Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров “железа” | Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Принципы организации сотовой связи

Основной принцип сотовой связи заключается в разделении всей зоны охвата телефонной связью на ячейки, называемые сотами. В центре каждой соты находится базовая станция (БС), поддерживающая связь с мобильными абонентами (сотовыми телефонами), находящимися в зоне её охвата. Базовые станции обычно располагают на крышах зданий и специальных вышках. На идеальной (ровной и без застройки) поверхности зона покрытия одной БС представляет собой круг, диаметр которого не превышает 10-20 км. Соты частично перекрываются и вместе образуют сеть, которая для простоты обычно изображается в виде множества шестиугольных сот.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Каждая сота работает на своих частотах, не пересекающихся с соседними.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Все соты одного размера и объединены в группы по 7 сот. Каждая из букв (A, B, C, D, E, F, G) соответствует определённому диапазону частот, используемому в пределах одной соты. Соты с одинаковыми диапазонами частот разделены сотами, работающими на других частотах. Небольшие размеры сот обеспечивают ряд преимуществ по сравнению с традиционной наземной беспроводной связью, а именно:

· большое количество пользователей, которые одновременно могут работать в сети в разных частотных диапазонах (в разных сотах);

· небольшая мощность приемно-передающего оборудования, обусловленная небольшим размером сот (выходная мощность телефонных трубок составляет десятые доли ватт);

· меньшая стоимость устройств сотовой связи как маломощных устройств.

Если в какой-то соте количество пользователей оказывается слишком большим, то она может быть разбита на соты меньшего размера, называемые микросотами.

Базовая станция, в общем случае, содержит приёмопередатчик (ПП), поддерживающий связь с мобильными телефонами, и компьютер, реализующий протоколы беспроводной мобильной связи.

В небольших сетях все базовые станции соединены с коммутатором MSC (Mobile Switching Center – мобильный коммутационный центр) и имеют выход в телефонную сеть общего пользования (ТфОП), обеспечивающий связь мобильных телефонов со стационарными.

В больших сетях коммутаторы 1-го уровня (MSC) соединяются с коммутатором 2-го уровня и т.д., при этом все MSC имеют выход в ТфОП напрямую, либо через коммутатор более высокого уровня.

Связанные таким образом базовые станции и коммутаторы образуют сеть сотовой связи, административно подчиняющиеся одному оператору, предоставляющему услуги мобильной связи.

Базовые станции совместно с коммутационным оборудованием реализуют функции по определению текущего местоположения подвижных пользователей и обеспечивают непрерывность связи при перемещении пользователей из зоны действия одной БС в зону действия другой БС. При включении сотовый телефон ищет сигнал базовой станции и посылает станции свой уникальный идентификационный код. Телефон и БС поддерживают постоянный радиоконтакт, периодически обмениваясь служебными данными. При выходе телефона из зоны действия БС (или ослаблении радиосигнала) устанавливается связь с другой БС. Для этого базовая станция, фиксирующая ослабление сигнала, опрашивает все окружающие БС с целью выявить станцию, которая принимает наиболее мощный сигнал от мобильного телефона. Затем БС передаёт управление данным телефоном базовой станции той соты, в которую переместился мобильный телефон. После этого, телефону посылается информация о переходе в новую соту и предлагается переключиться на новую частоту, которая используется в этой соте. Этот процесс называется передачей и длится доли секунды.

Поколения мобильной сотовой связи. 1G, 2G, 2,5G, 3G, 3,5G, 4G.

Различают 4 поколения мобильной сотовой связи, обозначаемые как 1G, 2G, 3G, 4G. В то же время, между 2G и 3G, 3G и 4G выделяют промежуточные поколения, получившие обозначения 2.5G и 3.5G соответственно.

Эти поколения можно разбить на две группы:

· аналоговая связь (1G);

· цифровая связь (все остальные, начиная с 2G, различающиеся прежде всего предоставляемыми возможностями по передаче цифровых данных, а также скоростями передачи).

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Поколение 1G

Первые сети мобильной сотовой связи поколения 1G появились в начале 80-х годов прошлого века и представляли собой аналоговые беспроводные сети, основной и, фактически, единственной функцией которых была передача речи со скоростями, не превышавшими 9,6 кбит/с.

Наиболее известными стандартами сотовой связи первого поколения являются AMPS и NMT.

Стандарт AMPS (Advanced Mobile Phone System), использует частотное уплотнение, формируя 832 дуплексных канала, каждый из которых состоит из двух симплексных каналов шириной по 30 кГц, в диапазоне частот от 824 до 894 МГц. Радиус действия одной базовой станции от 10 до 20 км.

Стандарт NMT (Nordic Mobile Telephone system), предписывает работу в диапазоне частот 453-458 МГц (NMT-450), используя до 180 каналов связи по 25 кГц каждый.

Радиус действия базовой станции в зависимости от нагрузки достигает 5-25 км. Модернизированная версия NMT-900, работающая на частоте 900 МГц, позволила уменьшить размеры телефонных аппаратов, а также добавить несколько новых сервисов.

Основной недостаток аналоговой беспроводной связи – отсутствие защиты от несанкционированного перехвата разговора.

В начале 90-х годов на смену аналоговой сотовой связи пришла цифровая связь, которая в настоящее время полностью её вытеснила.

Поколение 2G

Второе и последующие поколения мобильной сотовой связи относятся к цифровым сетям связи и, в отличие от первого поколения, предоставляют пользователям, кроме передачи речи, множество дополнительных видов услуг (сервисов).

Стандартами сотовой связи второго поколения являются D-AMPS, GSM, CDMA, в основе которых лежит метод мультиплексирования TDMA.

TDMA (Time Division Multiple Access) – множественный доступ с разделением по времени – метод мультиплексирования в беспроводной связи, при котором несколько пользователей для передачи данных используют разные временные интервалы (слоты) в одном частотном диапазоне, при этом каждому пользователю предоставляется полный доступ к выделенной полосе частот в течение короткого периода времени.

Стандарт D-AMPS (Digital-AMPS)был разработан так, чтобы мобильные телефоны первого и второго поколений могли работать одновременно в одной и той же соте. Коммутатор может определять и динамически изменять тип канала (цифровой, аналоговый).

Наибольшее распространение среди перечисленных стандартов получили GSM (заменивший NMT) и CDMA.

GSM (Global System for Mobile Communications)– глобальная система мобильной связи, использующая частотное уплотнение. Каждая пара (для передачи в прямом и обратном направлении) частотных каналов разбивается с помощью временного уплотнения (TDMA) на кадровые интервалы, используемые несколькими абонентами. Каналы GSM имеют полосу пропускания в 200 кГц, что значительно шире каналов AMPS с полосой пропускания 30 кГц. Это обусловливает более высокие скорости передачи данных.

GSM, как и D-AMPS, использует частотное и временное уплотнение для разделения спектра на каналы и разделения каналов на временные интервалы соответственно.

GSM обеспечивает поддержку следующих услуг:

· передача данных (синхронный и асинхронный обмен данными, в том числе пакетная передача данных — GPRS);

· передача речевой информации;

· передача коротких сообщений (SMS);

· передача факсимильных сообщений.

· определение вызывающего номера;

· переадресация вызовов на другой номер;

· ожидание и удержание вызова;

· конференцсвязь (одновременная голосовая связь между тремя и более пользователями);

· голосовая почта и многие другие.

К основным достоинствам стандарта GSM следует отнести:

· меньшие по сравнению с аналоговыми стандартами размеры и вес телефонных аппаратов при большем времени работы без подзарядки аккумулятора;

· хорошее качество связи;

· возможность большого числа одновременных соединений;

· низкий уровень индустриальных помех в выделенных частотных диапазонах;

· защита от прослушивания и нелегального использования за счёт применения алгоритмов шифрования с разделяемым ключом.

Недостатками стандарта GSM являются:

· искажение речи при цифровой обработке и передаче;

· большее, чем в NMT-450, количество передатчиков, используемых для покрытия определённой площади.

В стандарте GSM определены 4 диапазона частот для передачи данных: 850 МГц, 900 МГц, 1800 МГц, 1900 МГц, наиболее популярными среди которых являются 900 МГц (стандарт GSM-900) и 1800 МГц (GSM-1800). Соты могут иметь диаметр от 400 м до 50 км.

Основные отличия GSM-1800 от GSM-900:

· максимальная излучаемая мощность мобильных телефонов стандарта GSM-1800 (около 1 Вт) вдвое меньше, чем у GSM-900, что увеличивает время непрерывной работы без подзарядки аккумулятора и снижает уровень радиоизлучения;

· большая ёмкость сети;

· возможность совместного использования телефонных аппаратов стандартов GSM-900 и GSM-1800 в одной и той же сети;

· зона охвата для каждой базовой станции значительно меньше и, как следствие, необходимо большее число базовых станций.

В состав системы GSM, кроме мобильных сотовых телефонов, называемых в стандарте мобильными станциями (MS – Mobile Station), входят три подсистемы.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

1. Подсистема базовых станций (BSS – Base Station Subsystem)состоит из собственно базовых станций и контроллеров базовых станций.

Базовая станция (BTS – Base Transceiver Station) обеспечивает приём/передачу сигнала между мобильной станцией и контроллером базовых станций.

Контроллер базовых станций (BSC – Base Station Controller) контролирует соединения между базовой станцией и подсистемой коммутации, а также управляет очерёдностью соединений, скоростью передачи, распределением радиоканалов, сбором статистики и переходом MS в другую соту.

2. Подсистема сетевой коммутации (NSS – Network Switching Subsystem)построена из следующих компонентов.

· центр коммутации;

· домашний реестр местоположения;

· гостевой реестр местоположения;

· реестр идентификации оборудования;

· центр аутентификации.

Центр коммутации (MSC – Mobile Switching Centre) реализует следующие функции:

· устанавливает соединения внутри сети GSM;

· обеспечивает интерфейс с ТфОП и другими сетями;

· выполняет маршрутизацию и управление вызовами;

· управляет передачей обслуживания при перемещении мобильной станции из одной соты в другую;

· постоянно отслеживает положение мобильной станции, используя данные из домашнего (HLR) и гостевого (VLR) реестров местоположения, что необходимо для быстрого нахождения и установления соединения с мобильной станцией в случае её вызова;

· собирает статистические данные;

· по завершению вызова передаёт данные в центр расчётов для формирования счета за предоставленные услуги.

Домашний реестр местоположения (HLR – Home Location Registry) содержит базу данных абонентов, приписанных к нему, с информацией о предоставляемых абоненту услугах и о состоянии каждого абонента, а также международный идентификатор мобильного абонента(IMSI – International Mobile Subscriber Identity), который используется для аутентификации абонента. Каждый абонент приписан к одному домашнему реестру. К домашнему реестру имеют доступ все центры коммутации и гостевые реестры данной GSM-сети, а в случае межсетевого роуминга и центры коммутации других сетей.

Гостевой реестр местоположения (VLR – Visitor Location Registry) содержит базу данных о перемещающихся абонентах, которые находятся в данный момент в этой зоне, в том числе об абонентах других систем GSM, называемых роумерами. Если абонент переместился в другую зону, данные о нём удаляются из гостевого реестра. Такая схема позволяет сократить количество запросов к домашнему реестру и, следовательно, время обработки вызова.

Реестр идентификации оборудования (EIR – Equipment Identification Registry) содержит базу данных, необходимую для установления подлинности мобильной станции по международному идентификатору мобильного устройства IMEI(International Mobile Equipment Identity) в виде трёх списков:

· белый – мобильная станция допущена к использованию;

· серый – имеются проблемы с идентификацией мобильной станции;

· чёрный – мобильная станция запрещена к использованию.

Центр аутентификации (AUC – Authentication Centre) осуществляет аутентификацию абонента по SIM-карте (Subscriber Identity Module). Для этого он посылает на мобильный телефон случайное число, которое шифруется параллельно в центре аутентификации и в мобильном телефоне с использованием специального алгоритма. Результаты шифрования возвращаются в центр коммутации, где они сравниваются. Если результаты шифрования совпадают, аутентификация считается успешной, и пользователь получает доступ к сети.

3. Центр технического обслуживания (OMC – Operations and Maintenance Centre)обеспечивает:

· управление всей сетью;

· контроль качества функционирования;

· обработку аварийных сигналов;

· проверку состояния сети и ряд других функций.

В сетях CDMA (Code Division Multiple Access)используется совершенно иной принцип передачи данных, подробно рассмотренный ниже. В отличие от GSM скорость передачи данных в CDMA может достигать 1,23 Мбит/с. Кроме того, существенным отличием является использование распределённого спектра, что усложняет обнаружение и идентификацию передаваемого сигнала и, соответственно, обеспечивает надёжную защиту от случайного подслушивания.

Поколение 2.5G

В процессе разработки принципов и стандартов третьего поколения мобильной сотовой связи появилось промежуточное поколение 2.5G, отличающееся от второго поколения большей ёмкостью сети и пакетной передачей данных. Поколение 2.5G реализовано в виде стандартов GPRS, EDGE и 1xRTT, наиболее распространённым среди которых является GPRS.

GPRS (General Packet Radio Service)– технология пакетной радиосвязи общего пользования, ориентированная на реализацию «мобильного Интернета».

GPRS использует базовые станции GSM для передачи данных в виде пакетов, что делает его внедрение достаточно простым и позволяет обеспечить доступ в Интернет. Пакеты передаются через свободные в данный момент каналы. Возможность использования сразу нескольких каналов обеспечивает достаточно высокие скорости передачи данных (до 171,2 кбит/c). Передача данных разделяется по направлениям: «вниз» (downlink, DL) – от сети к абоненту, и «вверх» (uplink, UL) – от абонента к сети. Один и тот же канал поочерёдно могут использовать несколько абонентов, при этом ресурсы канала предоставляются только на время передачи пакета, что приводит к появлению очереди на передачу пакетов и, как следствие, к увеличению задержки пакетов.

Принцип работы GPRS аналогичен Интернету: данные разбиваются на пакеты и отправляются получателю (возможно разными маршрутами), где происходит их сборка. При установлении сессии каждому устройству присваивается уникальный адрес. Пакеты могут иметь формат IP или X.25, при этом в качестве протоколов транспортного и прикладного уровней могут использоваться любые протоколы Интернета: TCP, UDP, HTTP и др.

Мобильный телефон в GPRS рассматривается как клиент внешней сети, которому присваивается постоянный или динамический IP-адрес.

Поколение 3G

Первые реализации третьего поколения сотовой связи появились в 2002 году. Существует три основных стандарта 3G:

· UMTS;

· CDMA2000;

· WCDMA (Wide CDMA).

Все они ориентированы на пакетную передачу данных и, соответственно, на работу с цифровыми компьютерными сетями, включая Интернет. Скорость передачи данных может достигать 2,4 Мбит/с что позволяет передавать качественный звук, а также реализовать «видеозвонок».

При необходимости сеть 3G может быть наложена на уже ранее развёрнутую сеть GSM или другую сеть второго поколения.

UMTS(Universal Mobile Telecommunications System – универсальная мобильная телекоммуникационная система) – технология сотовой связи третьего поколения, разработанная Европейским Институтом Стандартов Телекоммуникаций (ETSI) для внедрения Европе. UMTS поддерживает скорость передачи до 21 Мбит/с и позволяет пользователям проводить сеансы видеоконференций, загрузку музыкального и видео контента. UMTS обычно реализуется на основе технологий радиоинтерфейса, например W-CDMA. При переходе от GSM к UMTS сохраняется значительная часть прежней инфраструктуры. Основным отличием UMTS от GSM является возможность осуществлять стыки с сетями ISDN, Internet, GSM или другими сетями UMTS.

Для передачи данных от мобильного станции к базовой станции и обратно использует разные диапазоны частот: 1885 МГц – 2025 МГц и 110 МГц – 2200 МГц соответственно, причём оба канала имеют ширину 5 МГц (для сравнения CDMA2000 – 1,25 МГц).

К недостаткам UMTS-технологии следует отнести:

· относительно высокий вес мобильных терминалов наряду с низкой ёмкостью аккумуляторных батарей;

· сложность реализации перехода абонента из зоны действия одной базовой станции в зону действия другой без потери разговора (хэндовера) между сетями UMTS и GSM;

· небольшой радиус соты: 1-1,5 км.

В перспективе планируется эволюция UMTS в сети четвёртого поколения 4G, позволяющие базовым станциям передавать и принимать данные на скоростях 100 Мбит/с и 50 Мбит/с соответственно.

CDMA2000представляет собой развитие технологии CDMA и обеспечивает скорость передачи данных до 153 кбит/с, что позволяет предоставлять услуги голосовой связи, передачу коротких сообщений, работу с электронной почтой, интернетом, базами данных, передачу данных и неподвижных изображений.

Основными достоинствами CDMA2000 являются:

· широкая зона обслуживания;

· высокое качество речи;

· гибкость и дешевизна внедрения новых услуг;

· высокая помехозащищённость;

· устойчивость канала связи от перехвата и прослушивания;

· низкая излучаемая мощность радиопередатчиков абонентских устройств – менее 250 мВт (для сравнения: в GSM-900 этот показатель составляет 2 Вт, а GSM-1800 – 1 Вт).

WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access) – технология широкополосного множественного доступа с кодовым разделением каналов в диапазоне частот 1900 – 2100 МГц. Термин WCDMA также используется для стандарта сотовой сети, который разрабатывался как надстройка над GSM. WCDMA ориентирована на предоставление мультимедийных услуг, доступа в Интернет и видеоконференции со скоростями передачи данных:

· до 2 Мбит/с на коротких расстояниях;

· 384 кбит/с на больших расстояниях с полной мобильностью.

Такие скорости обеспечиваются за счёт широкой полосы частот канала в 5 МГц, что больше, чем в стандарте CDMA2000, использующем один или несколько каналов с полосой 1,25 МГц для каждого соединения.

Поколение 3.5G

Поколение 3.5G, как промежуточное поколение, характеризуется более высокими скоростями передачи данных по сравнению с 3-м поколением.

Начиная с 2006 года на сетях UMTS повсеместно распространяется технология HSDPA.

HSDPA(High Speed Downlink Packet Access – высокоскоростная пакетная передача данных от базовой станции к мобильной станции) – стандарт поколения 3.5G, представляющий собой модернизированный 3G со средней скоростью передачи данных 3 Мбит/с и максимальной – 14 Мбит/с.

Поколение 4G

Четвёртое поколение мобильных коммуникаций представляет собой эволюционное развитие 3G. Инфраструктура стандарта 4G базируется на IP-протоколе, что позволяет обеспечивать простой и быстрый доступ к Интернету. Высокие скорости передачи данных (100-200 Мбит/с) должны обеспечить передачу не только качественного звука, но и видео.

Планируется дальнейшее увеличение скорости передачи данных до 2,5 Гбит/с. Такие высокие скорости объясняются тем, что в четвёртом поколении используется только пакетная передача данных, включая голосовой трафик, передаваемый через протокол IP (мобильная VoIP-телефония). Помимо этого, сети 4G должны обеспечивать глобальный роуминг, связь корпоративных сетей, мобильное телевидение высокой чёткости.

В качестве стандарта 4G активно продвигается технология широкополосной беспроводной связи для быстрого доступа в Интернет с мобильных компьютеров WiMAX, описанная стандарте IEEE802.16.

WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access) – телекоммуникационная технология, предоставляющая высокоскоростной беспроводной доступ к сети на больших расстояниях для широкого спектра устройств (от рабочих станций и портативных компьютеров до мобильных телефонов).

Скорости работы WiMAX-сетей будут достигать 75 Мбит/с и выше, что обеспечит не только доступ в Интернет, но и качественную передачу аудио- и видеоинформации, а также позволит использовать эту технологию в качестве «магистральных каналов».

Разработаны два стандарта технологии WiMAX – IEEE 802.16 d и IEEE 802.16 e, определяющие:

· рабочие диапазоны частот;

· ширину полосы пропускания;

· мощность излучения;

· методы передачи и доступа;

· способы кодирования и модуляции сигнала;

· принципы повторного использования радиочастот и другие показатели.

Стандарт IEEE 802.16 d, известный как фиксированный WiMAX и утверждённый в 2004 году, позволяет обслуживать только «статичных» абонентов, которые могут находиться как в зоне прямой видимости, так и вне зоны прямой видимости.

Стандарт IEEE 802.16 e, известный как мобильный WiMAX и утверждённый в 2005 году, ориентирован на работу с пользователями, передвигающимися со скоростью до 120 км/ч, и поддерживает ряд специфических функций, таких как хэндовер, режим ожидания (idle mode) и роуминг, что позволяет использовать его в сетях сотовой связи.

Возможна работа при отсутствии прямой видимости. Естественно, что мобильный WiMAX может применяться и для обслуживания фиксированных пользователей. Частотные диапазоны для сетей Mobile WiMAX расположены в интервале 2,3 – 3,8 ГГц.

Сети WiMAX состоят из следующих основных частей: базовых и абонентских станций, а также оборудования, связывающего базовые станции между собой, с поставщиком сервисов и с Интернетом. Для соединения базовой станции с абонентской используется диапазон частот от 1,5 ГГц до 11 ГГц. В идеальных условиях скорость обмена данными может достигать 70 Мбит/с, при этом не требуется наличия прямой видимости между базовой станцией и приёмником.

Конкурирующей по отношению к WiMAX является технология LTE.

LTE(Long Term Evolution) – технология мобильной передачи данных, предназначенная для повышения эффективности, снижения издержек, расширения оказываемых услуг путём интегрирования с существующими протоколами. Скорость передачи данных в соответствии со стандартом может достигать: 173 Мбит/с «вниз» (download) и 58 Мбит/с «вверх» (upload). Радиус действия базовой станции LTE зависит от мощности и используемых частот и составляет около 5 км, а при высоко расположенной антенне может достигать 100 км.

Важной проблемой в сетях 4-го поколения является поддержка высокой скорости передачи данных при перемещении мобильных станций с высокими скоростями, учитывая, что скорость передачи данных падает с увеличением скорости перемещения и с удалением от базовой станции.

Кроме того, необходимо обеспечить передачу управления мобильной станцией при её переходе с высокой скоростью (например, при движении в автомобиле или в поезде) из одной соты в другую без прерывания передачи данных и потери качества передаваемой информации.

Предполагается, что 4G станет единым стандартом, который заменит GSM, CDMA, UMTS и другие стандарты.

§

Синхронная цифровая иерархия (Synchronous Digital Hierarchy, SDH) первоначально появилась в США под названием SONET– Synchronous Optical NETs (стандарт принят в 1984 году). Европейский стандарт SDH описан в спецификациях G.707 – G.709. SDH и SONET полностью совместимы.

Цель разработки SDH – создание универсальной технологии для передачи трафика цифровых каналов Т1/Е1 и Т3/Е3 и обеспечение иерархии скоростей до нескольких Гбит/с на основе ВОК.

Стек протоколов SDH содержит 4 уровня.

1. Физический уровень (Photonic). Кодирование методом NRZ (модуляция света).

2. Уровень секции (Section). Секция – непрерывный отрезок ВОК между двумя устройствами. Проводит тестирование секции и поддерживает операции административного контроля.

3. Уровень линии (Line). Отвечает за передачу данных между МП.

Протокол этого уровня выполняет операции мультиплексирования и демультиплексирования, а также вставки и удаления пользовательских данных.

4. Уровень тракта (Path). Отвечает за доставку данных между конечными пользователями. Тракт – составное виртуальное соединение между пользователями. Протокол принимает и преобразовывает данные из Тi/Ei в STS-n.

Формат кадра STS-1 в виде матрицы размером 9 на 90 байт, содержащей:

• заголовок секции – для контроля и реконфигурации секции;

• заголовок линии – для реконфигурации, контроля и управления линией;

• заголовок пути – указывает местоположение виртуальных контейнеров в кадре.

виртуальный контейнер (ВК) – это подкадры, которые переносят потоки данных с более низкими скоростями.

Таким образом, SDH – это основанная на волоконно-оптических каналах интегрированная сеть связи, позволяющая передавать все виды трафика и обеспечивающая:

• использование синхронной передачи с побайтовым чередовании при мультиплексировании;

• использование стандартного периода повторения кадров в 125 мкс;

• включение в иерархию большого числа уровней;

• использование технологии компоновки (инкапсуляции) протоколов в виде виртуальных контейнеров, их упаковки и транспортировки, позволяющие загружать и переносить в них кадры PDH.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Принципы организации ЛВС. Характерные особенности ЛВС. Состав ЛВС. Топологии ЛВС. Архитектуры ЛВС.

Характерные особенности ЛВС

1. Территориальный охват – от нескольких десятков метров до нескольких километров.

2. Соединяет обычно персональные компьютеры и другое электронное офисное оборудование, позволяя пользователям обмениваться информацией и совместно эффективно использовать общие ресурсы, например, принтеры, модемы и устройства для хранения данных.

3. Интерфейс – последовательный.

4. Отсутствует АПД, так как сигналы передаются в “естественной” цифровой форме.

5. В качестве устройства сопряжения ЭВМ со средой передачи используется достаточно простое устройство – сетевой адаптер.

6. Простые типовые топологии: “общая шина”, “кольцо”, “звезда”.

7. Отсутствует маршрутизация (3-й уровень модели OSI).

8. Высокая скорость передачи данных, как правило, более 1 Мбит/с.

9. Сравнительно небольшие затраты на построение сети.

Перечисленные особенности обусловливают основные достоинстваЛВС, заключающиеся в простоте сетевого оборудования и организации кабельной системы и, как следствие, в простоте эксплуатации сети.

Состав ЛВС

В общем случае ЛВС включает в себя:

· множество ЭВМ, обычно персональных компьютеров (ПК), называемых рабочими станциями;

· сетевые адаптеры, представляющие собой электронную плату для сопряжения ПК со средствами коммуникации;

· среду передачи (магистраль), представляющую собой совокупность средств коммуникаций (коммуникационная сеть, сеть связи), объединяющая все ПК в единую вычислительную сеть кабельной системой или радиосвязью.

Сетевые адаптеры (СА) (платы, карты) предназначены для сопряжения ПК со средствами коммуникации с учетом принятых в данной сети правилами обмена информацией.

Перечень функций, возлагаемых на СА, зависит от конкретной сети и, в общем случае, может быть разбит на две группы:

1) магистральные (канальные) функции, обеспечивающие сопряжение адаптера с ПК и сетевой магистралью;

2) сетевые функции, обеспечивающие передачу данных в сети и реализующие принятый в сети протокол обмена.

К магистральным функциям СА относятся:

1) электрическое буферирование сигналов магистрали;

2) распознавание (дешифрация) собственного адреса на магистрали;

3) обработка стробов обмена на магистрали и выработка внутренних управляющих сигналов.

К сетевым функциям СА относятся:

1) гальваническая развязка ПК и средств коммуникации (отсутствует в случае оптоволоконной и беспроводной связи);

2) преобразование уровней сигналов при передаче и приёме данных;

3) кодирование сигналов при передаче и декодирование при приёме (отсутствует при использовании кода NRZ);

4) распознавание своего кадра при приёме;

5) преобразование кода: параллельного в последовательный при передаче и последовательного в параллельный при приёме;

6) буферирование передаваемых и принимаемых данных в буферной памяти СА;

7) проведение арбитража обмена по сети (контроль состояния сети, разрешение конфликтов и т.д.);

8) подсчет контрольной суммы кадра при передаче и приёме.

Первые четыре функции всегда реализуются аппаратно, остальные могут быть реализованы программно, что естественно снижает скорость обмена.

Алгоритм функционирования САпри передаче кадров содержит следующих этапы (при приёме – обратная последовательность).

1. Передача данных. Данные передаются из ОЗУ ПК в буферную память СА (из буферной памяти СА в ОЗУ ПК при приёме) через программируемый канал ввода/вывода, канал прямого доступа к памяти или разделяемую память.

2. Буферизация. Необходима для хранения данных во время обработки в СА и обеспечения согласования между собой скоростей передачи и обработки информации различными компонентами ЛВС.

3. Формирование кадра (сообщения):

· сообщение разделяется на кадры при передаче (кадры объединяются в сообщение при приёме);

· к кадру добавляются (удаляются при приёме) заголовок и концевик.

4. Доступ к кабелю. Проверяется возможность передачи кадра в линию связи: для Ethernet проверяется незанятость линии связи, для Token Ring – наличие маркера. При приёме кадра этот этап отсутствует.

5. Преобразование данных из параллельной формы в последовательную при передаче и из последовательной формы в параллельную при приёме.

6. Кодирование/декодирование данных. Формируются электрические сигналы, используемые для представления данных.

7. Передача/прием импульсов. Закодированные электрические импульсы передаются в линию связи (при приеме принимаются из линии связи и направляются на декодирование).

Кроме этих этапов при приеме СА вместе с программным обеспечением ПК распознают и обрабатывают ошибки, возникающие из-за электрических помех, конфликтов в сетях со случайным доступом или из-за плохой работы оборудования.

Топологии ЛВС

В ЛВС наиболее широкое распространение получили следующие топологии.

1. “Шина” (bus) –представляет собой кабель, именуемый магистральюили сегментом, к которому подключены все компьютеры сети.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Кадр, передаваемый от любого компьютера, распространяется по шине в обе стороны и поступает в буферы сетевых адаптеров всех компьютеров сети. Но только тот компьютер, которому адресуется данный кадр, сохраняет его в буфере для дальнейшей обработки. Следует иметь в виду, что в каждый момент времени передачу может вести только один компьютер.

На производительность сети (скорость передачи данных) влияют следующие факторы:

· количество компьютеров в сети и их технические параметры;

· интенсивность (частота) передачи данных;

· типы работающих сетевых приложений;

· тип сетевого кабеля;

· расстояние между компьютерами в сети.

Для предотвращения отражения электрических сигналов на каждом конце кабеля устанавливают терминаторы, поглощающие отраженные сигналы.

При нарушении целостности сети (обрыв или отсоединение кабеля), а также при отсутствии терминаторов, сеть “падает” и прекращает функционировать.

2. “Звезда” (star),в которой все компьютеры подключаются к центральному компоненту – концентратору.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Передаваемый кадр может быть доступен всем компьютерам сети, как в топологии «шина», или же, в случае интеллектуального концентратора, работающего на 2-м уровне OSI-модели, направляться конкретному компьютеру в соответствии с адресом назначения.

Основными недостатками такой топологии являются:

· значительный расход кабеля для территориально больших сетей;

· низкая надежность (узкое место – концентратор).

3. “Кольцо” (ring).Сигналы передаются по кольцу в одном направлении и проходят через каждый компьютер. В отличие от пассивной топологии “шина”, каждый компьютер выступает в роли повторителя, записывая кадр в буфер сетевого адаптера и затем передавая их следующему компьютеру.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

В зависимости от способа передачи сигналов различают:

1) пассивные топологии, в которых компьютеры только “слушают” передаваемые по сети данные, но не перемещают их от отправителя к получателю, поэтому выход из строя одного из компьютеров не сказывается на работе остальных;

2) активные топологии, в которых компьютеры регенерируют сигналы и передают их по сети.

Архитектуры ЛВС

Типы архитектур ЛВС:

· одноранговые сети;

· сети типа “клиент-сервер”;

· комбинированные сети, в которых могут функционировать оба типа операционных систем (одноранговая и серверная).

29. Одноранговые (равноранговые) сети. Сети типа “клиент-сервер”. Серверы ЛВС .

§

На эффективность функционирования ЛВС существенное влияние оказывает метод управления доступом(Access Control Method), определяющий порядок предоставления сетевым узлам доступа к среде передачи данных с целью обеспечения каждому пользователю приемлемого уровня обслуживания. Методы доступа к среде передачи реализуются на канальном уровне OSI-модели.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Множественный доступ – метод доступа множества сетевых узлов к общей среде передачи (например, общей шине), основанный на соперничестве станций за доступ к среде передачи. Каждая станция может пытаться передавать данные в любой момент времени.

К методам множественного доступа относятся:

· случайный доступ;

· тактированный доступ;

· доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов;

· доступ с контролем несущей и предотвращением конфликтов.

Наиболее простым и естественным методом доступа к общей среде передачи является случайный доступ, означающий, что каждая станция сети начинает передачу кадра в момент его появления (формирования), не зависимо от того, занята общая среда передачи или свободна. Если две и более станций осуществляют передачу в одно и то же время, то их кадры взаимно искажаются, и возникает коллизия.

Уменьшение коллизий и увеличение коэффициента использования канала связи может быть достигнуто за счёт использования тактированного доступа, который заключается в следующем. Весь временной интервал разбивается на такты длиной T, где значение Т должно быть больше времени передачи кадра максимальной длины. Каждая рабочая станция может начать передачу кадра только в начале очередного такта. В этом случае «Кадр2» будет передан в другом такте по отношению к «Кадру1», и коллизия не возникнет. Однако следует отметить, что остаётся достаточно высокой вероятность возникновения коллизий в тех случаях, когда моменты формирования кадров в разных станциях оказываются в пределах одного такта. В связи с этим, коэффициент использования канала связи, хотя и увеличивается, но незначительно, и составляет примерно 32%.

Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection – CSMA/CD)– метод доступа к среде передачи, при котором станция, имеющая данные для передачи, прослушивает канал, чтобы определить, не передаёт ли данные в это время другая станция. Отсутствие сигнала несущей означает, что канал свободен и станция может начать передачу. Однако не исключено, что в течение времени распространения сигнала по среде передачи другие станции почти одновременно также начнут передачу своих данных. Во время передачи станция продолжает прослушивать канал, чтобы удостовериться в отсутствии коллизии. Если коллизия не зафиксирована, данные считаются успешно переданными. При обнаружении коллизии станция повторяет передачу через некоторое случайное время. Повторные передачи повторяются до тех пор, пока данные не будут успешно переданы.

Множественный доступ с контролем несущей и предотвращением конфликтов (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance – CSMA/CA)– метод доступа к среде передачи, при котором передача данных предваряется посылкой сигнала блокировки (jam) с целью захвата передающей среды в монопольное пользование. Этот метод доступа рекомендован комитетом IEEE 802.11 для беспроводных ЛВС.

Маркерный доступ предполагает наличие в сети кадра специального формата, называемого маркером, который непрерывно циркулирует в сети и управляет процессом доступа рабочих станций к среде передачи данных. В каждый момент времени данные может передавать только та станция, которая владеет маркером. Рабочая станция, владеющая маркером, присоединяет свой кадр данных к маркеру и отправляет адресату. При этом возможны различные вариантыосвобождения и передачи маркера другой станции:

1) освобождение маркера адресатом:адресат отсоединяет маркер от данных и может использовать его для отправки своего кадра, если таковой есть, или передать маркер другой станции;

2) освобождение маркера отправителем:маркер с присоединенным кадром данных делает полный оборот и отсоединяется отправителем (в версии Token Ring для скорости 4 Мбит/с), если оно вернулось без ошибок; в противном случае, этот же кадр с маркером направляется повторно в среду передачи данных;

3) метод раннего освобождения маркера ETR(Early Token Release), когда рабочая станция освобождает маркер сразу после передачи своих данных и передаёт его другой станции, не ожидая возвращения отправленного кадра данных (в версии Token Ring для скорости 16 Мбит/с и в сети FDDI).

Маркерный доступ используется в сетях:

· с шинной топологией в ЛВС ARCnet: рекомендация IEEE 802.4 (Token Bus – маркерная шина);

· с кольцевой топологией в ЛВС Token Ring и FDDI: рекомендация IEEE 802.5 (Token Ring – маркерное кольцо).

Стандарты локальных сетей

Основным разработчиком стандартов локальных сетей является комитет 802, организованный в 1980 году в IEEE. В рамках этого комитета были образованы подкомитеты 802.1, 802.2,…, в которых разрабатываются стандарты разных уровней IEEE-модели и различных технологий построения ЛВС. На рис.3.10 перечислены некоторые из этих стандартов, представляющие собой рекомендации по разработке ЛВС, обеспечивающие выполнение основных требований к организации сетей, таких как открытость, гибкость и совместимость. Стандарты ЛВС обрастают дополнениями, которые находят отражение в обозначениях 802.х в виде букв, например 802.1p (стандарт, описывающий приоритезацию трафика на канальном уровне), а также пополняются новыми стандартами, отражающими появление новых технологий локальных сетей, например беспроводных сетей 802.11 и 802.16.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

§

Ethernet – технология ЛВС, разработанная совместно фирмами DEC, Intel и Xerox (DIX) и опубликованная в 1980 году в виде стандарта Ethernet II для сети с пропускной способностью 10 Мбит/с, построенной на основе коаксиального кабеля.

На основе стандарта Ethernet II был разработан стандарт IEEE 802.3, который имеет следующие отличия:

· канальный уровень разбит на два подуровня: MAC и LLC;

· внесены некоторые изменения в формат кадра при тех же минимальных и максимальных размерах кадров.

В зависимости от физической среды передачи данных IEEE 802.3 предусматривает различные варианты реализации ЛВС на физическом уровне:

· 10Base-5 – толстый коаксиальный кабель;

· 10Base-2 – тонкий коаксиальный кабель;

· 10Base-T – витая пара;

· 10Base-F – оптоволокно.

В 1995 году был принят стандарт Fast Ethernet с пропускной способностью среды передачи 100 Мбит/с, который представлен в виде дополнительного раздела 802.3u к стандарту IEEE 802.3.

В 1998 году принят стандарт Gigabit Ethernet, описанный в разделе 802.3z для ЛВС с пропускной способностью 1 Гбит/с.

В 2002 году утверждена спецификация IEEE 802.3ае для ЛВС с пропускной способностью 10 Гбит/с (10 Gigabit Ethernet), предусматривающая использование волоконно-оптических кабелей.

В июне 2022 года принят стандарт IEEE P802.3ba для ЛВС с пропускными способностями 40 Гбит/с и 100 Гбит/с: 40 Gigabit Ethernet (40GbE) и 100 Gigabit Ethernet (100GbE).

Перечисленные варианты ЛВС Ethernet и годы появления соответствующих стандартов сведены в табл.3.1.

В стандарте IEEE 802.3 определен метод доступа, используемый в сетях Ethernet (в том числе Fast Ethernet и Gigabit Ethernet) – CSMA/CD – множественный доступ с контролем несущей и проверкой столкновений. Компьютеры в ЛВС Ethernet подключаются к разделяемой среде в соответствии с топологией «общая шина», которая обеспечивает обмен данными между двумя любыми компьютерами сети. Управление доступом к общей среде передачи реализуется средствами сетевого адаптера. Каждый сетевой адаптер, имеет уникальный адрес.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Кадры, передаваемые станциями, проходят через сетевые адаптеры всех станций сети, но только та из них, кому адресован данный кадр, принимает и записывает его в буфер адаптера для дальнейшего формирования сообщения и передачи его в память рабочей станции. Таким образом, в каждый момент времени в сети может передаваться только один кадр. Если передачу кадров начинают одновременно две и более станции, возникает коллизия, в результате которой все кадры искажаются и требуется повторная передача кадров.

Часть сети Ethernet, все узлы которой распознают коллизию, независимо от того, в какой части этой сети коллизия возникла, называется доменом коллизий (collision domain).

Стандарт IEEE 802.3 определяет ограничения, налагаемые на размер ЛВС Ethernet:

· максимальное число станций в сети – 1024;

· максимальная протяженность сети – 3-4 км;

· максимальная длина сегмента сети (расстояние между крайними станциями), зависящая от типа передающей среды:

_ 500 метров – для толстого коаксиального кабеля;

_ 185 метров – для тонкого коаксиального кабеля;

_ 100 метров – для витой пары;

_ 2000 метров – для оптоволоконного кабеля.

Основными топологиями ЛВС Ethernet являются:

· “общая шина“, в которой в качестве среды передачи данных используется коаксиальный кабель;

· “звезда“, в которой центральным узлом является концентратор, а в качестве среды передачи данных используется витая пара или оптоволоконный кабель.

Физический уровень ЛВС Ethernet

Кабельная система сети Ethernet является коммуникационной средой, по которой перемещаются кадры данных. Стандарт физического уровня содержит описание (спецификации) кабелей различных типов, пригодных для реализации сетей с методом доступа CSMA/CD.

Основополосная (прямая, немодулированная) передача (baseband) – метод передачи данных, при котором цифровой сигнал направляется непосредственно в среду передачи без модуляции несущей, при этом вся полоса пропускания используется для передачи только одного цифрового сигнала. Этот метод удобен для передачи данных по каналам с широкой полосой пропускания на небольшие расстояния и характеризуется простотой и дешевизной реализации, в связи с чем широко используется в ЛВС.

Широкополосная передача (broadband) – метод передачи данных, основанный на частотном FDM, временном TDM или волновом WDM уплотнении и создании нескольких частотных или временных каналов, по которым независимо друг от друга могут передаваться несколько потоков данных.

Для всех вариантов физического уровня технологии Ethernet, обеспечивающих пропускную способность 10 Мбит/с, используется манчестерское кодирование.

Спецификация 10Base-5

10Base-5 – стандарт физического уровня, являющийся частью стандарта IEEE 802.3 и описывающий работу сети Ethernet на толстом коаксиальном кабеле (thick Ethernet), используемом в качестве основной магистрали.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Трансивер представляет собой электрическое устройство, осуществляющее физическую передачу и приём данных. Расстояние между соседними трансиверами должно быть кратно 2,5 м для исключения влияния стоячих волн в кабеле на качество передачи сигнала. На концах магистрального кабеля располагаются терминаторы, поглощающие распространяющийся в кабеле информационный сигнал и препятствующие возникновению отражённого сигнала, искажающего полезный сигнал.

Несмотря на громоздкость и трудности при разводке, такая кабельная система позволяет строить достаточно протяженные сети.

Таким образом, основные ограничения для одного сегмента ЛВС Ethernet в соответствии со спецификацией 10Base-5 имеют вид:

· максимальная длина сегмента (расстояние между крайними узлами) – 500 м;

· минимальное расстояние между трансиверами – 2,5 м;

· максимальное число узлов (трансиверов) на сегменте – 100;

· максимальная длина трансиверного кабеля – 50 м.

Стандарт 10Base-5 допускает построение многосегментных сетей с использованием повторителей. Максимальное количество сегментов в сети, допускаемое стандартом, равно 5. Это ограничение обусловлено тем, что повторители только усиливают сигналы, не восстанавливая их форму, что при большом количестве сегментов в сети может привести к появлению значительного процента ошибок.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

При построении многосегментной сети необходимо учитывать следующие ограничения:

· сеть может состоять из 5 сегментов, соединенных через повторители;

· в трёх сегментах можно подключать к кабелю до 100 узлов; два других сегмента используются только для увеличения общей протяженности сети;

· повторитель рассматривается как специальный узел, подключенный к сети, поэтому в центральном сегменте с двумя повторителями допускается иметь только 98 станций.

Правило построения многосегментной сети с такими ограничениями получило название «5-4-3», означающее 5 сегментов соединяются с помощью 4-х повторителей, причём нагруженными являются только 3 сегмента.

Таким образом, одна сеть Ethernet 10Base-5:

· может содержать не более 296 узлов (рабочих станций);

· иметь диаметр (максимальную длину кабеля) – не более 2,5 км.

Спецификация 10Base-2

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

10Base-2 – стандарт физического уровня, утвержденный комитетом IEEE 802.3, описывающий работу сети Ethernet на тонком коаксиальном кабеле (thin Ethernet – тонкий Ethernet, иначе ещё называемый Cheapernet – дешевый Ethernet).

Согласно этой спецификации недопустимо использование отводов к рабочим станциям. Станции подключаются непосредственно к основной магистрали через Т-образные BNC-разъемы. Таким образом, тонкий коаксиальный кабель проходит через сетевые адаптеры всех станций. В остальном, принципы и правила построения одно- и многосегментных ЛВС на тонком и толстом коаксиальном кабеле аналогичны.

Отличие – только в ограничениях на размер сети и количество станций.

Основные ограничения для ЛВС Ethernet в соответствии со спецификацией 10Base-2 имеют вид:

· максимальная длина сегмента (расстояние между крайними узлами) – 185 м;

· максимальное число узлов на сегменте – 30;

· минимальное расстояние между узлами – 1 м;

· многосегментная сеть строится по правилу «5-4-3»: максимально 5 сегментов, 4 повторителя, причём нагруженными являются 3 сегмента;

· в каждом из трёх (средний и два крайних) сегментов можно подключать к кабелю до 30 узлов;

· два других сегмента используются только для увеличения общей протяженности сети, к ним нельзя подсоединять станции;

· повторитель рассматривается как специальный узел, подключенный к сети, поэтому в сети с двумя повторителями допускается иметь только 28 станций.

Таким образом, одна сеть Ethernet 10Base-2:

_ может содержать не более 86 узлов;

_ иметь диаметр (максимальную длину кабеля) – не более 925 м.

Спецификация 10Base-Т

Спецификация 10Base-T, добавленная к стандарту 802.3 в конце 1991 года, описывает сеть Ethernet с топологией типа “звезда” и кабельной системой на основе неэкранированной витой пары. Согласно спецификации 10Base-T сегментом сети является кабель, соединяющий рабочую станцию и концентратор. Это означает, что к каждому сегменту может быть подключено лишь два устройства: станция и концентратор, а количество сегментов равно количеству подключённых к концентратору станций.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

При построении многосегментной сети Ethernet 10Base-T используется правило «4-х хабов», которое гласит, что между любыми двумя станциями в сети должно быть не более 4-х концентраторов (хабов).

Основные ограничения для ЛВС Ethernet в соответствии со спецификацией 10Base-Т имеют вид:

· максимальная длина кабеля (между концентратором и рабочей станцией или между двумя концентраторами) – 100 м (рис.3.17);

· число концентраторов между любыми станциями – не более 4;

· максимальный диаметр сети – 500 м (рис.3.18);

· максимальное количество станций в сети – 1024.

Отметим, что максимальное количество станций в ЛВС Ethernet, равное1024, может быть достигнуто только для спецификации 10Base-Т за счёт применения 32-х портовых концентраторов (рис.3.19). В то же время для сетей, построенных на коаксиальном кабеле (10Base-5 и 10Base-2), это значение не достижимо.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Благодаря меньшей стоимости кабельной системы и возможности построения сетей с максимально допустимым количеством станций, сети 10Base-Т получили доминирующее положение на рынке и практически полностью вытеснили сети, построенные на коаксиальном кабеле.

Спецификация 10Base-F

10Base-F – совокупность стандартов физического уровня, описывающих работу сети Ethernet на волоконно-оптическом кабеле с пропускной способностью 10 Мбит/с. В качестве среды передачи данных в оптоволоконной сети Ethernet используется многомодовый волоконно-оптический кабель (ВОК).

Структурная организация сети аналогична стандарту 10Base-T: сетевые адаптеры рабочих станций соединяются с многопортовым повторителем (концентратором) с помощью ВОК и образуют физическую топологию «звезда».

10Base-F включают в себя следующие стандарты.

1. Стандарт FOIRL(Fiber Optic Inter-Repeater Link):

· длина оптоволоконного кабеля между повторителями – до 1 км;

Читайте про операторов:  Как узнать срок действия номера МТС? Сколько действительна SIM-карта

· максимальное число повторителей – 4;

· максимальный диаметр сети – 2500 м.

2. Стандарт 10Base-FL(Fiber Link)– улучшенный вариант стандарта FOIRL, заключающийся в увеличении мощности передатчиков, за счёт чего максимальное расстояние между узлом и повторителем может достигать 2000 м, при этом:

· максимальное число повторителей – 4;

· максимальный диаметр сети – 2500 м.

3. Стандарт 10Base-FB(Fiber Backbone) предназначен только для объединения повторителей в магистраль, при этом:

· между узлами сети можно установить до 5 повторителей стандарта 10Base-FB;

· максимальная длина одного сегмента – 2000 м;

· максимальный диаметр сети – 2740 м.

В отличие от ранее рассмотренных сетей, повторители, используемые в ЛВС Ethernet 10Base-FB, при отсутствии кадров для передачи обмениваются специальными последовательностями сигналов, что позволяет постоянно поддерживать синхронизацию в сети. Поэтому ЛВС, построенную по стандарту 10Base-FB, называют «синхронный Ethernet». Благодаря меньшим задержкам при передаче данных из одного сегмента в другой, количество повторителей увеличено до 5.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

33. Канальный уровень ЛВС Ethernet. Кадр Ethernet II (Ethernet DIX). Кадр Raw 8023 (IEEE 8023/Novell). Кадр 8023/LLC (кадр 8023/8022). Кадр Ethernet SNAP. Алгоритм определения типа кадра. Протокол CSMA/CD.

Стандарт ЛВС Ethernet канального уровня IEEE 802.3 описывает формат используемых в сети кадров и метод доступа к среде передачи данных CSMA/CD.

В процессе эволюции сетей Ethernet появились 4 типа кадров:

· Ethernet II или Ethernet DIX, предложенный фирмами DEC, Intel и Xerox (DIX);

· Raw 802.3 или 802.3/Novell, появившийся в результате усилий компании Novell по созданию своего стека протоколов в сетях Ethernet;

· 802.3/LLC или 802.3/802.2, появившийся как результат разделения функций канального уровня на подуровни MAC и LLC;

· Ethernet SNAP, появление которого было вызвано необходимостью приведения предыдущих форматов кадров к общему стандарту.

§

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

П – преамбула (8 байт):

· используется для синхронизации станций сети;

· содержит код 1010101в первых семи байтах и код 10101011в последнем байте.

АН – адрес назначения (6 байт):

· длина поля составляет 6 байт, но может быть 2 байта, если адрес установлен администратором ЛВС только для внутреннего пользования;

· старший (самый первый) бит в поле адреса (рис.3.21) указывает тип адреса (I/G – Individual/Group):

– адрес назначения является индивидуальным, т.е. кадр предназначен конкретной рабочей станции; в остальных разрядах поля адреса назначения указывается уникальный физический адрес (МАС-адрес) конкретной рабочей станции;

1– адрес назначения является групповым, т.е. кадр предназначен группе рабочих станций (тогда в последующих разрядах указывается адрес конкретной группы рабочих станций), или широковещательным, если все остальные разряды равны 1, то есть кадр адресован всем рабочим станциям в ЛВС;

· второй бит в поле адреса указывает способ назначения адреса (U/L – Universal/Local):

– адрес является универсальнымфизическим адресом в ЛВС, т.е. адрес сетевого адаптера назначен централизованно комитетом IEEE, который распределяет между производителями сетевых адаптеров так называемые организационно уникальные идентификаторы (Organizationally Unique Identifier, OUI), размещаемые в первых трех байтах адреса, а в следующих трех байтах помещается номер сетевого адаптера, присваиваемый производителем;

1– адрес локальный, т.е. назначен администратором ЛВС и используется только в пределах этой сети.

АИ – адрес источника (6 байт):

· длина поля составляет 6 байт, но, как и адрес назначения, может иметь длину 2 байта;

· старший бит первого байта (поля I/G) всегда равен 0;

· не может содержать широковещательный адрес:

FF-FF-FF-FF-FF-FF.

Тип – тип протокола (2 байта):

· идентифицирует тип протокола более высокого уровня, используемого для его передачи или приема, и позволяющего множеству протоколов высокого уровня разделять ЛВС без вникания в содержимое кадров друг друга;

· примеры значений поля «тип», идентифицирующих различные протоколы:

_ IP (Internet Protocol) 080016

_ ARP (Adress Resolution Protocol) 080616

_ Reverse ARP 803516

_ Apple Talk 809B16

_ NetWare IPX/SPX 813716

(здесь индекс 16 – означает шестнадцатеричное число).

Данные – поле данных (46-1500 байт):

· может иметь длину от 46 до 1500 байт.

КС – контрольная сумма:

· содержит остаток избыточной циклической суммы (Cyclic Redundancy Checksum – CRC), вычисленной с помощью полиномов типа CRC-32 для всех полей кадра: АН АИ Тип Данные(без преамбулы).

Таким образом, минимальная длина кадра Ethernet (без преамбулы) 64байта, а максимальная 1518байтов.

Кадр Raw 802.3 (IEEE 802.3/Novell)

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Основные отличия этого кадра от кадра Ethernet II заключаются в следующем:

1) из восьмибайтового поля преамбулы П, которое стало длиной 7 байт, выделено однобайтовое поле НО– «Начальный ограничитель кадра», которое содержит код 10101011, указывающий на начало кадра;

2) вместо поля «Тип протокола» появилось двухбайтовое поле Д– «Длина», которое определяет длину поля данных в кадре; отсутствие поля «Тип протокола» обусловлено тем, что кадр 802.3/Novell соответствует только протоколу IPX/SPX и лишь этот протокол может работать с ним;

3) поле данных может содержать от до 1500 байт, но если длина поля меньше 46 байт, то используется дополнительное поле Н– «Набивка», с помощью которого кадр дополняется до минимально допустимого значения в 46 байт, если поле данных меньше 46 байт.

Таким образом, длина кадра находится в диапазоне от 64 до 1518 байт, не считая преамбулы и признака начала кадра. Важной особенностью стандарта IEEE 802.3 является возможность передачи прикладным процессом данных длиной менее 46 байтов, благодаря тому, что кадр автоматически дополняется до нужного размера пустыми символами в поле «Набивка». В стандарте Ethernet II такие ситуации рассматриваются как ошибочные.

Кадр 802.3/LLC (кадр 802.3/802.2)

Кадр 802.3/LLC (802.3/802.2) содержит те же поля, что и Raw 802.3 (рис.3.23). Отличие состоит лишь в том, что в поле данных вставляется пакет подуровня управления логическим соединением LLC (без граничных флагов), содержащий в качестве заголовка три однобайтовых поля:

· DSAP(Destination Service Access Point) – точка доступа к услугам получателя (1 байт) определяет тип протокола верхнего (сетевого) уровня получателя кадра;

· SSAP(Source Service Access Point) – точка доступа к услугам источника (1 байт) определяет тип протокола верхнего (сетевого) уровня источника кадра;

· У– управление (1 или 2 байта) – содержит информацию для управления одним из трех сервисов, предоставляемых подуровнем LLC;

Поля DSAP, SSAPи Уобразуют заголовок пакета LLC.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Так как поле «Управление» пакета LLC имеет длину 1 (в режиме LLC1) или 2 байта (в режиме LLC2), то максимальный размер поля данных уменьшается до 1497 или 1496 байт соответственно.

Кадр Ethernet SNAP

Кадр Ethernet SNAP (SNAP – SubNetwork Access Protocol), протокол доступа к подсетям) предназначен для устранения разнообразия в форматах кадров и в кодировках типов протоколов, сообщения которых вложены в поле данных кадров Ethernet.

Структура кадра SNAP является развитием структуры кадра 802.3/LLC за счет введения дополнительного заголовка протокола SNAP, который находится за заголовком пакета LLC и включает в себя 2 поля:

· идентификатор организации(3 байта) содержит идентификатор той организации, которая контролирует коды протоколов, указываемые в поле «тип» (коды протоколов для ЛВС контролирует IEEE, который имеет идентификатор организации, равный 000000; если в будущем потребуются другие коды протоколов, то достаточно указать другой идентификатор организации, назначающей эти коды, не меняя старые значения кодов);

· тип(2 байта) – состоит из 2-х байт и соответствует полю «Тип» кадра Ethernet II, то есть в нем используются те же значения кодов протоколов более высокого сетевого уровня.

При этом 3 поля заголовка пакета LLC в кадре Ethernet SNAP имеют вполне конкретные значения:

· DSAP(1 байт) всегда содержит AA16 и указывает на то, что кадр имеет формат типа Ethernet SNAP;

· SSAP(1 байт) всегда содержит AA16 и указывает на то, что кадр имеет формат типа Ethernet SNAP;

· управление(1 байт) содержит число 0316.

Алгоритм определения типа кадра

Практически все сетевые адаптеры Ethernet могут работать со всеми четырьмя типами кадров, автоматически распознавая их.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Поскольку для кодирования типа протокола в двухбайтовом поле «Тип/Длина» указываются значения, превышающие значение максимальной длины поля данных, равное 1500 или в шестнадцатеричной системе счисления 05DC16, кадры Ethernet II легко отличить от других типов кадров по значению этого поля. Затем проверяется наличие или отсутствие полей LLC, которые могут отсутствовать только в том случае, если за полем длины следует заголовок пакета IPX, а именно 2-байтовое поле заполненное единицами. Затем проверяются значения полей DSAP и SSAP: если они равны АА16, то это кадр Ethernet SNAP, в противном случае – кадр 802.3/LLC.

Протокол CSMA/CD

Битовый интервал – это интервал, соответствующий передаче одного бита, то есть это время между появлением двух последовательных бит.

Поскольку протокол CSMA/CD применяется в ЛВС Ethernet с пропускными способностями среды передачи данных 10 Мбит/с, 100 Мбит/с и 1 Гбит/с, использование понятия битового интервала позволяет обобщить описание протокола CSMA/CD для всех этих сетей.

При передаче данныхсогласно протоколу CSMA/CD станции выполняют следующие этапы.

1. Прослушивание до начала передачи.

2. Задержка передачи, если канал занят.

3. Начало передачи кадра, если канал свободен.

4. Передача кадра и прослушивание коллизий..

Если коллизия возникла, но другие станции еще не обнаружили ее, они могут попытаться начать передачу. Кадры этих станций тогда будут вовлечены в новую коллизию. Для исключения такой ситуации вовлеченные в коллизию станции начинают передавать сигнал заторас тем, чтобы все остальные станции сегмента удостоверились в том, что линия занята. Сигнал затора – специальная последовательность из 32 бит, называемая jam-последовательностью. Станции, вовлеченные в коллизию, увеличивают на 1 свои счетчики числа попыток передачи. Станция считает, что она управляет сегментом кабеля, если ею уже передано более 64 байт. Коллизия, возникающая с кадром длиной более 64 байт, называется поздней коллизией, что обычно свидетельствует о некорректном монтаже кабельной системы, например, о том, что какой-то сегмент может быть длиннее, чем это определено спецификацией для данного типа кабельной системы.

5. Ожидание перед повторной передачей.

6. Повторная передача или прекращение работы.

При приёме данныхстанция, находящаяся в сети, должна выполнять следующие действия.

1. Просмотр поступающих кадров данных и обнаружение фрагментов.

2. Проверка адреса получателя.

3. Проверка целостности кадра данных.

Для того, чтобы избежать обработки искаженных при передаче по каналу или некорректно сформированных на передающей станции кадров, принимающая станция должна проверить:

· длину кадра: если кадр длиннее 1518 байт, он считается переполненным; переполненные кадры могут появляться в результате неисправностей сетевого драйвера;

· контрольную последовательность кадра с помощью циклического избыточного кода;

· если контрольная последовательность некорректна, проверяется выравненность кадра: все кадры должны содержать целое число байт (например, не 122,5 байт).

Если контрольная последовательность кадра некорректна, но кадр содержит целое число байт (корректно выровнен), считается, что имеет место ошибка контрольной последовательности.

Таким образом, проверка кадра принимающей станцией заключается в определении:

· является ли кадр фрагментом;

· не слишком ли велика его длина;

· ошибочна ли его контрольная последовательность;

· корректно ли он выровнен.

Если какая-либо проверка завершилась неудачей, кадр уничтожается

и его содержимое не передается для обработки протоколу сетевого уровня.

4. Обработка кадра.

Многосегментные ЛВС Ethernet. Условие корректности ЛВС. Расчёт времени двойного оборота (PDV). Расчёт уменьшения межкадрового интервала (PVV). Расчет показателей производительности ЛВС Ethernet. Достоинства и недостатки ЛВС Ethernet.

ЛВС Ethernet может объединять сегменты, построенные на основе разных типов кабелей: толстого или тонкого коаксиального кабеля, витой пары, волоконно-оптического кабеля. При этом количество сегментов в сети может превышать указанное ранее в соответствии с правилом «5-4-3» значение 5. Чтобы сеть Ethernet, состоящая из сегментов различной физической природы, работала корректно, необходимо выполнение четырех основных условий:

· количество станций в сети не более 1024;

· максимальная длина каждого сегмента не более величины,

определенной в соответствующем стандарте физического уровня (500 м и

185 м – соответственно для толстого и тонкого коаксиального кабеля;

100 м – для неэкранированной витой пары; 2000 м – для оптоволоконного кабеля);

· время двойного оборота сигнала (Path Delay Value, PDV) между двумя самыми удаленными друг от друга станциями сети не более 575 битовых интервала;

· сокращение межкадрового интервала (Path Variability Value, PVV) при прохождении последовательности кадров через все повторители должно быть не больше, чем 49 битовых интервала. Так как при отправке кадров конечные узлы обеспечивают начальное межкадровое расстояние в 96 битовых интервалов, то после прохождения повторителей оно должно быть не меньше, чем 96–49=47 битовых интервала.

Соблюдение этих требований обеспечивает корректность работы сети даже в тех случаях, когда нарушаются правила конфигурирования, определяющие максимальное количество повторителей и общую длину сети в 2500 м.

Условие корректности ЛВС

Для корректной работы сети Ethernet необходимо, чтобы станции всегда могли обнаружить коллизию, если она возникла в процессе передачи кадра. Если станция прекратит прослушивание среды передачи раньше, чем коллизия может произойти, передаваемый кадр будет потерян. Поэтому передающая станция должна обнаружить коллизию, которую вызвал переданный ею кадр, еще до того, как она закончит передачу этого кадра. Поскольку до начала передачи все станции сети прослушивают канал, то коллизия в худшем случае может возникнуть при передаче кадров между наиболее удаленными друг от друга станциями сети.

§

Каждый узел ЛВС принимает кадр от соседнего узла, восстанавливает уровни сигналов и передает кадр следующему узлу.

Передаваемый кадр может содержать данные (кадр данных) или являться маркером. Маркер – специальный служебный кадр, предоставляющий узлу, который им владеет, право на передачу данных.

Когда узлу необходимо передать кадр, его адаптер дожидается поступления маркера, а затем преобразует его в кадр, содержащий данные, сформированные по протоколу соответствующего уровня, и передает его в сеть. Кадр передается по сети от узла к узлу, пока не достигнет адресата, который установит в нем определенные биты для подтверждения того, что кадр получен адресатом, и ретранслирует его далее в сеть. Пакет продолжает движение по сети до возвращения в узел-отправитель, в котором проверяется правильность передачи. Если кадр был передан адресату без ошибок, узел может сформировать и передать очередной кадр данных (если таковой есть) или передать маркер следующему узлу. Количество кадров данных, которое может быть передано одним узлом, определяется временем удержания маркера, которое обычно составляет 10 мс. По истечении этого времени узел должен отдать маркер другому узлу. Маркер, как и кадр данных, перемещается по кольцу от узла к узлу.

Если в узле, получившем маркер, нет данных (кадра) для передачи, то он отправляет маркер к следующему узлу. Если в узле, получившем маркер, имеется кадр для передачи, то сравнивается уровень приоритета этого кадра (узла) со значением, так называемого зарезервированного приоритета, находящимся в поле маркера в виде битов резервирования.

Если уровень приоритета кадра равен или больше значения зарезервированного приоритета, то узел захватывает маркер, присоединяет к нему кадр, формируя кадр данных, и передаёт его в сеть. В противном случае, если уровень приоритета кадра меньше значения зарезервированного приоритета, маркер направляется по кольцу к следующему узлу.

В процессе передачи маркера и кадра данных по кольцу каждый узел, принимая их, проверяет кадр на наличие ошибок и при их обнаружении устанавливает соответствующий признак ошибки, в соответствии с которым все остальные узлы игнорируют передаваемый кадр и просто ретранслируют его узлу-отправителю. Кроме того, каждый узел, имеющий данные для передачи, может в поле резервирования приоритета кадра или маркера установить уровень приоритета ожидающего кадра данных, если этот приоритет больше, чем значение, находящееся в этом поле и записанное предшествующими узлами. В конечном результате, кадр данных, вернувшийся после полного оборота по кольцу в узел-отправитель, будет иметь в поле резервирования приоритета значение, соответствующее максимальному уровню приоритета среди всех кадров, готовых к передаче.

Таким образом, в ЛВС Token Ring реализуется приоритетное управление трафиком, причём столкновения кадров невозможны, поскольку в каждый момент времени в сети передаётся только один кадр.

При передаче небольших кадров, например запросов на чтение файла, возникают дополнительные непроизводительные задержки на время, необходимое для полного оборота кадра по сети через множество станций и в течение которого сеть недоступна для передачи других кадров.

Узел после передачи кадра мог бы отправить в ЛВС некоторое количество символов до возвращения в него отправленного кадра: от 50 до 100 символов в ЛВС со скоростью 4 Мбит/с и до 400 символов в ЛВС со скоростью 16 Мбит/с.

Для увеличения производительности сети в Token Ring со скоростью 16 Мбит/с используется так называемый режим ранней передачи маркера (Early Token Release – ETR), при котором узел передает маркер следующему узлу сразу после передачи своего кадра. Такая возможность обусловлена тем, что сеть Token Ring состоит из набора независимых межкомпьютерных связей, а не представляет собой единый кабель, проходящий через все компьютеры. С точки зрения передачи сигналов кадр от узла идет только до ближайшего соседа.

При инициализации ЛВС Token Ring одна из рабочих станций назначается в качестве активного монитора, на который возлагаются дополнительные контрольные функции в кольце:

· временной контроль в логическом кольце с целью выявления ситуаций, связанных с потерей маркера;

· формирование нового маркера после обнаружения потери маркера;

· формирование диагностических кадров при определенных обстоятельствах.

При выходе активного монитора из строя, назначается новый активный монитор из множества других РС. В качестве монитора автоматически может быть назначена станция, имеющая, например, наибольший МАС-адрес.

Форматы кадров. Начальный и концевой разделители. Управление доступом. Управление кадром.

Форматы кадров

В сети Token Ring используются 3 типа кадров:

· кадр данных;

· маркер;

· последовательность завершения.

Кадр данных – основной тип кадра, содержащий следующие поля:

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

· НРначальный разделитель (1 байт);

· УДуправление доступом (1 байт);

· УКуправление кадром (1 байт);

· АНадрес назначения (2 или 6 байт);

· АИадрес источника (2 или 6 байт);

· Данныеполе данных;

· КСконтрольная сумма (4 байта);

· КРконцевой разделитель (1 байт);

· СКстатус (состояние) кадра (1 байт).

Маркер – служебный кадр, содержащий 3 однобайтовых поля:

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

· НРначальный разделитель;

· УДуправление доступом;

· КРконцевой разделитель.

Последовательность завершения – служебный кадр, который при необходимости используется для прекращения процесса передачи в любой момент времени, содержащий 2 однобайтовых поля:

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

· НРначальный разделитель;

· КРконцевой разделитель.

§

Начальный разделитель (Start Delimiter – SD) и концевой разделитель (End Delimiter – ED) – уникальные битовые последовательности, указывающие соответственно на начало и конец кадра и имеющие вид:

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Здесь Jи K– соответственно 1 и 0 в дифференциальном манчестерском коде; и 1– обычные нулевые и единичные значения; ПКбит промежуточного кадра; ООбит обнаруженной ошибки.

Бит промежуточного кадра (Intermediate Frame) принимает значения:

· 1, если данный кадр является промежуточным кадром многокадровой передачи;

· , если кадр является последним или единственным.

Бит обнаруженной ошибки (Error-detected) устанавливается в в момент создания кадра в узле-источнике и может быть изменен на значение 1любым узлом, обнаружившим ошибку при прохождении кадра по сети. После этого кадр ретранслируется без контроля ошибок в последующих узлах до достижения узла-источника, который в этом случае предпримет повторную попытку передачи кадра.

Поля НРи КРвходят в состав всех трёх кадров сети Token Ring.

Управление доступом

Поле УД – Управление доступом (Access Control) длиной 8 бит имеет следующую структуру:

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Здесь PPPбиты приоритета; Tбит маркера: 1 для маркера и 0 для кадра данных; Mбит монитора: 1, если кадр передан активным монитором и 0 – в противном случае; RRRбиты резервирования.

В сети Token Ring, в отличие от сети Ethernet, предусмотрена возможность приоритетной передачи кадров за счёт присваивания сетевым адаптером приоритета маркеру и кадрам данных. Это реализуется путем записи в поле PPP уровня приоритета от 0 до 7 (7 – наивысший приоритет). Узел, получивший маркер, имеет право передать кадр только в том случае, если приоритет кадра не ниже приоритета маркера. В противном случае маркер передаётся следующему узлу.

Совместно с битами приоритета РРРиспользуются биты резервирования RRR. Узлы сети в процессе передачи кадра по кольцу могут зарезервировать дальнейшее использование сети, поместив значение приоритета кадра, ожидающего передачи, в биты резервирования RRR, если этот приоритет выше текущего значения поля резервирования. После этого, когда передающий узел, получив вернувшийся кадр данных, формирует новый маркер, он устанавливает его приоритет PPPравным значению поля резервирования RRRвернувшегося кадра. Таким образом, маркер будет передан узлу, установившему в поле резервирования наивысший приоритет.

Использование бита монитора Мпозволяет выявить ситуацию, когда кадр или маркер обошёл ЛВС по кольцу и не нашёл адресата. Признаком этого является получение активным монитором кадра с битом монитора М=1.

Управление кадром

Кадр данных сети Token Ring может содержать в поле данных:

· информацию для управления логическим кольцом (данные уровня MAC), которой обмениваются адаптеры для выполнения функций контроля и управления работой логического кольца; такие кадры называются кадрами управления доступом к среде или МАС-кадрами;

· пользовательские данные (данные уровня LLC – LLC-кадры).

Поле УКуправление кадром (Frame Control – FC) – определяет тип кадра (MAC или LLC) и контрольный код MAC-кадра:

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Здесь: FF– тип кадра: 00 – для MAC-кадра; 01 – для LLC-кадра (значения 10 и 11 зарезервированы и не используются); 00– резервные разряды; CCCCкод MAC-кадра, определяющий к какому типу (определенных стандартом IEEE 802.5) управляющих кадров уровня MAC он принадлежит.

Существует 25 типов МАС-кадров, которые можно разделить на следующие группы:

· кадры инициализации станции (5 типов);

· кадры управления средой (5 типов);

· кадры сообщений об ошибках (3 типа);

· кадры управления станциями (12 типов).

Примеры МАС-кадров:

0000 – тест дублирования адреса –передается рабочей станцией, впервые присоединяемой к логическому кольцу, чтобы убедиться, что ее адрес является уникальным;

0010 – очистка кольца –передается в случае обнаружения серьезных проблем в ЛВС, таких как обрыв в кабеле или начало передачи узлом до получения им маркера; для локализации проблемы диагностическим программам достаточно определить узел, который передает это сообщение;

0011 – требование маркера –если запасной монитор обнаруживает, что активный монитор перестал функционировать, он приступает к передаче кадров с требованием маркера; запасные мониторы в этом случае начинают процесс взаимодействия друг с другом, чтобы назначить новый активный монитор;

0100 – аварийная сигнализация (чистка) –передается после инициализации логического кольца, и после установки нового активного монитора;

0101 – наличие (присутствие) активного монитора –передается активным монитором достаточно часто для уведомления других РС о том, что активный монитор функционирует;

0110 – наличие запасного (резервного) монитора –передается запасными мониторами.

§

Метод расширения спектра скачкообразной перестройкой частоты (FHSS – Frequency Hopping Spread Spectrum) основан на постоянной смене несущей в пределах широкого диапазона частот.

Частота несущей F1, …, FN случайным образом меняется через определенный период времени, называемый периодом отсечки (чип), в соответствии с выбранным алгоритмом выработки псевдослучайной последовательности. На каждой частоте применяется модуляция (FSK или PSK). Передача на одной частоте ведётся в течение фиксированного интервала времени, в течение которого передаётся некоторая порция данных (Data). В начале каждого периода передачи для синхронизации приемника с передатчиком используются синхробиты, которые снижают полезную скорость передачи.

В зависимости от скорости изменения несущей различают 2 режима расширения спектра:

· медленное расширение спектра – за один период отсечки передается несколько бит;

· быстрое расширение спектра – один бит передается за несколько периодов отсечки, то есть повторяется несколько раз.

В первом случае период передачи данных меньше периода передачи чипа, во втором – больше.

Метод быстрого расширения спектра обеспечивает более надёжную передачу данных при наличии помех за счёт многократного повторения значения одного и того же бита на разных частотах, но более сложен в реализации, чем метод медленного расширения спектра.

Прямое последовательное расширение спектра

Метод прямого последовательного расширения спектра (DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum) состоит в следующем.

Каждый «единичный» бит в передаваемых данных заменяется двоичной последовательностью из N бит, которая называется расширяющей последовательностью, а «нулевой» бит кодируется инверсным значением расширяющей последовательности. В этом случае тактовая скорость передачи увеличивается в N раз, следовательно, спектр сигнала также расширяется в N раз.

Зная выделенный для беспроводной передачи (линии связи) частотный диапазон, можно соответствующим образом выбрать скорость передачи данных и значение N, чтобы спектр сигнала заполнил весь диапазон.

Основная цель кодирования DSSS как и FHSS – повышение помехоустойчивости.

Чиповая скорость – скорость передачи результирующего кода.

Коэффициент расширения – количество битов N в расширяющей последовательности. Обычно N находится в интервале от 10 до 100. Чем больше N, тем больше спектр передаваемого сигнала.

DSSS в меньшей степени защищен от помех, чем метод быстрого расширения спектра.

Множественный доступ с кодовым разделением

Методы расширения спектра широко используются в сотовых сетях, в частности, при реализации метода доступа CDMA (Code Division Multiple Access) – множественный доступ с кодовым разделением. CDMA может использоваться совместно с FHSS, но в беспроводных сетях чаще с DSSS.

Каждый узел сети использует собственную расширяющую последовательность, которая выбирается так, чтобы принимающий узел мог выделить данные из суммарного сигнала.

Достоинство CDMA заключается в повышенной защищенности и скрытности передачи данных: не зная расширяющей последовательности, невозможно получить сигнал, а иногда и обнаружить его присутствие.

Технология WiFi. Технология WiМах. Беспроводные персональные сети. Технология Bluetooth. Технология ZigBee. Беспроводные сенсорные сети. Сравнение беспроводных технологий.

Технология WiFi

Технология беспроводных ЛВС (WLAN) определяется стеком протоколов IEEE 802.11, который описывает физический уровень и канальный уровень с двумя подуровнями: MAC и LLC.

На физическом уровне определены несколько вариантов спецификаций, которые различаются:

· используемым диапазоном частот;

· методом кодирования;

· скоростью передачи данных.

Варианты построения беспроводных ЛВС стандарта 802.11, получившего название WiFi.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

IEEE 802.11 (вариант 1):

· среда передачи – ИК-излучение;

· передача в зоне прямой видимости;

· используются 3 варианта распространения излучения:

– ненаправленная антенна;

– отражение от потолка;

– фокусное направленное излучение («точка-точка»).

IEEE 802.11 (вариант 2):

· среда передачи – микроволновый диапазон 2,4 ГГц;

· метод кодирования – FHSS: до 79 частотных диапазонов шириной

1 МГц, длительность каждого из которых составляет 400 мс (рис.3.49);

· при 2-х состояниях сигнала обеспечивается пропускная способность среды передачи в 1 Мбит/с, при 4-х – 2 Мбит/с.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

IEEE 802.11 (вариант 3):

· среда передачи – микроволновый диапазон 2,4 ГГц;

· метод кодирования – DSSS c 11-битным кодом в качестве расширяющей последовательности: 10110111000.

IEEE 802.11a:

1) диапазон частот – 5 ГГц;

2) скорости передачи: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Мбит/с;

3) метод кодирования – OFDM.

Недостатки:

· слишком дорогое оборудование;

· в некоторых странах частоты этого диапазона подлежат лицензированию.

IEEE 802.11b:

1) диапазон частот – 2,4 ГГц;

2) скорость передачи: до 11 Мбит/с;

3) метод кодирования – модернизированный DSSS.

IEEE 802.11g:

1) диапазон частот – 2,4 ГГц;

2) максимальная скорости передачи: до 54 Мбит/с;

3) метод кодирования – OFDM.

В сентябре 2009 года был утверждён стандарт IEEE 802.11n. Его применение позволит повысить скорость передачи данных практически вчетверо по сравнению с устройствами стандартов 802.11g. Теоретически 802.11n способен обеспечить скорость передачи данных до 600 Мбит/с. Радиус действия беспроводных сетей IEEE 802.11 – до 100 метров.

Технология WiМах

Технология беспроводного широкополосного доступа с высокой пропускной способностью WiMax представлена группой стандартов IEEE 802.16 и первоначально была предназначена для построения протяженных (до 50 км) беспроводных сетей, относящихся к классу региональных или городских сетей.

Стандарт IEEE 802.16 или IEEE 802.16-2001 (декабрь 2001 года), являющийся первым стандартом «точка-многоточка», был ориентирован на работу в спектре от 10 до 66 ГГц и, как следствие, требовал нахождения передатчика и приёмника в области прямой видимости, что является существенным недостатком, особенно в условиях города. Согласно описанным спецификациям, сеть 802.16 могла обслуживать до 60 клиентов со скоростью канала T-1 (1,554 Мбит/с).

Позднее появились стандарты IEEE 802.16a, IEEE 802.16-2004 и IEEE 802.16е (мобильный WiMax), в которых было снято требование прямой видимости между передатчиком и приёмником.

Основные параметры перечисленных стандартов технологии WiMax.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Рассмотрим основные отличия технологииWiМах от WiFi.

1. Малая мобильность. Первоначально стандарт разрабатывался для стационарной беспроводной связи на большие расстояния и предусматривал мобильность пользователей в пределах здания. Лишь в 2005 году был разработан стандарт IEEE 802.16e, ориентированный на мобильных пользователей. В настоящее время ведётся разработка новых спецификаций 802.16f и 802.16h для сетей доступа с поддержкой работы мобильных (подвижных) клиентов при скорости их движения до 300 км/ч.

2. Использование более качественных радиоприемников и передатчиков обусловливает более высокие затраты на построение сети. 3. Большие расстояния для передачи данных требуют решения ряда специфических проблем: формирование сигналов разной мощности, использование нескольких схем модуляции, проблемы защиты информации.

4. Большое число пользователей в одной ячейке.

5. Более высокая пропускная способность, предоставляемая пользователю.

6. Высокое качество обслуживания мультимедийного трафика.

Первоначально считалось, что IEEE 802.11мобильный аналог Ethernet, 802.16– беспроводной стационарный аналог кабельного телевидения. Однако появление и развитие технологии WiMax (IEEE 802.16e) для поддержки мобильных пользователей делает это утверждение спорным.

§

Персональные сети (Personal Area Networks – PAN) предназначены для взаимодействия устройств, принадлежащих одному владельцу и расположенных территориально на небольшом расстоянии (около 10 м).

Особенности PAN:

· простота, малые размеры и низкая стоимость объединяемых устройств и, как следствие этого, низкая стоимость реализации сети;

· небольшой диаметр сети;

· высокие требования к безопасности;

· беспроводная реализация;

· небольшая мощность излучаемых сигналов (не более 100 мВт).

Технология Bluetooth

Технология Bluetooth, описанная в стандарте IEEE 802.15.1 обеспечивает взаимодействие различных устройств в разделяемой среде диапазона 2,4 МГц со скоростью передачи до 1 Мбит/с.

В основе Bluetooth лежит концепция пикосети, которая характеризуется следующими особенностями:

· небольшая область покрытия от 10 м до 100 м;

· количество устройств в сети – до 255;

· количество активных (одновременно взаимодействующих) устройств – до 8;

· одно устройство главное (Г), в качестве которого обычно используется персональный компьютер), остальные подчиненные (П);

· несколько пикосетей могут образовывать рассредоточенную сеть, в которой одно устройство, называемое мостом, одновременно принадлежит нескольким сетям и может быть главным устройством одной пикосети и подчинённым устройством другой пикосети;

· метод доступа – CDMA с использованием техники FHSS;

· надёжность передачи данных реализуется с помощью механизма квитирования;

· кадры имеют длину до 343 байт;

· для передачи голоса используются кадры длиной 30 байт.

Технология ZigBee

ZigBee – технология, описанная в стандарте IEEE 802.15.4 и предназначенная для построения беспроводных персональных сетей (WPAN) с использованием небольших маломощных радиопередатчиков.

Спецификация ZigBee нацелена на приложения, которым требуется большее время автономной работы от батарей и большая безопасность, при небольших скоростях передачи данных.

Основная особенность технологии ZigBee заключается в том, что она при относительно невысоком энергопотреблении поддерживает не только простые топологии беспроводной связи («точка-точка» и «звезда»), но и сложные беспроводные сети с многосвязной (ячеистой) топологией с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений. Области применения технологии ZigBee – это построение беспроводных сенсорных сетей, автоматизация жилых и строящихся помещений, создание индивидуального диагностического медицинского оборудования, системы промышленного мониторинга и управления, а также применение в бытовой электронике и персональных компьютерах.

Технология ZigBee разработана с целью быть проще и дешевле, чем другие беспроводные персональные сети, такие как Bluetooth.

Устройство ZigBee может активироваться (переходить от спящего режима к активному) за 15 миллисекунд или меньше, что существенно меньше по сравнению с Bluetooth, для которого задержка при переходе от спящего режима к активному достигает 3-х секунд. Так как устройства ZigBee большую часть времени находятся в спящем режиме, уровень потребления энергии может быть очень низким, благодаря чему достигается продолжительная работа батарей.

Типовые области применения технологии ZigBee:

· домашняя автоматизация – температурный контроль, охрана и безопасность, датчики воды и мониторинг энергии, датчики задымления и пожара и т.д.;

· мобильные службы – мобильные оплата, мониторинг и контроль, охрана и контроль доступа в помещения, охрана здоровья, телепомощь;

· промышленное и коммерческое применение — контроль производственных процессов и промышленного оборудования, управление энергией, контроль доступа.

Существуют три типа устройств ZigBee.

· КоординаторZigBee (ZC) – наиболее ответственное устройство, формирующее пути дерева сети и связывающееся с другими сетями. В каждой сети есть один координатор ZigBee, который запускает сеть и может хранить информацию о сети.

· МаршрутизаторZigBee (ZR) – может выступать в качестве промежуточного устройства, передавая данные между остальными устройствами.

· Конечное устройствоZigBee (ZED) – может обмениваться информацией с материнским узлом (координатором или маршрутизатором), но не может передавать данные от других устройств.

Такое поведение позволяет узлу большую часть времени пребывать в спящем состоянии, что позволяет экономить энергоресурс батарей.

Конечное устройство имеет небольшую память, что делает его дешёвым в производстве.

Устройства ZigBee должны быть совместимы со стандартом IEEE 802.15.4 беспроводных персональных сетей, который описывает нижние слои протокола (физический слой PHY и управление доступом MAC).

Стандарт IEEE 802.15.4 (ZigBee) предусматривает использование метода широкополосной модуляции с прямым расширением спектра и работу в трех диапазонах:

· 1 канал в диапазоне 868,0-868,6 МГц;

· 10 каналов в диапазоне 902-928 МГц (шаг центральных частот 2 МГц, самая нижняя из них – 906 МГц);

· 16 каналов в диапазоне 2400-2483,5 МГц (шаг центральных частот 5 МГц, самая нижняя из них – 2405 МГц).

Соответственно скорость передачи данных составляет 20 кбит/с, 40 кбит/с и 250 кбит/с для каждого канала, расстояние передачи – от 10 до 75 метров.

Базовый режим доступа к каналу в сетях ZigBee – CSMA/CA – множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий. Однако возможны ситуации, исключающие применение CSMA.

Например, при передаче пакетов подтверждения приема данных (если потеря пакета критична) Стандарт ZigBee призван заполнить вакуум в спектре низкоскоростных и дешевых беспроводных сетевых технологий, поскольку делает возможным построение сетей с низким потреблением энергии и гибкими функциями поддержки беспроводного взаимодействия.

Беспроводные сенсорные сети

Беспроводная сенсорная сеть (WSN – Wireless Sensor Network) представляет собой распределённую самоорганизующуюся устойчивую к отказу отдельных элементов сеть, состоящую из множества необслуживаемых и не требующих специальной установки датчиков (сенсоров)и исполнительных устройств, объединенных посредством радиоканала. Область покрытия сенсорной сети может составлять от нескольких метров до нескольких километров за счет ретрансляции сообщений от одного элемента к другому.

Беспроводные сенсорные сети находят всё более широкое применение в производстве, на транспорте, в системах обеспечения жизнедеятельности, в охранных системах и т.п. Использование недорогих беспроводных сенсорных устройств контроля параметров делает возможным применение сенсорных сетей для контроля:

· различных параметров (температура, давление, влажность и т. п.);

· доступа в режиме реального времени к удаленным объектам мониторинга;

· отказов исполнительных механизмов;

· экологических параметров окружающей среды.

Беспроводные сенсорные сети состоят из миниатюрных вычислительных устройств мотов, снабженных сенсорами (датчиками температуры, давления, освещенности, уровня вибрации, местоположения и т. п.) и приемопередатчиками сигналов, работающими в заданном радиодиапазоне. Сенсорная сеть позволяет подключать до 65000 устройств.

Каждый узел сенсорной сети может содержать различные датчики для контроля внешней среды, микрокомпьютер и приемопередатчик. Это позволяет устройству проводить измерения, самостоятельно проводить начальную обработку данных и поддерживать связь с внешней информационной системой.

«Классическая» архитектура сенсорной сети основана на типовом узле, который может быть представлен тремя устройствами.

1. Сетевой координатор(FFD — Fully Function Device):

· осуществляет глобальную координацию, организацию и установку параметров сети;

· наиболее сложное устройство, требующее память большой ёмкости и источник питания.

2. Устройство с полным набором функций(FFD — Fully Function Device):

· поддерживает стандарт 802.15.4 (ZigBee);

· дополнительная память и энергопотребление позволяют выполнять роль координатора сети;

· поддерживает все топологии («точка-точка», «звезда», «дерево», «ячеистая сеть»);

· общается с другими устройствами сети.

3. Устройство с ограниченным набором функций(RFD — Reduced Function Device);

· поддерживает ограниченный набор функций стандарта 802.15.4;

· поддерживает топологии «точка-точка», «звезда»;

· не выполняет функции координатора;

· обращается к координатору сети и маршрутизатору.

§

Классификация технических средств объединения сетей, представленная на рис.4.1, включает в себя:

· пассивные технические средства, используемые для объединения отдельных сегментов и расширения ЛВС, к которым относятся:

– повторители (repeater);

– концентраторы (hub);

· активные технические средства, используемые для построения территориально-распределённых и глобальных сетей путём объединения как ЛВС, так и сетей других не ЛВС-технологий:

– мосты (bridg);

– маршрутизаторы (router);

– коммутаторы (switch);

– шлюзы (gateway).

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Активные технические средства, в отличие от пассивных, основной функцией которых является усиление передаваемого сигнала, управляют трафиком на основе адресов назначения передаваемых данных, то есть работают на 2-м и более высоких уровнях OSI-модели. Пассивные технические средства работают, в основном, на 1-м физическом уровне.

Мост – простейшее сетевое устройство, объединяющее локальные или удаленные сегменты и регулирующее прохождение кадров между ними. Подсоединенные к мосту сегменты образуют логически единуюсеть, в которой любая станция может использовать сетевые ресурсы, как своего сегмента, так и всех доступных через мост сегментов.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Мост работает на подуровне МАС второго канального уровня и прозрачен для протоколов более высоких уровней, то есть принимает решение о передаче кадра из одного сегмента в другой на основании физического адреса (МАС-адреса) станции назначения. Для этого мост формирует таблицу адресов(ТА), которая содержит:

· список МАС-адресов (адресов назначения, АН) станций, подключенных к мосту;

· направление (порт), к которому станция подключена;

· “возраст” с момента последнего обновления этой записи.

Так как кадры, предназначенные для станции того же сегмента, не передаются через мост, трафик локализуется в пределах сегментов, что снижает нагрузку на сеть и повышает информационную безопасность. В отличие от повторителя, который действует на физическом уровне и всего лишь повторяет и восстанавливает сигналы, мост анализирует целостность кадров и фильтрует кадры, в том числе испорченные.

Мосты не нагружают работой остальные сетевые устройства – они находятся в одной большой сети с единым сетевым адресом и разными MAC-адресами.

Для получения информации о местоположении станций мосты изучают адреса станций, читая адреса всех проходящих через них кадров.

При получении кадра мост сравнивает адрес назначения с адресами в ТА и, если такого адреса нет, то мост передает кадр по всем направлениям (кроме отправителя кадра). Такой процесс передачи называется “затоплением” (flooding). Если мост находит в ТА адрес назначения, то он сравнивает номер порта из ТА с номером порта, по которому пришёл кадр.

Их совпадение означает, что адреса отправителя и получателя расположены в одном сегменте сети, следовательно, кадр не надо транслировать, и мост его игнорирует. Если же адреса отправителя и получателя расположены в разных сегментах, мост отправляет кадр в нужный сегмент сети.

Достоинствами мостов являются:

· относительная простота и дешевизна объединения ЛВС;

· “местные” (локальные) кадры остаются в данном сегменте и не загружают дополнительно другие сегменты;

· присутствие мостов прозрачно для пользователей;

· мосты автоматически адаптируются к изменениям конфигурации сети;

· мосты могут объединять сети, работающие с разными протоколами сетевого уровня;

· ЛВС, объединенные мостами, образуют логически единую сеть, т.е. все сегменты имеют один и тот же сетевой адрес; поэтому перемещение компьютера из одного сегмента в другой не требует изменения его сетевого адреса;

· мосты, благодаря простой архитектуре, являются недорогими устройствами.

Недостатки состоят в следующем:

· дополнительная задержка кадров в мостах;

· не могут использовать альтернативные пути; из возможных путей всегда выбирается один, остальные – блокируются;

· могут способствовать значительным всплескам трафика в сети, например, при передаче кадра, адрес которого еще не содержится в таблице моста; такие кадры передаются во все сегменты;

· не могут предотвращать “широковещательные штормы”;

· не имеют средств для изоляции ошибочно функционирующих сегментов.

Существуют мосты четырех основных типов:

· прозрачные (transparent);

· транслирующие (translating);

· инкапсулирующие (encapsulating);

· с маршрутизацией от источника (source routing).

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Прозрачные мосты (transparent bridges) предназначены для объединения сетей с идентичными протоколами на канальном и физическом уровнях, например, Ethernet-Ethernet, Token Ring-Token Ring.

Прозрачный мост является самообучающимся устройством: в процессе работы для каждого подключенного сегмента автоматически строит таблицу адресов с адресами станций, находящихся в сегменте.

Алгоритм функционирования моста:

1) прием поступающего кадра в буфер моста;

2) анализ адреса отправителя (АО) и его поиск в таблице адресов (ТА);

3) если АО отсутствует в ТА, то этот адрес и номер порта, по которому поступил кадр, заносятся в ТА;

4) анализ адреса получателя (АП) и его поиск в ТА;

5) если АП найден в ТА, и он принадлежит тому же сегменту, что и АО (т.е. номер выходного порта совпадает с номером входного порта), кадр удаляется из буфера;

6) если АП найден в ТА, и он принадлежит другому сегменту, кадр передается в этот сегмент (на соответствующий порт);

7) если АП отсутствует в ТА, то кадр передается во все сегменты, кроме того сегмента, из которого он поступил.

Транслирующие мосты (translating bridges) предназначены для объединения сетей с разными протоколами на канальном и физическом уровнях, например, Ethernet и Token Ring.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Транслирующие мосты объединяют сети путем манипулирования “конвертами”: при передаче кадра из сети Ethernet в сеть TokenRing осуществляется замена заголовка (ЗETh) и концевика (КEth) Ethernet-кадра на заголовок (ЗTR) и концевик (КTR) TokenRing-кадра и наоборот.

Поскольку в разных сетях используются кадры разной длины, а транслирующий мост не может разбивать кадры на части, то каждое сетевое устройство должно быть сконфигурировано для передачи кадров одинаковой длины.

Инкапсулирующие мосты предназначены для объединения сетей с одинаковыми протоколами канального и физического уровня через высокоскоростную магистральную сеть с другими протоколами, например 10-мегабитные сети Ethernet, объединяемые сетью FDDI.

В отличие от транслирующих мостов, которые преобразуют “конверты” одного типа в другой, инкапсулирующие мосты вкладывают полученные кадры вместе с заголовком и концевиком в другой “конверт”, который используется в магистральной сети (отсюда термин “инкапсуляция”) и передает его по этой магистрали другим мостам для доставки к узлу назначения.

Конечный мост извлекает Ethernet-кадр из FDDI-кадра и передаёт его в сегмент, в котором находится адресат. Длина поля данных FDDI-кадра достаточна для размещения Ethernet-кадра максимальной длины.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Мосты с маршрутизацией от источника (source routing bridges) функционируют на основе информации, формируемой станцией, посылающей кадр, и хранимой в конверте кадра. В этом случае мостам не требуется иметь базу данных с адресами.

Каждое сетевое устройство определяет путь к адресату через процесс, называемый “обнаружение маршрута” (route discovery).

Упрощенно принцип обнаружения маршрута можно проиллюстрировать на следующем примере.

Устройство-источник инициализирует обнаружение маршрута, посылая специальный кадр, называемый “исследовательским” (explorer). Исследовательские кадры используют специальный конверт, распознаваемый мостами с маршрутизацией от источника. При получении такого кадра каждый мост в специально отведенное в кадре место – поле записи о маршруте (routing information field), заносит следующие данные: номер входного порта, с которого был получен кадр, идентификатор моста (Мi) и номер выходного порта, например: 1,М1,3. Далее мост передает этот кадр по всем направлениям, исключая то, по которому кадр был получен.

Читайте про операторов:  GPRS, EDGE, UMTS, LTE и 4G — в чем разница? - Электромотоциклы и электроскутеры Skaut

В итоге, станция назначения получает несколько исследовательских кадров, число которых определяется числом возможных маршрутов.

Станция назначения выбирает один из маршрутов (самый быстрый, самый короткий или другой) и посылает ответ станции-источнику. В ответе содержится информация о маршруте, по которому должны посылаться все кадры. Станция-отправитель запоминает маршрут и использует его всегда для отправки кадров в станцию назначения. Эти кадры при отправке вкладываются в специальные конверты, понятные для мостов с маршрутизацией от источника. Мосты, получая эти конверты, находят соответствующую запись в списке маршрутов и передают кадр по нужному направлению.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Маршрутизация от источника используется мостами в сетях Token Ring для передачи кадров между разными кольцами.

§

Маршрутизаторы, как и мосты, позволяют эффективно объединять сети и увеличивать их размеры, но, в отличие от последних, работают на сетевом уровне OSI-модели, то есть оперируют сетевыми адресами, и предоставляют более интеллектуальный сервис, заключающийся в определении наиболее подходящего пути и способа передачи пакетов.

В отличие от моста, работа которого прозрачна для сетевых устройств, работа маршрутизатора должна быть явно запрошена устройством. Для этого каждый порт (интерфейс) маршрутизатора имеет свой сетевой адрес: S1, S2, … (рис.4.7.,а). На рис.4.7,б показана каноническая структура маршрутизатора.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Поступающие пакеты заносятся во входной буфер ВхБ. Центральный процессор ПМмаршрутизатора последовательно анализирует заголовки пакетов и в соответствии с выбранной стратегией маршрутизации и заданной таблицей маршрутизации ТМопределяет выходной канал связи КС, в выходной буфер (ВыхБ)которого должен быть направлен пакет.

На рис.4.8 показан пример упрощённой маршрутной таблицы (МТ) узла (маршрутизатора) 4, находящегося в семиузловой сети.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

В первом столбце указаны доступные (известные) этому маршрутизатору сетевые адресаназначения (АН). Для каждого АН во втором столбце указывается адрес шлюза(АШ) – следующего маршрутизатора, к которому должны направляться пакеты, а в третьем – сетевой адрес выходного интерфейса(АВИ) данного маршрутизатора: S1, S2, S3, S4. При наличии альтернативных путей для одного и того же АН может быть назначено несколько возможных путей передачи пакета. Так, например, пакеты с АН=3 могут быть направлены к маршрутизатору 2 или 6 через выходные интерфейсы S2 и S3 соответственно, что отображено в таблице в виде двух строк с одним адресом назначения. В этом случае выбор маршрута осуществляется на основе метрики(М), указанной в 4-м столбце.

Метрика может формироваться с учётом следующих факторов:

· расстояние между источником и приемником пакета, которое обычно измеряется “счетчиками хопов” (hop – количество маршрутизаторов, пройденных пакетом от источника до приемника);

· пропускная способность канала связи;

· время доставки разными путями;

· загрузка канала связи и т.д.

В нашем примере в качестве метрики используется расстояние до адреса назначения, измеряемое в хопах.

В больших сетях для уменьшения размера таблицы маршрутизации и, соответственно, времени поиска маршрута, используется ограниченный набор адресов назначения, указанных в таблице явно. Для всех других адресов используется маршрут по умолчанию, которому в таблице соответствует строка (default), указывающая соседний маршрутизатор, используемый по умолчанию.

Весь спектр маршрутизаторов можно разбить на 3 группы:

1) недорогие периферийные маршрутизаторыдля соединения небольших удаленных филиалов с сетью центрального офиса;

2) маршрутизаторы удаленного доступадля сетей среднего размера;

3) мощные магистральные маршрутизаторыдля базовых сетей крупных организаций.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Периферийные маршрутизаторы (Boundary Router) предназначены для объединения удаленных локальных сетей с центральной сетью и, как правило, имеют ограниченные возможности: один порт для соединения с локальной сетью и один – для соединения с центральным маршрутизатором.

Все сложные функции по маршрутизации возлагаются на центральный маршрутизатор, в связи с чем периферийный маршрутизатор не требует квалифицированного обслуживания на месте и характеризуется низкой стоимостью. Основная его функция состоит в принятии решения – пересылать поступивший через порт локальной сети пакет по единственному каналу распределенной сети или нет. Тем самым исключается необходимость построения маршрутной таблицы.

Маршрутизаторы удаленного доступа обычно имеют фиксированную (немодульную) конструкцию с небольшим числом портов, например: один LAN-порт – для сопряжения с локальной сетью, от одного до нескольких WAN-портов – для связи с маршрутизатором сети центрального офиса и один резервный порт для коммутируемого соединения.

Маршрутизаторы удаленного доступа, в общем случае, обеспечивают:

· предоставление канала связи по требованию (dial-on-demand) – автоматическое установление коммутируемого соединения только во время передачи данных;

· сжатие данных, позволяющее примерно вдвое повысить пропускную способность канала связи;

· автоматическое переключение трафика на коммутируемые линии (полностью или частично) в случае выхода из строя выделенных линий, а также при пиковых нагрузках.

Магистральные маршрутизаторы, в зависимости от архитектуры, делятся на маршрутизаторы:

· с централизованной архитектурой;

· с распределённой архитектурой.

Характерные особенности магистральных маршрутизаторов с распределенной архитектурой:

1) модульная конструкция:

· каждый модуль маршрутизатора снабжен собственным процессором, обрабатывающим локальный трафик, проходящий через порты этого модуля;

· центральный процессор задействуется только для маршрутизации пакетов между разными модулями;

2) наличие до нескольких десятков портов для сопряжения с локальными и территориальными сетями разных типов: Ethernet, Token Ring, FDDI, X.25, Frame Relay, ATM и т.д.;

3) поддержка средств обеспечения отказоустойчивости, необходимых для стратегически важных приложений:

· замена модулей в “горячем” режиме (без выключения питания);

· использование избыточных источников питания;

· автоматическая динамическая реконфигурация в случае отказов;

· распределенное управление.

В маршрутизаторах с централизованной архитектурой вся вычислительная мощность сосредоточена в одном модуле.

Основное преимущество магистральных маршрутизаторов с распределенной архитектурой по сравнению с централизованной – более высокие показатели производительности и отказоустойчивости. Наиболее известными фирмами-поставщиками маршрутизаторов являются Cisco, 3Com, Hewlett-Packard.

Методы маршрутизации

Все методы маршрутизации, применяемые в маршрутизаторах, можно разбить на две группы:

1) методы статической (фиксированной) маршрутизации;

2) методы динамической (адаптивной) маршрутизации.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Статическая маршрутизацияозначает, что пакеты передаются по определенному пути, установленному администратором и не изменяемому в течение длительного времени.

Статическая маршрутизация применяется в небольших мало изменяющихся сетях, благодаря таким достоинствам как:

· низкие требования к маршрутизатору;

· повышенная безопасность сети.

В то же время статической маршрутизации присущи следующие недостатки, существенно ограничивающие её применение:

· высокая трудоемкость эксплуатации (сетевые администраторы должны задавать и модифицировать маршруты вручную);

· медленная адаптация к изменениям топологии сети.

Динамическая маршрутизация– распределенная маршрутизация, позволяющая автоматически изменять маршрут следования пакетов при отказах или перегрузках каналов связи.

Для автоматического построения и модификации маршрутных таблиц используются протоколы (рис.4.11):

· внутренней маршрутизации – IGP (Interior Gateway Protocol), например RIP, OSPF, IS-IS, ES-IS;

· внешней маршрутизации – ЕGP (Exterior Gateway Protocol), например протокол BGP (Border Gateway Protocol), используемый в сети Internet.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

С использованием протоколов внутренней маршрутизациимаршрутные таблицы строятся в пределах так называемой автономной системы (autonomous system), представляющей собой совокупность сетей с единым административным подчинением.

Для обмена маршрутной информацией между автономными системами чаще всего применяется протокол внешней маршрутизацииEGP, разработанный для сети Internet. Этот протокол назван так потому, что внешний маршрутизатор, как правило, размещается на периферии автономной системы. Его задача заключается в сборе информации о доступности всех сетей данной автономной системы и последующей передаче этой информации внешним маршрутизаторам других автономных систем.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

С учетом опыта применения протокола EGP был разработан протокол BGP, основанный на использовании надежного транспортного протокола ТСР, который по сравнению с EGP:

· обеспечивает более быструю стабилизацию оптимальных маршрутов;

· меньше загружает сеть служебной информацией, в частности, за счет передачи при изменении сети информации, относящейся только к этому изменению.

Протоколы маршрутизации

Протоколы маршрутизации управляют динамическим обменом информацией о маршрутах между всеми маршрутизаторами сети, реализуются программно в маршрутизаторе, создавая таблицы маршрутизации, отображающие организацию всей сети.

Протоколы внутренней маршрутизации, как правило, основаны на алгоритмах обмена:

· таблицами “вектор-длина” – DVA (Distance Vector Algorithm) – протоколы типа «distance vector»;

· информацией о состоянии каналов – LSA (Link-State Algorithm) – протоколы типа «link state».

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

DVA– алгоритм обмена информацией о доступных сетях и расстояниях до них путём периодической рассылки маршрутизаторами широковещательных пакетов. К протоколам типа DVA относится один из самых первых протоколов RIP (Routing Information Protoсol), который первоначально широко применялся в сети Интернет. Эти протоколы характеризуются тем, что периодически (даже если в сети не происходит изменений) посылают широковещательные пакеты с таблицами маршрутизации, которые, проходя через маршрутизаторы, обновляют таблицы маршрутизации.

В каждой строке маршрутной таблицы указываются:

· сетевой адрес некоторой сети;

· адрес маршрутизатора, через который следует передавать пакеты, направляемые в данную сеть;

· расстояние до сети.

При инициализации маршрутизатора в таблицу маршрутизации записываются:

· адреса соседних сетей;

· адреса соседних маршрутизаторов, с которыми данный маршрутизатор связан непосредственно;

· расстояние до соседних маршрутизаторов принимается равным 0 или 1 в зависимости от реализации.

Каждые 30 секунд маршрутизатор передает широковещательный пакет, содержащий пары (V, D), где V – адрес доступной сети, называемый вектором, а D – расстояние до этой сети, называемое длиной вектора.

В метрике RIP длина вектора измеряется числом транзитных маршрутизаторов (в хопах) между данным маршрутизатором и соответствующей сетью. На основании полученных таблиц “вектор-длина” маршрутизатор вносит дополнения и изменения в свою маршрутную таблицу, определяя пути минимальной длины во все доступные сети.

Поскольку каналы связи могут иметь разные пропускные способности, в некоторых реализациях RIP длина вектора умножается на весовой коэффициент, зависящий от скорости передачи данных по КС.

Основное достоинство RIP и других протоколов типа DVA – простота реализации.

Недостатки RIP:

1) медленная стабилизация оптимальных маршрутов;

2) большая загрузка сети передаваемыми таблицами “вектор-длина”, обусловленная двумя основными факторами:

· периодичностью передачи широковещательных пакетов, содержащих таблицы “вектор-длина” – пакеты передаются даже в том случае, если в сети не было никаких изменений;

· большим объёмом этих таблиц, который пропорционален числу подсетей, входящих в сеть.

Протоколы типа distance vector целесообразно применять в небольших и относительно устойчивых сетях. В больших сетях периодически посылаемые широковещательные пакеты приводят к перегрузке сети и уменьшению пропускной способности.

LSA– алгоритмы обмена информацией о состоянии каналов, называемые также алгоритмами предпочтения кратчайшего пути SPF (Shortest Path First), основаны на динамическом построении маршрутизаторами карты топологии сети за счет сбора информации обо всех объединяющих их каналах связи. Для этого маршрутизатор периодически тестирует состояние каналов с соседними маршрутизаторами, помечая каждый канал как “активный” или “неактивный”. На практике для уменьшения слишком частой смены этих двух состояний применяется следующее правило: «канал считается “активным” до тех пор, пока значительный процент тестов не даст отрицательного результата, и “неактивным” – пока значительный процент тестов не даст положительного результата».

При изменении состояния своих каналов маршрутизатор немедленно распространяет соответствующую информацию по сети всем остальным маршрутизаторам, которые, получив сообщения, обновляют свои карты сети и заново вычисляют кратчайшие пути во все точки назначения.

Достоинства алгоритмов LSA:

1) гарантированная и более быстрая стабилизация оптимальных маршрутов, чем в алгоритмах DVA;

2) простота отладки и меньший объем передаваемой информации, не зависящий от общего числа подсетей в сети.

Протоколы типа LSA используются в больших или быстро растущих сетях. К ним относятся такие протоколы, как Open Shortest Path First (OSPF) и Intermediate System to Intermediate System (IS-IS).

Самой распространенной реализацией алгоритма LSA является протокол OSPF – открытый стандарт, разработанный для применения в маршрутизаторах сети Интернет и широко используемый в настоящее время в других сетях (NetWare, SNA, XNS, DECNet).

Обладая всеми преимуществами алгоритмов LSA, протокол OSPF обеспечивает следующие дополнительные возможности.

1. Маршрутизация пакетов в соответствии с заказанным типом обслуживания. Сетевой администратор может присваивать межсетевым каналам различные значения “стоимости”, основываясь на их пропускной способности, задержках или эксплуатационных расходах. Маршрутизатор выбирает путь следования пакета в результате анализа не только адреса получателя, но и поля “тип обслуживания” в заголовке.

2. Равномерное распределение нагрузки между альтернативными путями одинаковой стоимости (в отличие от протокола RIP, вычисляющего только один путь в каждую точку назначения).

3. Маршрутизация пакетов в соответствии с классом обслуживания.

Сетевой администратор может создать несколько очередей с различными приоритетами. Пакет помещается в очередь на отправку по результатам анализа типа протокола. Для пакетов, чувствительных к временным задержкам, выделяется очередь с более высоким приоритетом.

4. Аутентификация маршрутов. Отсутствие этой возможности, например в протоколе RIP, может привести к перехвату пакетов злоумышленником, который будет передавать таблицы “вектор-длина” с указанной малой длиной путей от своего ПК во все подсети.

5. Создание виртуального канала между маршрутизаторами, соединенными не напрямую, а через некоторую транзитную сеть.

В модели OSI на основе алгоритма LSA определены протоколы маршрутизации сетевого уровня:

· “оконечная система – транзитная система”, ES-IS (End System-to- Intermediate System);

· “транзитная система – транзитная система”, IS-IS (Intermediate System-to-Intermediate System).

Протоколы типа LSA, в отличие от DVA, посылают информацию о маршрутах только для отображения изменений в своих сетевых соединениях.

Другое отличие заключается в возможности выбора канала передачи из нескольких возможных с учетом одного из параметров маршрутизации, задаваемого пользователем:

· задержки или скорости передачи данных;

· пропускной способности или производительности;

· надежности.

Достоинства маршрутизаторов по сравнению с мостами:

· высокая безопасность данных;

· высокая надежность сетей за счет альтернативных путей;

· эффективное распределение нагрузки по каналам связи за счет выбора наилучших маршрутов для передачи данных;

· большая гибкость за счёт выбора маршрута в соответствии с метрикой, учитывающей его стоимость, пропускную способность каналов связи и т.д.;

· гарантированная защита от “широковещательного шторма”;

· возможность объединения сетей с разной длиной пакетов.

Недостатки маршрутизаторов:

· вносят сравнительно большую задержку в передачу пакетов;

· более сложны в установке и конфигурировании, чем мосты;

· при перемещении компьютера из одной подсети в другую требуется изменить его сетевой адрес;

· более дорогие, чем мосты, так как требуются более мощные процессоры, больший объем оперативной памяти, более дорогое программное обеспечение, стоимость которого зависит от числа поддерживаемых протоколов.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Сети с протоколами, не обладающими сетевым уровнем и, соответственно, не имеющие сетевого адреса, не могут использовать маршрутизаторы и объединяются с помощью мостов или коммутаторов.

Однако существуют маршрутизаторы, которые одновременно могут выполнять функции моста и называются мостами/маршрутизаторами (bridge/router или иногда brouter).

§

Технология Frame Relay гарантированно обеспечивает выполнение основных параметров качества транспортного обслуживания, необходимых при объединении локальных сетей. Для этого при установлении соединения используется процедура заказа качества обслуживания, отсутствующая в сетях Х.25 и заключающаяся в следующем.

Для каждого виртуального соединения определяются значения параметров, влияющих на качество обслуживания:

· CIR (Committed Information Rate) – согласованная информационная скорость, с которой сеть будет передавать данные пользователя;

· (Committed Burst Size) – согласованный объем пульсации, то есть максимальное количество байтов, которое сеть будет передавать от этого пользователя за интервал времени Т;

· Be (Excess Burst Size) – дополнительный объем пульсации, то есть максимальное количество байтов, которое сеть будет пытаться передать сверх установленного значения Вс за интервал времени Т.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Гарантий по задержкам передачи кадров технология Frame Relay не дает, оставляя эту услугу сетям АТМ.

Основным параметром, по которому абонент и сеть заключают соглашение при установлении виртуального соединения, является согласованная скорость передачи данных. Для постоянных виртуальных каналов это соглашение является частью контракта на пользование услугами сети. При установлении коммутируемого виртуального канала соглашение о качестве обслуживания заключается автоматически с помощью протокола Q.931/933 – требуемые параметры CIR, Вс и Be передаются в пакете запроса на установление соединения.

Так как скорость передачи данных можно измерить только на каком-то интервале времени, то в качестве такого контрольного интервала, на котором проверяются условия соглашения, выбирается время Т, значение которого определяется следующим образом: T = Bc /CIR (рис.4.25).

Пользователь в соответствии с соглашением должен передавать в сеть данные со средней скоростью, равной CIR (прямая B CIR*t 1 = на рис.4.25). Если же он нарушает соглашение и передаёт данные со средней скоростью R (прямая B R*t 2 = на рис.4.25), то сеть не гарантирует доставку кадра. При этом, до тех пор, пока объём переданных данных не превышает Вс кадры имеют специальный признак DE (Discard Eligibility), равный 0 (кадры К1 и К2). Если же объём переданных данных превысил Вс, то все последующие кадры помечаются признаком DE, равным 1 (кадр К3).

Кадры, отмеченные таким признаком, подлежат удалению, однако они удаляются из сети только в том случае, если коммутаторы будут перегружены. Если же перегрузок нет, то кадры с признаком DE=1 доставляются адресату.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Такое поведение сети соответствует случаю, когда общей объём данных, переданных пользователем в сеть за период Т, не превышает (Вс Ве). Если же этот порог превышен, то кадр не помечается признаком DE, а немедленно удаляется из сети (кадр К4).

Для контроля соглашения о параметрах качества обслуживания все коммутаторы сети Frame Relay выполняют так называемый алгоритм «дырявого ведра» (Leaky Bucket). Алгоритм использует счетчик поступивших от пользователя байт. Каждые Т секунд значение счетчика уменьшается на величину Вс или же сбрасывается в 0, если значение счетчика меньше, чем Вс. Все кадры, данные которых не увеличили значение счетчика свыше порога Вс, пропускаются в сеть со значением признака DE=0. Кадры, которые увеличили значение счетчика свыше Вс, но меньше (Вс Ве), также передаются в сеть, но с признаком DE=1. И наконец, кадры, которые увеличили значение счетчика свыше (Вс Ве), отбрасываются коммутатором.

Пользователь может включить в соглашение не все параметры качества обслуживания, а только некоторые. Например, использование параметров CIR и Вс обеспечивает более качественное обслуживание, так как кадры никогда не отбрасываются коммутатором сразу. Коммутатор только помечает признаком DE=1 кадры, которые превышают порог Вс за время Т. Если в сети не возникают перегрузки, то кадры такого канала всегда дойдут до конечного узла, даже если пользователь нарушает соглашение с сетью.

Механизм заказа средней пропускной способности и максимальной пульсации является основным механизмом управления потоками кадров в сетях Frame Relay. Соглашения должны заключаться таким образом, чтобы сумма средних скоростей виртуальных каналов не превосходила возможностей портов коммутаторов. При заказе постоянных каналов за это отвечает администратор, а при установлении коммутируемых виртуальных каналов – программное обеспечение коммутаторов. При правильно взятых на себя обязательствах сеть борется с перегрузками путем удаления кадров с признаком DE=1 и кадров, превысивших порог (Вс Ве).

Кроме этого, в технологии Frame Relay определен ещё и дополнительный (необязательный) механизм управления кадрами. Это механизм оповещения конечных пользователей о перегрузках в коммутаторах сети.

При создании коммутируемого виртуального канала параметры качества обслуживания передаются в сеть с помощью протокола Q.931. Этот протокол устанавливает виртуальное соединение с помощью нескольких служебных пакетов.

§

Подход, реализованный в технологии АТМ, состоит в передаче любого вида трафика – компьютерного или мультимедийного – пакетами фиксированной длины в 53 байта, называемыми ячейками (cell). Поле данных ячейки занимает 48 байт, а заголовок – 5 байт.

Размер ячеек выбирался исходя из двух противоречивых условий:

· с одной стороны, размер ячейки должен быть достаточно мал, чтобы сократить время задержки в узлах сети;

· с другой стороны, размер ячейки должен быть достаточно велик, чтобы минимизировать потери пропускной способности, обусловленные накладными расходами на передачу заголовка ячейки.

Для уменьшения доли служебной информации в ячейке в технологии АТМ применен стандартный для территориально-распределенных вычислительных сетей прием – передача ячеек в соответствии с техникой виртуальных каналов с длиной номера виртуального соединения в 24 бит, что вполне достаточно для обслуживания большого количества виртуальных соединений каждым портом коммутатора сети АТМ. Сеть АТМ имеет классическую структуру территориальной сети (рис.4.27,а) – конечные станции A, B, …, G соединяются индивидуальными каналами с коммутаторами, которые в свою очередь могут соединяться с другими коммутаторами. Соответственно в стандарте определены 2 типа интерфейса (рис.4.27,б):

· пользователь – сеть (User-Network Interface, UNI);

· сеть – сеть (Network-Network Interface, NNI).

Спецификация UNI определяет:

· структуру пакета,

· адресацию станций,

· обмен управляющей информацией,

· уровни протокола АТМ,

· способы установления виртуального канала,

· способы управления трафиком.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Коммутация пакетов происходит на основе идентификатора виртуального канала (Virtual Channel Identifier, VCI), который назначается соединению при его установлении и уничтожается при разрыве соединения.

Виртуальные каналы могут быть постоянными (PVC) и коммутируемыми (SVC). Для ускорения коммутации в больших сетях используется понятие виртуального пути (Virtual Path), который объединяет виртуальные каналы, имеющие в сети АТМ общий маршрут между исходным и конечным узлами или общую часть маршрута между двумя коммутаторами сети. Идентификатор виртуального пути (Virtual Path Identifier, VPI) является старшей частью локального адреса и представляет собой общий префикс для некоторого количества различных виртуальных каналов. Таким образом, адресация в технологии АТМ реализована на двух уровнях:

· на уровне адресов конечных узлов (на этапе установления виртуального канала);

· на уровне номеров виртуальных каналов (при передаче данных по сформированному виртуальному каналу).

Стандарт АТМ не вводит свои спецификации на реализацию физического уровня и основывается на технологии SDH/SONET, принимая её иерархию скоростей. Организация АТМ Forum определила для АТМ не все иерархии скоростей SDH, а только скорости ОС-3 (155 Мбит/с) с использованием волоконно-оптического кабеля или неэкранированнойвитой пары категории 5 и ОС-12 (622 Мбит/с) с использованием только волоконно-оптического кабеля.

Имеются и другие физические интерфейсы сетей АТМ, отличные от SDH/SONET:

· интерфейсы Т1/Е1 и ТЗ/ЕЗ, используемые в глобальных сетях;

· интерфейсы локальных сетей со скоростью 100 Мбит/с (FDDI) и 25 Мбит/с.

Для решения задачи совмещения разнородного трафика в одной сети в технологии АТМ реализован принцип заказа пропускной способности и качества обслуживания, как в технологии Frame Relay.

Стек протоколов АТМ

Стек протоколов АТМ показан на рис.4.28, а распределение протоколов по конечным узлам и коммутаторам АТМ – на рис.4.29.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Стек протоколов АТМ соответствует нижним уровням семиуровневой модели ISO/OSI и включает:

· уровень адаптации АТМ,

· собственно уровень АТМ;

· физический уровень.

Прямого соответствия между уровнями протоколов технологии АТМ и уровнями модели OSI нет.

Уровень адаптации (АТМ Adaptation Layer, AAL)представляет собой набор протоколов, которые преобразуют блоки данных протоколов верхних уровней сети АТМ в ячейки АТМ нужного формата. Функции этих уровней достаточно условно соответствуют функциям транспортного уровня модели OSI, например функциям протоколов TCP или UDP.

Протоколы AAL при передаче пользовательского трафика работают только в конечных узлах сети, как и транспортные протоколы большинства технологий.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Уровень АТМзанимает в стеке протоколов АТМ примерно то же место, что протокол IP в стеке TCP/IP или протокол LAP-F в стеке протоколов технологии Frame Relay. Протокол АТМ занимается передачей ячеек через коммутаторы при установленном и настроенном виртуальном соединении, то есть на основании готовых таблиц коммутации портов.

Протокол АТМ выполняет коммутацию по номеру виртуального соединения, который в технологии АТМ разбит на две части – идентификатор виртуального пути (Virtual Path Identifier, VPI) и идентификатор виртуального канала (Virtual Channel Identifier, VCI).

Кроме этой основной задачи протокол АТМ выполняет ряд функций по контролю за соблюдением трафик-контракта со стороны пользователя сети, маркировке ячеек-нарушителей, отбрасыванию ячеек-нарушителей при перегрузке сети, а также управлению потоком ячеек для повышения производительности сети.

Формат АТМ-ячейки

Протокол АТМ работает с ячейками следующего формата, представленного на рис.4.30.

Поле Управление потоком(Generic Flow Control) используется только в UNI при взаимодействии конечного узла и первого коммутатора сети для управления трафиком и предотвращения перегрузки. Для NNI это поле не определено, а его биты используются для расширения поля идентификатора виртуального пути (VPI).

Поля Идентификатор виртуального пути(VitualPath Identifier, VPI) и Идентификатор виртуального канала(Vitual Channel Identifier, VCI) занимают соответственно 8 и 16 бит. Эти поля задают номер виртуального соединения, разделенный на старшую (VPI) и младшую (VCI) части.

Поле Тип полезной нагрузки(Payload Type Identifier, PTI) состоит из 3-х бит и задает тип полезной нагрузки, переносимой ячейкой – пользовательские данные или управляющая информация (например, для установления виртуального соединения). Кроме того, один бит этого поля используется для указания перегрузки в сети.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

В однобитовом поле ППЯ– Приоритет Потери Ячейки (Cell Loss Priority, CLP) коммутаторы АТМ отмечают ячейки, которые нарушают соглашения о параметрах качества обслуживания, чтобы удалить их при перегрузках сети: ячейки с CLP=0 являются высокоприоритетными, а ячейки с CLP=1 – низкоприоритетными и могут быть удалены при перегрузках.

Поле Управление ошибками в заголовке(Header Error Control, НЕС) содержит контрольную сумму, вычисленную для заголовка ячейки.

§

IP(Internet Protocol) – основной протокол стека TCP/IP, реализующий передачу пакетов по IP-сети от узла к узлу. Протокол IP:

а) не гарантирует:

· доставку пакетов,

· целостность пакетов,

· сохранение порядка потока пакетов;

б) не различает логические объекты (процессы), порождающие поток данных.

Эти задачи решают протоколы транспортного уровня TCP и UDP, реализующие различные режимы доставки данных. В отличие от IP протоколы транспортного уровня различают приложения и передают данные от приложения к приложению.

В настоящее время на смену протоколу IP версии 4 (IPv4) приходит протокол версии 6 (IPv6).

ICMP(Internet Control Message Protocol) – межсетевой протокол управляющих сообщений, используемый в основном для передачи сообщений об ошибках и исключительных ситуациях, возникших при передаче данных, а также выполняющий некоторые сервисные функции. ICMP-сообщения генерируются при нахождении ошибок в заголовке IP пакета, при отсутствии маршрута к адресату, а также используются маршрутизаторами для обновления записей в таблице маршрутизации отправителя и для управления скоростью отправки сообщений отправителем. ICMP-сообщения инкапсулируются в IP пакеты. ICMP является неотъемлемой частью IP, но при этом не делает протокол IP средством надёжной доставки сообщений. Для этих целей существует протокол TCP.

IGMP(Internet Group Management Protocol) – протокол управления группами Интернета, предназначенный для управления групповой (multicast) передачей данных в IP-сетях версии 4 (IPv4). IGMP используется маршрутизаторами и IP-узлами для организации групп сетевых устройств, а также для поддержки потокового видео и онлайн-игр, обеспечивая эффективное использование сетевых ресурсов.

ARP(Address Resolution Protocol – Протокол разрешения адресов) предназначен для определения физического адреса устройства (MAC-адреса) по его IP-адресу.

RARP(Reverse Address Resolution Protocol – Протокол обратного определения адреса) предназначен для определения IP-адреса устройства по его физическому адресу (MAC-адресу).

RIP(Routing Information Protoсol) – протокол маршрутизации типа DVA, реализующий алгоритм обмена информацией о доступных сетях и расстояниях до них путём периодической рассылки широковещательных пакетов.

OSPF(Open Shortest Path First) – протокол маршрутизации типа LSA, реализующий алгоритм обмена информацией о состоянии каналов, путём периодического тестирования состояния каналов с соседними маршрутизаторами. Протокол OSPF разработанный для применения в сети Интернет и используется в других больших сетях (NetWare, SNA, XNS, DECNet).

Протоколы канального уровня («сетевой интерфейс»)

SLIP(Serial Line IP) – первый стандарт канального уровня для выделенных линий, разработанный специально для стека протоколов TCP/IP, который благодаря простоте может использоваться как для коммутируемых, так и для выделенных каналов. SLIP поддерживается только протоколом сетевого уровня IP.

HDLC(High-level Data Link Control Procedure) – высокоуровневый протокол управления каналом – стандарт ISO для выделенных линий, представляющий собой семейство протоколов LAP (Link Access Protocol). HDLC относится к бит-ориентированным протоколам.

PPP(Point-to-Point Protocol) – протокол двухточечного соединения, пришедший на смену протоколу SLIP и построенный на основе формата кадров протоколов семейства HDLC с дополнением собственных полей. РРР является стандартным протоколом Интернета и так же, как протокол HDLC, представляет собой семейство протоколов.

Архитектурная концепция Internet. Адресация в IP-сетях. Сетевые IP-адреса. Специальные, автономные и групповые IP-адреса. Использование масок для IP-адресов. Распределение IP-адресов.

Архитектурная концепция Internet

Структура сети Internet может быть представлена как множество компьютеров, называемых хостами, подключенных к некоторой единой интерсети, представляющей собой совокупность физических сетей, называемых подсетями, соединенных маршрутизаторами. В качестве подсетей могут выступать локальные сети, работающие под управлением некоторых аппаратно зависимых протоколов (Ethernet, Token Ring), или коммуникационные системы произвольной физической природы (модемные коммутируемые или выделенные линии, сети X.25, Frame Relay, FDDI, ATM и др.). При этом все функции протокола IP выполняют хосты и маршрутизаторы, называемые узлами сети.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Основным протоколом стека TCP/IP является протокол IP, который обеспечивает:

· негарантированную доставку пакетов, т.к. передаваемые по сети пакеты могут быть утеряны, дуплицированы, задержаны, доставлены с нарушением порядка;

· дейтаграммную доставку без установления соединения, то есть каждый пакет представляет собой обрабатываемый независимо от других блок данных, причем последовательно исходящие от отправителя пакеты могут распространяться по различным путям в сети, менять порядок и даже теряться;

· максимально возможную доставку пакетов в том смысле, что потеря пакета происходит лишь в той ситуации, когда протокол не находит никаких физических средств для его доставки.

Адресация в IP-сетях

В стеке протоколов TCP/IP используются три типа адресов:

· физические (локальные) адреса, используемые для адресации узлов в пределах подсети, например: МАС-адреса, если подсеть использует технологии Ethernet, Token Ring, FDDI, или IPX-адреса, если подсеть на основе технологии IPX/SPX;

· сетевые (IP-адреса), используемые для идентификации узлов в пределах всей составной сети (подсети);

· доменные имена– символьные идентификаторы узлов, которыми оперируют пользователи.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Сетевые IP-адреса

Наличие трёх уровней адресации в IP-сетях требует применения процедур преобразования адресов разных уровней для установления соответствия между ними. Эти процедуры реализуются соответствующими протоколами, преобразующими адреса одного типа в другой.

Наиболее удобными для пользователей являются доменные имена, называемые также доменными адресами. Маршрутизация передаваемых данных в сети выполняется на основе сетевых адресов. В то же время, все устройства в компьютерной сети однозначно идентифицируются уникальными адресами канального уровня, в частности МАС-адресами в локальных сетях Ethernet и Token Ring.

Преобразование адресов в IP-сетях осуществляется в соответствии со схемой, представленной на рис.4.37. Ниже подробно рассматриваются протоколы преобразования доменных адресов в сетевые и обратно с использованием протокола DNS и преобразование сетевых адресов в физические и обратно, реализуемое протоколами ARP и RARP соответственно.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

IP-адрес – идентификатор сетевого соединения (сетевого интерфейса). Это означает, что один и тот же компьютер, соединенный с двумя сетями, имеет два IP-адреса: сеть 1 идентифицирует его по адресу IP1, а сеть 2 – по адресу IP2.

IP-адреса представляют собой 32-битовые идентификаторы, ориентированные на решение основной задачи протокола IP-маршрутизации. Для удобства представления IP-адресов используется цифровое их написание в виде десятичного представления 4 байт, разделенных точками, например: 192.171.153.60.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Первоначально в Интернете была принята так называемая классовая адресация. Все IP-адреса разделены на 5 классов (от А до Е), представленных на рис.4.39, но практическое применение находят в основном три первых класса: A, B и С. Класс D предназначен для задания группового адреса, а класс Е – не используется (зарезервирован для последующего использования).

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

IP-адрес состоит из двух полей: поле «Номер сети», представляющий собой адрес физической сети (подсети), и поле «Номер узла», выделяющий в этой подсети конкретное устройство (хост).

Признаком принадлежности адреса к определённому классу служат первые биты адреса: если первый бит равен 0, то адрес принадлежит классу А, если первый бит равен 1, а второй – 0, то адрес принадлежит классу В и т.д.

Принадлежность адреса к тому или иному классу определяет размер сети (табл.4.4):

· класс А соответствует большой сети с максимальным числом узлов (224 – 2) = 16 777 214;

· класс В соответствует средней сети с числом узлов до 65534;

· класс С соответствует малой сети с числом узлов до (28–2)=254.

Отметим, что максимальное количество узлов в сети определяется количеством двоичных разрядов n , отводимых под номер узла: Nmax = 2n – 2, то есть исключаются два номера:

· нулевой (все разряды равны 0); адрес с нулевым значением номера узла означает адрес сети;

· единичный (все разряды равны 1); адрес с единичными значениями номера узла является широковещательным и означает передачу пакета всем узлам сети.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

IP-адрес построен таким образом, чтобы поля «Номер сети» и «Номер узла» можно было бы выделить быстро, что особенно сказывается на эффективности маршрутизации (малые временные затраты на выделение адреса «Номер сети»).

Поскольку IP-адрес идентифицирует сетевое соединение, а не узел, то отсюда вытекает принципиальное ограничение: если компьютер переносится из одной подсети в другую, он должен обязательно изменить IP-адрес.

§

Определение физического адреса устройства (MAC-адреса) по его IP-адресу и наоборот, IP-адреса по MAC-адресу, решают входящие в IP-стек два протокола:

· ARP(Address Resolution Protocol – Протокол разрешения адресов)

· RARP(Reverse Address Resolution Protocol – Протокол обратного определения адреса) соответственно рис.4.44.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Протокол ARPподдерживает в каждом узле (сетевом адаптере или порту маршрутизатора) ARP-таблицу, содержащую (рис.4.45):

· IP-адрес;

· MAC-адрес;

· тип записи (динамический, статический).

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

По этой таблице узел может определить физический адрес (МАС-адрес) узла назначения, находящегося в этой же сети, по известному IP-адресу и указать его в заголовке кадра канального уровня. Если в ARP-таблице отсутствует запись для некоторого IP-адреса, то узел формирует широковещательное сообщение – ARP-запрос, в котором запрашивает физический адрес узла назначения. Все узлы сети принимают этот запрос, однако лишь один узел, IP-адрес которого совпадает с указанным в ARP-запросе, отвечает на него, высылая ARP-ответ со своим физическим адресом непосредственно узлу, приславшему ARP-запрос. Последний записывает в ARP- таблицу найденное соответствие между IP-адресом и MAC-адресом и в дальнейшем не запрашивает его при повторных обращениях к этому узлу. Протокол ARP предполагает, что узлы знают свои IP-адреса. Формат ARP-запроса (ответа) представлен на рис.4.46.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

В сети, объединяющей несколько локальных сетей (подсетей) с помощью маршрутизаторов, продвижение пакетов от узла, находящегося в одной подсети, к узлу, находящемуся в другой подсети, осуществляется на основе старшей части IP-адреса, то есть на основе номера сети. После того, как пакет поступит в конечный маршрутизатор, к которому подсоединена вторая подсеть (сеть назначения), необходимо этот пакет упаковать в кадр и в качестве физического адреса узла назначения указать его МАС-адрес.

Маршрутизатор просматривает свою ARP-таблицу и, если не находит соответствующего IP-адреса, формирует широковещательный ARP-запрос, посылает его в локальную сеть и ожидает ARP-ответа. Если в сети нет компьютера с указанным в ARP-запросе IP-адресом, то ARP-ответа не будет, и протокол IP уничтожит все пакеты, направляемые по этому адресу.

Статические записи создаются вручную и существуют, пока соответствующий узел (компьютер или маршрутизатор) не будет выключен.

Динамические записи создаются протоколом ARP как по собственным ARP-запросам, так и путем извлечения из широковещательных запросов IP- и MAC-адресов отправителя.

Динамические записи периодически обновляются. Если в течение определенного интервала времени (порядка нескольких минут) адрес не использовался, то он исключается из таблицы.

В глобальных сетях, не поддерживающих широковещательные сообщения, ARP-таблицы формируются администратором вручную и помещаются на какой-либо хост, либо выделяется специальный маршрутизатор, который автоматически ведет ARP-таблицу для всех остальных узлов этой автономной сети.

Протокол RARPиспользуется в случае, если узел – бездисковая рабочая станция, у которой только что включили питание и она не только ничего не знает о себе и окружающих, но и не может произвести дистанционную загрузку операционной системы, которая хранится на сетевом диске.

Узел широковещательно вызывает обслуживающий его сервер, закладывая в запрос свой физический адрес (при этом узел может даже не знать адреса сервера). В сети находится по меньшей мере один обслуживающий такие запросы сервер (RARP-сервер), который распознает запрос от рабочей станции, выбирает из некоторого списка свободный IP-адрес и шлет этому узлу сообщение с необходимой информацией:

· динамически выделенный узлу IP-адрес;

· свой физический адрес;

· IP-адрес и т.д.

Поскольку при таком механизме отказ RARP-сервера очень критичен в том смысле, что без его услуг не заработает целый ряд рабочих станций, то обычно сеть конфигурируется так, чтобы протокол RARP поддерживало несколько серверов в сети.

Система доменных имен DNS.

Доменное имя – символьное имя компьютера.

В стеке TCP/IP применяется система доменных имен с иерархической древовидной структурой (рис.4.47), допускающей использование в имени произвольного количества составных частей. Совокупность имен, у которых несколько старших составных частей совпадают, образуют домен (domain) имен.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Примерами доменных имён организаций являются:

· com – коммерческие организации;

· edu – образовательные организации;

· gov – правительственные организации;

· org – некоммерческие организации;

· net –организации поддержки сетей.

Соответствие между доменными именами и IP-адресами может устанавливаться как средствами локального узла, так и средствами централизованной службы, реализуемой системой доменных имён.

Система доменных имен (Domain Name System – DNS)– централизованная служба, основанная на распределенной базе отображений «доменное имя – IP-адрес» (рис.4.48).

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Служба DNS использует в своей работе протокол типа «клиент-сервер», в котором определены такие понятия как DNS-сервер, поддерживающий распределенную базу отображений, и DNS-клиент, обращающийся к DNS-серверу с запросом. DNS-сервер использует текстовые файлы формата «IP-адрес – доменное имя».

Служба DNS является распределенной. Каждый DNS-сервер хранит имена следующего уровня иерархии и кроме таблицы отображений имен содержит ссылки на DNS-серверы своих поддоменов, что упрощает процедуру поиска.

Для ускорения поиска IP-адресов в DNS-серверах применяется процедура кэширования проходящих через них ответов на определенное время – от нескольких часов до нескольких дней.

§

Протокол IP специфицирует три основных элемента:

· блок данных – пакет IP, с которым работает протокол;

· механизмы распространения (маршрутизации) пакетов;

· способы обработки конфликтных ситуаций.

Пакет IPсостоит из заголовка и блока данных (рис.4.49,а).

В настоящее время в сети Интернет могут циркулировать IP-пакеты двух версий:

· IP-пакет версии 4 (IPv4);

· IP-пакет версии 6 (IPv6).

Протокол IP обрабатывает и интерпретирует только поля заголовка.

Формат заголовка пакета IPv4показан на рис.4.49,б).

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Рассмотрим назначения полей заголовка.

«Номер версии»(4 бита) – используется для указания версии протокола IP, который должен обрабатывать данный пакет. В настоящее время осуществляется постепенный переход от версии 4 к версии 6, и большинство узлов могут обрабатывать пакеты обеих версий. Если это поле содержит значение, отличное от указанных версий протокола, пакет уничтожается.

«Длина заголовка»(4 бита) – задает значение длины заголовка пакета, измеренной в 32-битовых (4-байтовых) словах. Минимальное значение длины (при отсутствии необязательных полей «Параметры» и «Наполнение») равно 5, что соответствует заголовку длиной 20 байт. Максимальное значение этого 4-битового поля равно 15, что соответствует заголовку длиной 60 байт. Следовательно, максимальный размер необязательных полей «Параметры» и «Наполнение» равен 40 байтам.

«Тип сервиса»(Type of Service, ToS) – 8-битовое поле, предназначенное для оптимизации транспортной службы, содержащее:

· 3-битовое поле «Приоритет» принимает 8 значений: от 0 (нормальный приоритет) до 7 (сетевое управление);

· биты D,T,R задают тип транспортировки, который “запрашивает” пакет; установка этих битов в состояние “1” требует:

– D=1 (Delay – задержка) – малой задержки при передаче пакета;

– T=1 (Throughput – пропускная способность) – высокой пропускной способности;

– R=1 (Reliability – надежность, достоверность) – высокой надежности;

· 2 резервных бита.

Стандарты, принятые в конце 90-х годов, дали новое название этому полю – байт дифференцированное обслуживание или DS-байт – и переопределили назначение его битов.

Поле «Тип сервиса» не всегда используется маршрутизаторами. «Общая длина»(16 бит) – задает длину пакета, включая заголовок и данные, измеренную в байтах. Общая длина пакета IP может достигать 65 535 байт, однако в большинстве сетей столь большие пакеты не используются.

Протокол IP должен обеспечивать межсетевое взаимодействие между разными сетями, различающимися, в том числе, ограничением на максимальную длину кадра, разрешенным в той или иной физической сети (Maximum Transfer Unit, MTU). Поэтому протокол IP вынужден решать задачу, более свойственную транспортному протоколу, – разбивку больших пакетов на малые и наоборот – их сборку. Это требуется делать в тех случаях, когда на вход некоторой физической сети поступает пакет, превосходящий по длине MTU для данной сети. Такая операция называется фрагментированием (fragmentation) и осуществляется следующим образом. Блок данных большого исходного пакета разделяется на фрагменты длиной MTU для физической сети, в которую направляются фрагменты. При этом фрагменты упаковываются в пакеты, заголовки которых похожи на заголовок исходного пакета.

В стандартах TCP/IP предусматривается, что все узлы должны принимать пакеты длиной не менее 576 байт, независимо от того, являются они фрагментами или целыми пакетами.

Следующие три поля заголовка пакета указывают на то, что данные пакеты являются фрагментами одного большого пакета.

«Идентификатор пакета»(16 бит) – общий для всех фрагментов идентификатор, указывающий на принадлежность фрагмента к одному большому пакету.

«Флаги»(3 бита) – содержат признаки (биты), связанные с фрагментацией:

· DF (Do not Fragment – не фрагментировать) – значение, равное 1, запрещает маршрутизатору фрагментировать пакет;

· MF (More Fragments – больше фрагментов) – значение, равное 1, означает, что фрагмент является промежуточным;

· один бит зарезервирован.

«Смещение фрагмента»(13 бит) – смещение в байтах поля данных этого фрагмента относительно начала поля данных исходного нефрагментированного пакета. Смещение используется при сборке фрагментов в пакет и должно быть кратно 8 байтам.

«Время жизни»(Time To Live, TTL) – 8-битовое поле, содержащее время, измеряемое в секундах, в течение которого пакет может существовать в сети. Хосты и маршрутизаторы, обрабатывающие данный пакет, уменьшают значение этого поля в период обработки и хранения пакета как минимум на 1 плюс время ожидания в очереди. Однако на практике в каждом маршрутизаторе обычно из этого времени просто вычитается 1. Таким образом, время жизни фактически измеряется количеством маршрутизаторов, через которые проходит пакет. Когда время жизни истекает, пакет уничтожается. При этом источник сообщения уведомляется о потере пакета. Наличие конечного времени жизни пакета, равное 255 (8 двоичных разрядов), обеспечивает, в частности, защиту от таких нежелательных событий, как передача пакета по циклическому маршруту, перегрузка сетей.

«Протокол»(8 бит) – указывает протокол вышележащего уровня, которому предназначена информация, содержащаяся в поле данных пакета IP. Например, значение 6 соответствует протоколу TCP, а значение 17 – протоколу UDP.

«Контрольная сумма заголовка»(16 бит) – используется для контроля целостности только заголовка пакета IP и вычисляется как сумма всех 16-битовых полуслов заголовка в дополнительном коде, преобразованная также в дополнительный код. Таким образом, вычисляемая получателем контрольная сумма заголовка вместе с этим полем должна быть равна нулю. Поскольку некоторые поля заголовка могут изменять свои значения в процессе передачи пакета по сети, контрольная сумма вычисляется и проверяется в каждом маршрутизаторе и в конечном узле.

«IP-адрес источника»(32 бита) – IP-адрес отправителя пакета.

«IP-адрес назначения»(32 бита) – IP-адрес получателя пакета.

«Параметры»– необязательное поле переменной длины, применяемое для указания параметров, используемых обычно при отладке сети и связанных, например, с режимами безопасности или маршрутизации.

«Наполнение»– поле переменной длины, необходимое для дополнения заголовка пакета до целого числа 32-битовых слов.

§

Проблемы, с которыми в начале 90-х годов столкнулись разработчики и пользователи Интернета, базирующегося на протоколах TCP/IP, привели к осознанию необходимости разработки новой версии протокола IP – протокола IPv6, который должен обеспечить достижение следующих целей:

· создание масштабируемой системы адресации, обеспечивающей поддержку миллиардов хостов даже при неэффективном использовании адресного пространства;

· уменьшение таблиц маршрутизации и упрощение протокола для ускорения обработки пакетов маршрутизаторами;

Читайте про операторов:  Что такое 4G LTE: разновидности и особенности стандарта связи

· предоставление гарантий качества транспортных услуг при передаче неоднородного трафика, в частности, при передаче данных реального времени;

· более надёжное обеспечение безопасности – аутентификации и конфиденциальности;

· возможность сосуществования старого и нового протоколов;

· возможность развития протокола в будущем.

Основными особенностями протокола IPv6 являются следующие.

1. Длина IP-адреса увеличена до 16 байт, что предоставляет пользователям практически неограниченное адресное пространство

2. Упрощена структура заголовка, содержащего всего 7 полей (вместо 13 в протоколе Ipv4), что позволяет маршрутизаторам быстрее обрабатывать пакеты, то есть повышает их производительность.

3. Улучшена поддержка необязательных параметров, так как в новом заголовке требуемые прежде поля стали необязательными, а изменённый способ представления необязательных параметров ускоряет обработку пакетов в маршрутизаторах за счёт пропуска не относящихся к ним параметров.

4. Улучшена система безопасности.

5. Предусмотрена возможность расширения типов (классов) предоставляемых услуг, которые могут появиться в результате ожидаемого роста мультимедийного трафика.

Адресация в IPv6

Необходимость расширения адресного пространства в сетях TCP/IP была одной из основных целей перехода на новую версию протокола IP.

Для этого длина IP-адреса была увеличена до 16 байтили 128 бит, что предоставляет пользователям практически бесконечное адресное пространство – более чем 1038 адресов.

В протоколе IPv6 вместо двухуровневой (как в IPv4) иерархии адресов используется четырёхуровневая:

· 3 уровня используются для идентификации сетей;

· 1 уровень используется для идентификации узла сети.

Для записи 16-байтовых адресов используется шестнадцатеричная форма (вместо десятичной формы в протоколе IPv4), причём каждые 4 шестнадцатеричные цифры отделяются друг от друга двоеточием:

АВ25:164:0:Е12В:6:0:С2С4:1234

BDA5::3217:19:0:F084.

Как видно из представленных примеров, при записи адреса допускается ряд упрощений:

· вместо 4-х нулей записывается только один нуль: вместо 0000;

· можно опускать незначащие нули в начале каждого четырёхсимвольного поля адреса: 164вместо 0164 или 6вместо 0006;

· если в адресе имеется длинная последовательность нулей, то запись можно сократить, заменив в ней все нули двоеточием, причём двоеточие может употребляться только один раз:

СF18: 35::67:5, что соответствует адресу СF18: 35:0:0:0:0:67:5;

· для сетей, использующих обе версии (IPv4 и IPv6) протокола разрешается использовать традиционную десятичную запись IPv4 в 4-х младших байтах, например: ::ВАС2:192.85.1.6.

В протоколе IPv6 предусмотрено 3 типа IP-адресов (рис.4.50):

· индивидуальный адрес (unicast), определяющий уникальный идентификатор отдельного интерфейса оконечного узла или маршрутизатора;

· групповой адрес (multicast), аналогичный групповому адресу IPv4, идентифицирует группу интерфейсов, относящихся, как правило, к разным узлам;

· адрес произвольной рассылки (anycast) – новый тип адреса, назначаемый только интерфейсам маршрутизатора и определяющий группу интерфейсов, к одному из которых доставляется пакет с таким адресом, как правило, «ближайшему» в соответствии с метрикой, используемой протоколами маршрутизации.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Индивидуальные IP-адреса могут быть трёх типов (рис.4.50):

· глобальный агрегируемый уникальный адрес, являющийся основным подтипом индивидуального адреса, основанные на агрегировании для упрощения маршрутизации;

· адрес обратной петли, играющий ту же роль, что и адрес 127.0.0.1 протокола IPv4 и имеющий вид: 0:0:0:0:0:0:0:1;

· неопределённый адрес, состоящий из одних нулей и являющийся аналогом адреса 0.0.0.0 протокола IPv4.

Рассмотрим структуру глобального агрегируемого уникального адреса (рис.4.51).

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Поле FP(Format Prefix – префикс формата)определяет формат адреса и для рассматриваемого типа имеет значение 001.

Следующие поля описывают три уровня идентификации сетей:

· TLA(Top-Level Aggregation – агрегирование верхнего уровня) предназначено для нумерации сетей самых крупных поставщиков услуг; небольшое количество разрядов (13 двоичных разрядов) позволяют ограничить количество таких сетей числом 8196 и, следовательно, ограничить размер таблиц маршрутизации и ускорить работу магистральных маршрутизаторов; следующие 8 разрядов за полем TLA зарезервированы на будущее для его расширения;

· NLA– (Next-Level Aggregation – агрегирование следующего уровня) предназначено для нумерации средних и мелких поставщиков услуг;

· SLA– (Site-Level Aggregation – агрегирование местного уровня) предназначено для нумерации подсетей, находящихся в распоряжении одного администратора, который может формировать адреса, состоящие из идентификатора подсети SLA и идентификатора интерфейса IdInt, без согласования с поставщиком услуг.

Поле IdInt– идентификатор интерфейса является аналогом номера узла в протоколе IPv4, но в отличие от него содержит физический (локальный) адрес интерфейса (например, МАС-адрес или адрес Х.25), а не произвольно назначенный номер узла. В этом случае отпадает необходимость в протоколе ARP и в ручном конфигурировании конечных узлов. Кроме того, теряет смысл использование масок для разделения сетей на подсети, в то время как объединение сетей приобретает особое значение.

Для того чтобы узлы, поддерживающие протокол IPv6, могли передавать пакеты через сеть IPv4, разработан специальный подтип адресов, которые переносят адрес IPv4 в младших 4-х байтах адреса IPv6, а в 12 старших байтах содержат нули (рис.4.52).

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Для передачи пакетов IPv4 через подсети, работающие по протоколу IPv6 предназначен IPv4-отображённый IPv6-адрес(рис.4.53), содержащий в первых десяти байтах нули, а в двух последующих байтах – единицы, которые показывают, что данный узел поддерживает только протокол IPv4.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Структура пакета IPv6

Структура пакета IPv6 (рис.4.54) существенно отличается от пакета IPv4. Это проявляется, прежде всего, в возможности наличия нескольких заголовков – кроме основного заголовка, который всегда присутствует, пакет может иметь несколько дополнительных заголовков, которые могут содержать информацию, необходимую для качественной передачи пакета.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

В качестве дополнительных заголовков могут использоваться следующие:

· заголовок маршрутизации, содержащий полный маршрут при маршрутизации от источника;

· заголовок фрагментации, содержащий информацию о фрагментации исходного IP-пакета;

· заголовок аутентификации, содержащий информацию, необходимую для аутентификации конечных узлов и обеспечения целостности содержимого IP-пакетов;

· заголовок системы безопасности, содержащий информацию, необходимую для обеспечения конфиденциальности передаваемых данных путём шифрования пакетов;

· специальные параметры, необходимые для обработки пакетов в процессе передачи по сети;

· параметры получателя, содержащие дополнительную информацию для узла назначения.

Такая структура пакета IPv6 обеспечивает следующие преимущества по сравнению с пакетом IPv4:

· меньше нагрузка на маршрутизаторы, поскольку все дополнительные заголовки обрабатываются только в конечных узлах;

· большая функциональность и открытость для внедрения новых механизмов протокола IP за счёт использования большого количества дополнительных параметров.

§

Формат основного заголовка IPv6 имеет фиксированную длину 40 байт (рис.4.55).

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Поле «Версия»(4 бита) содержит число 6 для пакета IPv6.

Поле «Приоритет»(4 бита) используется для того, чтобы различать пакеты с разными требованиями к доставке в реальном времени.

Поле «Метка потока»предназначено для установления между отправителем и получателем псевдосоединения с определёнными свойствами и требованиями. Маршрутизаторы, в зависимости от метки потока в заголовке прибывшего пакета, определяют, какого рода особая обработка требуется пакету. С помощью этого поля протокол пытается объединить достоинства дейтаграммного способа передачи пакетов и способа «виртуальный канал».

Поле «Длина полезной нагрузки»указывает, сколько байт содержится в пакете без учета основного заголовка, длиной 40 байт. Аналогичное поле «Полная длина» в IPv4 определяло всю длину пакета с учётом заголовка.

Поле «Следующий заголовок»указывает, какой из дополнительных заголовков следует за основным. Все дополнительные заголовки содержат такие же поля, которые указывают на последующие заголовки. В последнем заголовке в этом поле указывается протокол транспортного уровня (TCP или UDP), которому следует передать содержимое пакета.

Поле «Максимальное число транзитных участков (ТУ)»определяет время жизни пакета. Значение поля, устанавливаемое узлом-отправителем, уменьшается на единицу на каждом транзитном участке. Далее следуют 16-байтные IP-адреса отправителя и получателя. Сравнение заголовка IPv6 с заголовком IPv4 показывает, что:

· поле «Длина заголовка» исчезло, так как основной заголовок IPv6 имеет фиксированную длину;

· поле «Протокол» отсутствует, поскольку поле «Следующий заголовок» указывает, что следует за последним заголовком (TCP-сегмент или UDP-пакет);

· удалены поля, относящиеся к фрагментации, так как все узлы, поддерживающие протокол IPv6, должны динамически определять нужный размер дейтаграммы, что делает фрагментацию маловероятной;

· минимальный размер пакета, который должен передаваться в сетях IPv6 без фрагментации, увеличен с 576 до 1280 байт;

· поле «Контрольная сумма» удалено, так как её подсчёт занимает много времени, что существенно снижает производительность узлов; к тому же всё шире используются надёжные линии связи, например волоконно-оптические.

Таким образом, протокол IPv6 является простым, быстрым и гибким протоколом сетевого уровня с огромным адресным пространством.

Фрагментация. Транспортные протоколы стека TCP/IP. Транспортный протокол UDP. Транспортный протокол TCP.

Фрагментация

В объединяемых сетях разных технологий допустимая максимальная длина пакетов (Maximum Transfer Unit, MTU)различна и варьируется от 53 байт в АТМ-сетях до 65 535 байт в IP-сетях. При объединении таких сетей возникает проблема, связанная необходимостью разбиения большого пакета при его передаче через сеть с меньшей допустимой длиной пакета.

Если пакет проходит через последовательность сетей и попадает в сеть, у которой значение MTU оказывается меньше размера пакета, пограничный маршрутизатор разбивает пакет на две или более части.

Процесс разбиения длинного пакета на более короткие называется фрагментацией, а соответствующие короткие пакеты – фрагментами.

При фрагментации каждый новый пакет получает свой IP-заголовок (20 байт), что увеличивает накладные расходы. После прохождения фрагментов через соответствующую сеть необходимо восстановить исходный пакет из фрагментов.

Фрагментация в сетях может быть реализована двумя способами (рис.4.56):

· прозрачная фрагментация;

· сквозная фрагментация.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Принцип реализации прозрачной фрагментации на примере передачи длинного пакета от узла А к узлу В через две подсети (Ethernet и АТМ) с меньшим значением MTU показан на рис.4.57.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Подсети с разными MTU имеют шлюзы – специализированные маршрутизаторы, предоставляющие интерфейсы для связи с другими сетями. Если на такой шлюз приходит пакет слишком большого размера, он разбивается на фрагменты в соответствии с принятым в данной сети значением MTU. Каждый фрагмент адресуется одному и тому же выходному шлюзу, который восстанавливает из этих фрагментов исходный пакет и. Таким образом, прохождение данных через сети (подсети) с маленькими значениями MTU оказывается прозрачным для пользователей.

Прозрачная фрагментация обладает простотой, но при этом имеет ряд существенных недостатков:

· выходной шлюз должен собрать все фрагменты для восстановления исходного пакета, для чего в заголовках фрагментов необходимо иметь дополнительную информацию, например, номер фрагмента и признак последнего фрагмента;

· все фрагменты одного пакета должны покидать подсеть через один и то же шлюз, что снижает эффективность маршрутизации;

· появляются дополнительные накладные расходы на фрагментацию и дефрагментацию, что снижает производительность сети и увеличивает время доставки пакетов.

Сквозная фрагментация (рис.4.58) является альтернативной по отношению к прозрачной фрагментации и состоит в отказе от восстановления пакета из фрагментов в каждой подсети. Пакет разбивается на фрагменты сразу же в узле-отправителе А или в шлюзе Ш1 сети Эти фрагменты передаются по сети как самостоятельные пакеты независимо друг от друга и собираются только в конечном шлюзе ШN или узле-получателе В.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Недостатками такого способа фрагментации являются следующие:

· необходимо, чтобы каждый узел (или шлюз) могли восстанавливать пакеты из фрагментов;

· возрастают накладные расходы на передачу данных, так как каждый фрагмент должен иметь заголовок, который сохраняется на протяжении всего пути, что снижает пропускную способность сети;

· необходимо иметь информацию о том, какие значения MTU имеют подсети, через которые проходит путь передачи данных, чтобы задать размер фрагментов.

Для того чтобы правильно восстановить исходный пакет из фрагментов необходимо иметь эффективную систему нумерации фрагментов. Одна из таких систем основана на понятии элементарного фрагмента, имеющего небольшой размер, достаточный для его передачи через любую подсеть. Например, длина элементарного фрагмента может быть равна 8 байтам, как это показано на рис.4.59. Исходный пакет разбивается на множество элементарных фрагментов одинаковой длины (рис.4.59,а), кроме последнего, который может быть короче. Фрагменты, формируемые в некоторой подсети и называемые межсетевыми пакетами, могут состоять из нескольких элементарных фрагментов (рис.4.59,б), число которых определяется значением MTU, принятым для данной подсети. Заголовок таких фрагментов должен содержать (рис.4.59):

· номер исходного пакета (ИП);

· номер первого элементарного фрагмента (нумерация начинается с нуля), содержащегося в нём, который в заголовке IP-пакета называется смещением фрагмента (СФ);

· признак конца (ПК) пакета.

Поскольку размер элементарного фрагмента выбирается таким образом, чтобы он мог пройти через любую сеть, дальнейшая фрагментация межсетевого пакета не составляет проблемы.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

§

Транспортные протоколы TCP и UDP стека протоколов TCP/IP обеспечивают передачу данных между любой парой прикладных процессов, выполняющихся в сети, и предоставляют интерфейс для протокола IP путем демультиплексирования нескольких процессов, использующих в качестве адресов транспортного уровня порты. Для каждого прикладного процесса (ПП) (приложения), выполняемого в компьютере, может быть сформировано несколько точек входа, выступающих в качестве транспортных адресов, называемых портами (рис.4.60).

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Существуют два способа присвоения порта приложению:

· централизованный(присвоенные или назначенные номера от 0 до 1023), использующий стандартные номера, присвоенные общедоступным службам (приложениям), например: FTP – 21, telnet – 23, SMTP – 25, DNS – 53, HTTP – 80.

· локальный(динамические номера от 1024 до 65535), предоставляющий произвольный номер из списка свободных номеров при поступлении запроса от приложения пользователя.

Динамические номера портов приложений являются уникальными в пределах каждого компьютера, но могут совпадать с номерами портов в других компьютерах. Различие между ними определяется только различием интерфейсов каждого из компьютеров, задаваемых IP-адресами.

Таким образом, пара «IP-адрес; номер порта», называемая сокетом (socket), однозначно определяет прикладной процесс в сети.

Номера UDP- и TCP-портов в пределах одного и того же компьютера могут совпадать, хотя и идентифицируют разные приложения. Поэтому при записи номера порта обязательно указывается тип протокола транспортного уровня, например 2345/TCP и 2345/UDP. В некоторых случаях, когда приложение может обращаться по выбору к протоколу UDP или TCP, ему могут быть назначены одинаковые номера UDP- и TCP-портов, например DNS-приложению назначен номер 53 – 53/UDP и 53/TCP.

Транспортный протокол UDP

UDP – транспортный протокол, обеспечивающий передачу данных в виде дейтаграмм между любой парой прикладных процессов, выполняющихся в сети, без установления соединения. Сегменты состоят из 8-байтового заголовка, за которым следует поле данных. Заголовок UDP-сегмента показан на рис.4.61.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Наиболее широко UDP используется при выполнении клиент-серверных приложений (типа запрос-ответ).

При этом UDP не выполняет:

· контроль потока,

· контроль ошибок,

· повторной передачи после получения испорченного сегмента.

Примерами приложений, использующих протокол UDP для передачи данных, являются DHCP, DNS, SNMP.

В некоторых случаях на одном конечном узле может выполняться несколько копий одного и того же приложения. Возникает вопрос: каким образом различаются эти приложения?

Для этого рассмотрим на простом примере процесс формирования запроса и процедуру обращения DNS-клиента к DNS-серверу, когда на одном компьютере запущены два DNS-сервера, причём оба используют для передачи своих данных транспортный протокол UDP (рис.4.62). Для того чтобы различать DNS-серверы, им присваиваются разные IP-адреса – IP1 и IP2, которые вместе с номером порта образуют два разных сокета: «UDP-порт 53, IP1» и «UDP-порт 53, IP2».

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Рис.4.62,а) иллюстрирует процесс формирования DNS-клиентом запроса к DNS-серверу.

DNS-запрос транспортном уровне стека протоколов TCP/IP передаётся протоколу UDP, который вкладывает этот запрос в UDP-дейтаграмму и указывает в заголовке порт назначения 53/UDP. Затем UDP-дейтаграмма передаётся на межсетевой уровень, где она вкладывается в IP-пакет, заголовок которого содержит «IP-адрес: IP2». IP-пакет, в свою очередь, передаётся на уровень «межсетевой интерфейс», где он помещается в кадр канального уровня с соответствующим заголовком канального уровня (ЗКУ). Этот кадр передаётся по сети к компьютеру, содержащему два DNS-сервера (рис.4.62,б).

В этом компьютере протокол канального уровня (ПКУ) снимает заголовок ЗКУ и передаёт содержимое кадра на межсетевой уровень протоколу IP, который, в свою очередь, извлекает содержимое (UDP-дейтаграмму) из IP-пакета. Дальнейшие манипуляции с передаваемыми данными отличаются от принципов, заложенных в многоуровневую модель иерархии протоколов. Вместо того чтобы просто передать UDP-дейтаграмму, находящуюся в поле данных IP-пакета, транспортному уровню, IP-протокол присоединяет к UDP-дейтаграмме так называемый псевдозаголовк, содержащий среди прочего IP-адреса отправителя и получателя. Таким образом, протокол UDP, имея IP-адрес и порт назначения, однозначно определяет, что содержимое поля данных (то есть DNS-запрос), должно быть передано приложению «DNS-сервер 2».

Транспортный протокол TCP

Протокол TCP обеспечивает надежную передачу данных между прикладными процессами за счет установления логических соединений между взаимодействующими процессами.

Логическое соединениемежду двумя прикладными процессами идентифицируется парой сокетов (IP-адрес, номер порта), каждый из которых описывает один из взаимодействующих процессов.

Информация, поступающая к протоколу TCP в рамках логического соединения от протоколов более высокого уровня, рассматривается протоколом TCP как неструктурированный поток байтов и заносится в буфер. Для передачи на сетевой уровень из буфера вырезается сегмент, не превосходящий 64 Кбайт (максимального размера IP-пакета). На практике обычно длина сегмента ограничивается значением 1460 байтами, что позволяет поместить его в кадр Ethernet с заголовками TCP и IP.

Соединение TCP ориентировано на полнодуплексную передачу.

Управление потоком данных в протоколе ТСР осуществляется с использованием механизма скользящего окна переменного размера. При передаче сегмента узел-отправитель включает таймер и ожидает подтверждения. Отрицательные квитанции не посылаются, а используется механизм тайм-аута. Узел назначения, получивший сегмент формирует и посылает обратно сегмент (с данными, если они есть, или без данных) с номером подтверждения, равным следующему порядковому номеру ожидаемого байта. В отличие от многих других протоколов, протокол TCP подтверждает получение не пакетов, а байтов потока. Если время ожидания подтверждения истекает, отправитель посылает сегмент еще раз.

Несмотря на кажущуюся простоту протокола, в нем имеется ряд нюансов, которые могут привести к некоторым проблемам.

Во-первых, поскольку сегменты при передаче по сети могут фрагментироваться, возможна ситуация, при которой часть переданного сегмента будет принята, а остальная часть окажется потерянной.

Во-вторых, сегменты могут прибывать в узел назначения в произвольном порядке, что может привести к ситуации, при которой байты с 2345 по 3456 уже прибыли, но подтверждение для них не может быть выслано, так как байты с 1234 по 2344 еще не получены.

В-третьих, сегменты могут задержаться в сети так долго, что у отправителя истечёт интервал ожидания, и он передаст их снова. Переданный повторно сегмент может пройти по другому маршруту и может быть иначе фрагментирован, или же сегмент может по дороге случайно попасть в перегруженную сеть. В результате для восстановления исходного сегмента потребуется достаточно сложная обработка На рис.4.63 представлен формат заголовка TCP-сегмента. Первые 20-байт заголовка имеют строго фиксированный формат, за которым могут находиться дополнительные поля. После дополнительных полей заголовка размещается поле данных, содержащее не более 65 495 байт, которое вместе с TCP- и IP-заголовками размером по 20 байт даст максимально допустимый размер IP-пакета в 65 535 байт.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Не вдаваясь в детали, рассмотрим кратко назначение фиксированных полей заголовка ТСР-сегмента.

Поля «Порт отправителя» (2 байта) и «Порт получателя» (2 байта) идентифицируют процессы, между которыми установлено логическое соединение.

Поле «Порядковый номер» (4 байта) содержит номер первого байта данных в сегменте, который определяет смещение сегмента относительно потока передаваемых данных

Поле «Номер подтверждения» (4 байта) содержит номер следующего ожидаемого байта, который используется в качестве квитанции, подтверждающей правильный приёма всех предыдущих байтов.

Поле «Длина TCP-заголовка» (4 бита) задаёт длину заголовка ТСР-сегмента, измеренную в 32-битовых словах.

Поле «Резерв» длиной 6 бит зарезервировано на будущее.

Однобитовые флагинесут служебную информацию о типе сегмента и интерпретируются следующим образом:

· URG=1 указывает на наличие срочных данных, что означает использование поля «Указатель на срочные данные»;

· ACK=1 означает, что сегмент является квитанцией на принятый сегмент и поле «Номер подтверждения» содержит осмысленные данные. В противном случае данный сегмент не содержит подтверждения и поле «Номер подтверждения» просто игнорируется.

· PSH=1 (PUSH-флаг) означает запрос на отправку данных без ожидания заполнения буфера;

· RST=1 используется для сброса состояния соединения при обнаружении проблем, а также для отказа от неверного сегмента или от попытки создать соединение;

· SYN=1 используется для установки соединения, при этом если АСК=0, то это означает, что поле подтверждения не используется;

· FIN=1 используется для разрыва соединения.

Поле «Размер окна» (2 байта) определяет, сколько байт может быть послано после байта, получившего подтверждение.

Поле «Контрольная сумма» (2 байта) содержит контрольную сумму, которая охватывает заголовок, данные и псевдозаголовок.

Алгоритм вычисления контрольной суммывыглядит следующим образом.

Перед началом вычисления контрольной суммы значение этого поля устанавливается равным нулю. Если поле данных содержит нечётное число байтов, то оно дополняется нулевым байтом, который используется при подсчёте контрольной суммы, но не вставляется в сегмент для передачи в сети. Необходимость такого добавления обусловлена тем, что ТСР-сегмент, включающий заголовок, данные и псевдозаголовок, рассматривается как совокупность 16-разрядных двоичных чисел, которые складываются в дополнительном коде, а затем вычисляется дополнение для полученной суммы, которое заносится в поле «Контрольная сумма».

Получатель сегмента аналогичным образом подсчитывает контрольную сумму для всего сегмента, включая поле «Контрольная сумма». Очевидно, что полученный таким образом результат должен быть равен 0. Отметим, что дополнительный нулевой байт Поле «Указатель на срочные данные» (2 байта) содержит смещение в байтах от текущего порядкового номера байта до места расположения срочных данных, которые необходимо срочно принять, несмотря на переполнение буфера. Таким образом, в протоколе TCP реализуются прерывающие сообщения. Содержимым срочных данных занимается прикладной уровень. Протокол TCP лишь обеспечивает их доставку и не интересуется причиной прерывания.

Поле «Параметры» имеет переменную длину и может отсутствовать.

Примерами приложений, использующих протокол TCP для передачи данных, являются FTP, TFTP, DNS, POP3, IMAP, TELNET.

§

Псевдозаголовок протоколов UDP и TCP

Как сказано выше, при передаче данных от нижележащего межсетевого уровня на транспортный уровень в заголовки UDP-дейтаграмм и TCP-сегментов включается псевдозаголовок, который располагается перед основным заголовком транспортного уровня. Таким образом, блок данных транспортного уровня (UDP-дейтаграмма или TCP-сегмент) будет содержать (рис.4.64,а):

· псевдозаголовок длиной 12 байт или 3 32-разрядных слова;

· заголовок длиной 8 байт для UDP-дейтаграммы или 20 и более байт для ТСР-сегмента;

· данные.

Псевдозаголовок, формат которого показан на рис.4.64,б, содержит:

· IP-адрес отправителя;

· IP-адрес получателя;

· нулевое поле, не используемое и заполненное нулями;

· поле «Протокол», содержащее номер протокола транспортного уровня: 17 для протокола UDP и 6 для протокола ТСР;

· длина UDP-дейтаграммы или ТСР-сегмента.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Включение псевдозаголовка в контрольную сумму блока данных транспортного протокола помогает обнаружить неверно доставленные пакеты за счёт двойной проверки, выполняемой протоколом IP и протоколами транспортного уровня. Кроме того, передача IP-адресов транспортному уровню позволяет однозначно разрешить ситуацию, показанную на рис.4.62, когда две копии одного и того же приложения используют одинаковый номер порта.

Узел-отправитель при формировании ТСР-сегмента рассчитывает контрольную сумму сегмента с учётом псевдозаголовка. Однако при передаче по сети псевдозаголовок не включается в сегмент, что позволяет уменьшить накладные расходы и, соответственно, повысить эффективную скорость передачи пользовательских данных. В узле-получателе протокол IP формирует псевдозаголовок и вставляет его в поступивший сегмент и передаёт транспортному уровню.

Управляющий протокол IСМP

Internet Control Message Protocol (ICMP) – протокол межсетевых управляющих сообщенийпредназначен для выявления и обработки нештатных событий (например, потеря пакета), заключающейся в определении типа ошибки, формировании сообщения о ней и передаче этого сообщения приложению, сформировавшему пакет.

К основным функциям протокола ICMP относятся:

· обмен тестовыми сообщениями для выяснения наличия и активности узлов сети;

· анализ достижимости узла-получателя и сброс пакетов, направляемых к недостижимым узлам;

· изменение маршрутов;

· уничтожение пакетов с истекшим временем жизни;

· синхронизация времени в узлах сети;

· управление потоком путем регулирования частоты посылки пакетов узлами-источниками.

Основные типы ICMP-сообщений:

· «адресат недоступен» – пакет не может быть доставлен;

· «время истекло» – время жизни пакета достигло нуля;

· «проблема с параметром» – ошибка в поле заголовка;

· «переадресовать» – научить маршрутизатор;

· «запрос отклика» – запрос: жив ли компьютер?;

· «отклик» – да, жив.

Одной из наиболее интересных среди перечисленных функций является изменение маршрутов: если некоторый маршрутизатор определяет, что хост использует неоптимальный путь для доставки пакета, он при помощи протокола ICMP может скорректировать маршрутную таблицу хоста. Это один из механизмов автоматической оптимизации и адаптации сетей TCP/IP к изменениям топологии.

ICMP-пакеты инкапсулируются в IP пакеты. ICMP является неотъемлемой частью IP, но при этом не делает протокол IP средством надёжной доставки сообщений. Для этих целей существует протокол TCP.

Протоколы канального уровня для выделенных линийдолжны:

· обеспечивать надежную передачу;

· предоставлять возможность управления потоком кадров для предотвращения переполнения соседних узлов.

Протоколы канального уровня:

· SLIP;

· протоколы семейства HDLC;

· РРР.

Протокол SLIP. Протоколы семейства HDLC.

Протокол SLIP

SLIP (Serial Line IP) – первый стандарт для протоколов TCP/IP, который может использоваться как для коммутируемых, так и для выделенных каналов ввиду простоты. SLIP поддерживается только протоколом сетевого уровня IP.

Основная и единственная функция протокола SLIP – распознавание начала и конца IP-пакета в потоке бит. Для этого в качестве границ IP-пакета используется специальный символ END (шестнадцатеричный код – С016).

Если в IP-пакете встречается код С016, то используется процедура байт-стаффинга (рис.4.66), заключающаяся в следующем. Код С016 заменяется на коды DB16 и DC16, а код DB16 заменяется на DB16 и DD16.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

· отсутствие возможности обмениваться адресной информацией;

· использование только IP-пакетов в качестве содержимого SLIP-пакета;

· отсутствие процедур обнаружения и коррекции ошибок.

Протоколы семейства HDLC

HDLC (High-level Data Link Control Procedure) – высокоуровневый протокол управления каналом – стандарт ISO для выделенных линий.

Представляет собой семейство протоколов LAP (Link Access Protocol), включающее следующие протоколы:

· LAP-B– для сетей X.25 (B – Balanced);

· LAP-D– для сетей ISDN (D – D-channel);

· LAP-M– для модемов (M – Modem);

· LAP-F– для сетей Frame Relay (F – Frame Relay).

HDLC относится к бит-ориентированным протоколам и использует кадр, формат которого показан на рис.4.67.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

В качестве обрамления кадра, служащих границами между передаваемыми кадрами, используется специальная последовательность из 8 бит (байт): 01111110, называемая флагом. Благодаря наличию флагов нет необходимости указывать длину кадра. Для того, чтобы отличать последовательность бит 01111110, находящуюся в поле данных от флага применяется процедура бит-стаффинга.

Поле Адресимеет длину 1 или 2 байта и при наличии нескольких узлов-приёмников используется для идентификации конкретного узла, а в двухточечном соединении – для того, чтобы отличить команды от ответов, а также для указания направления передачи кадра по интерфейсу «пользователь – сеть».

Поле Данныеможет быть любой длины и содержать пакеты протоколов вышележащих уровней. Это поле может отсутствовать в управляющих кадрах и некоторых ненумерованных кадрах.

Поле КС(контрольная сумма) содержит остаток избыточной циклической суммы, вычисленной с помощью полиномов типа CRC.

Поле У(управление) имеет длину 1 или 2 байта и содержит служебную информацию. Структура и содержимое этого поля зависят от типа передаваемого HDLC-кадра. Существуют 3 типа HDLC-кадров, различающиеся содержимым поля У(управление), показанного на рис.4.68:

· информационные кадры длиной 1 или 2 байта (рис.4.68,а), предназначенные для передачи данных пользователя;

· управляющие или супервизорные кадры длиной 1 или 2 байта (рис.4.68,б), предназначенные для передачи команд и ответов в процессе установленного логического соединения;

· ненумерованные кадры длиной 1 байт (рис.4.68,в), предназначенные для установления и разрыва логического соединения, а также информирования об ошибках.

Тип кадра определяется первыми битами поля управления: 0 – информационный кадр; 10 – управляющий кадр; 11 – ненумерованный кадр.

Протокол HDLC для обеспечения надёжности передачи данных использует механизм скользящего окна, ширина которого составляет:

· 7 кадров при длине поля управления в 1 байт;

· 127 кадров при длине поля управления в 2 байта.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Для реализации механизма скользящего окна в информационном кадрепредусмотрено 2 поля:

· поле N(S),содержащее порядковый номер передаваемого кадра;

· поле N(R),содержащее номер очередного ожидаемого кадра.

Наличие этих двух полей связано с реализацией дуплексной передачи данных, а их длина определяет ширину окна в 7 (при длине 3 бита) или 127 (при длине 7 бит) кадров.

Бит P/F(Poll/Final – Опрос/Финал) используется для указания промежуточного (P) или последнего передаваемого (F) кадра. В некоторых случаях этот бит может использоваться для указания другому узлу о необходимости передать управляющий кадр, не ожидая попутного потока данных.

Управляющие кадрымогут быть 4-х типов, которые различаются значением поля Type:

· Type=0– подтверждение (RESEIVE READY – к приёму готов) – передаёт в поле N(R)номер следующего ожидаемого кадра и используется при отсутствии попутного потока данных для передачи подтверждения;

· Type=1– отрицательное подтверждение (REJECT – отказ) – передаёт в поле N(R)номер неверно полученного кадра, начиная с которого узел-отправитель должен повторить передачу кадров;

· Type=2– отказ (RESEIVE NOT READY – к приёму не готов) – означает, что в узле-получателе возникли проблемы, не позволяющие принимать кадры (например, переполнена буферная память) и, соответственно, узел-отправитель должен приостановить передачу кадров, при этом в поле N(R)указывается номер кадра, начиная с которого узел-отправитель в дальнейшем (после устранения причины приостановки приёма кадров) должен будет повторить передачу кадров;

· Type=3– выборочное подтверждение (SELECTIVE REJECT – выборочный отказ) – передаёт в поле N(R)номер только того кадра, передачу которого узел-отправитель должен повторить.

Ненумерованные кадрыприменяются в основном для служебных целей, но могут переносить и данные, когда требуется ненадёжный не требующий соединения сервис. Поля Typeи Modifierопределяют типы и модификации команд, используемых двумя узлами на этапе установления соединения. Примерами таких команд могут служить:

· запрос на установление соединения с использованием двухбайтовых полей управления для информационных и управляющих кадров: SABME (Set Asynchronous Balanced Mode Extended – установить асинхронный сбалансированный расширенный режим);

· подтверждение установления или разрыва соединения: UA (Unnumbered Acknowledgment – ненумерованная положительная квитанция);

· запрос на разрыв соединения: REST (Resetting connection – сброс соединения).

Одна из основных функций протоколов семейства HDLC – восстановление искаженных и потерянных кадров (уменьшение вероятности искажения бита – BER с 10-3 – 10-4 до 10-9). Для современных каналов высокого качества, обеспечивающих значение BER=10-8 – 10-9, использование протоколов семейства HDLC на уровне моста или маршрутизатора становится нецелесообразным.

§

MPLS – MultProtocol Label Switching – многопротокольная коммутация на основе меток объединяет два способа передачи пакетов: дейтаграммный и «виртуальный канал».

В основе MPLS-технологии лежит технология IP-коммутации (IPSwitching), предложенная в середине 90-х годов компанией IPSILON, которая для её реализации разработала специальное комбинированное устройство IP/ATM, представляющее собой АТМ-коммутаторы со встроенными блоками IP-маршрутизации. Эти устройства были предназначены для уменьшения задержек при передаче кратковременных потоков данных за счёт отказа от предварительной процедуры установления виртуального канала, как это происходит в АТМ-сетях. Для этого IP-пакет, принадлежащий кратковременному потоку, разбивался устройством IP/ATM на АТМ-ячейки, которые передавались от одного устройства IP/ATM к другому. В то же время, долговременные потоки передавались традиционным для АТМ-технологии способом – с предварительным установлением виртуального канала.

Дальнейшие усовершенствования IP-коммутации привели в конце 90-годов прошлого века к созданию технологии MPLS, объединяющей достоинства техники виртуальных каналов и стека протоколов TCP/IP за счёт применения специального сетевого устройства – коммутирующего по меткам маршрутизатора LSR (Label Switch Router), выполняющего функции IP-маршрутизатора и коммутатора виртуальных каналов.

Маршрутизатор LSR и таблица продвижения

В основе MPLS лежит принцип передачи на основе меток. Любой передаваемый пакет ассоциируется с тем или иным классом сетевого уровня (Forwarding Equivalence Class, FEC), каждый из которых идентифицируется определенной меткой. Значение метки уникально лишь для участка пути между соседними узлами сети MPLS, которыми являются LSR. Метка передается в составе любого пакета, причем способ ее привязки к пакету зависит от используемой технологии канального уровня. LSR получает топологическую информацию о сети, участвуя в работе алгоритма маршрутизации (OSPF, BGP, IS-IS). Затем он начинает взаимодействовать с соседними LSR, распределяя метки, которые в дальнейшем будут применяться для коммутации. Обмен метками может производиться с помощью как специального протокола распределения меток LDP (Label Distribution Protocol), так и модифицированных версий протоколов сигнализации в сети (например, видоизмененных протоколов маршрутизации, резервирования ресурсов RSVP и др.).

Распределение меток между LSR приводит к установлению внутри домена MPLS путей с коммутацией по меткам LSP (Label Switching Path), которые хранятся в каждом маршрутизаторе LSR в виде таблицы продвижения (рис.4.70), содержащей следующие столбцы:

· входной интерфейс– интерфейс (порт), по которому пакет поступил в LSR;

· метка– идентификатор (метка), который идентифицирует принадлежность поступившего пакета к конкретному трафику;

· следующий хоп– интерфейс (порт), в который должен быть направлен пакет;

· действие– указатель, определяющий, какое действие должно быть применено к метке (заменить, удалить).

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

В поле «Действие» таблицы продвижения указываются основные операции с метками:

· Push – поместить метку в стек;

· Swap – заменить текущую метку новой;

· Pop – удаление верхней метки.

Получая пакет, LSR по номеру интерфейса, на который пришел пакет, и по значению привязанной к пакету метки определяет для него выходной интерфейс. Старое значение метки заменяется новым, содержавшимся в поле «действие» таблицы, и пакет отправляется к следующему устройству на пути LSP.

Вся операция требует лишь одноразовой идентификации значений полей в одной строке таблицы. Это занимает гораздо меньше времени, чем сравнение IP-адреса отправителя с наиболее длинным адресным префиксом в таблице маршрутизации, которое используется при традиционной маршрутизации.

На рис.4.71 показан пример MPLS-сети, находящейся в окружении IP-сетей. Каждая IP-сеть соединяется через пограничный маршрутизатор (ПМш) с пограничным коммутирующим по меткам маршрутизатором LER (Label switch Edge Routers), который выполняет следующие функции:

· классификация пакетов по различным классам эквивалентного продвижения (FEC – Forwarding Equivalence Class), имеющих один и тот же следующий хоп;

· реализация таких дополнительных сервисов, как фильтрация, явная маршрутизация, выравнивание нагрузки и управление трафиком.

В результате интенсивные вычисления приходятся на граничную область MPLS-сети, а высокопроизводительная коммутация выполняется в ядре, содержащем множество LSR.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Заголовок MPLS

Заголовок MPLS длиной 32 бита вставляется между заголовками 2-го и 3-го уровня OSI-модели, что даёт повод говорить, что MPLS – это технология уровня 2,5.

Заголовок MPLS содержит (рис.4.72) следующие поля:

· метка(20 бит), на основе которой осуществляется коммутация пакетов в MPLS-сети;

· CoS(Class of Service) – класс обслуживания (3 бита), указывающий класс трафика, требующего определённого показателя QoS;

· S– признак дна стека меток (1 бит), используемый для организации агрегированных путей LSP при прохождении пакетом через несколько MPLS-сетей;

· TTL(Time To Live) – время жизни пакета (8 бит), дублирующее аналогичное поле IP-пакета, что позволяет маршрутизаторам LSR отбрасывать пакеты с истекшим временем жизни.

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

Принципы работы сотовой связи

Основные принципы сотовой телефонии довольно просты. Первоначально Федеральная комиссия по связи установила географические зоны покрытия сотовых радиосистем на основе измененных данных переписи населения 1980 г. Идея сотовой связи состоит в том, что каждая зона подразделяется на шестиугольные ячейки (соты) которые, совмещаясь, образуют структуру, напоминающую пчелиные соты (рис. 6.1, а). Такая форма обеспечивает наиболее эффективную передачу, почти соответствуя круговой диаграмме направленности, но при этом устраняя щели, которые всегда возникают между соседними окружностями [16].

Сота определяется своими физическими размерами, численностью населения и структурой трафика. Федеральная комиссия по связи не регламентирует количество сот в системе и их размер, предоставляя операторам возможность устанавливать эти параметры в соответствии с ожидаемой структурой трафика. Каждой географической области выделяется фиксированное количество сотовых речевых каналов. Физические размеры соты зависят от абонентской плотности и структуры вызовов. Например, крупные соты (макросоты) обычно имеют радиус 1,6…24 км при мощности передатчика базовой станции 1…6 Вт. Самые маленькие соты (микросоты) обычно имеют радиус 460 м или меньше при мощности передатчика базовой станции от 0,1 Вт до 1 Вт. На рис. 6.1, б, в показана сотовая конфигурация с ячейками двух размеров и классификация сот.

Сотовая структура ячеек (а), сотовая конфигурация с ячейками двух размеров (б) и классификация сот (в)

Рис. 6.1. Сотовая структура ячеек (а), сотовая конфигурация с ячейками двух размеров (б) и классификация сот (в)

Микросоты чаще всего используются в регионах с высокой плотностью населения. В силу своего небольшого радиуса действия микросоты менее подвержены воздействиям, ухудшающим качество передачи (например, отражениям и задержкам сигнала).

Макросота может накладываться на группу микросот, при этом микросоты обслуживают медленно перемещающиеся мобильные аппараты, а макросота — быстро перемещающиеся аппараты. Мобильный аппарат способен определять скорость своего перемещения как быструю или медленную. Это позволяет уменьшить число переходов из одной соты в другую и коррекций данных о месте нахождения.

Алгоритм перехода из одной соты в другую может быть изменен при малых расстояниях между мобильным аппаратом и базовой станцией микросоты.

Иногда радиосигналы в соте слишком слабы, чтобы обеспечить надежную связь внутри помещений. Особенно это касается хорошо экранированных участков и зон с высоким уровнем помех. В таких случаях используются очень маленькие соты — пикосоты. Пикосоты внутри помещений могут использовать те же частоты, что и обычные соты данного региона, особенно при благоприятной окружающей среде (например, в подземных тоннелях).

В системах, использующих шестигранные соты, передатчики базовой станции могут размещаться в центре, на ребре или в вершине соты (рис. 6.2). В сотах с передатчиком в центре используются обычно всенаправленные антенны, в сотах с передатчиками на ребре или в вершине — секторные направленные антенны. Всенаправленные антенны излучают и принимают сигналы одинаково во всех направлениях.

Размещение передатчиков базовой станции в центре (а), на ребре (б) ив вершине (в) соты

Рис. 6.2. Размещение передатчиков базовой станции в центре (а), на ребре (б) ив вершине (в) соты

В системе сотовой связи одна мощная стационарная базовая станция, расположенная высоко над центром города, может заменяться многочисленными одинаковыми маломощными станциями, которые устанавливаются в зоне покрытия на площадках, расположенных ближе к земле.

Соты, использующие одну и ту же группу радиоканалов, могут избежать взаимных влияний, если они правильно разнесены. При этом наблюдается повторное использование частот (рис. 6.3) — выделение одной и той же группы частот (каналов) нескольким сотам при условии, что эти соты разделены значительными расстояниями. Повторному использованию частот способствует уменьшение зоны обслуживания каждой соты.

Базовой станции каждой соты выделяется группа рабочих частот, отличающихся от частот соседних сот, а антенны базовой станции выбираются такими, чтобы охватить желаемую зону обслуживания в пределах своей соты. Поскольку зона обслуживания ограничена границами одной соты, то различные соты могут использовать одну и ту же группу рабочих частот без взаимных влияний при условии, что две такие соты находятся на достаточном расстоянии друг от друга.

Географическая зона обслуживания сотовой системы, содержащая несколько групп сот, делится на мастеры (см. рис. 6.3). Каждый кластер состоит из семи сот, которым выделяется одинаковое количество полнодуплексных каналов связи. Соты с одинаковыми буквенными обозначениями используют одну и ту же группу рабочих частот. Как видно из рисунка, одинаковые группы частот используются во всех трех кластерах, что позволяет в три раза увеличить количество доступных каналов мобильной связи. Буквы А, В, С, D, Е, F и G обозначают семь групп частот.

Принцип повторного использования частот в сотовой связи

Рис. 6.3. Принцип повторного использования частот в сотовой связи

Рассмотрим систему с фиксированным количеством полнодуплексных каналов, доступных в некоторой области. Каждая зона обслуживания разделяется на кластеры и получает группу каналов, которые распределяются между А сотами кластера, группируясь в неповторяющиеся комбинации. Все соты имеют одинаковое количество каналов, но при этом они могут обслуживать зоны разного размера.

Таким образом, общее число каналов сотовой связи, доступных в кластере, можно представить выражением

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

где F — число полнодуплексных каналов сотовой связи, доступных

в кластере;

G — число каналов в соте;

N — число сот в кластере.

Если кластер «повторяется» в пределах заданной зоны обслуживания т раз, то суммарное число полнодуплексных каналов составит

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

где С — суммарное число каналов в заданной зоне;

т — число кластеров в заданной зоне.

Из выражений (6.1) и (6.2) видно, что суммарное число каналов в сотовой телефонной системе прямо пропорционально количеству «повторений» кластера в заданной зоне обслуживания. Если размер кластера уменьшается, а размер соты остается неизменным, то для покрытия заданной зоны обслуживания потребуется больше кластеров, и суммарное число каналов в системе возрастет.

Число абонентов, которые могут одновременно использовать одну и ту же группу частот (каналов), находясь не в соседних ячейках небольшой зоны обслуживания (например, в пределах города), зависит от общего числа ячеек в данной зоне. Обычно число таких абонентов равно четырем, однако в густонаселенных регионах оно может быть значительно больше. Это число называют коэффициентом повторного использования частот (в зарубежных источниках Frequency reuse factor — FRF). Математически его можно выразить отношением:

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

где N — общее число полнодуплексных каналов в зоне обслуживания;

С — общее число полнодуплексных каналов в соте.

В условиях прогнозируемого увеличения трафика сотовой связи возросший спрос на обслуживание удовлетворяется путем уменьшения размера соты: ее разделяют на несколько сот, каждая из которых имеет свою базовую станцию. Эффективное разделение сот позволяет системе обрабатывать больше вызовов при условии, что соты не будут слишком маленькими. Если диаметр соты становится меньше 460 м, то базовые станции соседних ячеек будут влиять друг на друга.

Соотношение между повторным использованием частот и размером кластера определяет, как можно изменить масштаб сотовой системы в случае увеличения абонентской плотности. Чем меньше сот в кластере, тем больше вероятность взаимных влияний между каналами.

Поскольку соты имеют шестиугольную форму и у каждой из них всегда есть шесть равноудаленных соседних сот, то углы между линиями, соединяющими центр любой соты с центрами соседних сот, кратны 60°. Поэтому число возможных размеров кластера и схем размещения сот ограничено. Для соединения сот между собой без пробелов (мозаичным способом) геометрические размеры шестиугольника должны быть такими, чтобы число сот в кластере удовлетворяло условию

Малые соты захватывают мир | Small Cells для емкости | Уменьшение размеров "железа" |  Много-режимные соты | Малые соты для диапазона 3.5 ГГц

где N — число сот в кластере;

I и у — неотрицательные целые числа.

Отыскание маршрута к ближайшим сотам с совмещенным каналом (рис. 6.4) — сотам первого яруса — происходит следующим образом: перемещение на /’ сот (через центры соседних сот); поворот на 60° в направлении против часовой стрелки; перемещение на j сот вперед (через центры соседних сот).

Отыскание маршрута к ближайшим сотам с совмещенным каналом

Рис. 6.4. Отыскание маршрута к ближайшим сотам с совмещенным каналом

Например, число сот в кластере и местоположение сот первого яруса для значений j = 2 и /’ = 3 будет определяться из выражения (6.4):

N= З2 3-2 22 = 19.

На рисунке 6.5 приведен пример определения сот первого яруса с совмещенным каналом, когда шесть ближайших сот используют те же каналы, что и сота А.

Определение сот первого яруса с совмещенным каналом

Рис. 6.5. Определение сот первого яруса с совмещенным каналом

Процесс передачи обслуживания от одной базовой станции к другой (рис. 6.6), т.е. когда мобильный аппарат удаляется от базовой станции 1 к базовой станции 2, включает в себя четыре основных этапа:

  • • инициирование — мобильный аппарат или сеть выявляет необходимость в передаче обслуживания и инициирует необходимые сетевые процедуры;
  • • резервирование ресурсов — с помощью соответствующих сетевых процедур резервируются сетевые ресурсы (речевой канал и канал управления) сети, необходимые для передачи обслуживания;
  • • исполнение — непосредственная передача управления от одной базовой станции к другой;
  • • окончание — излишние сетевые ресурсы освобождаются, становясь доступными другим мобильным аппаратам.

Передача обслуживания от одной базовой станции к другой

Рис. 6.6. Передача обслуживания от одной базовой станции к другой

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector