Компьютерные сети. 6-е изд.

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).

Первые поколения мобильных сетей: 1G, 2G и 3G

За последние 50 лет архитектура мобильных сетей невероятно разрослась и претерпела значительные изменения. Системы мобильной телефонной связи первого поколения передавали голосовые звонки в виде непрерывно меняющихся сигналов (аналоговые системы), а не последовательности битов (цифровые системы). Одной из широко используемых систем первого поколения была AMPS (Advanced Mobile Phone System — продвинутая система мобильной телефонной связи), развернутая в США в 1982 году. Системы второго поколения перешли на передачу голосовых звонков в цифровом виде. Это привело к увеличению мощности, повышению безопасности и обеспечению обмена текстовыми сообщениями. В 1991 году начала внедряться и широко использоваться по всему миру система второго поколения GSM (Global System for Mobile communications — глобальная система мобильной связи).

Системы третьего поколения, 3G, появились в 2001 году. Они обеспечили цифровую передачу голосовых звонков и широкополосную цифровую передачу данных. В 3G-системах существует множество различных стандартов. Международный союз электросвязи, МСЭ (International Telecommunication Union, ITU), который мы обсудим позже в этой главе, условно определил 3G как стандарт, обеспечивающий скорость как минимум 2 Мбит/с для неподвижных и идущих пользователей и 384 Кбит/с при передвижении на транспорте. UMTS — главная 3G-система, используемая по всему миру, а также основа для разнообразных последующих версий. Она способна обеспечить скорость входящей информации до 14 Мбит/с, а исходящей — около 6 Мбит/с. В будущих версиях планируется использование нескольких антенн и радиопередатчиков для дальнейшего повышения скорости.

Наиболее дефицитный ресурс в 3G-системах, как и в предшествующих им 2G и 1G, — диапазон радиочастот. Правительства дают лицензию на части диапазона радиочастот операторам мобильной связи. Как правило, это происходит в виде аукционов частот, на которых сетевые операторы представляют предложения. Доступ к части лицензированного диапазона упрощает проектирование и эксплуатацию системы, поскольку больше никто не сможет осуществлять передачу на этих частотах, но стоит немалых денег. Например, в Великобритании в 2000 году пять лицензий 3G ушли с аукциона примерно за $40 млрд.

Именно нехватка частот привела к созданию сотовой сети (cellular network), применяемой в настоящее время для мобильных телефонных сетей (илл. 1.21). Для борьбы с радиопомехами, возникающими между пользователями, область покрытия делится на соты. В пределах одной соты пользователям выделяются каналы, не влияющие друг на друга и не вызывающие помех в соседних сотах.

Илл. 1.21. Сотовая архитектура мобильных телефонных сетей

Это дает возможность повторного использования частот (frequency reuse) в смежных сотах, что повышает производительность сети в целом. В системах 1G, где каждый голосовой звонок передавался в определенной полосе частот, частоты тщательно подбирались так, чтобы не конфликтовать с соседними сотами. При этом одну частоту можно было использовать только один раз в нескольких смежных сотах. В современных системах 3G каждая сота может использовать все частоты, но таким образом, что уровень помех в соседних сотах остается допустимым. Существует несколько вариантов сотовой архитектуры, включая использование направленных (секторных) антенн на сотовых вышках для дальнейшего снижения взаимных помех, но основной принцип остается неизменным.

Современные мобильные сети: 4G и 5G

Мобильным телефонным сетям предстоит сыграть важную роль в развитии будущих сетей. Сегодня они скорее ориентированы на мобильные широкополосные приложения (например, доступ в интернет с телефона), чем на голосовые звонки. Это серьезно влияет на радиоинтерфейс, архитектуру ядра и безопасность будущих сетей. Технологии 4G и 4G LTE, появившиеся в конце 2000-х, обеспечивают более высокие скорости.

Сети 4G LTE очень быстро стали основным способом мобильного доступа в интернет, опередив своих конкурентов, таких как стандарт 802.16 (WiMAX). Технологии 5G обещают еще большие скорости — до 10 Гбит/с. Их широкомасштабное развертывание планируется в начале 2020-х. Эти технологии в основном различаются используемым диапазоном частот. Например, 4G использует полосы частот до 20 МГц; 5G разработан в расчете на полосы намного более высоких частот, до 6 ГГц. Проблема с переходом на более высокие частоты состоит в том, что высокочастотные сигналы не способны покрывать такое же расстояние, как низкочастотные. Система 5G должна предусматривать затухание сигнала, взаимные помехи и ошибки, используя новейшие алгоритмы и технологии, включая массивы антенн MIMO («multiple input, multiple output» — «несколько входов, несколько выходов»). Кроме того, короткие микроволны на этих частотах легко поглощаются водой, поэтому нужны дополнительные усилия, чтобы обеспечить работу системы во время дождя.

1.4.3. Беспроводные сети (Wi-Fi)

С появлением ноутбуков люди стали мечтать о возможности волшебным образом подключать их к интернету, едва зайдя в офис. Множество различных организаций годами работали для достижения этой цели. Наконец было найдено наиболее разумное решение. Оно заключалось в том, чтобы оборудовать как офис, так и ноутбуки радиопередатчиками и радиоприемниками короткого радиуса действия для обмена информацией.

Работы в этой сфере быстро привели к появлению на рынке беспроводных LAN от различных компаний. Проблема была в том, что они были совершенно несовместимы друг с другом. Изобилие стандартов означало, что компьютер, оборудованный радиоприемником от бренда X, не сможет подключиться к интернету в помещении с точкой доступа от бренда Y. В середине 1990-х было решено, что имеет смысл создать беспроводной стандарт LAN, и комитет IEEE, занимавшийся стандартизацией проводных LAN, получил такое задание.

Прежде всего нужно было ответить на самый простой вопрос: как его назвать? Все прочие стандарты для 802 LAN, созданные комитетом стандартизации IEEE, получали номера по порядку, от 802.1 и 802.2 до 802.10, поэтому беспроводной стандарт LAN получил название 802.11. Поистине гениально. На профессиональном жаргоне его называют Wi-Fi. Однако это важный стандарт, заслуживающий уважения, так что мы будем использовать для него более официальное название — 802.11. За прошедшие годы возникло множество вариантов и версий стандарта 802.11.

Дальнейшие задачи были посложнее. Необходимо было найти подходящую и свободную (причем желательно по всему миру) полосу частот. В результате был выбран подход, противоположный тому, который использовался в мобильных телефонных сетях. Вместо дорогостоящих лицензируемых частот системы 802.11 работают на нелицензируемых полосах частот, например ISM («Industrial, Scientific, and Medical» — «промышленные, научные и медицинские»), устанавливаемых МСЭ-R (например, 902–928 МГц, 2,4–2,5 ГГц, 5,725–5,825 ГГц). Этот диапазон частот разрешено использовать любым устройствам, но мощность их излучения должна быть ограничена, чтобы различные устройства не мешали друг другу. Конечно, из-за этого 802.11-передатчики иногда начинают конкурировать за частоты с беспроводными телефонами, системами дистанционного открывания дверей гаража и микроволновками. Так что до тех пор, пока пользователям не понадобится позвонить гаражным дверям, важно все настроить правильно.

Сети 802.11 состоят из клиентских устройств, таких как ноутбуки и мобильные телефоны, а также точек доступа (access points, AP) — инфраструктур, располагаемых в зданиях. Точки доступа иногда называются базовыми станциями (base stations). Они подключаются к проводной сети, через них осуществляется весь обмен данными между клиентами. Клиенты, находящиеся в зоне радиодоступа, могут также взаимодействовать напрямую: например, в случае с двумя компьютерами в офисе без точки доступа. Подобная схема называется динамической (самоорганизующейся) сетью (ad hoc network) и используется намного реже сети с точкой доступа. Оба варианта показаны на илл. 1.22.

Илл. 1.22. (а) Беспроводная сеть с точкой доступа. (б) Динамическая сеть

Передача данных по стандарту 802.11 осложняется условиями беспроводной передачи, которые меняются при малейших изменениях окружающей среды. На используемых для 802.11 частотах радиосигналы могут отражаться от твердых тел, так что приемник может регистрировать несколько отраженных сигналов, пришедших с различных направлений. Такие сигналы могут заглушать или усиливать друг друга, в результате чего итоговый сигнал сильно искажается. Этот феномен, показанный на илл. 1.23, называется многолучевым замиранием (multipath fading).