Чтение онлайн

Начнем с сети E-UTRAN (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network — усовершенствованный беспроводной интерфейс 3GPP (LTE)). Под этим ­хитрым названием скрывается протокол эфирной радиосвязи между мобильными устройствами (например, сотовыми телефонами) и сотовой базовой станцией (cellular base station), называемой сегодня eNodeB. UMTS (Universal Mobile Telecommunications System — универсальная мобильная телекоммуникационная система) — официальное название сотовой телефонной сети. Достигнутый за последние десятилетия в сфере радиоинтерфейсов прогресс привел к существенному росту скоростей беспроводной передачи данных (и они продолжают расти). В основе этого радиоинтерфейса лежит CDMA (Code Division Multiple Access — множественный доступ с кодовым разделением); эта методика представлена в главе 2.

Сотовая базовая станция в совокупности с ее контроллером образует сеть радиодоступа (radio access network), которая составляет беспроводную часть мобильной телефонной сети. Узел-контроллер, он же контроллер радиосети (Radio Network Controller, RNC), определяет использование полосы частот. Базовая станция реализует радиоинтерфейс.

Остальная часть мобильной телефонной сети отвечает за передачу трафика сети радиодоступа и называется ядром сети (core network). В сетях 4G ядро сети перешло на коммутацию пакетов и теперь называется развитым пакетным ядром (Evolved Packet Core, EPC). Ядро сети 3G UMTS возникло на основе ядра предшествовавшей ей сети 2G GSM, а EPC 4G завершило переход к полностью пакетно-коммутируемому ядру сети. Система 5G также полностью цифровая. Пути назад больше нет: аналоговые системы вымерли, как птицы додо.

Сервисы данных стали куда более важной частью мобильной сети, чем раньше, во времена обмена текстовыми сообщениями и первых сервисов пакетного обмена данными, таких как GPRS (General Packet Radio Service — пакетная радиосвязь общего пользования) в системе GSM. Скорость первых сервисов данных составляла десятки килобит в секунду, но пользователям хотелось большего. Более современные мобильные сети поддерживают скорость в несколько мегабит в секунду. Для сравнения: при голосовом звонке данные передаются со скоростью 64 Кбит/с, а при использовании сжатия — в 3–4 раза меньше.

Для передачи всех этих данных узлы ядра сети UMTS подключаются непосредственно к сети с коммутацией пакетов. Обслуживающий сетевой шлюз S-GW (Serving Network Gateway — обслуживающий сетевой шлюз) и P-GW (Packet Data Network Gateway — сетевой шлюз пакетного обмена данными) доставляют пакеты данных на мобильные телефоны (и обратно) и подключаются к внешним пакетным сетям (например, к интернету).

Этот переход продолжится и в будущих мобильных телефонных сетях. Интернет-протоколы используются даже на мобильных телефонах для установки соединений при голосовых вызовах через сети пакетной передачи данных (IP-телефония). IP-протокол и пакеты используются на всем пути данных, от радиосвязи и до ядра сети. Конечно, архитектура IP-сетей также меняется для обеспечения лучшего качества обслуживания. Если бы не это, то пользователи, оплачивающие услуги, вряд ли обрадовались бы прерывистому звуку и подергивающемуся видео. Мы вернемся к этому вопросу в главе 5.

Еще одно различие между мобильными телефонными сетями и обычным интернетом — мобильность. Когда пользователь выходит из зоны приема одной базовой сотовой станции и входит в другую, необходимо перенаправить поток данных со старой станции на новую. Эта методика, проиллюстрированная на илл. 1.20, называется передачей обслуживания (handover, handoff).

Илл. 1.20. Передача обслуживания мобильного телефона. (а) До. (б) После

При падении качества сигнала запросить передачу обслуживания может как мобильное устройство, так и базовая станция. В некоторых мобильных сетях, обычно использующих технологию CDMA, можно подключиться к новой базовой станции, прежде чем отключиться от старой. Благодаря этому отсутствует перерыв в обслуживании, что повышает качество соединения. Такой подход называется мягкой передачей обслуживания (soft handover), в отличие от жесткой передачи обслуживания (hard handover), при которой мобильный телефон сначала отключается от старой базовой станции и только потом подключается к новой.

В связи с этим возникает проблема: необходимо найти мобильный телефон при поступлении входящего вызова. В ядре каждой мобильной сети находится HSS (Home Subscriber Server — сервер абонентских данных), которому известно местоположение каждого абонента, равно как и прочая информация из профиля, необходимая для аутентификации и авторизации. Таким образом, любой мобильный телефон можно найти, обратившись за информацией в HSS.

Осталось обсудить только вопрос безопасности. Исторически телефонные компании относились к безопасности намного серьезнее, чем интернет-компании, поскольку хотели избежать мошенничества при оплате услуг пользователями. В процессе эволюции технологий от 1G к 5G сотовые компании сумели реализовать некоторые базовые механизмы безопасности для мобильных телефонов.

Начиная с системы 2G GSM, мобильные телефоны состоят из двух частей: переносного телефонного аппарата и съемного чипа, содержащего идентификационные данные и информацию о состоянии счета абонента. Неофициально этот чип называют SIM-картой — сокращение от Subscriber Identity Module (модуль идентификации абонента). SIM-карту можно переставить из одного мобильного телефона в другой и таким образом активировать его. Она предоставляет возможности для обеспечения безопасности. Когда абоненты GSM посещают другие страны в деловых или туристических целях, они обычно берут с собой свой телефон, но покупают за несколько долларов новую SIM-карту на месте, чтобы звонить внутри страны без дополнительной платы за роуминг.

В целях борьбы с мошенничеством содержащаяся на SIM-карте информация используется мобильной телефонной сетью для идентификации абонента и проверки, имеет ли он право использовать сеть. В случае UMTS мобильный телефон с помощью этих данных еще и проверяет легитимность сети подключения.

Еще один важный вопрос — защита персональной информации. Беспроводные сигналы отправляются на все приемные устройства, расположенные поблизости. Поэтому, во избежание подслушивания разговоров, для шифрования передаваемых данных используются криптографические ключи, расположенные на SIM-карте. Такой подход обеспечивает куда большую безопасность, чем в системах 1G, через которые можно было очень легко подслушать разговоры. Однако он не решает всех проблем, поскольку в схемах шифрования также встречаются слабые места.

Коммутация пакетов и коммутация каналов

С самого появления вычислительных сетей шла непрерывная война между приверженцами сетей с коммутацией пакетов (без установления соединений) и сетей с коммутацией каналов (с ориентацией на соединения). Основные сторонники коммутации пакетов (packet switching) пришли из интернет-сообщества. В архитектуре без установления соединений маршрутизация всех пакетов производится независимо друг от друга. В результате отказ части маршрутизаторов во время сеанса не несет никаких тяжелых последствий, поскольку система может динамически изменить конфигурацию и найти другой путь для последующих пакетов. Если один из маршрутизаторов получит слишком много пакетов за некоторый промежуток времени, он не сможет их все обработать и, вероятно, часть пакетов будет утеряна. Отправитель в конце концов заметит это и отправит данные повторно. При этом качество обслуживания все равно пострадает, если только используемое приложение не спроектировано с учетом возможной нестабильности.

Сторонники коммутации каналов (circuit switching) пришли из мира телефонных компаний. В телефонных системах вызывающий абонент должен набрать номер телефона и дождаться соединения, прежде чем говорить или отправлять данные. Это соединение формирует маршрут в телефонной системе, поддерживаемый вплоть до завершения разговора. Все произнесенные слова или пакеты следуют по одному пути. В случае сбоя линии или маршрутизатора звонок прерывается — эта архитектура явно менее отказоустойчивая, чем вариант без соединений.

При коммутации пакетов поддержание уровня качества обслуживания упрощается. Благодаря заблаговременному установлению соединения подсеть может зарезервировать полосу пропускания линии связи, место в буфере коммутатора и время CPU. Если при попытке позвонить оказывается, что ресурсов недостаточно, звонок отклоняется, а вызывающая сторона слышит сигнал «занято». Если соединение все-таки установлено, то уровень качества обслуживания будет хорошим.

На илл. 1.19 любопытно то, что в ядре сети присутствует оборудование как для коммутации пакетов, так и для коммутации каналов. Это значит, что мобильные сети находятся в переходной стадии и телефонные компании могут реализовывать любой из этих вариантов, а иногда и оба сразу. В более старых мобильных телефонных сетях для голосовых звонков используется ядро с коммутацией каналов как в обычных телефонных сетях. Эта технология до сих пор встречается в сети UMTS в таких элементах, как MSC (Mobile Switching Center — мобильный коммутационный центр), GMSC (Gateway Mobile Switching Center — шлюзовый коммутационный центр мобильной связи) и MGW (Media Gateway — медиашлюз). Они служат для установления соединения через опорную сеть с коммутацией каналов, например PSTN (Public Switched Telephone Network — коммутируемая телефонная сеть общего пользования).