кадрах. В восходящем направлении одна МС разделяет канал PTCCH/U с 15 другими МС, поэтому можно считать, что МС передает сигнал доступа (access burst) один раз за восемь мультикадров (один раз за 1,92 с). Одно сообщение канала PTCCH/D, содержащее информацию для нескольких МС, занимает четыре кадра, поэтому его передают в течение двух мультикадров.
Кадры 26-й и 52-й свободны, поэтому они, а также упомянутые 13-й и 39-Й кадры используются для следующих целей:
• измерение уровней сигналов и приема системной информации от соседних БС;
• проведение измерений, необходимых для управления мощностью;
выполнение процедуры обновления времени упреждения.
| |
Из приведенной в подразд. 15.3 классификации видно, что радиоинтерфейс сети GPRS состоит из независимых и несимметричных1 логических каналов, следовательно, должен существовать некоторый механизм распределения радиоресурсов. Конкретно, если передача пакетов в нисходящем канале, т. е. от сети к множеству МС, не приводит к возникновению конфликтов, то при организации передачи в восходящем канале, при которой МС совместно используют один и тот же слот, необходима процедура предотвращения возможных коллизий.
Как видно из представленной на рис. 15.11 структуры мультикадра, при наличии 12 блоков возможно мультиплексирование 12 различных абонентов в одном слоте восходящего канала, при этом каждая МС должна знать, какой блок и в каком канале PDCH она должна использовать.
Для решения такой задачи используется специальный флаг установки соединения в восходящем канале (USF — Uplink State Flag), который передается в нисходящем направлении по каналу PAGCH и используется в качестве признака того, какая МС имеет право на использование данного блока. Отслеживая значения флагов, МС имеет возможность передавать в восходящем направлении блоки, имеющие то же самое значение флага, которое ей изначально было выделено. Флаг состоит из трех разрядов и соответственно имеет восемь значений, поэтому в действительности при передаче информации в восходящем направлении только восемь (а не 12) абонентов имеют возможность одновременно делить между собой один слот канала PDCH.
На рис. 15.12 абоненту МС1 выделено значение флага USF = 1 и обеспечена возможность использования блоков В0...В4, а або-
1 Несимметричность означает, что не все каналы функционируют в обоих направлениях.
| Число слотов | Скорость передачи, Кбит/с | |||
| CS1 | CS2 | CS3 | CS4 | |
| 1 3 8 | 9,1 27,2 72,0 | 13,4 40,2 107,2 | 15,6 46,8 124,8 | 21,4 64,2 171,2 |
ненту МС2 — значение USF = 2 и возможность использования
блоков В5...В9.
В целях обеспечения высокой защищенности блоков, передаваемых по радиоканалу, в структуру передаваемой информации [вводится механизм помехоустойчивого кодирования. При этом в GPRS предусмотрено четыре возможных схемы кодирования: CS1...CS4. Схема CS1 обладает самой высокой степенью исправления ошибок и самой низкой скоростью передачи данных, в то время как в схеме CS4 исправление ошибок вообще отсутствует, зато при этом реализуется наивысшая скорость передачи. В табл. 15.1 приведены значения скоростей передачи для различных схем кодирования при использовании одного, трех или восьми слотов. | В традиционной GSM обычно используется 1 слот для передачи в обоих направлениях, в GPRS в целях обеспечения более высокой скорости передачи возможно использование нескольких (до (восьми) слотов, причем в восходящем и нисходящем направлениях.
15.6.
Передача
пакетных
данных
по
радиоинтерфейсу
Передача абонентских данных и сигнальной информации по радиоинтерфейсу происходит в обоих направлениях на основе протоколов SNDCP, LLC, RLC/MAC, а также протокола физического уровня. Рассмотрим, как происходит преобразование пакетов данных при передаче их от верхних уровней к нижним, и наоборот (рис. 15.13).
Вышестоящие уровни передают на уровень управления логическим соединением LLC (подуровень канального уровня в модели ВОС) для последующей передачи по радиоканалу пакеты абонентских данных, пакеты сигнализации и имеющие тот же статус Пакеты коротких сообщений. При этом, поскольку возможна одновременная передача пакетов, построенных на базе различных [Пакетных протоколов (PDP), необходимо их мультиплексирование через соответствующие точки доступа на каком-либо подуровне
| |
сетевого уровня. В GPRS таким подуровнем является уровень протокола зависимого сближения (SNDCP), на который и возложены функции мультиплексирования пакетов, а также их сжатие и при необходимости сегментация.
Пакеты от различных протоколов поступают на рассматриваемый уровень SNDCP через различные точки доступа, характеризуемые соответствующим идентификатором — NSAPI, который при работе по принципу точка—точка принимает 11 возможных значений от 5 до 15. Конкретные значения NSAPI система назначает динамически, и они включаются в PDP-контекст МС, ОУ и GPRS-шлюза.
В спецификациях GPRS пакеты абонентских данных принято называть сетевыми пакетами (N-PDU — Network Protocol Data Unit). Все отправляемые сетевые пакеты нумеруются в диапазоне 0...255 при работе протокола SNDCP в режиме с подтверждением (Acknowledged Mode) и в диапазоне 0...4095 в режиме без подтверждения (Unacknowledged Mode). Инкапсулированные сетевые пакеты на выходе уровня SNDCP принято обозначать SN-PDLJ (SubNetwork Protocol Data Unit). При этом в заголовок каждого такого пакета включаются идентификатор NSAPI, указание на режим (с подтверждением или без него), номер исходного сетевого пакета, а также в случае сегментации и сжатия — номер сегмента.
Максимальный размер пакета SN-PDU обусловлен возможностями уровня LLC и составляет 1 520 байт для режима с подтверждением и 500 байт для режима без подтверждения. Максимальный размер пакетов сигнализации и коротких сообщений ~- 270 байт. При работе в режиме с подтверждением номер сетевого пакета используется для подтверждения его приема с указанием, есть необходимость повторной передачи или нет.
Основные операции, связанные с обработкой сетевых пакетов, осуществляются на подуровнях LLC и RLC/MAC канального уровня.
Преобразование
пакетных
данных
на
уровне
LLC
На уровень LLC сетевые пакеты данных поступают через точки Доступа, характеризуемые идентификатором SAPI, принимающим значения 3, 5, 9 и 11. Точка доступа с SAPI = 1 используется для рередачи информации управления мобильностью, а точка доступа с SAPI = 7 — для передачи коротких сообщений. Следует заметить, что каждый активный идентификатор NSAPI может использовать лишь один SAPI, но благодаря мультиплексированию один SAPI может быть ассоциирован с несколькими NSAPI.
На уровне LLC происходит инкапсуляция пакетов данных посредством добавления к ним заголовка — FH (Frame Header) и Последовательности проверочных символов — FCS (Frame Check Sequence) (рис. 15.14). Информационным полем является любой
пакет (SN-PDU, пакет управления мобильностью или пакет короткого сообщения), поступивший с вышестоящего уровня.
Как уже говорилось, передача LLC-пакетов возможна с подтверждением или без него. В последнем случае передача может быть начата без предварительного установления логического соединения, а доставка информации не гарантируется. При этом возможны два режима работы: защищенный (Protected Mode), при котором проверочные символы защищают и заголовок, и информационное поле, и незащищенный (Unprotected Mode), при котором проверочные символы защищают только заголовок пакета LLC-уровня. Обнаружение ошибки в защищенном режиме ведет к отбрасыванию поврежденного пакета, а в незащищенном — к возвращению его на вышестоящий уровень. Если же используется режим с подтверждением, то прием каждого пакета подтверждается отсылкой его копии в обратном направлении. Таким образом, если принятый пакет данных содержит ошибку, то это обнаружится на вышестоящем уровне, и будет осуществлена повторная передача на LLC-уровень.
Наконец, еще одной функцией, возложенной на уровень LLC, является шифрование информации. При этом заголовок LLC-пакета передается в открытом виде, а шифрованию подвергаются информационное поле и проверочная последовательность. Рассмотрим более подробно процесс шифрования.
Для решения поставленных на уровне LLC задач стандарт GPRS определяет четыре типа пакетов, или кадров:
• I кадр используется для передачи информации с вышестоящего уровня с подтверждением на уровне LLC. Заголовок каждого /-кадра включает в себя порядковые номера N(
S) и N(
R) соответственно передаваемого и принятого пакетов и бит подтверждения (A-bit — Acknowledged request bit), указывающий необходимо ли подтверждение данного пакета в следующих пакетах. Кроме того, /-кадр содержит управляющую информацию, аналогичную той, что содержится в 5-кадре, и вместо термина /-кадр иногда используется термин (/+ 5)-кадр;
• S-кадр выполняет контролирующие функции, такие как подтверждение /-кадров и запрос на приостановку их передачи. Заголовок 5-кадра включает в себя порядковый номер N(
R) принятого пакета и бит подтверждения, указывающий на необходимость подтверждения пакета;
• U I-кадр используется для передачи информации без подтверждения на уровне LLC. Он может быть потерян без уведомления об этом вышестоящего уровня. Информационное поле (//-кадра может быть зашифровано или не зашифровано, что определяется значением соответствующего бита (E-bit — Encryption Function bit) заголовка. Еще один бит заголовка содержит информацию о режиме передачи (защищенный или незащищенный режим);
• U-кадр предназначен для осуществления дополнительных функций управления. Такие пакеты не нумеруются, а в их заголовке содержится информация о том, является этот пакет командой или откликом.
Все пакеты на уровне LLC могут иметь переменную длину. ЗаI головок содержит адресное поле (1 байт) и поле управляющей информации, размер которого составляет 3 байт для /-кадра, 2 байт I для S- и UI-кадров и 1 байт для U-кадра. Кроме того, для I- и U-кадров поле управляющей информации может дополнительно включать в себя данные выборочного подтверждения (SACK — Selective ACKnowledgement) — в этом случае его размер может достигать 36 байт для /-кадров и 34 байт для S-кадров. Размер проверочного поля составляет 3 байт. Информационное поле, как уже было сказано ранее, может содержать до 1 520 байт.
Преобразование
пакетных
данных
на
уровне
RLC
/
MAC
После того как на уровне LLC сформированы пакеты в виде описанных ранее кадров, они поступают на уровень RLC/MAC, где производится формирование пакетов, состоящих из заголовка (ВН — Block Header) и информационного поля (см. рис. 15.14). [Размер таких пакетов может составлять 184, 271, 315 и 431 бит, причем пакет сигнальной информации всегда содержит 184 бит. Аналогично уровню LLC уровень RLC/MAC может работать в режимах подтверждения и без подтверждения.
На подуровне RLC осуществляются сегментация и десегмента-ция LLC-кадров, а также обеспечивается выборочная повторная Передача неправильно принятых блоков, хотя сам подуровень RLC не снабжен механизмом проверки ошибок, и функцию выявления ошибочно принятых RLC/MAC-пакетов выполняет нижестоящий физический уровень.
Основной целью подуровня MAC является обеспечение возможности использования несколькими МС общего ресурса. Для достижения этой цели необходимо решение следующих задач:
• мультиплексирования абонентских данных и сигнализации в Восходящем и нисходящем направлениях;
• установки приоритетов абонентов и обслуживания в соответствии с этими приоритетами;
• управления доступом к сети со стороны МС;
• управления доступом к МС со стороны сети, включая организацию очередей.
Для совместного использования несколькими МС общих радиоресурсов каждой МС выделяется временный идентификатор логического канала (TLLI — Temporary Logical Link Identity), размер Которого 32 бит. Он конструируется из пакетного идентификатора
P-TMSI, известного только ОУ и МС, что обеспечивает конфиденциальность пользователя.
Различают TLLI
четырех типов: локальные, внешние, случайные и вспомогательные. Идентификатор будет локальным при его конструировании из пакетного идентификатора P-TMSI, выделенного ОУ в данной ОМ. Если идентификатор выделен ОУ в другой ОМ, то он является внешним. Возможны ситуации, при которых МС не имеет выделенного P-TMSI, например в случае анонимного доступа — тогда используются случайные и вспомогательные идентификаторы.
Формирование 32-битного TLLI из 32-битного P-TMSI показано в табл. 15.2, где Г указывает совпадение данных бит TLLI с соответствующими битами P-TMSI, A
— выбор данных бит ОУ, R
— случайный выбор значений.
На время однонаправленной передачи LLC-пакетов на одном или нескольких каналах PDCH организуется физическое соединение, называемое временным потоком блоков (TBF — Temporary Block Flow) и используемое для передачи некоторого числа RLC/ МАС-пакетов, каждый из которых переносит один или несколько LLC-кадров. Каждый из этих пакетов содержит информацию о том, какому TBF он принадлежит, для чего вводится идентификатор временного потока (TFI — Temporary Flow Identity), принимающий значения от 0 до 31, который выделяется сетью каждой МС в специальном сообщении о выделении ресурса, предшествующем передаче кадров уровня LLC.
Структура пакетов на RLC/MAC-уровне различна и зависит как от направления передачи, так и от того, используется он для передачи данных или сигнализации (рис. 15.15).
Пакеты трафика (PDTCH) состоят из RLC-пакета данных и MAC-заголовка. В свою очередь, RLC-пакет данных состоит из RLC-заголовка и блока информации, представляющих собой данные от одного или нескольких LLC-пакетов. Помимо этого RLC-блок может содержать дополнительные (резервные) биты, игнорируемые при декодировании.
RLC/MAC-пакеты сигнализации (РАССН, РВССН, РРСН, PAGCH, PNCH, РТССН) содержат МАС-заголовок и RLC/MAC-
| Тип TLLI | 0... 26 бит | 27 бит | 28 бит | 29 бит | 30 бит | 31 бит |
| Локальный | Т | Т | Т | Т | 1 | 1 |
| Внешний | Т | Т | Т | Т | 0 | 1 |
| Случайный | R | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| Вспомогател ьный | А | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 |
пакетсигнализации, включающий в себя контрольный заголовок и в случае нисходящего канала блок сигнальной информации.
МАС-заголовок всегда состоит из 8 бит и разбит на несколько полей, назначение которых определяется направлением передачи. Так, в нисходящем канале первые 3 бит определяют флаг USF ростояния канала, указывающий возможность использования МС следующего радиоблока мультикадра данного физического канака для передачи в восходящем канале. При этом использование тогофлага зависит от того, перелается ли в данном PDCH логический канал общего управления пакетной передачей (РСССН). Если это так, то значение USF =111 указывает, что следующий блок может быть использован для доступа в сеть любой МС посредством логического канала случайного доступа (PRACH). Если же в PDCH отсутствует РСССН, то 23 = 8 возможных значений TJSF резервируют следующий радиоблок для работы одной из МС в восходящем канале.
В PLC-заголовке в восходящем канале помимо другой информации содержатся временный идентификатор логического канала rTLLI), идентификатор временного потока (TFI) и порядковый номер PLC/MAC-пакета в этом потоке. Напомним, что наличие ^нумерации пакетов позволяет запрашивать повторную передачу ошибочно принятых пакетов.
Обработка
пакетных
данных
на
физическом
уровне
Обработка информации на физическом уровне осуществляется какрешение следующих основных задач:
• помехоустойчивое канальное кодирование, позволяющее выявлять и исправлять искаженные блоки, а при невозможности их исправления — информировать об этом RLC-уровень;
• перемежение бит в пределах передачи одного блока;
• мультиплексирование, заключающееся в создании пачек специального вида и формировании из этих пачек кадров и мульти-кадров для передачи по радиоканалу.
| Параметр | | Схема кодирования | |||
| | CS1 | CS2 | CS3 | CS4 | |
| Логические каналы | PDTCH РАССН РВССН РРСН PNCH PTCCH/D | PDTCH | PDTCH | PDTCH | |
| RLC-пакет данных | Число байт | 22 | 32 | 38 | 52 |
| Число дополнительных бит | 0 | 7 | 3 | 7 | |
| Размер МАС-заголовка, бит | 8 | 8 | 8 | 8 | |
| Размер блока на входе кодера, бит | 184 | 271 | 315 | 431 | |
| Блочное предкодирование | Не используется | (6,3) | (6,3) | (12,3) | |
| Размер блока на входе блочного кодера, бит | 184 | 274 | 318 | 440 | |
| Число проверочных бит | 40 | 16 | 16 | 16 | |
| Размер блока на выходе блочного кодера, бит | 228 | 284 | 338 | 456 | |
| Сверточный код | (2, 1, 5) | (2, 1, 5) | (2, 1, 5) | Не используется | |
| Размер блока на выходе сверточного кодера, бит | 456 | 558 | 676 | 456 | |
| Число выкалываемых бит | 0 | 132 | 220 | 0 | |
| Размер блока на выходе канального кодера | 456 | 456 | 456 | 456 | |
| Перемежение | 4 блока по 114 бит | ||||
| Вид пакета передачи по радиоканалу | Нормальная пачка 148 бит | ||||
| Скорость передачи данных, Кбит/с | 9,05 | 13,4 | 15,6 | 21,4 | |
В процессе канального кодирования из каждого RLC/MAC пакетаформируется блок физических данных, размер которого при любой схеме кодирования составляет 456 бит. Далее такой блок подвергают перемежению, в результате чего возникает четыре блока по 114 бит в каждом, и их передают по радиоинтерфейсу. Возможные параметры различных схем кодирования при GPRS представлены в табл. 15.3.
Радиочастотный подуровень подсети GPRS не отличается от традиционной сети GSM, т.е. в нем используются сигналы с тем же видом гауссовской частотной модуляции и минимальным сдвигом частоты, а также с такими же временными и спектральными характеристиками.
Соответственно аналогичные требования предъявляются и к приемопередающим трактам подсети GPRS.
15.7 Шифрование в сети
GPRS
Главным отличием обеспечения информационной безопасностив сети GPRS от традиционной сети GSM является то, что наряду со стандартным алгоритмом шифрования существует возможность выбора соответствующих алгоритмов из широкого списка. Специализированная группа экспертов SAGE (ETSI Security Algorithms Group of Experts) разработала принципы шифрования при пакетной передаче данных. Эти алгоритмы предоставляются производителям аппаратуры и сетевым операторам на основе лицензии при условии конфиденциальности. Как известно, в традиционной сети GSM шифрованию подвергается информация между МС и БС для одного логического канала. Шифрование же в GPRS производится между ОУ и МС на уровне LLC, а БС в процессах шифрования никак не участвует. Кроме того, шифрование производится независимо в восходящем и нисходящем направлениях с использованием различных ключей шифрования.
Поскольку при GPRS номер временного кадра не известен (а этот номер лежит в основе традиционного шифрования в GSM), тоза его аналог берется номер LLC-пакета. Следовательно, исходя из объема LLC-пакета шифрованию подвергаются данные объемом до 1 600 байт (в отличие от 114 бит в традиционной GSM).
Стандартный алгоритм использует симметричную схему шифрования, а основными параметрами при этом являются следующие: • ключ шифрования Кс длиной 64 бит. Как и при традиционной GSM, его генерирует МС в процессе аутентификации, и он совпадает с значением Кс, полученным ОУ от ДР в составе триплетов;
| |
• INPUT — параметр, имеющий длину 32 бит и зависящий от типа LLC-пакетов. В случае использования 1-кадров, переносящих абонентские пакеты, значение INPUT устанавливается случайным образом и увеличивается на единицу для каждого нового I-кадра. Если же используются UI-кадры, переносящие как абонентские пакеты, так и сигнализацию, значение INPUT представляет собой неповторяющееся 32-битовое число, определяемое из LLC-заголовка;
• DIRECTION — однобитовый параметр, определяющий направление передачи;
• OUTPUT — строка, содержащая зашифрованные данные. Ее минимальная длина составляет 3 байт, а максимальная — 1600 байт, что соответствует максимально возможной длине полезной части LLC-пакета, включая 3 байт проверочных символов FCS. При этом заголовок LLC-пакета не шифруется.
Принцип шифрования при GPRS с использованием введенных параметров поясняет рис. 15.16. На передающей стороне входящие в OUTPUT биты складываются по модулю 2 с битами исходного сообщения PLAIN TEXT, что в результате дает зашифрованное сообщение CIPHERED TEXT. Соответственно для восстановления исходного сообщения на приемной стороне биты зашифрованного сообщения складываются по модулю 2 с битами строки OUTPUT. Для повышения эффективности процесса шифрования предусмотрена возможность генерирования на выходе алгоритма пакетов, содержащих требуемое число байт. Обычно используются или короткие (25 ...50 байт), или длинные (500... 1000 байт) пакеты.
Контрольные
в
опросы
1. Перечислите основные функциональные узлы сети GPRS и укажите их аналоги в традиционной GSM.
2. Какие характеристики определяются параметром QoS?
3. Опишите процедуру получения сетью адреса определенного узла.
4. Перечислите основные интерфейсы сети GPRS и поясните их назначение.
5. Какие логические каналы, предназначенные для пакетной передачи данных, организованы в сети GSM/GPRS?
6. Каковы функции МАС-протокола GPRS?
7. Перечислите и кратко опишите протоколы передачи данных по Gn-нтерфейсу.
8. Раскройте структуру GTP-пакета.
9. В чем заключаются сходство и различие иерархической кадровой
структуры GPRS и традиционной GSM?
10. Для чего используется флаг установки соединения?
11. Опишите процедуру преобразования пакетных данных на LLC-уровне.
12. Чем отличаются принципы шифрования в GPRS и в традиционной GSM?
Глава 16
УСЛУГИ
И
КАЧЕСТВО
ОБСЛУЖИВАНИЯ
В
СЕТИ
GPRS
16.1.
Услуги
и
их
безопасность
В отличие от традиционной GSM, где по существу предоставляется единственная услуга коммутации абонентских каналов с качеством, не зависящим от желания абонента, различные приложения, которые могут использовать передачу данных через сеть GPRS, предъявляют заметно отличающиеся требования к таким параметрам, как вероятность ошибки, задержка сообщения, стоимость, конфиденциальность и др. Исходя из этого абонентам GPRS предлагается широкий спектр услуг, характеризуемых различным качеством обслуживания и стоимостью.
В GPRS возможен режим «сквозной» (end-to-end) передачи данных, определяющий два класса услуг: передачу данных между двумя абонентами (РТР — Point-To-Point) и передачу данных от одного абонента нескольким (РТМ — Point-To-Multipoint).
Связь между двумя абонентами, один из которых является передающим, а другой — принимающим, может быть осуществлена либо без соединения (РТР Connection Network Service), либо с ориентированным соединением (РТР Connection Oriented Network Service).
В первом случае передающий абонент посылает одиночные пакеты данных, каждый из которых не имеет никакого отношения к предыдущему и последующему. Поддержка такого способа осуществляется Интернет-протоколом.
Во втором случае между пакетами данных устанавливается некоторая логическая связь, а передача этих пакетов происходит достоверным способом. Поддержка связи с ориентированным соединением осуществляется на основе протокола Х.25. Заметим, что далеко не все производители телекоммуникационного оборудования внедряют данную технологию в свои продукты.
Технология GPRS унаследовала от традиционной GSM стандартные функции безопасности:
• аутентификация пользователя;
• идентификация мобильного оборудования;
• конфиденциальность пользователя;
• шифрование данных.
В GPRS аутентификация пользователя и идентификация мобильного оборудования производятся в ОУ аналогично тому, как это делается в ЦКПС/ГР.
Конфиденциальность пользователя осуществляется путем назначения для конкретной МС ее сетевого псевдонима, т.е. временного идентификатора при пакетной передаче (P-TMSI — Packet Temporary Mobile Subscriber Identity), который выполняет ту же роль, что обычный временный идентификатор (TMSI) в традиционной GSM. Этот идентификатор выделяется ОУ, сообщается МС в зашифрованном виде и используется только в рамках одной области маршрутизации. Его размер составляет 32 бит, причем два старших разряда устанавливаются равными единице, что указывает на использование GPRS.
Следует обратить внимание на то, что выделение идентификатора P-TMSI может происходить несколько раз в процессе обмена информацией. При этом выделение нового P-TMSI может быть отдельной процедурой или же являться частью процедур присоединения или обновления области маршрутизации.
В процессе выделения нового P-TMSI обслуживающий узел высылает МС соответствующее сообщение (P-TMSI Reallocation Command), содержащее новый P-TMSI, его сигнатуру (подпись)1 и идентификатор области маршрутизации RAI. Получив новый P-TMSI, МС отправляет в ОУ подтверждающее сообщение (P-TMSI Reallocation Complete). Полученную сигнатуру МС должна возвратить в ОУ при следующей процедуре присоединения или обновления области маршрутизации, вложив ее в соответствующие запросы (Attach Request, RArea Update Request), после чего ОУ сравнивает полученное и хранящееся значения. Если эти значения не совпадают, ОУ обязательно должен выполнить функции безопасности для проверки подлинности абонента.
16.2.
Сбор
данных
о
соединении
Обслуживающие конкретную мобильную станцию ОУ и GPRS-шлюз накапливают информацию о ходе соединения и используемых услугах, причем за сбор информации об использовании радиоресурсов отвечает ОУ, а об использовании ресурсов сети — GPRS-шлюз. Собранная информация о соединении передается в шлюз тарификации по Ga-интерфейсу с использованием расширенного протокола GPRS
-передачи (GTP' — GPRS Tunnel Protocol (enhanced)), а далее — в центр тарификации (рис. 16.1). Описанные
1 Сигнатура P-TMSI является необязательным (опциональным) параметром, также присутствующим в сообщениях «Присоединение принято» (Attach Accept) и «Обновление местоположения принято» (RArea Update Accept), которые являются завершающими фазами процедур присоединения или обновления области маршрутизации (см. гл. 17). Использование сигнатуры P-TMSI позволяет в ряде случаев упростить сетевые процедуры, в частности позволяет не выполнять процедуры безопасности при каждом контакте МС с сетью.
процедуры сбора данных о соединении, как и в традиционной GSM, называются детализированными записями вызова (CDR — Call Detailed Records). Для организации процесса тарификации каждому PDP-контексту ставится в соответствие идентификатор тарификации (Charging ID).
Необходимо обратить внимание на наличие существенной разницы при тарификации в GPRS и традиционной GSM. Стандарт GPRS не предполагает обязательного наличия энергонезависимой памяти в ОУ и GPRS-шлюзе. Это означает, что при возможном кратковременном отключении питания (например, из-за перезагрузки) учетные записи могут быть потеряны. Исходя из этого необходимо стремиться передавать учетные записи из ОУ и GPRS-шлюза в центр тарификации как можно быстрее. В этом состоит принципиальное отличие систем тарификации в GPRS и традиционной GSM, где ЦКПС генерирует учетные записи и хранит их в виде файлов длительное время.
В GPRS-шлюзе формируется детализированная запись G-CDR, включающая в себя следующие позиции:
• начальная информация, т. е. активизация PDP-контекста;
• конечная информация, т.е. дезактивизация PDP-контекста;
• информация о соединении, например объем трафика, установленное качество обслуживания, продолжительность соединения, точка доступа, адреса ОУ и GPRS-шлюза.
В ОУ формируется несколько типов детализированных записей: S-CDR (данные о PDP-контексте), M-CDR (данные о параметрах управления мобильностью) и SMS-CDR (данные о коротких сообщениях). Структура этих записей идентична структуре записи G-CDR с той лишь разницей, что в запись M-CDR включается информация о переопределении области маршрутизации.
Все типы детализированных записей содержат и статическую, и динамически изменяющуюся информацию. Так, в запись S-CDR изначально включаются идентификатор IMSI, тип PDP, адрес GPRS-шлюза, идентификатор тарификации и другая статическая информация. В процессе приема-передачи пакетной информации возникает совокупность динамически обновляемых данных, называемых частными записями. Причинами их возникновения и завершения могут быть изменение текущего качества обслуживания, смена ОУ при изменении ОМ, превышение максимального объема, истечение предельного интервала времени и др. Наиболее значимыми динамически обновляемыми данными являются следующие:
• объем трафика, оцениваемый количеством байт, передаваемых в обоих направлениях по уровням, расположенным выше уровня SNDCP;
• время активации PDP-контекста в ОУ для первой частной записи или время начала записи для всех последующих частных записей;
• продолжительность частной записи;
• причина закрытия записи.
Если бы поток детализированных записей в сети GPRS был бы не очень значительным, то их можно было бы непосредственно направлять в центр тарификации. Однако в реальных сетях GPRS поток этих записей настолько велик, что возникает необходимость промежуточного узла, позволяющего упорядочить работу с ними. Таким узлом является GPRS-шлюз, и на него возложено выполнение следующих операций по обработке детализированных записей:
• промежуточное накопление;
• Проверка подлинности;
• объединение;
• форматирование;
• адаптация к различным интерфейсам систем тарификации.
На рис. 16.2 приведен пример генерирования и обработки детализированных записей для случая, когда мобильный абонент находится в гостевой (роуминговой) сети А и желает осуществить передачу данных во внутреннюю пакетную сеть, подключенную к его домашней сети В. При этом можно выделить следующие основные процедуры:
1 — пакетные данные от абонента, а также сигнальная и дополнительная информация через МС, БС и КБС попадают в ОУ и GPRS-шлюз гостевой сети;
1 — в ОУ и GPRS-шлюзе гостевой сети активизируются PDP-контексты, после чего начинается формирование детализированных записей S-CDR и G-CDR, которые регулярно пересылаются в шлюз тарификации и далее — в центр тарификации;
| |
3 — ОУ пересылает пакетные данные в пограничный шлюз А гостевой сети;
4
— из пограничного шлюза А гостевой сети, подключенного к промежуточной сети С, соединяющейся с домашней сетью абонента, пакетные данные и информация о них через пограничный шлюз В домашней сети поступают в ее ОУ и GPRS-шлюз;
5 — в ОУ и GPRS-шлюзе В домашней сети активизируются PDP-контексты, после чего начинается формирование детализированных записей S-CDR и G-CDR, которые регулярно пересылаются в шлюз тарификации и далее — в центр тарификации;
6
— пакетные данные посылаются во внутреннюю пакетную сеть;
7 — учетные записи, сделанные в гостевой сети А и, возможно, во внутренней пакетной сети, путем соответствующей процедуры (ТАР — Transferred Account Procedure) пересылаются в центр тарификации домашней сети В, где и выписывается окончательный счет абоненту.
16.3.
Качество
обслуживания
К каждому PDP-контексту применяется понятие качества обслуживания (QoS), характеризуемое рядом параметров.
Приоритет. В нормальных условиях функционирования сеть будет пытаться удовлетворить требования всех абонентов в соответствии с их профилями QoS. Однако в тех случаях, когда ресурсы сети
оказываются недостаточными для удовлетворения качества обслуживания в полной мере, необходимо определить группы абонентов, которые в таких условиях окажутся в более или менее привилегированном положении. Для этого определены три группы абонентов, ранжированные по относительному приоритету получаемых ими услуг:
• высший приоритет;
• нормальный приоритет;
• низкий приоритет.
Задержка сообщений. Несмотря на то что сеть GPRS не является системой с ярко выраженным накоплением данных, все же имеет место временное накопление информации в различных ее элементах, что в конечном счете приводит к общей задержке сообщений. Данный параметр определяет максимальную задержку передачи сообщения между двумя терминалами. При этом минимальной в сети GPRS является поддержка требований 4-го класса — так называемого класса с наименьшей задержкой при заданных условиях (Best Effort Delay Class), однако в спецификациях GPRS параметры задержки для этого класса не определены. Таким образом, фактически минимальными являются требования 3-го класса, в котором среднее время задержки сообщения не превышает 50 с для 128-байтного сообщения и 75 с для 1 024-байт-ного сообщения (табл. 16.1).
Надежность доставки. Параметр определяется принадлежностью к классам надежности 1...5, которые отражают вероятность следующих событий:
• потери данных;
• дублирования данных;
• получения данных вне установленной последовательности;
• искажения данных.
| Класс требований | Длина пакета 128 байт | Длина пакета 1024 байт | ||
| Максимальное среднее время задержки сообщения, с | Максимальное время задержки сообщения в течение 95 % времени передачи, с | Максимальное среднее время задержки сообщения, с | Максимальное время задержки сообщения в течение 95 % времени передачи, с | |
| 1 | 0,5 | 1,5 | 2 | 7 |
| 2 | 5 | 25 | 15 | 75 |
| 3 | 50 | 250 | 75 | 375 |
| 4 | Не определен | |||
| Класс надежности | GTP | LLC | RLC | Тип трафика |
| 1 | А | А, Р | А | Невозможна передача в реальном времени. Приложения чувствительны к ошибкам и не могут справиться с потерей части данных |
| 2 | UA | А, Р | А | Невозможна передача в реальном времени. Приложения чувствительны к ошибкам, но могут справиться с редкими потерями данных |
| 3 | UA | UA, P | А | Невозможна передача в реальном времени. Приложения чувствительны к ошибкам, но могут справиться с потерями данных (например, передача коротких сообщений) |
| 4 | UA | UA, P | UA | Возможна передача в реальном времени. Приложения чувствительны к ошибкам |
| 5 | UA | UA, UP | UA | Возможна передача в реальном времени. Приложения нечувствительны к ошибкам |
В зависимости от класса надежности вероятности указанных событий могут принимать значения от 10~2 до 10~9. Например, сигнальная информация и короткие сообщения передаются с классом надежности 3.
Класс надежности определяет требования к сетевым протоколам различных уровней, и для обеспечения их выполнения необходимо установить определенные режимы передачи на уровнях GTP, LLC и RLC/MAC. Возможные варианты выбора режимов передачи представлены в табл. 16.2, где A (Acknowledged) — режим передачи данных с подтверждением; UA (UnAcknowledged) — режим передачи данных без подтверждения; Р (Protected) — защищенный режим; UP (Unprotected) — незащищенный режим.
Классы пропускной способности. Данные классы определяют требования к пропускной способности сети передачи пакетных данных на основании двух параметров1:
• максимальная скорость передачи;
1 Заметим, что данная характеристика пропускной способности системы отличается от той, которая принята в общей теории информации.
| Класс пропускной способности | Кбит/с | Класс пропускной способности | "max» Кбит/с | Класс пропускной способности | Кбит/с |
| 1 2 3 | 8 16 32 | 4 5 6 | 64 128 256 | 7 8 9 | 512 1024 2048 |
• средняя скорость передачи, включая интервалы времени, в которых данные не передаются.
И максимальная, и средняя скорость определяются в принадлежности к выбранному классу, который характеризует ожидаемую пропускную способность, требуемую для PDP-контекста.
Максимальная скорость передачи v,^ оценивается на основе подсчета количества байт, прошедших через специальные контрольные точки Gi- и R-интерфейсов. Хотя данный показатель определяет максимальную скорость, с которой данные могут передаваться по сети при одном выделенном PDP-контексте, однако нет никакой гарантии, что это значение будет достигнуто и тем более установлено на некоторый период. Максимальная скорость не зависит от используемого класса задержки, и сеть может ограничивать скорость передачи, даже если существует возможность ее увеличения. В табл. 16.3 приведены значения максимальной скорости передачи, устанавливаемые в сети GPRS, и соответствующие классы пропускной способности.
Средняя скорость v^ измеряется в тех же контрольных точках Gi- и R-интерфейсов, что и v^ определяется за час. Данный показатель реально отражает среднюю скорость передачи по сети, и данное условие может быть оговорено при подписании соглашения с оператором. Значения средней скорости и соответствующие
| Класс пропускной способности | "ср. бит/с | Класс пропускной способности | бит/с | Класс пропускной способности | 0ср. Кбит/с | Класс пропускной способности | fcp, Кбит/с |
| 1 | — | 6 | 4,4 | 11 | 0,2 | 16 | 11,1 |
| 2 | 0,2 | 7 | 11,1 | 12 | 0,4 | 17 | 22,0 |
| 3 | 0,4 | 8 | 22,0 | 13 | 1,1 | 18 | 44,0 |
| 4 | 1,1 | 9 | 44,0 | 14 | 2,2 | 19 | 111,0 |
| 5 | 2,2 | 10 | 111,0 | 15 | 4,4 | — | — |
этим значениям классы пропускной способности представлены в табл. 16.4.
Для пропускной способности 1 -го класса средняя скорость принимается равной максимально возможной. Как видно из табл. 16.4, в классах, отстоящих друг от друга на девять позиций, значения средней скорости отличаются на порядок.
Контрольные
вопросы
1. На чем основана конфиденциальность пользователя в сети GPRS?
2. Каким образом осуществляется сбор данных о соединении?
3. Перечислите основные тарификационные составляющие при передаче пакетных данных по сети GPRS.
4. Укажите требования к задержке сообщений в зависимости от приоритета абонента.
Что такое режим передачи с подтверждением?
Глава 17
УПРАВЛЕНИЕ
ТРАФИКОМ
В
СЕТИ
GPRS
17.1.
Управление
мобильностью
абонента
В GPRS все данные, относящиеся к абоненту, можно разделить на две группы. Первая группа данных, связанная с режимом мобильности абонента, называется ММ-контекстом (Mobile Management Context). Вторую группу составляют данные, относящиеся к организации пакетной передачи — PDP-контекст. Абонент может иметь несколько различных вариантов подписки на услуги GPRS, что соответствующим образом отражается в нескольких PDP-контекстах.
При выполнении основных процедур, связанных с организацией и управлением передачи пакетных данных, происходят следующие системные процессы: подключение и отключение пакетной сети, переопределение соты и области маршрутизации, управление сеансами.
Управление мобильностью в сети GPRS осуществляется так же, как и в GSM с той лишь разницей, что наряду с понятием зоны местоположения здесь используется понятие области маршрутизации. При этом одна ЗМ может содержать несколько ОМ, которые можно рассматривать как пакетные подсети и в пределах которых производится пейджинг абонентов GPRS (рис. 17.1).
Одна ОМ всегда управляется ОУ (данное ограничение аналогично управлению в сети GSM, где одна ЗМ обслуживается только одним ЦКПС), и она не может принадлежать более чем одной
ЗМ. Следовательно, необходимо совместное обновление данных о местоположении и маршрутизации при использовании услуг GPRS. Зона местоположения определяется идентификатором RAI, ко-торый назначается оператором. Мобильный GPRS-терминал отслеживает текущее значение RAI и при пересечении границ ОМ инициирует процедуру обновления информации о ней. Слежение за местонахождением терминала определяется нахождением в одном из трех режимов управления мобильностью:
• ожидание (IDLE) — режим, характерный для терминала, у которого не осуществлена процедура подключения к GPRS;
• готовность (READY) — режим, характеризующий активную фазу передачи пакетных данных;
• резервный (STANDBY) — режим, в который терминал переходит по завершении активной фазы.
Смена режимов происходит при наступлении соответствующих событий или по истечении установленных временных интервалов. Заметим, что в резервном режиме информация о положении абонента известна ОУ с точностью до ОМ, а в режиме готовности — с точностью до соты.
Если покупаемый мобильный терминал изначально не прописан в сети GPRS, то она на данный момент не имеет информации о его местонахождении, и можно сказать, что абонент находится в режиме ожидания. Хотя в этом состоянии в отношении пакетной сети абонент недоступен, тем не менее МС контролирует SCCH для получения системной информации.
При включении телефона с вставленной SIM-картой, в которой прописаны услуги GPRS, происходит подключение к пакетной сети, после успешного завершения которого терминал переходит в режим готовности. При этом становятся возможными такие процедуры, как активация-дезактивация PDP-контекста, отправка и получение пользовательских пакетов данных. МС помещает глобальный идентификатор соты (CGI) в заголовок пакета данных, и в ОУ появляется информация о местоположении абонента с точностью до соты.
Мобильная станция не может долго находиться в режиме готовности, не совершая никаких действий, поскольку специальный таймер производит отслеживание интервала времени, по истечении которого происходит переход в резервный режим. Заметим, что при нахождении в режиме готовности МС нет необходимости занимать радиоресурсы сети на протяжении всего времени. Используя режим прерывистого приема, она может экономить батареи питания.
В резервном режиме информация о местоположении абонента известна с точностью до ОМ. При этом МС использует для приема вещательный канал (ВССН) и канал вызова (РСН) в целях получения системной информации. Причем через ОУ возможен
доступ к услугам традиционной GSM, но прием и передача пакетных данных невозможны. Если в ОУ находятся данные или сигнальная информация для МС, то в ОМ посылается пейджинговый запрос (Paging Request), после чего МС переходит в режим готовности и способна принимать пакетные данные.
Прежде чем начать изучение процедур, связанных с управлением трафика в GPRS, рассмотрим более подробно содержание той информации об абоненте GPRS, которая хранится в сети GPRS и предоставляется по запросам.
17.2.
Данные
об
абоненте
в
сети
GPRS
Абонент может иметь несколько различных вариантов подписки на услуги GPRS, что соответствующим образом отражается в содержимом IMSI (рис. 17.2). Обратим внимание на иерархическую структуру записи: данные об услугах GPRS (PDP) находятся на том же уровне, что и базовые услуги (БУ) при коммутации каналов; дополнительные услуги (ДУ) могут быть активизированы как на уровне общего описания, так и на уровне базовых услуг.
Информация, необходимая для создания и поддержки трафика GPRS, распределена между четырьмя функциональными узлами этой сети: ДР, ОУ, GPRS-шлюзом и МС.
Данные, соответствующие представленной на рис. 17.2 иерархической структуре, находятся в ДР, и их описание приведено в приложении 2.
Обслуживающий узел содержит данные о режиме мобильности и услугах, т.е. ММ- и PDP-контексты для мобильных терминалов, находящихся в резервном режиме и в режиме готовности, и для случая открытого доступа они отражены в приложении 3. В случае анонимного доступа ОУ содержит информацию о ММ- и
PDP-контекстах для мобильных терминалов, находящихся только в режиме готовности (см. приложение 4).
В GPRS-шлюзе содержится информация, которая в основном касается поддержки активизированных PDP-контекстов (см. приложение 5).
Заметим, что если PDP-контекст устанавливается в ответ на запрос об активации, то такие параметры как IMSI, MNRG, тип PDP, адрес PDP и адрес ОУ содержат соответствующую информацию так же, как в случаях неактивного PDP-контекста и GPRS-отключения. В случае анонимного доступа GPRS-шлюз определяет активированный PDP-контекст, поля которого содержат информацию, представленную в приложении 6.
Каждый мобильный терминал в сети GPRS содержит информацию о ММ- и PDP-контекстах во всех режимах, и в приложении 7 представлено описание соответствующих полей для открытого доступа. В случае анонимного доступа каждый мобильный терминал хранит информацию о контекстах только в режиме готовности (см. приложение 8).
Наряду с указанными функциональными узлами в ЦКПС/ГР также может храниться некоторая информация о трафике GPRS, в частности IMSI и номер ОУ в системе ОКС № 7.
Любая база данных, соответствующая какой-либо услуге, может находиться в одном из двух состояний: активном и неактивном.
В неактивном состоянии обмен данными МС с сетью невозможен, поскольку PDP-контекст не содержит всей необходимой информации, например информации для маршрутизации пакетов. Если поступление пакетов данных начинается тогда, когда PDP-контекст находится в неактивном состоянии, то GPRS-шлюз производит процедуру активизации PDP-контекста. При этом переход в активное состояние возможен только в следующих режимах управления мобильностью: «готовность» и «резервный».
Переход из активного в неактивное состояние может происходить либо по инициативе МС, которая дезактивирует определенный PDP-контекст, либо по инициативе сети, отключающей по каким-либо причинам МС от работы, либо, наконец, по истечении времени состояния готовности.
17.3.
Подключение
и
отключение
в
сети
GPRS
Обратимся к процедуре подключения абонента к сети GPRS, успешным результатом которой является перевод МС из режима ожидания в режим готовности. При этом возможны два варианта подключения, отличающиеся способом идентифицикации МС В первом варианте МС посылает в сеть временный идентифика тор (P-TMSI), во втором — постоянный (IMSI), что существенно понижает конфиденциальность абонента.
Рассмотрим пример (рис. 17.3), иллюстрирующий первый вариант подключения МС к пакетной сети или подключение МС к новому ОУ при участии прежнего ОУ:
1 — МС посылает запрос на подключение (Attach Request), который принимается и обрабатывается в ОУ. В запросе помимо других параметров содержится вариант подключения (либо IMSI, либо P-TMSI) вместе с прежним идентификатором области маршрутизации RAI и сигнатурой P-TMSI;
2 — если МС идентифицирует себя посредством посылки P-TMSI и, следовательно, она не пределена в сети, управляе мой новым ОУ, то в прежний ОУ посылается запрос (Identification Request) на получение идентификационных данных об абоненте;
3 — ответ прежнего ОУ (Identification Response) содержит IMSI
или сообщение об ошибке, если МС ему неизвестна;
4— если МС неизвестна и в новом, и в прежнем ОУ, то новый ОУ посылает ей идентификационный запрос (Identity Request), a МС возвращает ответ (Identity Response), содержащий IMSI;
5 — для выполнения аутентификации из ЦА запрашиваются и получаются необходимые данные (RAND, SRES, Кс);
6— новый ОУ выполняет процедуру аутентификации. При этом МС выдает на аутентификационный запрос значение SRES'. Если значения SRES' и SRES совпадают, то аутентификация считается успешной;
7 — ОУ запрашивает и получает от МС идентификатор оборудования (IMEI);
8
— IMEI направляется для проверки в РИО, откуда приходит сообщение с указанием типа мобильного оборудования («цвет» списка). Если мобильное оборудование разрешено к использованию, то ОУ подтверждает идентификацию абонента, выделяет и посылает МС новый идентификатор (P-TMSI), после чего процедура подключения считается успешной, но для дальнейшей работы необходимо осуществить позиционирование абонента;
9
— в целях внесения или обновления информации о положении абонента ОУ посылает в ДР соответствующее сообщение (Update Location), содержащее IMSI, а также свой адрес и номер;
10
— ДР высылает в прежний ОУ сообщение (Cancel Location) об отмене существующей в нем информации о местоположении абонента. Прежний ОУ удаляет данные об абоненте из своей базы и возвращает подтверждение (Cancel Location Acknowledge). Если при этом в прежнем ОУ продолжаются какие-либо процедуры, связанные с данной МС, то он ждет их окончания и лишь затем удаляет данные;
11
— ДР посылает в новый ОУ список услуг, доступных абоненту. Новый ОУ проверяет, нет ли в его ОМ каких-либо ограничений для абонента, и если все проверки успешны, то создает контекст управления мобильностью и отправляет в ДР подтверждение доступности услуг;
12 — ДР подтверждает обновление информации о местоположении абонента (Update Location Acknowledge).
Отключение абонента от GPRS может быть инициировано как самим терминалом, так и сетью по каким-либо причинам. При этом отключение может быть явным и неявным.
Явное отключение осуществляется и МС, и сетью посредством посылки соответствующего сообщения. В том случае когда инициатором отключения является МС, она посылает в ОУ запрос, в котором указывается, вызвано ли это желание выключением питания, и если это не так, то после выполнения надлежащих действий ОУ посылает МС подтверждение. В противном случае подтверждение не высылается, поскольку МС все равно не сможет его получить. Если же отключение инициируется сетью, то ОУ посылает запрос МС, в котором указывается, что ей надлежит отключиться.
Неявное отключение МС не сопровождается никакими сообщениями со стороны сети. Причинами такого отключения может быть превышение показателя таймера, отслеживающего периодическое обновление ОМ, а также сбои в радиоканале.
В общем случае возможны три типа отключения: GPRS-отключение (GPRS-detach), IMSI-отключение (IMSI-detach) и комбинированное отключение (GPRS/IMSI-detach). Кроме того, возмож
на ситуация, когда МС при GPRS-отключении может сохранять статус IMSI-подключения.
В качестве примера рассмотрим процедуру отключения от GPRS, инициированную МС (рис. 17.4):
1
— МС посылает в ОУ запрос, в котором указывается тип отключения, а также информация о том, имеет место выключение питания или нет;
2 — в случае IMSI-отключения ОУ посылает в ДР запрос на идентификацию на основании IMSI. При этом ДР идентифицирует МС, что указывается в ответном сообщении;
3
— в случае GPRS-отключения ОУ дезактивирует в GPRS-шлюзе все активные PDP-контексты, относящиеся к данной МС, путем посылки сообщения, которое идентифицируется посредством туннельного идентификатора (TID). При этом GPRS-шлюз возвращает подтверждение, используя тот же TID;
4— когда МС желает сохранить статус IMSI-подключения при GPRS-отключении, ОУ общается с ДР на предмет IMSI-иденти-фикации МС, после чего ДР удаляет существующую информацию о связи данного IMSI с ОУ и в дальнейшем выполняет пенд-жинг и обновление местоположения без обращения к ОУ;
5 — если запрос на отключение не связан с выключением питания, то ОУ подтверждает МС его выполнение.
Отключение со стороны сети может быть инициировано либо ОУ, либо GPRS-шлюзом. При этом характер и содержание сообщений подобны рассмотренному случаю.
17.4.
Переопределение
местоположения
GPRS
-
абонента
При описании процедур подключения и отключения предполагалось, что абонент находится в пределах одной соты. На практике часто встречается ситуация, при которой пакетная передача осуществляется от движущегося абонента, так что во время сеанса происходит пересечение границ одной или нескольких сот (на пример, передается или принимается электронное письмо большого размера). Такая ситуация является аналогом процедуры хэн-довера в традиционной сети GSM, но несмотря на внешнюю схожесть процессы канального и пакетного хэндоверов все же различны.
Напомним, что при канальном хэндовере, т.е. при пересечении границы сот абонентом, находящимся в активном режиме с коммутацией каналов, происходит кратковременный обрыв сеанса с последующим его восстановлением (если, конечно, не произошло потери связи). При этом абонентом такая процедура воспринимается как небольшая пауза (возможно, со щелчком), после которой разговор может быть продолжен.
Обслуживание активного абонента, осуществляющего пакетную передачу, при пересечении им границ соты основано на процедуре определения местоположения МС, которая может быть нескольких видов в зависимости от того, каким ОУ управляется текущая сота. Стандартной является процедура обновления данных о смене сот внутри ОМ, когда МС находится в режиме готовности. Процесс обновления данных приостанавливает процесс передачи-приема. При этом, как правило, информация копируется в соответствующий буфер ОУ и после возобновления процесса пакетной передачи доставляется абоненту. Однако возможна ситуация, при которой информация теряется, и тогда ее необходимо передавать заново. Процесс обновления данных о смене сот внутри одной ОМ часто называют переопределением соты.
При смене сот, находящихся в разных областях маршрутизации, инициируется процесс обновления данных об ОМ. При этом обе ОМ могут управляться либо одним, либо двумя разными ОУ. В первом случае происходит внутреннее переопределение соты, а во втором — внешнее, т.е. при котором прежний ОУ передает пакеты данных новому ОУ. Процесс обновления данных о смене ОМ часто называют переопределением области маршрутизации. Упрощенный механизм внутреннего переопределения ОМ выглядит следующим образом (рис. 17.5).
Мобильная станция, перемещаясь по сети из соты С1 в соту С2, принимает сигналы от различных БС. Обнаружив, что сота С2 принадлежит другой ОМ, МС посылает в ОУ запрос на обновление местоположения. Обслуживающий узел организует процедуру аутентификации пользователя и в случае ее успеха выделяет новый идентификатор (P-TMSI). Затем ОУ проверяет смену абонентом ОМ и, убедившись в этом, высылает разрешение на обновление местоположения МС, подтверждая успешное переопределение ОМ соответствующим сообщением.
Рассмотрим теперь более подробно механизм (рис. 17.6) и процедуру (рис. 17.7) внешнего переопределения области маршрутизации, в случае когда две ОМ управляются различными ОУ:
1 — МС, перемещаясь по сети из соты С1 в соту С2, обнаруживает, что очередная сота принадлежит ОМ2, управляемой новым ОУ2. После этого МС через БС2 и КБС2 посылает в новый ОУ запрос на обновление местоположения (Routing Area Update Request), в котором содержатся прежние идентификатор области маршрутизации (RAI), пакетный идентификатор (P-TMSI), тип переопределения (внешний) и индикатор наличия или отсутствия канального соединения. При этом БС, перенаправляя запрос через КБС в ОУ, добавляет идентификатор соты (CID), с которым
был получен данный запрос. Если имеет место канальное соединение, в дальнейшем ОУ не будет обращаться в ЦКЛС/ГР;
2 — новый ОУ посылает в прежний ОУ запрос на определение контекста (SGSN Context Request), содержащий адрес нового ОУ, прежний идентификатор (RAI), вспомогательный идентификатор временного логического канала (TLLI) и прежний пакетный иден тификатор (P-TMSI) в целях получения ММ- и PDP-контекстов для МС;
3 — прежний ОУ проверяет достоверность идентификатора P-TMSI и в случае несовпадения с хранящимися в нем данными отвечает сообщением об ошибке, что, в свою очередь, активизирует соответствующие функции безопасности (Security Function). Если аутентификация абонента не прошла, то процедура переопределения ОМ приостанавливается с соответствующим оповещением прежнего ОУ, который продолжает свою работу так же, как если бы запрос на переопределение не был получен
вообще. В случае успешной аутентификации МС новый ОУ повторно посылает запрос на определение контекста, значение поля достоверности которого указывает на успешную идентификацию абонента;
• — прежний ОУ отвечает сообщением (SGSN Context Response), содержащим данные о ММ- и PDP-контекстах, а также посылает данные для каждого LLC-соединения. Каждый PDP-koh-текст включает в себя номер GTP-последовательности для блоков N-PDU, передаваемых как в прямом (от ОУ к МС), так и в обратном (от МС к ОУ) направлениях. Прежний ОУ запоминает адрес нового ОУ и включает таймер;
• — новый ОУ посылает прежнему ОУ подтверждение о готовности принимать данные, относящиеся к активным PDP-контекстам (SGSN Context Acknowledge);
• — прежний ОУ организует процедуру туннелирования в новый ОУ накопленных блоков N-PDU (Forward Packets). После установления показания таймера передача блоков приостанавливается;
• — новый ОУ посылает в GPRS-шлюз запрос на переопределение PDP-контекста (Update PDP Context Request), включающий в себя адрес нового ОУ, туннельный идентификатор (TID), а также показатель, устанавливающий качество обслуживания (QoS). При этом GPRS-шлюз обновляет поля PDP-контекста и отвечает соответствующим сообщением (Update PDP Context Response);
• — новый ОУ информирует ДР о переопределении местоположения абонента (Update Location), посылая адрес и номер ОУ, а также идентификатор IMSI абонента;
— ДР передает в прежний ОУ сообщение о снятии информации о местоположении (Cancel Location), содержащее идентификатор IMSI и тип отмены. При этом возможны два типа отмены: при незапущенном и запущенном таймере. Если таймер не запущен, то прежний ОУ сразу удаляет ММ- и PDP-контексты. В противном случае контексты удаляются по истечении некоторого времени, что позволяет осуществить возможную передачу накопленных блоков N-PDU. Прежний ОУ информирует ДР о завершении смены местоположения (Cancel Location Acknowledge), высылая в ДР идентификатор IMSI абонента;
10
— ДР посылает в новый ОУ информацию о пользователе (Insert Subscriber Data), содержащую IMSI и данные о подписках. Новый ОУ проверяет присутствие МС в новой ОМ и, в случае если ее там нет, прерывает запрос на подключение. Если проверка прошла успешно, то ОУ устанавливает ММ-контекст для МС и отвечает соответствующим сообщением (Insert Subscriber Data Acknowledge);
11
— ДР подтверждает переопределение местоположения (Update Location Acknowledge);
12 — в случае существования связи между прежним ОУ и ЦКПС/ГР и отсутствия канального соединения новый ОУ посылает в ДР и ЦКПС/ГР запрос на переопределение местоположения (Location Updating Request), содержащий тип переопределения, номер ОУ, новый идентификатор зоны местоположения (LAI) и идентификатор IMSI. При этом ДР принимает процедуру переопределения (Location Updating Accept);
13
— новый ОУ принимает процедуру переопределения (Routing Area Update Accept) и устанавливает для абонента ММ-контекст и логический канал путем выделения P-TMSI, а также набора LLC Ack, содержащего информацию для каждого LLC-соединения и, следовательно, для подтверждения всех N-PDU блоков, успешно переданных до начала процедуры переопределения;
14 — МС сообщает об успешном завершении процедуры переопределения (Routing Area Update Complete).
Если по истечении времени, определяемого соответствующим таймером, из ДР не поступает сообщение «Cancel Location», то прежний ОУ прекращает передачу блоков N-PDU в новый ОУ и продолжает функционировать так, как будто запроса на переопределение контекста (SGSN Context Request) не было. В том случае когда процедура переопределения не была успешно завершена в течение максимально возможного времени или не было получено от ОУ сообщение о приостановлении переопределения (Routing Area Update Reject), MC переходит в режим ожидания.
Наконец, заметим, что нахождение МС в течение долгого времени в одном и том же месте приводит к информированию сети о постоянной доступности абонента — тем самым осуществляется процедура периодического переопределения области маршрутизации.
17.5.
Взаимодействие
ОУ
и
ЦКПС
/
ГР
Как уже говорилось, сеть с коммутацией каналов и сеть с коммутацией пакетов существуют в рамках единой системы GSM, и поскольку обе сети обеспечивают независимое управление мо бильностью, такая ситуация приводит к появлению дополнительного трафика внутри сети. Мобильные терминалы классов А и В способны потребить услуги как канальной, так и пакетной сети, что требует эффективного использования сетевых ресурсов путем организации внутрисетевого взаимодействия между ОУ и ЦКПС/ГР. Взаимодействие между ОУ и ЦКПС/ГР осуществляется на основе Gs-интерфейса, что обеспечивает выполнение следующих основных функций:
• совмещенное GPRS/IMSI подключение и отключение. Например, при подключении МС посылает запрос в ОУ, который, в свою очередь, информирует ЦКПС/ГР о необходимости запоминания адреса ОУ;
• совмещенное переопределение ЗМ/ОМ. Выполняется при одновременном пересечении ЗМ и ОМ (рис. 17.8), а также при отсутствии соединения с коммутацией каналов. Процедуры совмещенного переопределения в значительной степени совпадают с аналогичными процедурами при внешнем переопределении с той лишь разницей, что на заключительном этапе происходит обмен сообщениями между прежним и новым ЦКПС в целях стирания в прежнем ЦКПС информации об абоненте;
• организация услуг сети с коммутацией каналов через сеть с коммутацией пакетов. Получая вызов или короткое сообщение и определяя по хранящемуся в ГР адресу ОУ, что МС подключена к услугам GPRS, ЦКПС/ГР посылает в ОУ персональный вызов. В свою очередь, ОУ высылает через сигнальный канал GPRS вызывную информацию в сеть с коммутацией каналов, на что МС отвечает информацией по обычным каналам GSM;
• идентификация. Когда МС помечена в ГР процедурами IMSI-и GPRS-подключения, ГР может организовать получение информации о МС через ОУ. Если запрашиваемая информация известна в ОУ, то она высылается в ГР без обращения к МС. Если же запрашиваются какие-либо идентификационные данные, например IMEI, то обращение к МС неизбежно;
• информирование при управлении мобильностью. Когда МС помечена в ГР процедурами IMSI- и GPRS-подключения, ГР может организовать через ОУ процедуру получения информации при осуществлении управления мобильностью. Такая процедура обычно используется для информирования МС о таких данных, как имя сети и локальное время в зоне нахождения МС.
17.6.
Управление
сеансом
Пусть мобильный терминал подключен к сети GPRS и находится в режиме готовности. Если абонент желает воспользоваться, например, Интернет-ресурсами, то ему необходимо получить доступ к внешней пакетной сети, т. е. IP-адрес, позволяющий осуществить такое соединение. Данную процедуру, называемую активизацией
PDP-контекста, можно условно разделить на пять этапов (рис. 17.9):
1 — МС посылает в ОУ запрос на активизацию контекста (Activate PDP Context Request), содержащий вид IP-адреса (по умолчанию — динамический) и имя места доступа, т.е. символьное имя для установления сетевого интерфейса, который обеспечит соединение с внешней сетью. При этом, как уже говорилось, один шлюз GPRS может иметь несколько мест доступа (точек входа) для соединения с различными сетями;
2— ОУ подвергает МС процедурам аутентификации, проверки оборудования, а также проверки данных об абонентской подписке на основе содержащейся в ДР информации;
3
— в целях получения IP-адреса GPRS-шлюза ОУ обращается к серверу доменных имен;
4 — ОУ посылает в GPRS-шлюз сообщение на установление контекста. Данное сообщение содержит запрос IP-адреса для абонента (если это значение пусто, то запрашивается динамический адрес), точку доступа и туннельный идентификатор TID. Точка доступа определяет ту сеть, доступ к которой абонент желает получить. Туннельный идентификатор будет использован для организации GTP-туннеля, по которому будут передаваться пакеты данных между ОУ и GPRS-шлюзом. Ответное сообщение содержит подтверждение идентификатора TID, выделенный IP-адрес и тарифный идентификатор, причем IP-адрес включается лишь в том случае, когда GPRS-шлюз сам организует распределение IP-адресов;
5 — ОУ отсылает в МС сообщение о приеме активизации PDP-контекста (Activate PDP Context Request Accept), содержащее выделенный IP-адрес. После выполнения указанной процедуры МС будет обладать IP-адресом, а GPRS-шлюз — информацией о том, каким ОУ обслуживается пользователь.
Если соединение с интернет-сервером произошло успешно, то запрашиваемые данные начинают передаваться по IP-протоколу в GPRS-шлюз, который, в свою очередь, транслирует их в ОУ. Далее данные пересылаются в КБС и БС, а затем по радиоинтерфейсу — в МС.
