Цифровая система подвижной радиосвязи стандарта GPRS

Цифровая система подвижной радиосвязи стандарта
GPRS.

Технология построения; коммутация каналов и коммутация пакетов. Принципы передачи данных в пакетных сетях: стек протоколов
TCP/
IP;
IP-адресация; маршрутизация дейтаграмм.

Архитектура сети
GPRS. Интерфейсы сети
GPRS, радиоинтерфейс сети; физические и логические каналы в сети
GPRS; передача пакетных данных по радиоинтерфейсу; шифрование в сети
GPRS.

Услуги и качество обслуживания в сети
GPRS (услуги и их безопасность, сбор данных о соединении, качество обслуживания).

Управление трафиком в сети
GPRS: подключение и отключение в сети; данные об абоненте; переопределение местоположения; управление сеансом.

Гл
а
в
а
13

ТЕХНОЛОГИЯ
ПОСТРОЕНИЯ
СЕТИ
GPRS

13.1.
Общее
представление

В традиционной сети GSMвозможна передача данных со скоро­стью 9,6 Кбит/с при использовании режима коммутации каналов. Указанное значение можно существенно увеличить, применив тех­нологию высокоскоростной передачи данных по коммутируемым каналам, т.е. выделения одному абоненту на несущей частоте не­скольких слотов. Так, при выделении четырех слотов скорость пе­редачи может составлять до 48 Кбит/с. К достоинствам такой тех­нологии относятся высокая и постоянная скорость и малая задерж­ка, гарантирующие передачу информации в реальном времени.

В то же время даже при использовании технологии высокоско­ростной передачи данных с коммутацией каналов (HSCSD) на время всего сеанса связи между абонентами организуется дуплекс­ный канал, который находится в исключительном пользовании данной пары абонентов независимо от его реальной загруженно­сти. Так как многие приложения (электронная почта, факс, рабо­та в сети Интернет) характеризуются неравномерным трафиком, передача данных на основе коммутации каналов может оказаться неэффективной с точки зрения использования сетевых ресурсов.

Для повышения эффективности передачи данных в сетях GSMЕвропейским институтом стандартов в области телекоммуника­ций (ETSI— EuropeanTelecommunicationsStandardsInstitute) была осуществлена модернизация стандарта GSM, позволившая орга­низовать услугу передачи данных на базе пакетной коммутации. В рамках такой технологии действующую сеть необходимо подвер­гнуть некоторому видоизменению: развернуть принципиально но­вые узлы, изменить некоторое оборудование, инсталлировать до­полнительное программное обеспечение. Фактически при этом па­раллельно действующей сети создается новая сеть, тесно связан­ная со старой и использующая общие с ней ресурсы. Рассмотрим принципы построения и функционирования сети GPRS[4, 6].

13.2.
Коммутация
каналов
и
коммутация
пакетов

В основу реализации традиционной сети GSMположен прин­цип коммутации каналов, т.е. при каждом сеансе связи сетевые ресурсы в полном объеме предоставляются абонентам на весь период соединения. Такой подход обеспечивает относительно малые задержки сигналов и обычно используется в мобильных и стаци­онарных сетях для передачи речевых сообщений.

Однако, как уже говорилось, существует класс сетей передачи данных с использованием принципа коммутации пакетов, при котором передаваемая информация делится на отдельные части — пакеты, содержащие наряду с информационной частью адрес (идентификатор) назначения, позволяющий специальным сете­вым устройствам — маршрутизаторам — передавать пакет по сети, а
также во внешние сети.

Разницу рассматриваемых принципов коммутации иллюстри­рует рис. 13.1.

С исторической точки зрения пакетная сеть GPRSявляется раз­витием существующих сетей с канальной коммутацией, так как позволяет организовать обмен данными непосредственно от мо­бильного абонента.

В то же время в такой сети обеспечивается доступ к сетям пере­дачи данных, работающим по стандартным сетевым протоколам, например протоколам Х.25 корпоративных сетей или Интернет-протоколам.

Пакеты информации от различных абонентов объединяются (мультиплексируются) маршрутизатором в укрупненные блоки, передача которых далее осуществляется по отдельным участкам сети в определенной последовательности. Например, после пере­дачи пакета данных от одного абонента радиоканал может быть предоставлен другому абоненту. Таким образом, пакеты данных проходят практически через все элементы сети GPRS, а также, возможно, через ряд подсетей.

Несмотря на то что передача информации при GPRSосуще­ствляется дискретным образом, у абонентов создается впечатле-

ние прямого физического соединения, называемого в этом случае виртуальным.
Однако в этих сетях все же возможны различные задержки, поэтому между сетевым оператором и потребителем должны быть оговорены условия по качеству предоставляемых услуг.

Скорость передачи информации в сетях с пакетной коммутацией не является фиксированной, как это имеет место в сетях с коммутацией каналов, а может изменяться в зависимости от те­кущего состояния сети и потребности абонентов. Стандарт GPRsпредусматривает широкий диапазон скоростей передачи данных-от 100 бит/с до 100 Кбит/с, но в любом случае выбор конкретно­го значения осуществляется как компромисс между скоростью передачи и зоной покрытия.

Сравнивая возможности передачи данных в традиционной сети GSMи сети GSM/GPRS, следует, прежде всего, заметить мень­шие требования последних к ограничению зоны охвата и допу­стимому количеству ошибок. Напомним, что в сети GSMпере­дача данных возможна с максимальной скоростью 14,4 Кбит/с однако такая услуга обеспечивается за счет снижения корректи­рующей способности помехоустойчивого кодирования, а следо­вательно, уменьшения зоны охвата. В то же время в сети GPRSза счет выделения всех восьми слотов достигается скорость переда­чи 171,2 Кбит/с. При этом, если приложение от одного пользова­теля занимает менее одного слота, возможно объединение в од­ном слоте нескольких таких приложений от разных пользовате­лей, что еще больше увеличивает эффективность использования сетевых ресурсов.

13.3.
Сеть
GPRS
как
путь
к
системам
третьего
поколения

В настоящее время в мире насчитывается более 1,5 млрд. мо­бильных абонентов и более 300 млн. пользователей сети Интер­нет, и можно утверждать, что доступная мобильная связь и дос­туп к глобальной информационной сети являются основной тен­денцией современного общества.

Несмотря на потенциальные преимущества перспективных стан­дартов систем множественного доступа с кодовым разделением стандарт GSMфактически является лидером систем мобильной связи во всем мире (используется примерно 2/3 от общего числа мобильных абонентов), и эта ситуация будет сохраняться по мень­шей мере еще одно десятилетие. Исходя из этого естественными выглядят усилия по его модернизации и вовлечению в создава­емую концепцию универсальной системы мобильной связи —
УСМС (UMTS).

Вовлечение сети GSMв концепцию yMTSпредполагает наличие в первой нескольких необходимых составля­ющих, в
число которых входят (рис. 13.2): I
•

высокоскоростная передача дан-jpjxсо скоростями до 57,6 Кбит/с в сетях GSMпри коммутации каналов;

• передача данных со скоростями до 171,2 Кбит/с в сетях GPRSпри ком­мутации пакетов;

• повышенная (до 384 Кбит/с) ско­рость передачи данных (EDGE— EnhancedDataRateforGSMEvolution);

• универсальная система мобильной связи, реализующая скорости переда­чи данных до 384 Кбит/с на большие расстояния и до 2 Мбит/с на малые расстояния.

Высокоскоростная передача данных с коммутацией каналов HSCSD, являющаяся первым этапом на пути продвижения GSMв UMTS, предусматривает объединение нескольких слотов для передачи информации от каждого пользо­вателя. При этом добавление каждого слота увеличивает скорость передачи данных до 9,6 или 14,4 Кбит/с, а объединение четырех слотов позволяет достичь скорости передачи 38,4 или 57,6 Кбит/с.

Для того чтобы добиться приближения характеристик мобиль­ных сетей к характеристикам стационарных сетей, необходимо прежде всего обеспечить в них сравнимые скорости передачи дан­ных. Среди большого количества сетей передачи данных ориенти­ром является сеть, обеспечивающая скорость передачи 64 Кбит/с, и именно технология HSCSDпозволяет осуществить такое при­ближение.

Следующим шагом на пути эволюции от GSMк UMTSявляет­ся технология GPRS, позволяющая достигать скоростей передачи Данных до 171,2 Кбит/с. При этом необходимые дополнительные сетевые элементы, обеспечивающие, в первую очередь, доступ Данных к сетям Интернет/Интранет, устанавливаются параллель­но существующим функциональным узлам сети GSM(рис. 13.3).

Как уже говорилось, GPRSпозволяет эффективно использо­вать ресурсы, обеспечивая их гибкое разделение между пользова­телями. Так, ресурсы радиоканала оказываются задействованными только в момент непосредственной передачи информации, даже если абоненты соединены постоянно. При этом установление со­единения происходит практически мгновенно, а пользователи Реально находятся в режиме передачи данных промежуток време­ни, меньший, чем время соединения.

Сравнив технологии HSCSDи GPRS, можно сказать, что пер­вая — обеспечивает гарантированные скорость и задержку пере­дачи сообщений и, следовательно, идеально подходит для пере­дачи услуг в реальном времени, например для передачи малокад­рового видеосигнала. Кроме того, использование этой технологии не требует от оператора больших дополнительных вложений для модернизации сложившейся структуры сети.

Технология же GPRSбольше подходит для услуг динамичного характера, например таких, как телеметрия или телеуправление. Для обеспечения подобных услуг необходима установка дополни­тельного оборудования, что требует существенных финансовых и организационных затрат. К тому же для некоторых из существу­ющих функциональных узлов традиционной сети GSMпотребу­ется частичная или полная модернизация программно-аппарат­ного обеспечения.

На смену GPRSдолжна прийти технология, обеспечивающая повышенную скорость передачи данных, т. е. позволяющая дости­гать значений до 384 Кбит/с. Достижение указанной скорости пе­редачи данных возможно за счет использования более эффектив­ной многопозиционной схемы модуляции ФМ-8 (PSK— PhaseShiftKeying), т.е. фазовой манипуляции с восемью возможными значениями начальной фазы высокочастотного колебания. (На­помним, что в традиционной GSMиспользуется ГММС — гауссовская модуляция с минимальным сдвигом частоты.) Несмот­ря на то что использование ФМ-8 приводит к некоторому сни­жению помехоустойчивости приема, а следовательно, к сокра­щению зоны покрытия, этот метод тем не менее более предпоч­тителен из-за обеспечения существенно более высокой скорости передачи.

Наконец, вершиной эволюции GSMявляется концепция уни­версальной системы мобильной связи, реализуемой по принципу множественного доступа с широкополосным кодовым разделени­ем (WCDMA— WidebandCodeDivisionMultipleAccess), обуслав­ливающим достижение скорости передачи данных до 2 Мбит/с.

правда, на небольшие расстояния1
. Такая концепция реализует целый ряд услуг, включая передачу речи, видео, Интернет/Интернет-трафик, высокоскоростную передачу данных и др.

В UMTSдолжен использоваться новый радиоинтерфейс, а также новые сетевые компоненты, и главная задача заключается в их объединении модульным способом с существующими функцио­нальными узлами. Такой подход способен обеспечить операторам плавный переход к данной концепции, при котором основной «пор делается на уже существующую сетевую инфраструктуру.

13.4.
Требования
к
обеспечению
услуг

Как уже отмечалось, в ситуациях, когда неуклонно растет и речевой трафик, и требования к повышению степени мобильно­сти абонентов, сетевые операторы вынуждены искать новые спо­собы поддержания своей конкурентоспособности. Эти способы включают в себя не только проведение гибкой ценовой полити­ки, но и в большей степени предоставление новых видов услуг. При этом возможность разделения сетевых ресурсов между раз­личными группами пользователей должна привлекать все боль­шее число абонентов.

Оценивая выгоды от введения GPRSи предоставления новых услуг, следует разграничивать взгляды на эту проблему как по­ставщиков услуг, так и пользователей.

Преимущества для пользователей.
Поскольку сегодня Интернет прочно вошел в повседневную жизнь, то возможность объедине­ния глобальной информационной сети и наиболее распростра­ненной сети мобильной связи выглядит весьма перспективной. При этом пользователям предоставляется возможность получения не­медленного доступа к данным подобно тому, как если бы они работали в локальной сети одного офиса. Абонентам не приходит­ся устанавливать соединение всякий раз, когда возникает необхо­димость в передаче. Более того, плата за соединение вообще не взимается, и стоимость передачи данных зависит лишь от их объе­ма. Наконец, благодаря высокой скорости передачи данных ста­новится возможным предоставление новых привлекательных ус­луг, а также передача файлов больших объемов.

Преимущества для операторов.
Введение новых услуг приводит К увеличению прибыли для операторов, зависящей как от объема Передаваемых данных, так и от качества передачи. В настоящий Момент сеть Интернет превратилась в интерактивную мультиме-

F' Концепция UMTSпредполагает использование принципов WCDMAтолько в городских зонах; обслуживание сельских зон будет, по всей вероятности, базироваться на принципах GSM/GPRS/EDGE

дийную среду, объединяющую десятки миллионов людей, которые могут подключаться к ней, находясь как дома, так и на работе, и уже сегодня сетевые операторы в большой степени обеспечивают передачу не только речи, но и различных данных. Более того, использование GPRSможет оказаться весьма полезным и в отношении речевого трафика, особенно в часы наибольшей нагрузки.

Анализ изложенных преимуществ показывает неизбежную необходимость введения оператором услуг GPRS. Возможная отсрочка этого процесса объясняется либо значительным лидерством по отношению к другим операторам, функционирующим на данной территории, либо потерей в конкурентной борьбе наиболее вы­годных ниш, что делает бесперспективным дополнительные финансовые вложения в модернизацию сети.

В отличие от традиционной GSMдоступ в GPRSможет осу­ществляться либо стандартно, либо с дополнительными услуга­ми, которые могут обеспечивать оператора дополнительными до­ходами.

Среди таких услуг главными являются следующие:

• функции интернет-провайдера, т.е. доступ в Интернет, под­держка домашних страниц, организация новостных групп и др.;

• функции главного поставщика дополнительных услуг;

• функции посредника по обеспечению беспроводного доступа к дополнительным услугам.

Заметим, что обеспечение деловым людям доступа к глобаль­ным и корпоративным сетям на первых порах развития GPRSобыч­но составляет основную часть прибыли, однако в дальнейшем, с ростом сети и уменьшением стоимости мобильных разговоров, как правило, происходит перераспределение доходов в сторону таких услуг, как игры, лотереи, биржевая информация и т. п.

Когда сетевой оператор предлагает себя в качестве поставщика услуг, одной из наиболее важных для него проблем является оп­ределение степени самостоятельности, т. е. того, какая часть услуг будет предоставлена им самим, а какая часть — посредниками. Если, например, оператор работает как обычный интернет-про­вайдер, то это ставит его в жесткие рамки при решении вопросов по изменению цен, скорости, доступности и др. В этом случае даже при низких ценах на услуги возможности увеличения при­были оператора ограничены. Однако такой способ гарантирует опе­ратору минимальный риск.

Если же оператор работает как универсальный провайдер, это обеспечивает ему возможность самостоятельно предлагать свои ус­луги абонентам. В этом случае он может как разграничивать новых пользователей и соответствующую прибыль на отдельные подгруппы, так и проводить отдельную политику для индивидуальных пользователей. Несмотря на то что этот путь открывает существенно (большие возможности по увеличению прибыли, он тем не менее значительно более рискованный, поскольку связан с большими денежными вложениями и привлечением новых специалистов.

13.5.
Тарификация
в
сети
GPRS

При использовании абонентом определенных услуг и прило­жений оператору для составления абонентского счета необходимо иметь определенную информацию от различных элементов сети. В GPRSтакая информация формируется в двух функциональных элементах: обслуживающем узле и GPRS-шлюзе. Шлюз системы тарификации, получив эту информацию, обрабатывает ее и транс­лирует в подсистему выписки счетов. Например, фиксированию подлежит объем передаваемой информации или число коротких сообщений, переданных через сеть GPRS.

Если сетевой оператор выступает как интернет-провайдер, то фиксируемая информация ограничивается лишь объемом пере­данных данных. Если же оператор выступает в качестве универ­сального провайдера, необходимо формировать подробные отче­ты, содержащие учетные данные об использовании основных и дополнительных услуг.

Следует обратить внимание на то, что сбор и фиксирование информации в сети GPRSзначительно сложнее, чем в традици­онной сети GSM. Кратко перечислим позиции, в соответствии с которыми может происходить тарификация информации:

• общая тарифная ставка (стандартный доступ в Интернет);

• диапазон скоростей передачи речи и данных;

• скорость обслуживания в режиме реального времени;

• точка доступа (Интернет, Интранет);

• требуемое качество обслуживания;

• безопасность доступа, секретность передаваемой информа­ции;

• наличие объединенной службы сообщений (электронной почты, коротких сообщений, голосовой почты, факса);

• дополнительные услуги (доступ к банковскому счету, электронные покупка и оплата, развлечения);

• рекламирование.

Учитывая изложенное, можно заключить, что в сетях GPRSИмеются большие возможности по дифференцируемому обслужи­ванию абонента.

Некоторые из предоставляемых услуг, связанные с четко раз­деляемыми этапами (запросом, предоставлением отдельного файлы,
могут автоматически генерировать учетные записи. Другие Услуги (например, электронная почта) требуют наличия внешних Механизмов, отслеживающих объемы передаваемой информации

Сбор и объединение учетных записей могут осуществляться раз­личными методами, выбор которых возлагается на оператора. На рис. 13.4 приведена схема составления счета за оказанные услуги.

Контрольныевопросы

1.В чем различие между коммутацией пакетов и коммутацией кана­лов?

2. Что такое виртуальное соединение?

3. Опишите эволюцию сотовых сетей мобильной связи к системам третьего поколения.

4. Каковы преимущества сети HSCSDпо сравнению с сетью GPRS?

5.Каковы принципы тарификации в GPRSи в чем состоит их отли­чие от тарификации в традиционной GPRS?

7. Прикладной уровень	Верхний уровень
6. Уровень представления
5. Сеансовый уровень
4. Транспортный уровень	Нижний уровень
3. Сетевой уровень
2. Канальный уровень
1. Физический уровень

Глава 14

ПРИНЦИПЫ
ОРГАНИЗАЦИИ
ПЕРЕДАЧИ
ДАННЫХ В
ПАКЕТНЫХ
СЕТЯХ

14.1.
Эталонная
модель
взаимодействия открытых
систем

Организация передачи информации в пакетных сетях существен­но отличается от принципов передачи информации в сетях с ком­мутацией каналов. При разбиении исходной информации на от­дельные блоки и последующей их пересылке необходимо преду­смотреть механизмы, обеспечивающие безошибочное прохожде­ние этих блоков внутри сети и вне ее. Наличие большого числа удаленных друг от друга абонентов или терминалов предполагает адресацию промежуточных и оконечных устройств и эффектив­ную маршрутизацию пакетов данных по мере их доставки от ис­точника к получателю.

Рассмотрим коротко основные принципы передачи информа­ции в пакетных сетях, построенных на основе эталонной модели взаимодействия открытых систем.

В 1978 г. в Международной организации по стандартизации был создан подкомитет SC16, в задачи которого входила разработка международного стандарта для взаимосвязи открытых систем. При этом «открытой» называли систему, которая может взаимодей­ствовать с любой другой, удовлетворяющей требованиям стан­дарта. Так появилась концепция эталонной модели взаимодействия открытых систем (ВОС), определяющая принципы взаимосвязи между отдельными стандартами и основу для обеспечения воз­можности параллельной разработки нескольких необходимых стан­дартов.

Эталонная модель предполагает структуру (рис. 14.1), в кото­рой все процессы разнесены на семь взаимоподчиненных уровней.

При этом уровень с меньшим номером предоставляет услуги смежному с ним верхнему уровню, используя для этого услуги смежного с ним нижнего уровня. Следовательно, самый верхний седь­мой уровень только потребляет услуги, а самый нижний первый - только предоставляет их.

Задачей всех уровней в конечном счете является обеспечение прикладных процессов,
т.е. процессов, связанных с вводом, хра­нением, обработкой и выдачей информации пользователям. Од­нако наряду с прикладными процессами существует значитель­ное число различных процессов поддержки, организация кото­рых связана с наличием соответствующих протоколов.
Все прото­колы принято условно подразделять на две категории: протоко­лы верхнего уровня (с 5-го по 7-й) и протоколы нижнего уров­ня (с 1-го по 4-й).

Наивысшим является прикладной
(пользовательский) уровень, определяющий смысловое содержание информации, которой об­мениваются открытые системы при совместном решении постав­ленной задачи.

Шестой уровень называется уровнем представления,
т.е. он оп­ределяет формат представления сетевой информации, поскольку сеть может объединять различные оконечные терминалы. Заме­тим, что в гипотетическом случае полностью однородной среды надобность в таком уровне отпадает.

Основным назначением пятого — сеансового
— уровня являет­ся организация способов взаимодействия между прикладными про­цессами: их соединения, поддержки совместной работы и разъе­динения.

Главная задача протоколов нижнего уровня состоит в быстром и надежном перемещении необходимой для передачи информа­ции, поэтому их часто называют протоколами транспортной сети. Вход в транспортную сеть осуществляется через так называемый порт,
которым обеспечен каждый процесс, и перед входом в тран­спортную сеть пользовательская информация получает заголовок того процесса, который ее породил.

Четвертый — транспортный —
уровень служит для обеспече­ния пересылки сообщений между двумя взаимодействующими си­стемами с использованием более низких уровней. Конкретно дан­ный уровень принимает от вышестоящего уровня некоторый блок данных и обеспечивает его транспортировку через сеть к удален­ному пользователю.

Следует подчеркнуть, что в задачи уровней, находящихся выше транспортного, не входит знание структуры сети, т.е. им извест­ны лишь удаленные пользователи (или системы), с которыми они взаимодействуют.

В задачи третьего — сетевого
— уровня входят маршрутизация сообщений, организация транспортных каналов и управление

информационными потоками, а также учет предоставленных услуг.

Второй — канальный —
уровень представляет собой организо­ванный на основе физического соединения комплекс методов и Процедур управления каналом передачи данных (например, уста­новление соединения, его поддержка и разъединение, обнаруже­ние и исправление ошибок).

Наконец, первый — физический —
уровень обеспечивает непо­средственную связь с физической средой передачи информации. Он определяет правила передачи сообщений через физическую среду (частотный диапазон, используемые сигналы, методы мо­дуляции), а также механические и электрические характеристики сетевых устройств.

Приведенная семиуровневая модель является традиционной при описании взаимодействия открытых систем. Тем не менее спустя некоторое время после появления и успешного использования данной модели в США в Институте инженеров по электротехни­ке и электронике (IEEE — InstituteofElectricalandElectronicsEngineers) была разработана ее модификация. Суть этой модифи­кации заключалась в том, что канальный уровень подразделялся на два подуровня: управления логическим каналом и доступа к среде.

Уровень управления логическим каналом
(LCC— LogicalLinkControl) отвечает за достоверную передачу кадров между абонен­тами (терминалами), а также реализует взаимодействие с сете­вым уровнем.

Главной функцией уровня доступа к среде
(MAC — MediaAccessControl) является, как это следует из его названия, обе­спечение доступа к каналу. Кроме того, на этом уровне произ­водится согласование режимов работы физического и каналь­ного уровней.

14.2.
Стек
протоколов
TCP/IP

В настоящее время не ослабевает рост интенсивности потоков Пользовательской информации, а следовательно, и эффективно­сти ее обработки. Глобальная сеть Интернет изменила способ пред­ставления информации, собрав на своих серверах все ее виды: [текст, звук, графику, видео.

Фактически создание любой локальной сети тем или иным способом затрагивает необходимость обращения к ресурсам Ин­тернет, т.е. приводит к необходимости регулирования процессов Межсетевого взаимодействия. Для поддержки таких процессов было [Создано семейство протоколов, которое в дальнейшем было на­рвано стеком протоколов
(TCP/IP — TransmissionControlProtocol/IntemetProtocol)1
. Основными задачами этого семейства протоколов являются следующие:

• распознавание сбоев в сети и восстановление ее работоспо­собности;

• распределение ресурсов сети между отдельными пользовате­лями и уменьшение потоков данных при ее перегрузке;

• отслеживание задержки и потери пакетов;

• определение ошибок в переданных сообщениях и использо­вание методов коррекции;

• обеспечение упорядоченного движения пакетов в сети. Протоколы TCP/IP обеспечивают пользователям два основ­ных преимущества.

1,Дейтаграммный механизм доставки пакетов.
Маршрут переда­чи небольшой части сообщения (пакета) определяется на основа­ нии адресной информации, входящей в его состав, а доставкаотдельных частей осуществляется независимо друг от друга по раз­личным маршрутам. Такой тип доставки делает протоколы TCP/IP легко адаптируемыми к широкому диапазону сетевого оборудования.

2.
Надежные транспортные потоки.
Большинство приложенийтребует от программного обеспечения автоматического восстанов­ления ошибок, возникающих в процессе передачи. Надежные тран­спортные потоки позволяют устанавливать логическое соединение между приложениями, а затем посылать по этому соединению большие объемы данных.

Колоссальный рост сети Интернет и желание абонентов пользо­ваться услугами глобальной сети способствовали непрерывному и упорядоченному развитию протоколов TCP/IP. Координационный совет сети Интернет (IAB— InternetActivitiesBoard) разработал серию документов RFC (RequestsForComments), описывающих сетевые услуги и их реализацию, в том числе стандарты TCP/IP. При этом следует иметь в виду, что протоколы TCP/IP всегда публикуются в виде документов RFC, но не все документы RFCопределяют стандарты протоколов.

1
История создания TCP/IP началась с момента, когда Министерство обо­роны США столкнулось с проблемой объединения большого числа компьюте­ров с различными операционными системами. Для этого в 1970 г. была разрабо­тана и реализована экспериментальная сеть с пакетной коммутацией — ARPANET(AdvancedResearchProjectAgencyNETwork). Эксперимент по применению TCP/IPбыл признан положительным, и семейство стандартов было принято в эксплуатацию, а в дальнейшем усовершенствовалось в целях адаптации в ло­кальных сетях.

В 1980 г. стек протоколов TCP/IP стал использоваться как часть операцион­ной системы BerkleyUnixv4.2, а в 1983 г., когда окончательно завершилось формирование сети Интернет, Министерство обороны США постановило, что все компьютеры, подсоединенные к глобальной сети, должны использовать ука­занные протоколы.

Содержание документов RFCподразделяется на две части:

• состояние стандартизации:
стандарт утвержден, стандарт пред­ложен к рассмотрению, предложен экспериментальный прото­кол, протокол устарел и в настоящее время не используется;

• статус протокола:
требуется для внедрения, рекомендуется для внедрения, может внедряться производителем по выбору, не рекомендуется к внедрению.

Стек TCP/IP был разработан до появления модели ВОС, по­этому соответствие его уровней (рис. 14.2) уровням модели ВОС достаточно условное.

Структуру TCP/IP можно разделить на четыре уровня. Самый нижний уровень — сетевого интерфейса
(уровень IV
)
соответствует физическому и канальному уровням модели ВОС. Этот уровень отвечает за прием дейтаграмм и их передачу по выбранному марш­руту. Он поддерживает протоколы физического и канального уров­ней широко распространенных локальных и глобальных сетей, таких как Ethernet, TokenRing, FDDI, X.25.

Сетевой уровень
(уровень III) определяет межсетевое взаимо­действие, принимая от вышестоящего уровня запрос отправителя на посылку пакета вместе с адресом получателя, помещая пакет в 'дейтаграмму и при необходимости используя алгоритм маршру­тизации. На приемной стороне механизмы сетевого уровня извле­кают пакет из дейтаграммы и определяют, какой из протоколов вышестоящего уровня необходим для дальнейшей обработки.

Основной задачей транспортного уровня
(уровня II) является 'обеспечение взаимодействия между приложениями, для чего ис­пользуется механизм подтверждения правильно принятых паке­тов и повторная передача искаженных или утерянных пакетов.

Уровни модели ВОС	Уровни стека TCP/IP
Прикладной Представления	Уровень I — прикладной
Сеансовый Транспортный	Уровень II — транспортный
Сетевой	Уровень III — сетевой
Канальный Физический	Уровень ГУ — сетевого интерфейса

Транспортный уровень принимает информацию от нескольких приложений и передает ее на нижестоящий уровень, добавляя служебную информацию, предназначенную для борьбы с ошиб­ками.

Наконец, вершиной TCP/IP является прикладной уровень
(уро­вень I), на котором реализованы широко используемые приложе­ния: протокол передачи файлов между удаленными системами, протокол эмуляции удаленного терминала, почтовый протокол и др. Каждая прикладная программа выбирает тип транспортировки (либо непрерывный поток сообщений, либо последовательность пакетов) и передает данные на транспортный уровень в требу­емой форме.

Упрощенно пересылка сообщения между приложениями со­стоит в последовательной передаче его вниз через соседние уров­ни стека отправителя, далее по уровню сетевого интерфейса (уров­ню Г/) стека TCP/IP или физическому уровню модели ВОС и, наконец, приеме сообщения получателем и передаче его вверх по протокольным уровням (рис. 14.3.).

Практически ситуация оказывается несколько сложнее. В струк­туре TCP/IP существует наиболее значимый — сетевой уровень, в основу которого положен Интернет-протокол
(IP). Каждый уро­вень стека принимает решение о корректности принятого сооб­щения и производит определенное действие, основываясь на зна­чении его адреса и типе. Интернет-протокол способен взаимодей­ствовать с несколькими протоколами более высокого уровня и несколькими сетевыми интерфейсами. Таким образом, процесс передачи сообщений практически выглядит следующим образом-Отправитель передает сообщение, которое на сетевом уровне (уровнем) помещается IPв дейтаграммы и посылается в сеть отправителя (Сеть 1). В промежуточных устройствах дейтаграммы пере­даются вверх до сетевого уровня, на котором IPотправляет их обратно вниз, в сеть получателя (Сеть 2). В оконечной сети IPвыделяет сообщение из дейтаграмм и передает его на верхние уровни.

Исходя из сказанного рассматривать принципы функциониро­вания TCP/IP целесообразно начиная именно с сетевого уровня.

Введем некоторые базовые термины, касающиеся процессов передачи информации между уровнями.

Название передаваемого блока данных зависит от того, на ка­ком уровне он находится. При нахождении блока на сетевом уров­не его называют кадром.
Если блок данных находится между уров­нем сетевого интерфейса и сетевым уровнем, он называется дей­таграммой.
Блок данных, находящийся между транспортным и сетевым уровнями, называется IP
-пакетом.
Наконец, данные верх­него — прикладного уровня называются сообщениями.

Интернет
-
протокол
.
IP
-
адресация

Интернет-протокол является основополагающим протоколом всего TCP/IP. Реализуя механизмы прохождения информации по различным сетям, он выполняет следующие основные функции:

• определение базового блока передачи данных — дейтаграм­мы, ее формата и значений полей в заголовках;

• фрагментацию дейтаграммы и ее обратного восстановления;

• надежную доставку дейтаграммы получателю;

• обеспечение логической адресации устройств в сети;I• поддержку маршрутизации.

Любая дейтаграмма состоит из заголовка и поля данных, сле­дующего сразу за заголовком. Пример структуры полей заголовка приведен в табл.14.1.

Номер версии (4 бит)	Длина заголовка (4 бит)	Тип услуги (8 бит)	Общая длина заголовка (16 бит)
Идентификатор (16 бит)	Флаги (3 бит)	Смещение фрагмента (13 бит)
Время жизни (8 бит)	Протокол (8 бит)	Контрольная сумма заголовка (16 бит)
Адрес отправителя (32 бит)
Адрес получателя (32 бит)
Опции (переменная длина)		Выравнивание числа бит до 32

Фрагментация большой дейтаграммы заключается в разделе­нии ее на несколько частей. В большинстве сетей определен мак­симальный размер передаваемого блока (MTU — MaximumTrans­missionUnit), например в сети Ethernetон составляет 1 500 байт, а в сети FDDI- 4096 байт.

На рис. 14.4 представлена процедура фрагментации и восста­новления дейтаграммы.

Пусть, например, отправителю необходимо передать сообще­ние длиной 5 700 байт из сети, в которой ограничение на макси­мальный размер кадра составляет 4096 байт, в сеть, где анало­гичное значение — 1 500 байт. При поступлении блока на сетевой уровень Интернет-протокол делит его на две равные дейтаграм­мы, установив в первой из них отличный от нуля флаг фрагмен­тации. Значение флага фрагментации во второй дейтаграмме рав­но нулю, что указывает на то, что это последний фрагмент сооб­щения. Размер каждой дейтаграммы составляет 2 850 байт плюс заголовок 20 байт (при отсутствии опций), что укладывается в кадр сетевого уровня.

Дейтаграммы поступают в маршрутизатор, который определя­ет, что их необходимо передать в сеть, в которой ограничение на максимальный размер кадра составляет 1 500 байт. Для этого из каждой дейтаграммы извлекаются фрагменты сообщения, делят­ся пополам, и формируются новые дейтаграммы, каждая из кото­рых имеет размер (1425 + 20) байт, что меньше ограничения на максимальный размер кадра принимающей сети. При этом по пути маршрутизации фрагменты дейтаграмм не укрупняются, даже если текущая сеть допускает такое укрупнение. Восстановление исход ного сообщения производится в месте назначения путем выпол­нения последовательности обратных операций.

В сетях, построенных на базе TCP/IP, оконечные устройства (мобильный терминал, персональный компьютер, коммуникаци­онный сервер и др.) имеют уникальные адреса, позволяющие идентифицировать эти устройства в сетевом пространстве. Адре­сация осуществляется с использованием трех уровней:

• физического адреса
узла, определяемого технологией, по ко­торой построена сеть. Формат физического адреса предполагает 6 байт; при этом старшие 3 байт определяют фирму-производите­ля, а младшие 3 байт уникальны и назначаются производителем в качестве идентификатора конкретного устройства;

• IP
-адреса,
используемого на сетевом уровне модели ВОС и состоящего из четырех байт. IP-адрес назначается независимо от физического адреса, и именно он является определяющим при рассмотрении процессов межсетевого взаимодействия;

• символьного адреса,
назначаемого сетевым администратором и предназначенного для удобства запоминания и обращения.

На самом деле IP-адрес состоит из двух четырехбайтовых ча­стей: собственно адреса и маски сети, которая несет информацию о том, какая часть адреса принадлежит главной сети, а какая — подсети. Если терминалы принадлежат одной и той же подсети, то они могут устанавливать между собой прямое соединение по Интернет-протоколу, если же они принадлежат различным под­сетям, необходима маршрутизация.

В приведенном на рис. 14.5 примере наложение маски 255.255.255.0 выделяет подсеть 195.209.0.0, которую можно обо­значить как 195.209.0.0/16, где 16 — число старших разрядов, вы­деляющих подсеть.

Адреса бывают статическими
и динамическими.
Статический адрес постоянно закреплен за абонентом (либо устройством, на­пример компьютером), и всякий раз при подключении к сети обмен пакетами производится по этому адресу. Динамический же [адрес назначается абоненту на время сеанса, по окончании которого он может быть передан другому абоненту. Обычно статиче­ская адресация используется в локальных сетях, а при работе в сети Интернет абонентам назначаются динамические адреса.

Адресация в локальной сети (в частности, в сети GPRS) свя­зана с понятием порта. Применительно к компьютеру номер пор-

та определяет точку физического доступа в него. В сети Интернет портом также называется любое приложение, размещенное в узле что позволяет адресовать запросы к определенным файловым струк-турам, а также к аппаратным средствам, объединенным в группу единым адресом. Например, группе абонентов GPRSодного опе­ратора со стороны сети Интернет может быть присвоен один ад. рее, но на уровне протокола пользовательских дейтаграмм (см. далее) каждый абонент будет иметь свой уникальный номер пор­та. Всего возможно 216
портов с номерами от 0 до 65 535. Адрес с указанием порта записывается в виде <адрес>:<порт>, например 195.209.231.196:33. Локальная адресация внутри сети GPRSпри­нята не только для более эффективного использования адресного поля, но также для ее зашиты от несанкционированного доступа.

Протокол
разрешения
адресов

Поскольку IP-адрес назначается независимо от физического адреса, необходимо определить соответствие между этими адре­сами. Процесс определения их соответствия называется разреше­нием адресов,
и решение этой задачи возложено на протокол раз­решения адресов (ARP— AddressResolutionProtocol).

Функционально протокол разрешения адресов состоит из двух частей, одна из которых определяет физические адреса при по­сылке дейтаграммы, а другая — отвечает на запросы от других устройств в сети. Для уменьшения количества посылаемых запро­сов каждое устройство, использующее данный протокол, имеет

память, называемую таблицей разрешения адресов,
где хранятся сведения о соответствующих парах физических и IP-адресов.

Рассмотрим пример разрешения адресов двумя рабочими стан­циями А и В в
локальной сети (рис. 14.6):

1 — станция А,
которой необходимо передать информацию стан­ки В,
с помощью проверки IP-адреса и маски подсети опреде­ляет, что станция В
находится в той же локальной сети;

2
— станция А
проверяет свою таблицу разрешения адресов и, не находя в ней физического адреса станции В,
посылает широ­ковещательный ARP-запрос, содержащий IP-адреса обеих стан­ций;

3
—
станция В,
получив запрос, сравнивает полученный адрес со своим собственным. Если адреса не совпадают, то запрос игно­рируется;

4
—
при совпадении адресов станция В
посылает ответ станции А,
в котором содержится физический адрес станции В,
после чего обе станции обновляют свои таблицы разрешения адресов.

Каждая запись в таблице разрешения адресов имеет опреде­ленное время жизни (обычно 10 мин), и если с момента ее появ­ления она не использовалось больше, чем заданный временной интервал, например 2 мин, то происходит ее удаление.

Протокол
управляющих
сообщений

Протокол управляющих сообщений (ICMP— InternetControlMessageProtocol) является вспомогательным в TCP/IP и позво­ляет сообщать оконечному устройству об ошибках при передаче. Данный протокол является составной частью IPи включается в Каждую его реализацию, т.е. управляющие сообщения передаются в дейтаграммах. Причина использования Интернет-протокола для передачи управляющих сообщений заключается в том, что по мере продвижения к конечному пользователю они могут пройти не­сколько физически различных сетей, следовательно, необходим инвариантный к физической среде носитель, способный преодо­левать все разнообразие сетевых топологий.

Существует два типа управляющих сообщений: собственно уп­равляющие сообщения и сообщения об ошибках. В табл. 14.2. пред­ставлены основные типы управляющих сообщений. Сообщения ♦Ответ на эхо» и «Запрос эха» являются самыми используемыми Ири отладке, поскольку помогают идентифицировать возникающие |*сети проблемы. Так, проверка получения дейтаграммы и успеш­ный прием ответа свидетельствуют о работоспособности основ­ных частей транспортной системы.

Подчеркнем, что данный протокол не в состоянии корректи­ровать ошибки — его задачей является лишь информирование о

Номер	Тип сообщения	Номер	Тип сообщения
0	Ответ на эхо	12	Ошибка параметров в дей­таграмме
3	Получатель недостижим	13	Запрос временной отметки
4	Подавление источника	14	Ответ для временной метки
5	Изменение маршрута	17	Запрос маски адреса
8	Запрос эха	18	Ответ на запрос маски адреса
11	Превышено время для дей­таграммы

них, и отправитель (терминал) должен сам принимать решения, связанные с использованием соответствующих приложений. При этом протокол управляющих сообщений не может быть использо­ван для передачи сообщений об ошибках промежуточным устрой­ствам, поскольку дейтаграмма содержит поля, которые определя­ют только адреса получателя и отправителя и не содержат ника­кой информации о предполагаемом маршруте движения. Когда дейтаграмма находится в одном из промежуточных узлов, нельзя узнать, какой путь она прошла до этого, следовательно, если об­наружена ошибка, нельзя определить, в каком месте находится первопричина этой ошибки или сбоя. Однако существует возмож­ность послать отправителю сообщение об ошибке, предоставив ему самостоятельно принимать решение.

Протокол
пользовательских
дейтаграмм

Протокол пользовательских дейтаграмм (UDP— UserDatagramProtocol) является одним из двух протоколов, функционирующих на более высоком, чем Интернет-протокол, уровне, поскольку предоставляет приложениям транспортные услуги. Этот протокол обеспечивает негарантированную доставку дейтаграмм получате­лю и не поддерживает установку соединений.

Взаимодействие между приложениями и протоколом пользо­вательских дейтаграмм осуществляется через протокольный порт,
т.е. механизм, позволяющий рабочей станции поддерживать од­новременно несколько сеансов связи. Когда рабочая станция по­лучает из сети пакет на свой адрес, она может направить его оп­ределенному приложению, используя уникальный номер порта, который определяется во время установки сеанса.

Обеспечение передачи дейтаграмм между приложениями пред­полагает операции мультиплексирования и демультиплексирова­ния, осуществляемые с использованием механизма назначения портов. Такой протокольный порт и его номер получаются каж­дым приложением от операционной системы, после чего прило­жение может послать дейтаграмму с указанием номера порта в соответствующем поле.

Функционирование протокольного порта подобно обслужива­нию очереди, т.е. операционная система создает внутреннюю оче­редь, в которой хранятся поступающие сообщения. Если у како­го-либо сообщения номер порта не входит в список использу­емых портов, то соответствующая дейтаграмма уничтожается и посылается сообщение протокола управляющих сообщений «Порт недоступен».

Существуют два способа назначения портов. Первый способ — это централизованное назначение портов из соответствующего списка, который публикуется центральным органом — Агентством по выделению имен и уникальных параметров протоколов (IANA— InternetAssignedNumbersAuthority). На данный момент этот спи­сок содержит 1 023 позиции, и в большинстве случаев такие пор­ты используются системными процессами.

Второй способ предполагает динамическое назначение портов, осуществляемое по необходимости самой системой. Числовые зна­чения таких портов находятся в пределах от 1 024 до 65 535. Для получения информации о текущем назначении портов необходи­мо послать соответствующий запрос.

Протокол
управления
передачей

Протокол управления передачей (TCP — TransmissionControlProtocol) предназначен для использования в качестве транспорт­ного средства при взаимодействии удаленных устройств, работа­ющих в пакетных сетях. Функционируя на транспортном уровне, он устанавливает логическое соединение между приложениями и обеспечивает надежную транспортировку данных.

Для надежной транспортировки данных протокол управления передачей должен обеспечивать выполнение следующих основных задач:

• передачу данных;

• поддержку достоверности данных при передаче;

• управление потоком данных;

• разделение каналов передачи данных;

• обслуживание установленных соединений;

• установку приоритетов пользователей;

• обеспечение безопасности при передаче данных.

Единицей данных протокола управления передачей является сегмент.
Изначально каждая прикладная программа вызывает про­грамму протокола управления передачей и передает ей буфер дан­ных, из которых формируются сегменты, т.е. некоторая непре­рывная часть данных. Далее для передачи каждого сегмента вызы­вается Интернет-протокол, который осуществляет фрагментацию и сборку сегментов, необходимые для их передачи через множе­ство сетей. Сегменты не обязательно должны быть одного разме­ра, но в любом случае сегмент максимального размера должен полностью помещаться в дейтаграмму.

На приемном конце адресатом является соответствующий мо­дуль протокола управления передачей, который помещает дан­ные сегмента в буфер прикладной программы получателя. С каж­дым модулем TCPсвязан модуль IP, обеспечивающий передачу данных по локальной сети. При этом сегмент TCPпомещается в дейтаграмму IP, которая, в свою очередь, помещается в кадр ка­нального уровня.

Надежность передачи обеспечивается механизмом подтверж­дения после приема блоков данных, а также использованием ну­мерации очередей, в которые выстраиваются передаваемые бай­ты данных. Для этого первому байту в сегменте присваивается не­который номер, называемый номером очереди для сегмента. Ну­мерация байтов в сегменте осуществляется в пределах диапазона 0...(232
- 1) таким образом, что первый байт после заголовка имеет наименьший номер, а последующие байты нумеруются по возра­станию.

Правильность передачи каждого сегмента должна подтверждать­ся квитанцией получателя, а в случае искажения или потери дан­ных должна быть предусмотрена повторная передача. Когда TCPпередает сегмент данных, он создает его копию, которая поме­щается в очередь повторной передачи, после чего запускается тай­мер. Если в пределах назначенного срока приходит подтверждение передачи, то сохраненная копия удаляется из очереди, в против­ном случае сегмент посылается повторно.

Несмотря на достаточный диапазон номеров он оказывается мал для исключения появления так называемых дублей, которые возникают в случаях, когда весь диапазон номеров исчерпан, а отправленные сегменты не получили подтверждения. Так, в суще­ствующих сетях при скорости передачи 100 Мбит/с цикл исполь­зования всего диапазона номеров составляет около 5 мин. Если за это время не пришло подтверждение передачи, то двум разным сегментам могут быть назначены одинаковые номера, что, разу­меется, может вызвать коллизии. Для решения таких проблем ис­пользуется механизм опознавания, основанный на накоплении, т. е. опознание N
-
ro
номера означает, что получены и распознаны все байты с номерами N
—
l
,
N
—2
и т.д.

14.3.
Маршрутизация
дейтаграмм

Рассмотренный ранее стек протоколов TCP/IP разработан для обеспечения взаимодействия удаленных систем, но корректная и эффективная пересылка пакетов данных невозможна без наличия ряда промежуточных устройств — маршрутизаторов.
В процессе пересылки сообщений между двумя абонентами, расположенны­ми в различных сетях, формируемые блоки данных после отра­ботки протоколов всех уровней оказываются в маршрутизаторе сети отправителя. Далее происходит их передача по некоторому, заранее не определенному маршруту, пока они не окажутся в марш­рутизаторе сети получателя, который и передает эти блоки полу­чателю по известному физическому адресу. При этом сами проме­жуточные маршрутизаторы передают блоки данных, основываясь не на физическом адресе, а на номере сети получателя.

Выделяют два типа маршрутизации: прямую
и косвенную.
Пря­мая маршрутизация может быть реализована, когда отправитель и получатель расположены в пределах одной сети. Поскольку в этом случае IP-адрес получателя известен, то дейтаграмма помещается в кадр канального уровня, затем с помощью протокола разреше­ния адресов определяется физический адрес получателя, после чего дейтаграмма доставляется по назначению с использованием ресурсов одной сети.

Если отправитель и получатель располагаются вне пределов одной сети, то возникает необходимость использования косвен­ной маршрутизации, т.е. выполняемой на уровне IP. Решение о выборе пути для каждой дейтаграммы принимается на основе ана­лиза таблицы маршрутизации,
содержащей информацию о топо­логии системы сетей. При этом всегда ставится задача по оптими­зации маршрута, т.е. доставке сообщения с наименьшей задерж­кой в условиях текущего трафика.

Существующие методики оптимизации маршрута можно ус­ловно разделить на два класса: одношаговую
и многошаговую.

В случае одношаговой оптимизации каждый маршрутизатор принимает решение о выборе только одного шага, т.е. о выборе пути до соседнего маршрутизатора. При этом в таблице маршру­тизации содержатся не полные маршруты в виде цепочек IP-адре­сов, а только совокупность IP-адресов до соседнего маршрутиза­тора. Такой подход к оптимизации маршрута, снимая ограниче­ния на максимальное число промежуточных узлов, формирует Распределенную ответственность за выбор пути доставки сооб­щения.

Построение таблицы маршрутизации при одношаговой опти­мизации возможно путем использования:

• алгоритмов фиксированной маршрутизации,
применяемых в Простых сетях. Таблица маршрутизации и оптимальные маршруты

доставки сообщений между различными устройствами сети в этом случае составляются сетевым администратором вручную;

• алгоритмов простой маршрутизации.
Таблица маршрутизации в данном случае составляется на основании данных, содержащих-ся в проходящих через маршрутизатор дейтаграмм. При этом воз­можна либо случайная маршрутизация (когда дейтаграммы пере­даются в любом случайном направлении кроме исходного), либо лавинная (когда дейтаграммы передаются во всех направлениях кроме исходного), либо, наконец, маршрутизация по предыду­щему опыту;

• алгоритмов адаптивной маршрутизации.
В этом случае марш­рутизаторы периодически обмениваются между собой информа­цией о текущем состоянии сетевой топологии и трафика, что на практике используется наиболее часто.

При использовании алгоритмов многошаговой оптимизации выбор маршрута пересыпки данных производится первым марш­рутизатором, а все остальные только отрабатывают выбранный маршрут. На практике такие алгоритмы используются, как прави­ло, только на этапе отладки.

Управление таблицей маршрутизации во всех промежуточных узлах должно осуществляться динамически, что в большой рас­пределенной сети является весьма сложной задачей. Решение этой задачи основано на использовании семейства протоколов марш­рутизации:

протокола маршрутной информации
(RIP — RoutingInformationProtocol);

протокола первоочередного открытия кратчайшего маршрута
(OSPF— OpenShortestPathFirst);

протокола
связи
между
промежуточными
системами
(IS-IS — Intermediate System to Intermediate System);

внешнего
шлюзового
протокола
(EGP — Exterior Gateway Pro­tocol);

пограничного межсетевого протокола
(BGP— BorderGatewayProtocol).

В зависимости от топологии сети маршрутизаторы могут под­держивать один или несколько протоколов маршрутизации. В табл.

Номер сети получателя 195.209.0.0
Следующий маршрутизатор	Число переходов	Протокол маршрутизации	Таймер
195.209.3.1	3	RIP	235
195.209.1.7	3	RIP	210
195.209.0.9	5	RIP	98

[4.3 приведен пример простой таблицы маршрутизации, содер­жащей типичные записи:

• следующий маршрутизатор —
адрес маршрутизатора, которо­му необходимо переслать дейтаграмму, чтобы доставить ее полу­чателю;

• число переходов —
число маршрутизаторов, которые должны [обработать дейтаграмму прежде, чем она попадет к получателю; • протокол маршрутизации —
определяет протокол, с помо­щью которого данная запись появилась в таблице маршрутиза­ции;

• таймер
— показывает время, прошедшее с момента послед­него обновления данной записи.

Контрольныевопросы

1. Что означает термин «открытая система»?

2. Опишите семиуровневую модель взаимодействия открытых систем. i

3. Почему возникла необходимость введения LCC- и МАС-подуровней?

4. В чем состоят основные задачи TCP/IP?

5. Что такое дейтаграммный принцип передачи данных?

6. Чем отличается динамический IP-адрес от статического?

7. Каковы основные задачи ТСР-протокола?

8. Опишите принцип косвенной маршрутизации и назовите типы таблиц маршрутизации.

Глава 15

АРХИТЕКТУРА
СЕТИ
GPRS
.
ИНТЕРФЕЙСЫ И
ПРОТОКОЛЫ

15.1.
Архитектура
сети
GSM
/
GPRS

В GPRSвся предназначенная для посылки информация разби­вается на отдельные пакеты и посылается в сеть, при этом на приемной стороне из полученных пакетов реконструируется ис­ходное сообщение, а в случае обнаружения ошибок неверно при­нятые пакеты могут быть переданы еще раз.

Архитектурное построение сети GPRSпредставлено на рис. 15.1, из которого видно, что введение технологии пакетной передачи дополняет традиционную сеть GSMновыми элементами, среди которых главными являются обслуживающий узел —
ОУ (SGSN— ServingGPRSSupportNode) и шлюз
GPRS
(GGSN— GatewayGPRSSupportNode).

Обслуживающий узел выполняет роль, аналогичную роли ЩКПС в традиционной GSM, и на него возложены следующие основные функции:

• сопряжение протоколов, используемых в пакетных сетях, с протоколами, по которым организуется передача информации между БС и МС;

• аутентификация абонента и шифрование сообщений;

• сжатие данных;

•маршрутизация (совместно с GPRS-шлюзом) пакетов дан­ных;

• организация взаимодействия между ДР и ЦКПС/ГР;

•накопление (совместно с GPRS-шлюзом) статистической ин­формации о соединениях.

В функции шлюза GPRSвходят следующие операции: г • сопряжение с внешними пакетными сетями;

• маршрутизация пакетов данных, поступающих в сеть GPRS
pt
внешних пакетных сетей, и пакетов данных от МС во внешние пакетные сети;

• накопление статистической информации о соединениях;

• распределение динамических и статических адресов.

При сетевом подходе к организации обмена информацией структура GPRSявляется подсетью внешних пакетных данных, где GPRS-шлюз выполняет роль маршрутизатора со стороны подси­стемы базовых станций. При этом абоненты или мобильные тер­миналы выступают как пользователи внешней сети передачи дан­ных, в которой абоненту присваивается постоянный (статиче­ский) или временный (динамический) адрес, обеспечивающий прохождение информационных пакетов. Когда GPRS-шлюз по­лучает данные, адресованные конкретному абоненту в мобиль­ной сети, он проверяет, является ли адрес активным, т.е. нахо­дится ли абонент в активном состоянии. Если это так, то данные из шлюза пересылаются в ОУ, в противном случае они задержи­ваются.

Принципиальное отличие передачи данных в сетях с комму­тацией пакетов от передачи данных в сетях с коммутацией кана­лов заключается в том, что необходимые канальные ресурсы в первом случае выделяются лишь на время передачи соответству­ющих пакетов информации. Такой подход позволяет, с одной стороны, один физический канал использовать для передачи па­кетов от разных абонентов, а с другой — для одного абонента выделить разные каналы, передача по которым осуществляется Независимо.

При одновременном использовании одних и тех же канальных Ресурсов несколькими абонентами возможно возникновение очереди, вызывающей задержку в связи. Допустимая временная за­держка — одна из характеристик, определяющих качество обслуживания абонентов. На этом фоне спецификация GPRSпредусматривает предоставление услуг абонентам с различным каче­ством, в зависимости от оплаты. Качество предоставляемых услуг определяемое параметром QoS (QualityofService), отражает сле­дующие характеристики:

• приоритет абонента;

• надежность передачи информации;

• допустимую задержку сообщения;

• среднюю и максимальную скорости передачи данных. Наряду с ОУ и шлюзом GPRS в структуру пакетной подсети входят пограничный шлюз
(BG — BorderGatenay), обеспечива­ющий прямое соединение между различными операторами сетей GPRS, а также шлюз тарификации
(CGF — ChargingGatewayFunctionality) и шлюз перехвата.

Для доставки абонентам пакетной сети информации использу­ется адресация пакетов, подобная той, что используется в ло­кальных и глобальных сетях. Несмотря на то что при использова­нии протоколов передачи данных естественной выглядит число­вая адресация абонентов, все же с точки зрения пользователей и разработчиков более удобной является символьная адресация. Поэтому в состав GPRSвходит сервер доменных имен
(DNS— DomainNameServer), преобразующий числовые адреса в сим­вольные (например, числовой адрес 195.209.231.196 — в символь­ный адрес spbstu.ru).

На рис. 15.2 приведен пример получения управляющим узлом подсети GPRSадреса узла глобальной сети с символьным именем spbstu.ru:

1 — узел поддержки шлюза GPRSпосылает запрос в местный DNS-сервер о числовом адресе, соответствующем символьному имени spbstu.ru;

2
— местный DNS-сервер не находит ответа, поскольку в его базе данных содержится информация только об устройствах и

льзователях своей подсети, поэтому он переадресует запрос в корневой DNS-сервер;

3
— корневой DNS-сервер передает список адресов DNS-cepверов, оканчивающихся на .ru;

4
— местный DNS-сервер направляет запрос в .ruDNS-сервер

5 —
с одного из DNS-серверов приходит адрес spbstu.ru;

6 —
получив адрес, местный DNS-сервер пересылает его до­полнительно в управляющий узел, где информация сохраняется в течение определенного времени для отправления по этому адресу пакетов.

По сравнению с традиционной GSMсеть GPRSподобно всем сетям с пакетной коммутацией более уязвима. Для предотвраще­ния (или хотя бы снижения) внешних воздействий злоумышлен­ников в ее состав включается набор программно-аппаратных средств межсетевой защиты, называемый брандмауэр
(FW— FireWall).

При создании подсети GPRSусложняются функции базовых станций и их контроллеров. Так, в БС встраивается дополнитель­ный блок управления пакетами
(PCU— PacketControlUnit), aКБС дополняется блоком канального кодирования
(CCU— ChannelCodecUnit), после чего назначаются следующие дополнительные функции:

• предоставление абонентам пакетной сети физических кана­лов в соответствии с закрепленным за ними качеством обслужи­вания QoS;

• обеспечение фрагментации и формирования кадров для их

рредачи по радиоканалу;

• отслеживание качества обслуживания QoSабонентов при пе­редаче информации по радиоканалу.

Для успешного обслуживания абонентов сети GPRSв МС долж­но быть установлено (или активизировано) дополнительное про­граммное обеспечение, а в ряде случаев к МС может быть присо­единено и внешнее оборудование. Спецификации GPRSпреду­сматривают возможность использования для обеспечения поддер­жки услуг GPRSмобильных станций трех классов:

• МС класса А, способных одновременно и независимо под­держивать как традиционные GSM-услуги, так и специализиро­ванные услуги GPRS;

Е • МС класса В, способных поддерживать как традиционные GSM-yaiyiit. так и специализированные услуги GPRS, но не од­новременно;

• МС класса С, способных поддерживать только услуги GPRS.

Из изложенного ясно, что для оказания услуг GPRSнеобходи­ма реализация ряда дополнительных интерфейсов, отсутствующих 8
традиционной сети.

15.2.
Интерфейсы
сети
GPRS

Технология построения сети GPRSпредполагает добавление в традиционную сеть GSMряда новых интерфейсов, названия ко­торых обычно начинаются с префикса G. На рис. 15.3 представле­ны логические связи и участки взаимодействия различных интер­фейсов.

Для организации в сети GPRSпередачи пакетной информа­ции используются следующие интерфейсы:

• Um(между МС и стационарной частью сети GPRS), служа­щий для обеспечения доступа МС в сеть GPRS. Фактически дан­ный интерфейс аналогичен радиоинтерфейсу в традиционной GSM, обеспечивающему доступ МС к БС;

• Gb(между ОУ и БС), на основе которого осуществляется передача трафика GPRS, а также сигнальной информации радио­канала между соответствующими частями GSMи GPRS;

• Gn, позволяющий осуществлять взаимодействие между не­сколькими ОУ в пределах одной сети GSM;

• Gp, позволяющий осуществлять взаимодействие между не­сколькими ОУ в различных сетях GSM;

• Ga(между ОУ и шлюзом тарификации), обеспечивающий пе­редачу данных о соединении внутри одной сети;

• Gs(между ОУ и ЦКПС), посредством которого сеть GPRSпосылает запросы в сеть GSMи получает ответы. Использование этого интерфейса существенно повышает эффективность исполь­зования ресурсов сети;

• Gd(между ОУ и шлюзом GSM), предназначенный в первую очередь для увеличения эффективности передачи коротких сооб­щений;

Г • Gf(между ОУ и РИО), по которому в сеть GPRSпередается информация об используемом оборудовании, в том числе содер­жимое белого, черного и серого списков;

• Gr(между ОУ и ДР), позволяющий сети GPRSопределять местоположение МС. Кроме того, такой интерфейс может быть использован в случае необходимости для передачи данных в МС, находящуюся в неактивном состоянии.

Кроме рассмотренных в сети GPRSсуществует еще два интер­фейса, существенно отличающихся от других:

• Gi(между ОУ и какой-либо внешней сетью), по которому организуется сопряжение сети GPRSс внешней сетью передачи данных. Следует заметить, что такой интерфейс не является жест­ко стандартизованным;

• R(между терминальным оборудованием и оконечными стан­циями — телефонами), с помощью которого можно, например, передавать данные с карманного компьютера через мобильный телефон (на рисунке не показан). Физической реализацией интер­фейса Rявляются рекомендации ITU-TV.24/V.28.

15.3.
Физические
и
логические
каналы
в
сети
GPRS

Для передачи по радиоинтерфейсу пакетов данных и сигналь­ной информации в структуре подсети GPRSорганизованы логи­ческие каналы, размешенные в физических каналах, которые вы­деляются из общего ресурса сети GSMи называются каналами передачи пакетных данных
(PDCH— PacketDataCHannel). Наряду с наличием в GPRSаналогичных традиционной GSM-структуре принципов организации логических каналов, между ними суще­ствует и ряд существенных различий, связанных, прежде всего, с тем, что распределение сетевых ресурсов может быть как стати­ческим, так и динамическим.

Канал трафика пакетных данных
(PDTCH— PacketDataTrafficiCHannel) выделяется каждой МС для передачи абонентских дан­ных. Различают два вида таких каналов — в восходящем (PDTCH/U) и нисходящем (PDTCH/D) направлениях. Следует обратить вни­мание на то, что в каналах пакетного трафика может также пере­даваться и сигнальная информация в отличие от традиционной GSM, где для этих целей служит канал SDCCH. В частности, ка­налы пакетного трафика используются для функций управления мо­
бильностью,
т.е. для обеспечения сети информацией о местополо­жении МС в домашней или чужой сети, что позволяет произвести вызов абонента и доставить ему сообщение. Для этого зона обслуживания разбивается на области маршрутизации
— ОМ (RA-_ RoutingArea), каждая из которых может как совпадать с зоной местоположения, так и составлять часть ее (вплоть до территории одной соты). В пределах ОМ действует идентификатор области маршрутизации (RAI— RoutingAreaIdentity), образуемый (рис
, 15.4) добавлением к идентификатору зоны местоположения кода маршрутизации
(RAC— RoutingAreaCode). Код маршрутизации состоит из восьми двоичных разрядов, что позволяет в одной ЗМ организовать до 256 ОМ.

Канал управления пакетным вещанием
(РВССН — PacketBroadcastControlCHannel) передает в нисходящем направлении информа­цию, схожую с той, что передается в традиционном вещательном канале (ВССН). Иногда отдельный канал РВССН не организует­ся, тогда информация в канале ВССН становится общей как для GSM, так и для GPRS.

Каналы общего управления пакетной передачей
(РСССН — PacketCommonControlCHannel) объединяют группу однонаправлен­ных логических каналов, передающих сигнальную информацию:

• канал случайного доступа при пакетной передаче
(PRACH— PacketRandomAccessCHannel), noкоторому МС производит пер­вое обращение к подсети GPRSпри необходимости передачи дан­ных или сигнальной информации;

• канал пейджинга при пакетной передаче
(РРСН — PacketPagingCHannel), используемый для вызова МС перед передачей пакетов в нисходящем направлении, т.е. когда МС находится в состоянии ожидания;

• канал разрешения доступа при пакетной передаче
(PAGCH— PacketAccessGrantCHannel), noкоторому сеть в ответ на обра­щение МС по каналу PRACHвыделяет ей ресурсы для передачи пакетов;

• канал предупреждения при пакетной передаче
(PNCH— PacketNotificationCHannel), предназначенный для предупреждения груп­пы МС перед началом передачи пакетов в нисходящем направле­нии.

Выделенные каналы управления пакетной передачей
(PDCCH— PacketDedicatedControlCHannel) объединяют следующие логи­ческие каналы:

• совмещенный канал управления при пакетной передаче
(РАССН —PacketAssociatedControlCHannel), который предает информа­цию для конкретной МС, включая сообщения об изменении мощ­ности, назначении и переназначении ресурсов, а также ресурсах

MCC

MNC

LAC

RAC

pDTCHи т. п. В отличие от традиционной GSMв GPRSдля одной МС может быть выделено несколько каналов пакетного трафика, но их поддержку осуществляет один РАССН. Особенностью этого канала является двунаправленность (работа в восходящем и нис­ходящем направлениях), хотя каналы пакетного трафика, с кото­рыми он ассоциирован, однонаправлены вниз. Кроме того, РАССН не является жестко фиксированным, и сообщения по нему идут по мере необходимости;

• канал управления временем упреждения при пакетной передаче
(РТССН — PacketTimingAdvanceControlCHannel), который используется для того, чтобы сеть могла оценить необходимое вре­мя упреждения по отношению к данной МС. Различают два вида таких каналов: в восходящем (PTCCH/U) и нисходящем (PTCCH/D) направлениях, причем во втором случае информация может пе­редаваться сразу нескольким МС.

Вся совокупность логических каналов, используемых в сети GPRS, и их направленность представлены на рис. 15.5.

15.4.
Протоколы
передачи
данных
в
сети
GPRS

Как уже говорилось, для реализации пакетной передачи дан­ных сеть GSMдополняется рядом новых интерфейсов, поддер­живаемых соответствующими протоколами, реализация кото­рых основана на принципах семиуровневой модели ВОС. Всю совокупность таких протоколов можно условно подразделить на Два класса:

• протоколы передачи данных,
используемые для передачи дан­ных от абонентов и выполнения контролирующих функций; :
• протоколы передачи сигнальной информации,
используемые для передачи служебной информации и поддержки функций переда­чи данных.

Протоколы, используемые для передачи абонентских данных, спецификациях GPRSпринято называть плоскостью передачи TransmissionPlane), а протоколы, используемые для передачи

сигнальной информации, — сигнальной плоскостью (SignalingPlane).

Как уже говорилось в гл. 14, пользовательские данные пересы­лаются в виде пакетов, называемых дейтаграммами (или IP/X.25-блоками), и на рис. 15.6 представлена структура протоколов пере­дачи таких пакетов между наиболее важными узлами сети GPRS. Рассмотрим прежде всего назначение основных протоколов, свя­занных с передачей данных в Um-интерфейсе.

Протоколы
передачи
данных
в
Um
-
интерфейсе

В целях более гибкого использования протоколов в Um-интер­фейсе физический уровень модели ВОС разделен на два подуров­ня: радиочастотный подуровень
(RF — RadioFrequency) и подуро­вень физического канала
(PHL— PHysicalLink).

Протоколы радиочастотного подуровня определяют структуру радиоканала, в частности параметры несущего колебания, схему модуляции, характеристики приемопередающих устройств. Радио­интерфейс сети GPRSсовпадает с радиоинтерфейсом Umсети GSM.

Протоколы подуровня физического канала обеспечивают рас­пределение ресурсов единого канала между мобильными абонен­тами и их соединение с сетью. На этом подуровне закладывается механизм прямой коррекции ошибок
(FEC— ForwardErrorCorRection), позволяющий обнаруживать и исправлять неправильно Переданные пакеты данных. Кроме того, на этом подуровне про­изводится поддержка разбиения блоков более высокого канального уровня на совокупность МДВР-кадров, т.е. каждый блок вы-Кнестояшего уровня разбивается на четыре временных кадра. На Конец, подуровень физического канала содержит в себе возмож­ности дальнейшей модернизации сети.

Протоколы канального уровня тесно связаны между собой и в совокупности обеспечивают высоконадежную передачу данных по радиоинтерфейсу.

Протокол контроля доступа к среде
(MAC — MediumAccessControl) устанавливает канал и мультиплексирует данные, и на него возложены следующие функции:

• обеспечение эффективного мультиплексирования данных и контроля сигнальной информации в восходящем и нисходящем каналах. При этом в нисходящем канале мультиплексирование кон­тролируется заранее предопределенным механизмом расписания, а в восходящем — определяется для каждого пользователя в от­дельности, например при ответе на запрос услуги;

• обеспечение доступа к установленному мобильному каналу передачи, разрешение конфликтов между отдельными попытка­ми доступа к каналу различных абонентов;

• обеспечение доступа к разорванному мобильному каналу пе­редачи, фиксирование попыток доступа к разорванному каналу, включая организацию очереди пакетов;

• установление приоритета обработки пакетов.

На протокол контроля радиоканала
(RLC — RadioLinkControl) возложено выполнение следующих функций:

• установление и обеспечение связи между уровнем управле­ния среды доступа и уровнем управления логическим соединени­ем;

• сегментацию и восстановление пакетов данных при переходе их с одного уровня иа другой;

• обратную коррекцию ошибок — процедуру, включающую в себя изъятие повторно переданных ошибочных кодовых слов (сам механизм коррекции ошибок обеспечивается на физическом уров­не).

Описанные задачи протоколов RLC/MACреализуются в бло­ке управления пакетом и в блоке канального кодирования (см. подразд. 15.1), являющихся составной частью модифицирован­ной БС.

Блок управления пакетом выполняет следующие функции:

• сегментацию LLC-блока (см. далее) на RLC-блоки в восходя­щем канале;

• восстановление LLC-блоков из RLC-блоков в нисходящем канале:

• формирование канала пакетной передачи данных в восходя-щем и нисходящем каналах;

• организацию автоматического запроса повторной передачи (ARQ— AutomaticRepetitionQuery) RLC-блоков;

• управление доступом к каналу;

• контроль ресурсов радиоканала (питания, перегрузки и т.п.). В блоке кодирования осуществляются следующие операции:

• помехоустойчивое кодирование, включающее в себя прямую коррекцию ошибок и перемежение;

• вычисление параметров радиоканала (уровня принимаемого сигнала, текущего QoSи др.).

Протокол управления логическим соединением
(LLC — LogicalLinkControl) обеспечивает логическое соединение между МС и ОУ, даже если в этот момент нет их физического соединения на более низком уровне, т. е. если абонентские пакеты в этот момент не передаются. Будучи независимым от протоколов более низких уровней, этот протокол одновременно предоставляет надежный и безопасный логический канал для протоколов более высоких уровней.

Протокол LLCобеспечивает поддержку канала передачи дан­ных с шифрованием между МС и ОУ. При этом соединение под­держивается при пересечении границ сот, обслуживаемых одним ОУ, в случае же обслуживания сот разными ОУ существующее соединение освобождается и устанавливается новое соединение с новым ОУ. Заметим, что прямое соединение между двумя МС не поддерживается. Данный протокол независим от базовых прото­колов радиоинтерфейса, и при обеспечении возможности работы его с различными протоколами радиоинтерфейса может возник­нуть необходимость выполнения некоторых настроек, например длины LLC-блока или показания таймера (максимальная длина LLC-блока составляет 1 600 байт).

Для протокола управления логическим соединением определе­но два режима работы: с подтверждением и без подтверждения. В режиме с подтверждением происходит повторная ретрансляция данных в случае отсутствия подтверждения в течение отведенного интервала времени.

В режиме без подтверждения, в котором передаются короткие сообщения и сигнальная информация, не требуется ответа на пе­редаваемые данные. При этом информация может передаваться как в защищенном, так и незащищенном виде.

На уровне LLC обеспечиваются:

• передача LLC-блоков между МС и ОУ в режиме точка—точка с подтверждением и без подтверждения;

• доставка LLC-блоков от ОУ к МС в режиме точка—много точек;

контроль потока LLC-блоков между МС и ОУ;

кодирование LLC-блоков;

•
обнаружение и восстановление ошибочных (потерянных) LLC-блоков.

Взаимодействие протоколов физического и канального уров­ней в Um-

интерфейсе, т.е. последовательное преобразование LLC-j&ioKOBво временные кадры иллюстрирует рис. 15.7. . Протокол зависимого сближения
(SNDCP— SubNetwork•DependentConvergenceProtocol) относится к сетевому уровню вза­имодействия. Главная его задача заключается в установлении точек доступа к протоколам более высокого и более низкого уров­ней. Кроме того, в функции данного протокола также входит обес

печение сжатия, сегментации и мультиплексирования пакетов дан­ных.

На рис. 15.8 показан пример действия протокола пакетной пе­
редачи данных
(PDP— PacketDataProtocol) на уровень LLC. Оп­ределение идентификатора точки доступа
(NSAPI— NetworkServiceAccessPointIdentifier) осуществляется посредством ана­лиза специального набора параметров данного протокола — так называемого PDP-контекста.
Вычисленный NSAPIзатем поме­щается в заголовок LLC-блока в целях указания приложения, к которому принадлежат пакеты. Заметим, что один PDPможет иметь несколько PDP-контекстов и, следовательно, несколько различ­ных точек доступа.

Протоколы
передачи
данных
в
Gb
-
интерфейсе

Gb-интерфейс обеспечивает мультиплексирование данных от различных пользователей в одном физическом канале посредством применения технологии ретрансляции кадров
(FR— FrameRelay), заключающейся в том, что пользователю при передаче или полу­чении данных предоставляются физические ресурсы системы, ко­торые высвобождаются по окончании процесса приема-передачи. Такая ситуация, очевидно, существенно отличается от ситуации в традиционной GSM, где один пользователь имеет право на фи­зические ресурсы (в одном слоте) на все время соединения неза­висимо от состояния ее активности.

При использовании указанной технологии между ОУ и БС ус­танавливается постоянное виртуальное соединение
(PVC— Perma­nentVirtualCircuit), обеспечивающее передачу LLC-блоков, в которых 2 байт отводится на адресное поле, а максимальный раз­мер информационного поля составляет 1 600 байт. При этом под­держивается механизм обнаружения ошибок без восстановления искаженных (утерянных) блоков.

Скорость передачи в Gb-интерфейсе может варьироваться для каждого отдельного пользователя вплоть до максимального зна­чения 2 Мбит/с.

Протокол передачи пакетов в подсистему базовых станций
(BSSGP— BaseStationSubsystemGPRSProtocol) обеспечивает передачу пользовательских данных и сигнальной информации меж­ду ОУ и БС. Его главной целью является обеспечение необходи­мого качества услуг, а также маршрутизация информации. Кроме того, на протокол возлагаются задачи управления ОУ и БС. Ос­новными функциями BSSGP являются:

• организация канала без установления соединения;

• передача данных между ОУ и БС без подтверждения;

обеспечение двухстороннего контроля данных;

• поддержка вызовов от ОУ к БС;

• удаление старых сообщений в БС при обновлении;

• поддержка каналов второго уровня.

Протоколы
передачи
данных
в
Gn
-
интерфейсе

Взаимодействие между МС и внешней пакетной сетью предпо­лагает «прозрачную» работу с открытыми, т.е. известными обеим сторонам IP-адресами. Однако прежде чем пакет данных от МС по­ступит в GPRS-шлюз своей сети, он должен, пройдя по несколь­ким функциональным узлам, оказаться в ОУ (аналогично ситуа­ция складывается при приеме пакетных данных от внешней МС).

В принципе возможно так организовать передачу пакетов, что весь маршрут, в том числе и внутри сети GPRS, будет проходить по открытым IP-адресам. Однако такая организация представля­ется далеко не лучшим решением задачи по многим параметрам, в том числе с точки зрения информационной безопасности. Исхо­дя из этого целесообразно построение маршрута внутри сети GPRS(прежде всего между ОУ и GPRS-шлюзом), при котором переда­ча пакетов будет осуществляться по внутренним, неизвестным для внешних пользователей IP-адресам.

Реализация указанной концепции осуществляется путем созда­ния специального «туннеля» между ОУ и GPRS-шлюзом (рис. 15.9), при котором внешние IP-пакеты помещаются сначала в специ­альные «контейнеры», а затем — во внутренние IP-пакеты, после чего передаются внутри сети GPRS. При этом в процессе туннелирования происходит последовательная инкапсуляция пакетов,
т.е. добавление к заголовку предыдущего уровня заголовка теку­щего уровня (рис. 15.10).

Организация процессов туннелирования в Gn-интерфейсе ос­нована на использовании Интернет-протокола
и протокола па­
кетного туннелирования
(GTP— GPRSTunnelingProtocol), по­этому туннельные пакеты часто называют GTP-пакетами. Струк­тура IP-пакета была показана в табл. 14.1. Кратко рассмотрим струк­туру GTP-пакета.

GTP-пакет состоит из двух частей: заголовка и информацион­ной части. Заголовок содержит 16 байт и включает в себя следую­щую информацию:

• тип сообщения (значения 1...52 для сигнализации и 255 — для данных);

• длину сообщения в байтах;

• последовательность значений для идентификации транзак­ций сигнальных сообщений и счетчик дейтаграмм;

• число LLC-блоков, используемых для процедуры переопре­деления области маршрутизации, применяемой для координации передачи данных между МС и ОУ;

• флаг, отражающий включение числа LLC-блоков;

• туннельный идентификатор (TID— TunnelIDentifier), со­держащий код страны (МСС), код мобильной сети (MNC), иден­тификационный код мобильной станции (MSIN) и идентифика­тор точки доступа сетевой услуги (NSAPI).

Наряду с рассмотренными протоколами в Gn-интерфейсе так­же используются протоколы передачи данных
(UDP/TCP— UserDatagramProtocol/ TransmissionControlProtocol), служащие для передачи инкапсулированных GTP-пакетов между магистральны­ми узлами с подтверждением (TCP) или без подтверждения (UDP) принятых данных, и протоколы
L
1
и L
2,
являющиеся независи­мыми протоколами физического и канального уровней, так как спецификациями GSMони не определены, и их реализация на­ходится в компетенции оператора (внутри сети GPRS) или долж­на быть согласована с оператором внешней пакетной сети.

15.5.
Радиоинтерфейс
сети
GPRS

Как уже говорилось, для физической передачи информации внутри сети GPRSорганизован канал пакетной передачи данных (см. рис. 15.5), ресурсы которого распределены на две части: для

звокупности всех МС и для остальной сети. Организация различных логических каналов в физическом канале аналогична органи­зации их в традиционной сети GSMи достигается путем исполь­зования мультикадровой структуры.

При пакетной передаче организован 52-кадровый мультикадр [(рис. 15.11). В отличие от традиционной GSM, где реализована струк­тура 51/26-кадрового мультикадра, в PDCHмультикадр состоит Ез 52 кадров МДВР и содержит 12 блоков В0...В11 по четыре [ кадра в каждом, два пустых (резервных) кадра и два кадра, пред­назначенных для логического канала РТССН. Напомним, что в одном блоке содержится последовательность из четырех инфор­мационных пакетов, размещенных в четырех последовательных (а не в одном) кадрах на одной рабочей частоте в одном и том же слоте.

Каждый блок используется для передачи сообщения одного из каналов пакетного трафика или каналов управления, за исключе­нием канала РТССН, информация которого расположена в 13-м (PTCCH/U) и 39-м (PTCCH/D) кадрах. В восходящем направле­нии одна МС разделяет канал PTCCH/Uс 15 другими МС, по­этому можно считать, что МС передает сигнал доступа (accessburst) один раз за восемь мультикадров (один раз за 1,92 с). Одно сооб­щение канала PTCCH/D, содержащее информацию для нескольких МС, занимает четыре кадра, поэтому его передают в течение двух мультикадров.

Кадры 26-й и 52-й свободны, поэтому они, а также упомянутые 13-й и 39-Й кадры используются для следующих целей:

• измерение уровней сигналов и приема системной информа­ции от соседних БС;

• проведение измерений, необходимых для управления мощ­ностью;

выполнение процедуры обновления времени упреждения.

Из приведенной в подразд. 15.3 классификации видно, что ра­диоинтерфейс сети GPRSсостоит из независимых и несиммет­ричных1
логических каналов, следовательно, должен существовать некоторый механизм распределения радиоресурсов. Конкретно, если передача пакетов в нисходящем канале, т. е. от сети к множе­ству МС, не приводит к возникновению конфликтов, то при орга­низации передачи в восходящем канале, при которой МС совме­стно используют один и тот же слот, необходима процедура пре­дотвращения возможных коллизий.

Как видно из представленной на рис. 15.11 структуры мультикадра, при наличии 12 блоков возможно мультиплексирование 12 различных абонентов в одном слоте восходящего канала, при этом каждая МС должна знать, какой блок и в каком канале PDCHона должна использовать.

Для решения такой задачи используется специальный флаг ус­тановки соединения в восходящем канале
(USF— UplinkStateFlag), который передается в нисходящем направлении по каналу PAGCHи используется в качестве признака того, какая МС имеет право на использование данного блока. Отслеживая значения флагов, МС имеет возможность передавать в восходящем направлении бло­ки, имеющие то же самое значение флага, которое ей изначально было выделено. Флаг состоит из трех разрядов и соответственно имеет восемь значений, поэтому в действительности при передаче информации в восходящем направлении только восемь (а не 12) абонентов имеют возможность одновременно делить между собой один слот канала PDCH.

На рис. 15.12 абоненту МС1 выделено значение флага USF= 1 и обеспечена возможность использования блоков В0...В4, а або-

1
Несимметричность означает, что не все каналы функционируют в обоих направлениях.

Число слотов	Скорость передачи, Кбит/с
	CS1	CS2	CS3	CS4
1 3 8	9,1 27,2 72,0	13,4 40,2 107,2	15,6 46,8 124,8	21,4 64,2 171,2

ненту МС2 — значение USF= 2 и возможность использования блоков В5...В9.

В целях обеспечения высокой защищенности блоков, переда­ваемых по радиоканалу, в структуру передаваемой информации [вводится механизм помехоустойчивого кодирования. При этом в GPRSпредусмотрено четыре возможных схемы кодирования: CS1...CS4. Схема CS1 обладает самой высокой степенью исправ­ления ошибок и самой низкой скоростью передачи данных, в то время как в схеме CS4 исправление ошибок вообще отсутствует, зато при этом реализуется наивысшая скорость передачи. В табл. 15.1 приведены значения скоростей передачи для различных схем ко­дирования при использовании одного, трех или восьми слотов. | В традиционной GSMобычно используется 1 слот для переда­чи в обоих направлениях, в GPRSв целях обеспечения более высокой скорости передачи возможно использование нескольких (до (восьми) слотов, причем в восходящем и нисходящем направле­ниях.

15.6.
Передача
пакетных
данных
по
радиоинтерфейсу

Передача абонентских данных и сигнальной информации по радиоинтерфейсу происходит в обоих направлениях на основе протоколов SNDCP, LLC, RLC/MAC, а также протокола физиче­ского уровня. Рассмотрим, как происходит преобразование паке­тов данных при передаче их от верхних уровней к нижним, и на­оборот (рис. 15.13).

Вышестоящие уровни передают на уровень управления логи­ческим соединением LLC(подуровень канального уровня в моде­ли ВОС) для последующей передачи по радиоканалу пакеты або­нентских данных, пакеты сигнализации и имеющие тот же статус Пакеты коротких сообщений. При этом, поскольку возможна од­новременная передача пакетов, построенных на базе различных [Пакетных протоколов (PDP), необходимо их мультиплексирова­ние через соответствующие точки доступа на каком-либо подуровне

сетевого уровня. В GPRSтаким подуровнем является уровень про­токола зависимого сближения (SNDCP), на который и возложе­ны функции мультиплексирования пакетов, а также их сжатие и при необходимости сегментация.

Пакеты от различных протоколов поступают на рассматрива­емый уровень SNDCPчерез различные точки доступа, характе­ризуемые соответствующим идентификатором — NSAPI, кото­рый при работе по принципу точка—точка принимает 11 возмож­ных значений от 5 до 15. Конкретные значения NSAPIсистема назначает динамически, и они включаются в PDP-контекст МС, ОУ и GPRS-шлюза.

В спецификациях GPRSпакеты абонентских данных принято называть сетевыми пакетами (N-PDU— NetworkProtocolDataUnit). Все отправляемые сетевые пакеты нумеруются в диапазоне 0...255 при работе протокола SNDCPв режиме с подтверждением (AcknowledgedMode) и в диапазоне 0...4095 в режиме без под­тверждения (UnacknowledgedMode). Инкапсулированные сетевые пакеты на выходе уровня SNDCPпринято обозначать SN-PDLJ(SubNetworkProtocolDataUnit). При этом в заголовок каждого та­кого пакета включаются идентификатор NSAPI, указание на ре­жим (с подтверждением или без него), номер исходного сетевого пакета, а также в случае сегментации и сжатия — номер сегмента.

Максимальный размер пакета SN-PDUобусловлен возможностями уровня LLCи составляет 1 520 байт для режима с подтвержде­нием и 500 байт для режима без подтверждения. Максимальный размер пакетов сигнализации и коротких сообщений ~- 270 байт. При работе в режиме с подтверждением номер сетевого пакета используется для подтверждения его приема с указанием, есть необходимость повторной передачи или нет.

Основные операции, связанные с обработкой сетевых паке­тов, осуществляются на подуровнях LLCи RLC/MACканального уровня.

Преобразование
пакетных
данных
на
уровне
LLC

На уровень LLCсетевые пакеты данных поступают через точки Доступа, характеризуемые идентификатором SAPI, принимающим значения 3, 5, 9 и 11. Точка доступа с SAPI= 1 используется для рередачи информации управления мобильностью, а точка досту­па с SAPI= 7 — для передачи коротких сообщений. Следует заметить, что каждый активный идентификатор NSAPIможет использовать лишь один SAPI, но благодаря мультиплексированию один SAPIможет быть ассоциирован с несколькими NSAPI.

На уровне LLCпроисходит инкапсуляция пакетов данных по­средством добавления к ним заголовка — FH (FrameHeader) и Последовательности проверочных символов — FCS (FrameCheckSequence) (рис. 15.14). Информационным полем является любой

пакет (SN-PDU, пакет управления мобильностью или пакет ко­роткого сообщения), поступивший с вышестоящего уровня.

Как уже говорилось, передача LLC-пакетов возможна с под­тверждением или без него. В последнем случае передача может быть начата без предварительного установления логического соедине­ния, а доставка информации не гарантируется. При этом возмож­ны два режима работы: защищенный (ProtectedMode), при кото­ром проверочные символы защищают и заголовок, и информаци­онное поле, и незащищенный (UnprotectedMode), при котором проверочные символы защищают только заголовок пакета LLC-уровня. Обнаружение ошибки в защищенном режиме ведет к от­брасыванию поврежденного пакета, а в незащищенном — к воз­вращению его на вышестоящий уровень. Если же используется режим с подтверждением, то прием каждого пакета подтвержда­ется отсылкой его копии в обратном направлении. Таким обра­зом, если принятый пакет данных содержит ошибку, то это обна­ружится на вышестоящем уровне, и будет осуществлена повтор­ная передача на LLC-уровень.

Наконец, еще одной функцией, возложенной на уровень LLC, является шифрование информации. При этом заголовок LLC-па­кета передается в открытом виде, а шифрованию подвергаются информационное поле и проверочная последовательность. Рассмот­рим более подробно процесс шифрования.

Для решения поставленных на уровне LLCзадач стандарт GPRSопределяет четыре типа пакетов, или кадров:

• Iкадр используется для передачи информации с вышесто­ящего уровня с подтверждением на уровне LLC. Заголовок каждо­го /-кадра включает в себя порядковые номера N(
S)
и N(
R)
со­ответственно передаваемого и принятого пакетов и бит подтверж­дения (A-bit — Acknowledgedrequestbit), указывающий необходи­мо ли подтверждение данного пакета в следующих пакетах. Кроме того, /-кадр содержит управляющую информацию, аналогичную той, что содержится в 5-кадре, и вместо термина /-кадр иногда используется термин (/+ 5)-кадр;

• S-кадр выполняет контролирующие функции, такие как под­тверждение /-кадров и запрос на приостановку их передачи. Заго­ловок 5-кадра включает в себя порядковый номер N(
R)
принято­го пакета и бит подтверждения, указывающий на необходимость подтверждения пакета;

• UI-кадр используется для передачи информации без подтвер­ждения на уровне LLC. Он может быть потерян без уведомления об этом вышестоящего уровня. Информационное поле (//-кадра может быть зашифровано или не зашифровано, что определяется значением соответствующего бита (E-bit — EncryptionFunctionbit) заголовка. Еще один бит заголовка содержит информацию о режиме передачи (защищенный или незащищенный режим);

• U-кадр предназначен для осуществления дополнительных функций управления. Такие пакеты не нумеруются, а в их заго­ловке содержится информация о том, является этот пакет коман­дой или откликом.

Все пакеты на уровне LLCмогут иметь переменную длину. ЗаIголовок содержит адресное поле (1 байт) и поле управляющей информации, размер которого составляет 3 байт для /-кадра, 2 байт Iдля S-
и UI-кадров и 1 байт для U-кадра. Кроме того, для I- и U-кадров поле управляющей информации может дополнительно включать в себя данные выборочного подтверждения (SACK— SelectiveACKnowledgement) — в этом случае его размер может достигать 36 байт для /-кадров и 34 байт для S-кадров. Размер проверочного поля составляет 3 байт. Информационное поле, как уже было сказано ранее, может содержать до 1 520 байт.

Преобразование
пакетных
данных
на
уровне
RLC
/
MAC

После того как на уровне LLCсформированы пакеты в виде описанных ранее кадров, они поступают на уровень RLC/MAC, где производится формирование пакетов, состоящих из заголовка (ВН — BlockHeader) и информационного поля (см. рис. 15.14). [Размер таких пакетов может составлять 184, 271, 315 и 431 бит, причем пакет сигнальной информации всегда содержит 184 бит. Аналогично уровню LLCуровень RLC/MACможет работать в режимах подтверждения и без подтверждения.

На подуровне RLCосуществляются сегментация и десегмента-ция LLC-кадров, а также обеспечивается выборочная повторная Передача неправильно принятых блоков, хотя сам подуровень RLCне снабжен механизмом проверки ошибок, и функцию выявле­ния ошибочно принятых RLC/MAC-пакетов выполняет нижесто­ящий физический уровень.

Основной целью подуровня MACявляется обеспечение воз­можности использования несколькими МС общего ресурса. Для достижения этой цели необходимо решение следующих задач:

• мультиплексирования абонентских данных и сигнализации в Восходящем и нисходящем направлениях;

• установки приоритетов абонентов и обслуживания в соответ­ствии с этими приоритетами;

• управления доступом к сети со стороны МС;

• управления доступом к МС со стороны сети, включая орга­низацию очередей.

Для совместного использования несколькими МС общих ра­диоресурсов каждой МС выделяется временный идентификатор ло­
гического канала
(TLLI— TemporaryLogicalLinkIdentity), размер Которого 32 бит. Он конструируется из пакетного идентификатора

P-TMSI, известного только ОУ и МС, что обеспечивает конфи­денциальность пользователя.

Различают TLLI
четырех типов: локальные, внешние, случайные
и вспомогательные.
Идентификатор будет локальным при его кон­струировании из пакетного идентификатора P-TMSI, выделенно­го ОУ в данной ОМ. Если идентификатор выделен ОУ в другой ОМ, то он является внешним. Возможны ситуации, при которых МС не имеет выделенного P-TMSI, например в случае анонимно­го доступа — тогда используются случайные и вспомогательные идентификаторы.

Формирование 32-битного TLLIиз 32-битного P-TMSIпока­зано в табл. 15.2, где Г указывает совпадение данных бит TLLIс соответствующими битами P-TMSI, A
— выбор данных бит ОУ, R
— случайный выбор значений.

На время однонаправленной передачи LLC-пакетов на одном или нескольких каналах PDCHорганизуется физическое соеди­нение, называемое временным потоком блоков
(TBF— TemporaryBlockFlow) и используемое для передачи некоторого числа RLC/ МАС-пакетов, каждый из которых переносит один или несколь­ко LLC-кадров. Каждый из этих пакетов содержит информацию о том, какому TBFон принадлежит, для чего вводится идентифи­катор временного потока
(TFI— TemporaryFlowIdentity), прини­мающий значения от 0 до 31, который выделяется сетью каждой МС в специальном сообщении о выделении ресурса, предшеству­ющем передаче кадров уровня LLC.

Структура пакетов на RLC/MAC-уровне различна и зависит как от направления передачи, так и от того, используется он для передачи данных или сигнализации (рис. 15.15).

Пакеты трафика (PDTCH) состоят из RLC-пакета данных и MAC-заголовка. В свою очередь, RLC-пакет данных состоит из RLC-заголовка и блока информации, представляющих собой дан­ные от одного или нескольких LLC-пакетов. Помимо этого RLC-блок может содержать дополнительные (резервные) биты, игно­рируемые при декодировании.

RLC/MAC-пакеты сигнализации (РАССН, РВССН, РРСН, PAGCH, PNCH, РТССН) содержат МАС-заголовок и RLC/MAC-

Тип TLLI	0... 26 бит	27 бит	28 бит	29 бит	30 бит	31 бит
Локальный	Т	Т	Т	Т	1	1
Внешний	Т	Т	Т	Т	0	1
Случайный	R	1	1	1	1	0
Вспомогател ьный	А	0	1	1	1	0

пакетсигнализации, включающий в себя контрольный заголовок и в случае нисходящего канала блок сигнальной информации.

МАС-заголовок всегда состоит из 8 бит и разбит на несколько полей, назначение которых определяется направлением передачи. Так, в нисходящем канале первые 3 бит определяют флаг USFростояния канала, указывающий возможность использования МС следующего радиоблока мультикадра данного физического кана­ка для передачи в восходящем канале. При этом использование тогофлага зависит от того, перелается ли в данном PDCHлогический канал общего управления пакетной передачей (РСССН). Если это так, то значение USF=111 указывает, что следующий блок может быть использован для доступа в сеть любой МС по­средством логического канала случайного доступа (PRACH). Если же в PDCHотсутствует РСССН, то 23
= 8 возможных значений TJSFрезервируют следующий радиоблок для работы одной из МС в восходящем канале.

В PLC-заголовке в восходящем канале помимо другой инфор­мации содержатся временный идентификатор логического канала rTLLI), идентификатор временного потока (TFI) и порядковый номер PLC/MAC-пакета в этом потоке. Напомним, что наличие ^нумерации пакетов позволяет запрашивать повторную передачу ошибочно принятых пакетов.

Обработка
пакетных
данных
на
физическом
уровне

Обработка информации на физическом уровне осуществляется какрешение следующих основных задач:

• помехоустойчивое канальное кодирование, позволяющее вы­являть и исправлять искаженные блоки, а при невозможности их исправления — информировать об этом RLC-уровень;

• перемежение бит в пределах передачи одного блока;

• мультиплексирование, заключающееся в создании пачек спе­циального вида и формировании из этих пачек кадров и мульти-кадров для передачи по радиоканалу.

Параметр	Схема кодирования
CS1	CS2	CS3	CS4
Логические каналы		PDTCHРАССН РВССН РРСН PNCHPTCCH/D	PDTCH	PDTCH	PDTCH
RLC-пакет данных	Число байт	22	32	38	52
	Число дополни­тельных бит	0	7	3	7
Размер МАС-заголовка, бит		8	8	8	8
Размер блока на входе кодера, бит		184	271	315	431
Блочное предкодирование		Не использу­ется	(6,3)	(6,3)	(12,3)
Размер блока на входе блочного кодера, бит		184	274	318	440
Число проверочных бит		40	16	16	16
Размер блока на выходе блочного кодера, бит		228	284	338	456
Сверточный код		(2, 1, 5)	(2, 1, 5)	(2, 1, 5)	Не исполь­зуется
Размер блока на выходе сверточного кодера, бит		456	558	676	456
Число выкалываемых бит		0	132	220	0
Размер блока на выходе канального кодера		456	456	456	456
Перемежение		4 блока по 114 бит
Вид пакета передачи по радиоканалу		Нормальная пачка 148 бит
Скорость передачи данных, Кбит/с		9,05	13,4	15,6	21,4

В процессе канального кодирования из каждого RLC/MAC пакетаформируется блок физических данных, размер которого при любой схеме кодирования составляет 456 бит. Далее такой блок подвергают перемежению, в результате чего возникает четыре бло­ка по 114 бит в каждом, и их передают по радиоинтерфейсу. Возможные параметры различных схем кодирования при GPRSпредставлены в табл. 15.3.

Радиочастотный подуровень подсети GPRSне отличается от традиционной сети GSM, т.е. в нем используются сигналы с тем же видом гауссовской частотной модуляции и минимальным сдвигом частоты, а также с такими же временными и спектральными характеристиками.

Соответственно аналогичные требования предъявляются и кприемопередающим трактам подсети GPRS.

15.7 Шифрование в сети
GPRS

Главным отличием обеспечения информационной безопасностив сети GPRSот традиционной сети GSMявляется то, что наряду со стандартным алгоритмом шифрования существует возможность выбора соответствующих алгоритмов из широкого списка. Специализированная группа экспертов SAGE (ETSISecurityAlgorithmsGroupofExperts) разработала принципы шифрования при пакетной передаче данных. Эти алгоритмы предоставляются производителям аппаратуры и сетевым операторам на основе лицензии при условии конфиденциальности. Как известно, в традиционной сети GSMшифрованию под­вергается информация между МС и БС для одного логического канала. Шифрование же в GPRSпроизводится между ОУ и МС на уровне LLC, а БС в процессах шифрования никак не участвует. Кроме того, шифрование производится независимо в восходя­щем и нисходящем направлениях с использованием различных ключей шифрования.

Поскольку при GPRSномер временного кадра не известен (а этот номер лежит в основе традиционного шифрования в GSM), тоза его аналог берется номер LLC-пакета. Следовательно, ис­ходя из объема LLC-пакета шифрованию подвергаются данные объемом до 1 600 байт (в отличие от 114 бит в традиционной GSM).

Стандартный алгоритм использует симметричную схему шифрования, а основными параметрами при этом являются следующие: • ключ шифрования Кс длиной 64 бит. Как и при традиционной GSM, его генерирует МС в процессе аутентификации, и он совпадает с значением Кс, полученным ОУ от ДР в составе триплетов;

• INPUT— параметр, имеющий длину 32 бит и зависящий от типа LLC-пакетов. В случае использования 1-кадров, переносящих абонентские пакеты, значение INPUTустанавливается случай­ным образом и увеличивается на единицу для каждого нового I-кадра. Если же используются UI-кадры, переносящие как або­нентские пакеты, так и сигнализацию, значение INPUTпред­ставляет собой неповторяющееся 32-битовое число, определяе­мое из LLC-заголовка;

• DIRECTION— однобитовый параметр, определяющий на­правление передачи;

• OUTPUT— строка, содержащая зашифрованные данные. Ее минимальная длина составляет 3 байт, а максимальная — 1600 байт, что соответствует максимально возможной длине по­лезной части LLC-пакета, включая 3 байт проверочных символов FCS. При этом заголовок LLC-пакета не шифруется.

Принцип шифрования при GPRSс использованием введен­ных параметров поясняет рис. 15.16. На передающей стороне вхо­дящие в OUTPUTбиты складываются по модулю 2 с битами ис­ходного сообщения PLAINTEXT, что в результате дает зашифро­ванное сообщение CIPHEREDTEXT. Соответственно для восста­новления исходного сообщения на приемной стороне биты за­шифрованного сообщения складываются по модулю 2 с битами строки OUTPUT. Для повышения эффективности процесса шиф­рования предусмотрена возможность генерирования на выходе алгоритма пакетов, содержащих требуемое число байт. Обычно используются или короткие (25 ...50 байт), или длинные (500... 1000 байт) пакеты.

Контрольные
в
опросы

1. Перечислите основные функциональные узлы сети GPRS и укажи­те их аналоги в традиционной GSM.

2.Какие характеристики определяются параметром QoS?

3.Опишите процедуру получения сетью адреса определенного узла.

4. Перечислите основные интерфейсы сети GPRSи поясните их на­значение.

5. Какие логические каналы, предназначенные для пакетной переда­чи данных, организованы в сети GSM/GPRS?

6. Каковы функции МАС-протокола GPRS?

7. Перечислите и кратко опишите протоколы передачи данных по Gn-нтерфейсу.

8. Раскройте структуру GTP-пакета.

9.В чем заключаются сходство и различие иерархической кадровойструктуры GPRSи традиционной GSM?

10. Для чего используется флаг установки соединения?

11. Опишите процедуру преобразования пакетных данных на LLC-уровне.

12. Чем отличаются принципы шифрования в GPRSи в традицион­ной GSM?

Глава 16

УСЛУГИ
И
КАЧЕСТВО
ОБСЛУЖИВАНИЯ
В
СЕТИ
GPRS

16.1.
Услуги
и
их
безопасность

В отличие от традиционной GSM, где по существу предостав­ляется единственная услуга коммутации абонентских каналов с качеством, не зависящим от желания абонента, различные при­ложения, которые могут использовать передачу данных через сеть GPRS, предъявляют заметно отличающиеся требования к таким параметрам, как вероятность ошибки, задержка сообщения, сто­имость, конфиденциальность и др. Исходя из этого абонентам GPRSпредлагается широкий спектр услуг, характеризуемых раз­личным качеством обслуживания и стоимостью.

В GPRSвозможен режим «сквозной» (end-to-end) передачи данных, определяющий два класса услуг: передачу данных между двумя абонентами (РТР — Point-To-Point) и передачу данных от одного абонента нескольким (РТМ — Point-To-Multipoint).

Связь между двумя абонентами, один из которых является пе­редающим, а другой — принимающим, может быть осуществлена либо без соединения (РТР ConnectionNetworkService), либо с ориентированным соединением (РТР ConnectionOrientedNetworkService).

В первом случае передающий абонент посылает одиночные па­кеты данных, каждый из которых не имеет никакого отношения к предыдущему и последующему. Поддержка такого способа осуще­ствляется Интернет-протоколом.

Во втором случае между пакетами данных устанавливается не­которая логическая связь, а передача этих пакетов происходит достоверным способом. Поддержка связи с ориентированным со­единением осуществляется на основе протокола Х.25. Заметим, что далеко не все производители телекоммуникационного обору­дования внедряют данную технологию в свои продукты.

Технология GPRSунаследовала от традиционной GSMстан­дартные функции безопасности:

• аутентификация пользователя;

• идентификация мобильного оборудования;

• конфиденциальность пользователя;

• шифрование данных.

В GPRSаутентификация пользователя и идентификация мо­бильного оборудования производятся в ОУ аналогично тому, как это делается в ЦКПС/ГР.

Конфиденциальность пользователя осуществляется путем на­значения для конкретной МС ее сетевого псевдонима, т.е. вре­менного идентификатора при пакетной передаче (P-TMSI— PacketTemporaryMobileSubscriberIdentity), который выполняет ту же роль, что обычный временный идентификатор (TMSI) в тради­ционной GSM. Этот идентификатор выделяется ОУ, сообщается МС в зашифрованном виде и используется только в рамках одной области маршрутизации. Его размер составляет 32 бит, причем два старших разряда устанавливаются равными единице, что ука­зывает на использование GPRS.

Следует обратить внимание на то, что выделение идентифика­тора P-TMSIможет происходить несколько раз в процессе обмена информацией. При этом выделение нового P-TMSIможет быть отдельной процедурой или же являться частью процедур присо­единения или обновления области маршрутизации.

В процессе выделения нового P-TMSIобслуживающий узел вы­сылает МС соответствующее сообщение (P-TMSIReallocationCommand), содержащее новый P-TMSI, его сигнатуру (под­пись)1
и идентификатор области маршрутизации RAI. Получив новый P-TMSI, МС отправляет в ОУ подтверждающее сообщение (P-TMSIReallocationComplete). Полученную сигнатуру МС долж­на возвратить в ОУ при следующей процедуре присоединения или обновления области маршрутизации, вложив ее в соответствую­щие запросы (AttachRequest, RAreaUpdateRequest), после чего ОУ сравнивает полученное и хранящееся значения. Если эти зна­чения не совпадают, ОУ обязательно должен выполнить функции безопасности для проверки подлинности абонента.

16.2.
Сбор
данных
о
соединении

Обслуживающие конкретную мобильную станцию ОУ и GPRS-шлюз накапливают информацию о ходе соединения и использу­емых услугах, причем за сбор информации об использовании ра­диоресурсов отвечает ОУ, а об использовании ресурсов сети — GPRS-шлюз. Собранная информация о соединении передается в шлюз тарификации по Ga-интерфейсу с использованием расши­ренного протокола
GPRS
-передачи
(GTP' — GPRSTunnelProtocol (enhanced)), а далее — в центр тарификации (рис. 16.1). Описанные

1
Сигнатура P-TMSIявляется необязательным (опциональным) параметром, также
присутствующим в сообщениях «Присоединение принято» (AttachAccept) и «Обновление местоположения принято» (RAreaUpdateAccept), которые явля­ются завершающими фазами процедур присоединения или обновления области маршрутизации (см. гл. 17). Использование сигнатуры P-TMSIпозволяет в ряде случаев упростить сетевые процедуры, в частности позволяет не выполнять про­цедуры безопасности при каждом контакте МС с сетью.

процедуры сбора данных о соединении, как и в традиционной GSM, называются детализированными записями вызова
(CDR— CallDetailedRecords). Для организации процесса тарификации каж­дому PDP-контексту ставится в соответствие идентификатор та­рификации (ChargingID).

Необходимо обратить внимание на наличие существенной раз­ницы при тарификации в GPRSи традиционной GSM. Стандарт GPRSне предполагает обязательного наличия энергонезависи­мой памяти в ОУ и GPRS-шлюзе. Это означает, что при возмож­ном кратковременном отключении питания (например, из-за пе­резагрузки) учетные записи могут быть потеряны. Исходя из это­го необходимо стремиться передавать учетные записи из ОУ и GPRS-шлюза в центр тарификации как можно быстрее. В этом состоит принципиальное отличие систем тарификации в GPRSи традиционной GSM, где ЦКПС генерирует учетные записи и хра­нит их в виде файлов длительное время.

В GPRS-шлюзе формируется детализированная запись G-CDR, включающая в себя следующие позиции:

• начальная информация, т. е. активизация PDP-контекста;

• конечная информация, т.е. дезактивизация PDP-контекста;

• информация о соединении, например объем трафика, уста­новленное качество обслуживания, продолжительность соедине­ния, точка доступа, адреса ОУ и GPRS-шлюза.

В ОУ формируется несколько типов детализированных запи­сей: S-CDR(данные о PDP-контексте), M-CDR(данные о па­раметрах управления мобильностью) и SMS-CDR(данные о ко­ротких сообщениях). Структура этих записей идентична структу­ре записи G-CDRс той лишь разницей, что в запись M-CDRвключается информация о переопределении области маршрути­зации.

Все типы детализированных записей содержат и статическую, и динамически изменяющуюся информацию. Так, в запись S-CDRизначально включаются идентификатор IMSI, тип PDP, адрес GPRS-шлюза, идентификатор тарификации и другая статическая информация. В процессе приема-передачи пакетной информации возникает совокупность динамически обновляемых данных, на­зываемых частными записями.
Причинами их возникновения и за­вершения могут быть изменение текущего качества обслужива­ния, смена ОУ при изменении ОМ, превышение максимального объема, истечение предельного интервала времени и др. Наиболее значимыми динамически обновляемыми данными являются сле­дующие:

• объем трафика, оцениваемый количеством байт, передава­емых в обоих направлениях по уровням, расположенным выше уровня SNDCP;

• время активации PDP-контекста в ОУ для первой частной записи или время начала записи для всех последующих частных записей;

• продолжительность частной записи;

• причина закрытия записи.

Если бы поток детализированных записей в сети GPRSбыл бы не очень значительным, то их можно было бы непосредственно направлять в центр тарификации. Однако в реальных сетях GPRSпоток этих записей настолько велик, что возникает необходимость промежуточного узла, позволяющего упорядочить работу с ними. Таким узлом является GPRS-шлюз, и на него возложено выпол­нение следующих операций по обработке детализированных за­писей:

• промежуточное накопление;

• Проверка подлинности;

• объединение;

• форматирование;

• адаптация к различным интерфейсам систем тарификации.

На рис. 16.2 приведен пример генерирования и обработки дета­лизированных записей для случая, когда мобильный абонент на­ходится в гостевой (роуминговой) сети А
и желает осуществить передачу данных во внутреннюю пакетную сеть, подключенную к его домашней сети В.
При этом можно выделить следующие ос­новные процедуры:

1 — пакетные данные от абонента, а также сигнальная и до­полнительная информация через МС, БС и КБС попадают в ОУ и GPRS-шлюз гостевой сети;

1 — в ОУ и GPRS-шлюзе гостевой сети активизируются PDP-контексты, после чего начинается формирование детализирован­ных записей S-CDRи G-CDR, которые регулярно пересылаются в шлюз тарификации и далее — в центр тарификации;

3
— ОУ пересылает пакетные данные в пограничный шлюз А
гостевой сети;

4
— из пограничного шлюза А
гостевой сети, подключенного к промежуточной сети С, соединяющейся с домашней сетью або­нента, пакетные данные и информация о них через пограничный шлюз В
домашней сети поступают в ее ОУ и GPRS-шлюз;

5 — в ОУ и GPRS-шлюзе В
домашней сети активизируются PDP-контексты, после чего начинается формирование детализи­рованных записей S-CDRи G-CDR, которые регулярно пересы­лаются в шлюз тарификации и далее — в центр тарификации;

6
—
пакетные данные посылаются во внутреннюю пакетную сеть;

7 — учетные записи, сделанные в гостевой сети А
и, возмож­но, во внутренней пакетной сети, путем соответствующей проце­дуры (ТАР — TransferredAccountProcedure) пересылаются в центр тарификации домашней сети В,
где и выписывается окончатель­ный счет абоненту.

16.3.
Качество
обслуживания

К каждому PDP-контексту применяется понятие качества об­служивания (QoS), характеризуемое рядом параметров.

Приоритет.
В нормальных условиях функционирования сеть будет пытаться удовлетворить требования всех абонентов в соответствии с их профилями QoS. Однако в тех случаях, когда ресурсы сети

оказываются недостаточными для удовлетворения качества обслу­живания в полной мере, необходимо определить группы абонен­тов, которые в таких условиях окажутся в более или менее приви­легированном положении. Для этого определены три группы або­нентов, ранжированные по относительному приоритету получа­емых ими услуг:

• высший приоритет;

• нормальный приоритет;

• низкий приоритет.

Задержка сообщений.
Несмотря на то что сеть GPRSне являет­ся системой с ярко выраженным накоплением данных, все же имеет место временное накопление информации в различных ее элементах, что в конечном счете приводит к общей задержке со­общений. Данный параметр определяет максимальную задержку передачи сообщения между двумя терминалами. При этом мини­мальной в сети GPRSявляется поддержка требований 4-го клас­са — так называемого класса с наименьшей задержкой при задан­ных условиях (BestEffortDelayClass), однако в спецификациях GPRSпараметры задержки для этого класса не определены. Та­ким образом, фактически минимальными являются требования 3-го класса, в котором среднее время задержки сообщения не превышает 50 с для 128-байтного сообщения и 75 с для 1 024-байт-ного сообщения (табл. 16.1).

Надежность доставки.
Параметр определяется принадлежностью к классам надежности 1...5, которые отражают вероятность сле­дующих событий:

• потери данных;

• дублирования данных;

• получения данных вне установленной последовательности;

• искажения данных.

Класс требований	Длина пакета 128 байт		Длина пакета 1024 байт
	Максимальное среднее время задержки сообщения, с	Максимальное время задержки сообщения в течение 95 % времени передачи, с	Максимальное среднее время задержки сообщения, с	Максимальное время задерж­ки сообщения в течение 95 % времени передачи, с
1	0,5	1,5	2	7
2	5	25	15	75
3	50	250	75	375
4	Не определен

Класс надежности	GTP	LLC	RLC	Тип трафика
1	А	А, Р	А	Невозможна передача в реальном времени. Приложения чувствительны к ошибкам и не могут справиться с потерей части данных
2	UA	А, Р	А	Невозможна передача в реальном времени. Приложения чувствительны к ошибкам, но могут справиться с редкими потерями данных
3	UA	UA, P	А	Невозможна передача в реальном времени. Приложения чувствительны к ошибкам, но могут справиться с по­терями данных (например, передача коротких сообщений)
4	UA	UA, P	UA	Возможна передача в реальном вре­мени. Приложения чувствительны к ошибкам
5	UA	UA, UP	UA	Возможна передача в реальном вре­мени. Приложения нечувствительны к ошибкам

В зависимости от класса надежности вероятности указанных событий могут принимать значения от 10~2
до 10~9
. Например, сиг­нальная информация и короткие сообщения передаются с клас­сом надежности 3.

Класс надежности определяет требования к сетевым протоко­лам различных уровней, и для обеспечения их выполнения необ­ходимо установить определенные режимы передачи на уровнях GTP, LLCи RLC/MAC. Возможные варианты выбора режимов передачи представлены в табл. 16.2, где A (Acknowledged) — ре­жим передачи данных с подтверждением; UA (UnAcknowledged) — режим передачи данных без подтверждения; Р (Protected) — защищенный режим; UP (Unprotected) — незащищенный ре­жим.

Классы пропускной способности.
Данные классы определяют тре­бования к пропускной способности сети передачи пакетных дан­ных на основании двух параметров1
:

• максимальная скорость передачи;

1
Заметим, что данная характеристика пропускной способности системы от­личается от той, которая принята в общей теории информации.

Класс пропускной способности	Кбит/с	Класс пропускной способности	"max» Кбит/с	Класс пропускной способности	Кбит/с
1 2 3	8 16 32	4 5 6	64 128 256	7 8 9	512 1024 2048

• средняя скорость передачи, включая интервалы времени, в которых данные не передаются.

И максимальная, и средняя скорость определяются в принад­лежности к выбранному классу, который характеризует ожида­емую пропускную способность, требуемую для PDP-контекста.

Максимальная скорость передачи v,^ оценивается на основе подсчета количества байт, прошедших через специальные конт­рольные точки Gi- и R-интерфейсов. Хотя данный показатель оп­ределяет максимальную скорость, с которой данные могут пере­даваться по сети при одном выделенном PDP-контексте, однако нет никакой гарантии, что это значение будет достигнуто и тем более установлено на некоторый период. Максимальная скорость не зависит от используемого класса задержки, и сеть может огра­ничивать скорость передачи, даже если существует возможность ее увеличения. В табл. 16.3 приведены значения максимальной ско­рости передачи, устанавливаемые в сети GPRS, и соответству­ющие классы пропускной способности.

Средняя скорость v^
измеряется в тех же контрольных точках Gi- и R-интерфейсов, что и v^
определяется за час. Данный по­казатель реально отражает среднюю скорость передачи по сети, и данное условие может быть оговорено при подписании соглаше­ния с оператором. Значения средней скорости и соответствующие

Класс пропуск­ной спо­собности	"ср. бит/с	Класс пропуск­ной спо­собности	бит/с	Класс пропуск­ной спо­собности	0ср. Кбит/с	Класс пропуск­ной спо­собности	fcp, Кбит/с
1	—	6	4,4	11	0,2	16	11,1
2	0,2	7	11,1	12	0,4	17	22,0
3	0,4	8	22,0	13	1,1	18	44,0
4	1,1	9	44,0	14	2,2	19	111,0
5	2,2	10	111,0	15	4,4	—	—

этим значениям классы пропускной способности представлены в табл. 16.4.

Для пропускной способности 1 -го класса средняя скорость при­нимается равной максимально возможной. Как видно из табл. 16.4, в классах, отстоящих друг от друга на девять позиций, значения средней скорости отличаются на порядок.

Контрольные
вопросы

1.На чем основана конфиденциальность пользователя в сети GPRS?

2. Каким образом осуществляется сбор данных о соединении?

3.Перечислите основные тарификационные составляющие при пере­даче пакетных данных по сети GPRS.

4. Укажите требования к задержке сообщений в зависимости от при­оритета абонента.

Что такое режим передачи с подтверждением?

Глава 17

УПРАВЛЕНИЕ
ТРАФИКОМ
В
СЕТИ
GPRS

17.1.
Управление
мобильностью
абонента

В GPRSвсе данные, относящиеся к абоненту, можно разде­лить на две группы. Первая группа данных, связанная с режимом мобильности абонента, называется ММ-контекстом
(MobileMana­gementContext). Вторую группу составляют данные, относящиеся к организации пакетной передачи — PDP-контекст. Абонент мо­жет иметь несколько различных вариантов подписки на услуги GPRS, что соответствующим образом отражается в нескольких PDP-контекстах.

При выполнении основных процедур, связанных с организа­цией и управлением передачи пакетных данных, происходят сле­дующие системные процессы: подключение и отключение пакет­ной сети, переопределение соты и области маршрутизации, уп­равление сеансами.

Управление мобильностью в сети GPRSосуществляется так же, как и в GSMс той лишь разницей, что наряду с понятием зоны местоположения здесь используется понятие области марш­рутизации. При этом одна ЗМ может содержать несколько ОМ, которые можно рассматривать как пакетные подсети и в пределах которых производится пейджинг абонентов GPRS(рис. 17.1).

Одна ОМ всегда управляется ОУ (данное ограничение анало­гично управлению в сети GSM, где одна ЗМ обслуживается толь­ко одним ЦКПС), и она не может принадлежать более чем одной

ЗМ. Следовательно, необходимо совместное обновление данных о местоположении и маршрутизации при использовании услуг GPRS. Зона местоположения определяется идентификатором RAI, ко-торый назначается оператором. Мобильный GPRS-терминал от­слеживает текущее значение RAIи при пересечении границ ОМ инициирует процедуру обновления информации о ней. Слежение за местонахождением терминала определяется нахождением в од­ном из трех режимов управления мобильностью:

• ожидание
(IDLE) — режим, характерный для терминала, у которого не осуществлена процедура подключения к GPRS;

• готовность
(READY) — режим, характеризующий активную фазу передачи пакетных данных;

• резервный
(STANDBY) — режим, в который терминал пере­ходит по завершении активной фазы.

Смена режимов происходит при наступлении соответствующих событий или по истечении установленных временных интервалов. Заметим, что в резервном режиме информация о положении або­нента известна ОУ с точностью до ОМ, а в режиме готовности — с точностью до соты.

Если покупаемый мобильный терминал изначально не пропи­сан в сети GPRS, то она на данный момент не имеет информации о его местонахождении, и можно сказать, что абонент находится в режиме ожидания. Хотя в этом состоянии в отношении пакет­ной сети абонент недоступен, тем не менее МС контролирует SCCHдля получения системной информации.

При включении телефона с вставленной SIM-картой, в кото­рой прописаны услуги GPRS, происходит подключение к пакет­ной сети, после успешного завершения которого терминал пере­ходит в режим готовности. При этом становятся возможными та­кие процедуры, как активация-дезактивация PDP-контекста, от­правка и получение пользовательских пакетов данных. МС поме­щает глобальный идентификатор соты (CGI) в заголовок пакета данных, и в ОУ появляется информация о местоположении або­нента с точностью до соты.

Мобильная станция не может долго находиться в режиме го­товности, не совершая никаких действий, поскольку специаль­ный таймер производит отслеживание интервала времени, по ис­течении которого происходит переход в резервный режим. Заме­тим, что при нахождении в режиме готовности МС нет необходи­мости занимать радиоресурсы сети на протяжении всего времени. Используя режим прерывистого приема, она может экономить батареи питания.

В резервном режиме информация о местоположении абонента известна с точностью до ОМ. При этом МС использует для приема вещательный канал (ВССН) и канал вызова (РСН) в целях по­лучения системной информации. Причем через ОУ возможен

доступ к услугам традиционной GSM, но прием и передача па­кетных данных невозможны. Если в ОУ находятся данные или сиг­нальная информация для МС, то в ОМ посылается пейджинговый запрос (PagingRequest), после чего МС переходит в режим готовности и способна принимать пакетные данные.

Прежде чем начать изучение процедур, связанных с управле­нием трафика в GPRS, рассмотрим более подробно содержание той информации об абоненте GPRS, которая хранится в сети GPRSи предоставляется по запросам.

17.2.
Данные
об
абоненте
в
сети
GPRS

Абонент может иметь несколько различных вариантов подпи­ски на услуги GPRS, что соответствующим образом отражается в содержимом IMSI(рис. 17.2). Обратим внимание на иерархиче­скую структуру записи: данные об услугах GPRS (PDP) находятся на том же уровне, что и базовые услуги (БУ) при коммутации каналов; дополнительные услуги (ДУ) могут быть активизирова­ны как на уровне общего описания, так и на уровне базовых ус­луг.

Информация, необходимая для создания и поддержки трафи­ка GPRS, распределена между четырьмя функциональными узла­ми этой сети: ДР, ОУ, GPRS-шлюзом и МС.

Данные, соответствующие представленной на рис. 17.2 иерар­хической структуре, находятся в ДР, и их описание приведено в приложении 2.

Обслуживающий узел содержит данные о режиме мобильно­сти и услугах, т.е. ММ- и PDP-контексты для мобильных терми­налов, находящихся в резервном режиме и в режиме готовности, и для случая открытого доступа они отражены в приложении 3. В случае анонимного доступа ОУ содержит информацию о ММ- и

PDP-контекстах для мобильных терминалов, находящихся только в режиме готовности (см. приложение 4).

В GPRS-шлюзе содержится информация, которая в основном касается поддержки активизированных PDP-контекстов (см. при­ложение 5).

Заметим, что если PDP-контекст устанавливается в ответ на запрос об активации, то такие параметры как IMSI, MNRG, тип PDP, адрес PDPи адрес ОУ содержат соответствующую инфор­мацию так же, как в случаях неактивного PDP-контекста и GPRS-отключения. В случае анонимного доступа GPRS-шлюз определя­ет активированный PDP-контекст, поля которого содержат ин­формацию, представленную в приложении 6.

Каждый мобильный терминал в сети GPRSсодержит инфор­мацию о ММ- и PDP-контекстах во всех режимах, и в приложе­нии 7 представлено описание соответствующих полей для откры­того доступа. В случае анонимного доступа каждый мобильный тер­минал хранит информацию о контекстах только в режиме готов­ности (см. приложение 8).

Наряду с указанными функциональными узлами в ЦКПС/ГР также может храниться некоторая информация о трафике GPRS, в частности IMSIи номер ОУ в системе ОКС № 7.

Любая база данных, соответствующая какой-либо услуге, мо­жет находиться в одном из двух состояний: активном и неактив­ном.

В неактивном состоянии обмен данными МС с сетью невозмо­жен, поскольку PDP-контекст не содержит всей необходимой ин­формации, например информации для маршрутизации пакетов. Если поступление пакетов данных начинается тогда, когда PDP-контекст находится в неактивном состоянии, то GPRS-шлюз про­изводит процедуру активизации PDP-контекста. При этом пере­ход в активное состояние возможен только в следующих режимах управления мобильностью: «готовность» и «резервный».

Переход из активного в неактивное состояние может происхо­дить либо по инициативе МС, которая дезактивирует определен­ный PDP-контекст, либо по инициативе сети, отключающей по каким-либо причинам МС от работы, либо, наконец, по истече­нии времени состояния готовности.

17.3.
Подключение
и
отключение
в
сети
GPRS

Обратимся к процедуре подключения абонента к сети GPRS, успешным результатом которой является перевод МС из режима ожидания в режим готовности. При этом возможны два вариан­та подключения, отличающиеся способом идентифицикации МС В первом варианте МС посылает в сеть временный идентифика тор (P-TMSI), во втором — постоянный (IMSI), что существен­но понижает конфиденциальность абонента.

Рассмотрим пример (рис. 17.3), иллюстрирующий первый ва­риант подключения МС к пакетной сети или подключение МС к новому ОУ при участии прежнего ОУ:

1 — МС посылает запрос на подключение (AttachRequest), который принимается и обрабатывается в ОУ. В запросе помимо других параметров содержится вариант подключения (либо IMSI, либо P-TMSI) вместе с прежним идентификатором области марш­рутизации RAIи сигнатурой P-TMSI;

2
— если МС идентифицирует себя посредством посылки P-TMSIи, следовательно, она не пределена в сети, управляе­ мой новым ОУ, то в прежний ОУ посылается запрос (IdentificationRequest) на получение идентификационных данных об абоненте;

3
— ответ прежнего ОУ (IdentificationResponse) содержит IMSIили сообщение об ошибке, если МС ему неизвестна;

4—
если МС неизвестна и в новом, и в прежнем ОУ, то новый ОУ посылает ей идентификационный запрос (IdentityRequest), aМС возвращает ответ (IdentityResponse), содержащий IMSI;

5
— для выполнения аутентификации из ЦА запрашиваются и получаются необходимые данные (RAND, SRES, Кс);

6—
новый ОУ выполняет процедуру аутентификации. При этом МС выдает на аутентификационный запрос значение SRES'. Если значения SRES' и SRESсовпадают, то аутентификация считается успешной;

7 — ОУ запрашивает и получает от МС идентификатор обору­дования (IMEI);

8
—
IMEIнаправляется для проверки в РИО, откуда приходит сообщение с указанием типа мобильного оборудования («цвет» списка). Если мобильное оборудование разрешено к использова­нию, то ОУ подтверждает идентификацию абонента, выделяет и посылает МС новый идентификатор (P-TMSI), после чего проце­дура подключения считается успешной, но для дальнейшей рабо­ты необходимо осуществить позиционирование абонента;

9
—
в целях внесения или обновления информации о положе­нии абонента ОУ посылает в ДР соответствующее сообщение (UpdateLocation), содержащее IMSI, а также свой адрес и номер;

10
—
ДР высылает в прежний ОУ сообщение (CancelLocation) об отмене существующей в нем информации о местоположении абонента. Прежний ОУ удаляет данные об абоненте из своей базы и возвращает подтверждение (CancelLocationAcknowledge). Если при этом в прежнем ОУ продолжаются какие-либо процедуры, связанные с данной МС, то он ждет их окончания и лишь затем удаляет данные;

11
—
ДР посылает в новый ОУ список услуг, доступных або­ненту. Новый ОУ проверяет, нет ли в его ОМ каких-либо ограни­чений для абонента, и если все проверки успешны, то создает контекст управления мобильностью и отправляет в ДР подтверж­дение доступности услуг;

12
— ДР подтверждает обновление информации о местополо­жении абонента (UpdateLocationAcknowledge).

Отключение абонента от GPRSможет быть инициировано как самим терминалом, так и сетью по каким-либо причинам. При этом отключение может быть явным и неявным.

Явное отключение осуществляется и МС, и сетью посредством посылки соответствующего сообщения. В том случае когда иници­атором отключения является МС, она посылает в ОУ запрос, в котором указывается, вызвано ли это желание выключением пи­тания, и если это не так, то после выполнения надлежащих дей­ствий ОУ посылает МС подтверждение. В противном случае под­тверждение не высылается, поскольку МС все равно не сможет его получить. Если же отключение инициируется сетью, то ОУ посылает запрос МС, в котором указывается, что ей надлежит отключиться.

Неявное отключение МС не сопровождается никакими сооб­щениями со стороны сети. Причинами такого отключения может быть превышение показателя таймера, отслеживающего периоди­ческое обновление ОМ, а также сбои в радиоканале.

В общем случае возможны три типа отключения: GPRS-отклю­чение (GPRS-detach), IMSI-отключение (IMSI-detach) и комби­нированное отключение (GPRS/IMSI-detach). Кроме того, возмож

на ситуация, когда МС при GPRS-отключении может сохранять статус IMSI-подключения.

В качестве примера рассмотрим процедуру отключения от GPRS, инициированную МС (рис. 17.4):

1
—
МС посылает в ОУ запрос, в котором указывается тип отключения, а также информация о том, имеет место выключе­ние питания или нет;

2
— в случае IMSI-отключения ОУ посылает в ДР запрос на идентификацию на основании IMSI. При этом ДР идентифициру­ет МС, что указывается в ответном сообщении;

3
—
в случае GPRS-отключения ОУ дезактивирует в GPRS-шлюзе все активные PDP-контексты, относящиеся к данной МС, путем посылки сообщения, которое идентифицируется посред­ством туннельного идентификатора (TID). При этом GPRS-шлюз возвращает подтверждение, используя тот же TID;

4—
когда МС желает сохранить статус IMSI-подключения при GPRS-отключении, ОУ общается с ДР на предмет IMSI-иденти-фикации МС, после чего ДР удаляет существующую информа­цию о связи данного IMSIс ОУ и в дальнейшем выполняет пенд-жинг и обновление местоположения без обращения к ОУ;

5 — если запрос на отключение не связан с выключением пи­тания, то ОУ подтверждает МС его выполнение.

Отключение со стороны сети может быть инициировано либо ОУ, либо GPRS-шлюзом. При этом характер и содержание сооб­щений подобны рассмотренному случаю.

17.4.
Переопределение
местоположения
GPRS
-
абонента

При описании процедур подключения и отключения предпо­лагалось, что абонент находится в пределах одной соты. На прак­тике часто встречается ситуация, при которой пакетная передача осуществляется от движущегося абонента, так что во время сеан­са происходит пересечение границ одной или нескольких сот (на пример, передается или принимается электронное письмо боль­шого размера). Такая ситуация является аналогом процедуры хэн-довера в традиционной сети GSM, но несмотря на внешнюю схо­жесть процессы канального и пакетного хэндоверов все же раз­личны.

Напомним, что при канальном хэндовере, т.е. при пересече­нии границы сот абонентом, находящимся в активном режиме с коммутацией каналов, происходит кратковременный обрыв сеан­са с последующим его восстановлением (если, конечно, не про­изошло потери связи). При этом абонентом такая процедура вос­принимается как небольшая пауза (возможно, со щелчком), пос­ле которой разговор может быть продолжен.

Обслуживание активного абонента, осуществляющего пакет­ную передачу, при пересечении им границ соты основано на про­цедуре определения местоположения МС, которая может быть нескольких видов в зависимости от того, каким ОУ управляется текущая сота. Стандартной является процедура обновления дан­ных о смене сот внутри ОМ, когда МС находится в режиме готов­ности. Процесс обновления данных приостанавливает процесс передачи-приема. При этом, как правило, информация копирует­ся в соответствующий буфер ОУ и после возобновления процесса пакетной передачи доставляется абоненту. Однако возможна ситу­ация, при которой информация теряется, и тогда ее необходимо передавать заново. Процесс обновления данных о смене сот внут­ри одной ОМ часто называют переопределением соты.

При смене сот, находящихся в разных областях маршрутиза­ции, инициируется процесс обновления данных об ОМ. При этом обе ОМ могут управляться либо одним, либо двумя разными ОУ. В первом случае происходит внутреннее
переопределение соты, а во втором — внешнее,
т.е. при котором прежний ОУ передает па­кеты данных новому ОУ. Процесс обновления данных о смене ОМ часто называют переопределением области маршрутизации.
Упро­щенный механизм внутреннего переопределения ОМ выглядит сле­дующим образом (рис. 17.5).

Мобильная станция, перемещаясь по сети из соты С1 в соту С2, принимает сигналы от различных БС. Обнаружив, что сота С2 принадлежит другой ОМ, МС посылает в ОУ запрос на обновле­ние местоположения. Обслуживающий узел организует процедуру аутентификации пользователя и в случае ее успеха выделяет но­вый идентификатор (P-TMSI). Затем ОУ проверяет смену абонен­том ОМ и, убедившись в этом, высылает разрешение на обновле­ние местоположения МС, подтверждая успешное переопределе­ние ОМ соответствующим сообщением.

Рассмотрим теперь более подробно механизм (рис. 17.6) и про­цедуру (рис. 17.7) внешнего переопределения области маршрути­зации, в случае когда две ОМ управляются различными ОУ:

1 — МС, перемещаясь по сети из соты С1 в соту С2, обнару­живает, что очередная сота принадлежит ОМ2, управляемой но­вым ОУ2. После этого МС через БС2 и КБС2 посылает в новый ОУ запрос на обновление местоположения (RoutingAreaUpdateRequest), в котором содержатся прежние идентификатор области маршрутизации (RAI), пакетный идентификатор (P-TMSI), тип переопределения (внешний) и индикатор наличия или отсутствия канального соединения. При этом БС, перенаправляя запрос че­рез КБС в ОУ, добавляет идентификатор соты (CID), с которым

был получен данный запрос. Если имеет место канальное соеди­нение, в дальнейшем ОУ не будет обращаться в ЦКЛС/ГР;

2
— новый ОУ посылает в прежний ОУ запрос на определение контекста (SGSNContextRequest), содержащий адрес нового ОУ, прежний идентификатор (RAI), вспомогательный идентификатор временного логического канала (TLLI) и прежний пакетный иден тификатор (P-TMSI) в целях получения ММ- и PDP-контекстов для МС;

3
— прежний ОУ проверяет достоверность идентификатора P-TMSIи в случае несовпадения с хранящимися в нем данными отвечает сообщением об ошибке, что, в свою очередь, активизи­рует соответствующие функции безопасности (SecurityFunction). Если аутентификация абонента не прошла, то процедура пере­определения ОМ приостанавливается с соответствующим опо­вещением прежнего ОУ, который продолжает свою работу так же, как если бы запрос на переопределение не был получен вообще. В случае успешной аутентификации МС новый ОУ по­вторно посылает запрос на определение контекста, значение поля достоверности которого указывает на успешную идентификацию абонента;

• — прежний ОУ отвечает сообщением (SGSNContextRespon­se), содержащим данные о ММ- и PDP-контекстах, а также по­сылает данные для каждого LLC-соединения. Каждый PDP-koh-текст включает в себя номер GTP-последовательности для блоков N-PDU, передаваемых как в прямом (от ОУ к МС), так и в обрат­ном (от МС к ОУ) направлениях. Прежний ОУ запоминает адрес нового ОУ и включает таймер;

• — новый ОУ посылает прежнему ОУ подтверждение о готов­ности принимать данные, относящиеся к активным PDP-контекстам (SGSNContextAcknowledge);

• —
прежний ОУ организует процедуру туннелирования в но­вый ОУ накопленных блоков N-PDU (ForwardPackets). После ус­тановления показания таймера передача блоков приостанавлива­ется;

• — новый ОУ посылает в GPRS-шлюз запрос на переопреде­ление PDP-контекста (UpdatePDPContextRequest), включа­ющий в себя адрес нового ОУ, туннельный идентификатор (TID), а также показатель, устанавливающий качество обслуживания (QoS). При этом GPRS-шлюз обновляет поля PDP-контекста и отвечает соответствующим сообщением (UpdatePDPContextResponse);

• —
новый ОУ информирует ДР о переопределении местопо­ложения абонента (UpdateLocation), посылая адрес и номер ОУ, а также идентификатор IMSIабонента;

— ДР передает в прежний ОУ сообщение о снятии информа­ции о местоположении (CancelLocation), содержащее идентифи­катор IMSIи тип отмены. При этом возможны два типа отмены: при незапущенном и запущенном таймере. Если таймер не запу­щен, то прежний ОУ сразу удаляет ММ- и PDP-контексты. В про­тивном случае контексты удаляются по истечении некоторого вре­мени, что позволяет осуществить возможную передачу накоплен­ных блоков N-PDU. Прежний ОУ информирует ДР о завершении смены местоположения (CancelLocationAcknowledge), высылая в ДР идентификатор IMSIабонента;

10
—
ДР посылает в новый ОУ информацию о пользователе (InsertSubscriberData), содержащую IMSIи данные о подписках. Новый ОУ проверяет присутствие МС в новой ОМ и, в случае если ее там нет, прерывает запрос на подключение. Если провер­ка прошла успешно, то ОУ устанавливает ММ-контекст для МС и отвечает соответствующим сообщением (InsertSubscriberDataAcknowledge);

11
—
ДР подтверждает переопределение местоположения (UpdateLocationAcknowledge);

12
— в случае существования связи между прежним ОУ и ЦКПС/ГР и отсутствия канального соединения новый ОУ посы­лает в ДР и ЦКПС/ГР запрос на переопределение местоположе­ния (LocationUpdatingRequest), содержащий тип переопределе­ния, номер ОУ, новый идентификатор зоны местоположения (LAI) и идентификатор IMSI. При этом ДР принимает процедуру переопределения (Location Updating Accept);

13
—
новый ОУ принимает процедуру переопределения (RoutingAreaUpdateAccept) и устанавливает для абонента ММ-контекст и логический канал путем выделения P-TMSI, а также набора LLCAck, содержащего информацию для каждого LLC-соединения и, следовательно, для подтверждения всех N-PDUблоков, успешно переданных до начала процедуры переопределения;

14
— МС сообщает об успешном завершении процедуры пере­определения (RoutingAreaUpdateComplete).

Если по истечении времени, определяемого соответствующим таймером, из ДР не поступает сообщение «CancelLocation», то прежний ОУ прекращает передачу блоков N-PDUв новый ОУ и продолжает функционировать так, как будто запроса на переоп­ределение контекста (SGSNContextRequest) не было. В том слу­чае когда процедура переопределения не была успешно заверше­на в течение максимально возможного времени или не было по­лучено от ОУ сообщение о приостановлении переопределения (RoutingAreaUpdateReject), MCпереходит в режим ожидания.

Наконец, заметим, что нахождение МС в течение долгого вре­мени в одном и том же месте приводит к информированию сети о постоянной доступности абонента — тем самым осуществляется процедура периодического переопределения области маршрутизации.

17.5.
Взаимодействие
ОУ
и
ЦКПС
/
ГР

Как уже говорилось, сеть с коммутацией каналов и сеть с ком­мутацией пакетов существуют в рамках единой системы GSM, и поскольку обе сети обеспечивают независимое управление мо бильностью, такая ситуация приводит к появлению дополнитель­ного трафика внутри сети. Мобильные терминалы классов А
и В
способны потребить услуги как канальной, так и пакетной сети, что требует эффективного использования сетевых ресурсов путем организации внутрисетевого взаимодействия между ОУ и ЦКПС/ГР. Взаимодействие между ОУ и ЦКПС/ГР осуществляется на ос­нове Gs-интерфейса, что обеспечивает выполнение следующих основных функций:

• совмещенное GPRS/IMSIподключение и отключение. На­пример, при подключении МС посылает запрос в ОУ, который, в свою очередь, информирует ЦКПС/ГР о необходимости запоми­нания адреса ОУ;

• совмещенное переопределение ЗМ/ОМ. Выполняется при одновременном пересечении ЗМ и ОМ (рис. 17.8), а также при отсутствии соединения с коммутацией каналов. Процедуры со­вмещенного переопределения в значительной степени совпадают с аналогичными процедурами при внешнем переопределении с той лишь разницей, что на заключительном этапе происходит об­мен сообщениями между прежним и новым ЦКПС в целях стира­ния в прежнем ЦКПС информации об абоненте;

• организация услуг сети с коммутацией каналов через сеть с коммутацией пакетов. Получая вызов или короткое сообщение и определяя по хранящемуся в ГР адресу ОУ, что МС подключена к услугам GPRS, ЦКПС/ГР посылает в ОУ персональный вызов. В свою очередь, ОУ высылает через сигнальный канал GPRSвы­зывную информацию в сеть с коммутацией каналов, на что МС отвечает информацией по обычным каналам GSM;

• идентификация. Когда МС помечена в ГР процедурами IMSI-и GPRS-подключения, ГР может организовать получение инфор­мации о МС через ОУ. Если запрашиваемая информация известна в ОУ, то она высылается в ГР без обращения к МС. Если же зап­рашиваются какие-либо идентификационные данные, например IMEI, то обращение к МС неизбежно;

• информирование при управлении мобильностью. Когда МС помечена в ГР процедурами IMSI- и GPRS-подключения, ГР может организовать через ОУ процедуру получения информации при осуществлении управления мобильностью. Такая процедура обычно используется для информирования МС о таких данных, как имя сети и локальное время в зоне нахождения МС.

17.6.
Управление
сеансом

Пусть мобильный терминал подключен к сети GPRSи нахо­дится в режиме готовности. Если абонент желает воспользоваться, например, Интернет-ресурсами, то ему необходимо получить до­ступ к внешней пакетной сети, т. е. IP-адрес, позволяющий осу­ществить такое соединение. Данную процедуру, называемую ак­
тивизацией
PDP-контекста,
можно условно разделить на пять эта­пов (рис. 17.9):

1 — МС посылает в ОУ запрос на активизацию контекста (ActivatePDPContextRequest), содержащий вид IP-адреса (по умолчанию — динамический) и имя места доступа, т.е. символь­ное имя для установления сетевого интерфейса, который обеспе­чит соединение с внешней сетью. При этом, как уже говорилось, один шлюз GPRSможет иметь несколько мест доступа (точек вхо­да) для соединения с различными сетями;

2—
ОУ подвергает МС процедурам аутентификации, проверки оборудования, а также проверки данных об абонентской подпи­ске на основе содержащейся в ДР информации;

3
—
в целях получения IP-адреса GPRS-шлюза ОУ обращается к серверу доменных имен;

4
— ОУ посылает в GPRS-шлюз сообщение на установление контекста. Данное сообщение содержит запрос IP-адреса для або­нента (если это значение пусто, то запрашивается динамический адрес), точку доступа и туннельный идентификатор TID. Точка доступа определяет ту сеть, доступ к которой абонент желает по­лучить. Туннельный идентификатор будет использован для орга­низации GTP-туннеля, по которому будут передаваться пакеты данных между ОУ и GPRS-шлюзом. Ответное сообщение содер­жит подтверждение идентификатора TID, выделенный IP-адрес и тарифный идентификатор, причем IP-адрес включается лишь в том случае, когда GPRS-шлюз сам организует распределение IP-адресов;

5— ОУ отсылает в МС сообщение о приеме активизации PDP-контекста (ActivatePDPContextRequestAccept), содержащее вы­деленный IP-адрес. После выполнения указанной процедуры МС будет обладать IP-адресом, а GPRS-шлюз — информацией о том, каким ОУ обслуживается пользователь.

Если соединение с интернет-сервером произошло успешно, то запрашиваемые данные начинают передаваться по IP-протоко­лу в GPRS-шлюз, который, в свою очередь, транслирует их в ОУ. Далее данные пересылаются в КБС и БС, а затем по радиоинтер­фейсу — в МС.