Эндрю Уэзеролл - Компьютерные сети. 5-е издание

Рис. 1.28.Архитектура сети мобильной связи 3G UMTS

С начала существования сетей продолжается война между поклонниками пакетных сетей (то есть подсетей без установления соединения) и теми, кто поддерживает сети с коммутацией каналов (то есть подсетей, ориентированных на соединения). Основные сторонники пакетов происходят из интернет-сообщества. В схеме без установления соединений каждый пакет двигается независимо от остальных. Как следствие, если во время сеанса некоторые маршрутизаторы выйдут из строя, то не возникнет никаких проблем, пока система может динамически реконфигурировать себя, позволяя последующим пакетам найти маршрут к месту назначения, даже если он отличается от того, который использовали предыдущие пакеты.

Сторонники сетей с коммутацией каналов принадлежат миру телефонных компаний. В телефонной сети звонящий должен набрать номер абонента и ждать, пока установится соединение, чтобы получить возможность говорить или передавать данные. Данное соединение устанавливает маршрут движения по телефонной сети, который остается стабильным, пока звонок не закончен. Все слова или пакеты следуют одним и тем же маршрутом. Если линия или коммутатор отключаются, вызов обрывается. Такой вариант менее устойчив к ошибкам, чем сети без установления соединения.

Преимущество сетей с коммутацией каналов состоит в том, что в этом случае легче поддерживать качество обслуживания. Настраивая соединение заранее, подсеть может зарезервировать ресурсы, например частотную полосу канала, буфер коммутатора, и загрузку центрального процессора. Если предпринята попытка настроить вызов, а ресурсов недостаточно, вызов отклоняется и вызывающий получает своего рода сигнал «занято». Таким образом, как только соединение оказывается настроено, можно гарантировать высокое качество обслуживания.

Если в сети без установления соединения на один из маршрутизаторов поступает слишком много пакетов одновременно, произойдет сбой и маршрутизатор, вероятно, потеряет часть информации. Отправитель, в конечном счете, заметит это и снова их отправит. Такого уровня обслуживания будет недостаточно для работы с аудио или видео, особенно если сеть окажется загруженной. Очевидно, что обеспечение соответствующего качества звука волнует телефонные компании более, чем проблема соединения.

Особенность схемы, представленной на рис. 1.28, состоит в том, что в базовой сети используются и пакетная и канальная маршрутизация. Это демонстрирует промежуточное положение сетей мобильной связи, когда оба подхода реализуются как по отдельности, так и одновременно. Более старые сети использовали ядро с канальной маршрутизацией в стиле традиционной телефонной сети, чтобы передавать голосовые сообщения. Это же «наследие» можно заметить в сетях UMTS с элементами MSC (Mobile Switching Center), GMSC (Gateway Mobile Switching Center) и MGW (Media Gateway), которые настраивают сети с коммутацией каналов, такие как PSTN (Public Switched Telephone Network).

Цифровая обработка стала намного более важной частью мобильных сетей, начиная с возникновения обмена текстовыми сообщениями и появления ранних пакетных информационных протоколов, таких как GPRS (General Packet Radio Service) в системе GSM. Эти более старые информационные протоколы работали на скоростях в десятки килобит в секунду, но пользователи хотели больше. Скорость передачи пакетных данных в более новых сетях меряется уже в мегабитах в секунду. Голосовой звонок передается со скоростью 64 Кбит/с, а со сжатием — в 3-4 раза быстрее.

Чтобы передать все эти данные, основные сетевые узлы UMTS соединяются непосредственно с пакетно-коммутируемой сетью. SGSN (Serving GPRS Support Node) и GGSN (Gateway GPRS Support Node) доставляют и получают пакеты данных от мобильных телефонов и связывают их с внешними сетями с пакетной коммутацией, такими как Интернет.

Этот переход продолжится в сетях мобильных телефонов, которые разрабатываются и запускаются в настоящее время. Используются даже специальные интернетпротоколы для мобильной телефонии, чтобы настроить соединения для голосовых сообщений по сетям с пакетной коммутацией, например IP-телефония. IP и пакеты используются на всех уровнях — от радиодоступа до базовой сети. Конечно, методика, по которой создаются IP-сети, также изменяется, чтобы обеспечивать лучшее качество обслуживания. Если бы так не происходило, то проблемы с прерванным аудио- или видеопотоком заставили бы платежеспособных клиентов усомниться в данной технологии. Мы еще вернемся к этой теме в главе 5.

Другое различие между мобильными сетями и традиционным Интернетом — движение. Когда пользователь перемещается из района действия одной базовой станции в другой район, поток данных должен перенаправляться между базовыми станциями. Этот метод известен как переадресация вызова и проиллюстрирован на рис. 1.29.

Мобильное устройство или базовая станция могут запросить смену базовой станции, когда качество сигнала понижается. В некоторых сетях, обычно основанных на CDMA-технологии, можно соединиться с новой базовой станцией прежде, чем будет разорвано соединение с предыдущей базовой станцией. Это повышает качество соединения, поскольку не происходит никакого перерыва в обслуживании. В течение непродолжительного времени мобильный телефон соединяется с двумя базовыми станциями одновременно. Этот способ передачи данных называют мягкой передачей, в отличие от жесткой передачи, при которой мобильный телефон разъединяется со старой базовой станцией прежде, чем успевает соединиться с новой.

Рис. 1.29.Передача мобильного телефона: a — до, б — после

В связи с этим возникает дополнительная проблема — необходимость найти мобильный телефон в первый момент при входящем вызове. У каждой мобильной сети есть HSS (Home Subscriber Server) в базовой сети, которая знает местоположение каждого абонента, а также другую информацию о профиле, использующуюся для аутентификации и авторизации. Таким образом, каждый мобильный телефон может быть обнаружен с помощью HSS.

Последнее, что осталось обсудить, это вопросы безопасности. Исторически телефонные компании относились к вопросам безопасности более серьезно, чем интернеткомпании. Это было связано с необходимостью своевременного выставления счетов за выполненные услуги и с задачей избежать мошенничества при оплате. К сожалению, это не все. Однако в развитии технологий от 1G до 3G компании мобильной связи смогли выработать некоторые основные механизмы безопасности.

Начиная с 2G систем, мобильный телефон состоит из двух частей — собственно телефонного аппарата и сменного чипа, который содержит идентификатор подписчика и информацию об учетной записи. Чип неофициально называют SIM-картой (сокращение от Subscriber Identity Module). SIM-карты могут вставляться в различные телефонные трубки, и они обеспечивают базис безопасности. Когда клиенты GSM путешествуют, отправляются в другие страны или уезжают в командировку, они часто берут с собой свой телефон, но по прибытии на место покупают за несколько долларов новую SIM-карту, чтобы делать местные звонки без платы за роуминг.