Пакетная передача данных. Технология GPRS. Структура GPRS

Целью технологии GPRS является эффективное использование канального ресурса, создание комфортной среды для абонента при работе с Интернетом, при передаче и получении мультимедийных сообщений MMS – Multimedia Messages Service.

Основные свойства GPRS можно описать следующим образом.

· GPRS поддерживает протоколы пакетной передачи данных, а именно, IP (Internet Protocol) и Х.25.

· Физический канальный ресурс выделяют группе абонентов; занятие канала производят по мере поступления пакетов в соответствии с качеством услуг QoS (Quality of Service), предоставляемых абоненту; каждый пакет содержит идентификатор абонента и предназначен для конкретного пользователя.

· Абонент передает и получает информацию пакетами; во время пауз канал связи занимают другие абоненты.

· Скорость передачи данных в пакете может изменяться, достигая 160 кбит/с (абоненту могут выделять до 8 TS на одной частоте).

· Скорости передачи в направлениях “вверх” и “вниз”, как правило, разные, например, 36,2 кбит/с в направлении BSSÞMS и 3 кбит/с в направлении MSÞBSS, причем асимметричные каналы обычно выделяют при доступе в Интернет.

· Оплата услуги зависит от объема переданной информации, QoS сеанса связи и общего времени подсоединения к сети.

· Мобильная станция виртуально подключена к сети Интернет. Абонент на время сеанса связи получает интернет-адрес.

Подсистема GPRS (рис. 4.2) представляет структуру "параллельную" подсистеме коммутации классической GSM. Роль MSC/VLR в пакетной сети подвижной связи выполняет SGSN: Serving GPRS Support Node (обслуживающий узел GPRS). Шлюзы с пакетными сетями передачи данных строят в виде GGSN - Gateway GPRS Support Node (шлюзовых узлов GPRS). При сетевом подходе к организации обмена информацией структура GPRS (SGSN, GGSN и другие элементы) является подсетью внешних пакетных сетей, где GGSN выполняют роль межсетевых коммутаторов. Со стороны SGSN подсеть GPRS связана с подсистемой базовых станций.

Рис. 4.2. Укрупненная структура сети GSM с поддержкой GPRS

Абонент и соответственно MS в GPRS выступают как пользователи внешней сети передачи данных. В этой сети абоненту присваивают статический (постоянный) или динамический (временный) IP адрес, по которому идет обмен информационными пакетами. Абонент постоянно подключен к пакетной сети, где ему предоставлен виртуальный канал, который становится реальным (физическим) радиоканалом на время передачи пакета. В остальное время этот физический канал используют для передачи пакетов других пользователей. MS содержит дополнительное программное обеспечение для подключения к мобильной сети и обслуживания в ней.

GPRS обеспечивает высокую пропускную способность сети за счет предоставления высокоскоростных каналов передачи данных. Прямой выход на сети передачи данных (Интернет, Х-25) с проключением вызова занимает 0,5 - 1с).

Так как один и тот же канальный ресурс используют несколько абонентов, а во время сеанса связи могут одновременно поступать пакеты разных пользователей, возможно возникновение очереди на передачу пакетов, что вызовет задержку в связи. Допустимая величина задержки - одна из характеристик, определяющих качество обслуживания абонента.

Для GPRS характерно гибкое управление предоставляемыми услугами. Абоненты могут получать различное качество услуг (QoS) с соответствующей градацией оплаты. Если в обычных сетях с коммутацией каналов качество услуг QoS определяют 2 параметра: вероятность отказа в предоставлении канала р_отк и коэффициент ошибок при приеме информации BER (bit error rate), в GPRS качество обслуживания описывают 5 характеристик (рис. 4.3). При заключении договора абонент и оператор сети оговаривают все характеристики, в связи с чем меняются тарифы на предоставляемые услуги. QoS включает в себя:

- приоритет абонента,

- надежность в передаче информации,

- допустимые задержки,

- пиковую и среднюю пропускную способность канала.

Рис. 4.3. Качество обслуживания абонентов при GPRS

Рассмотрим функции основных элементов подсети.

SGSN

- маршрутизирует (коммутирует) потоки пакетов данных между MS и GGSN (пакетными сетями);

- преобразует протоколы передачи информации по магистрали Интернета в протоколы, используемые в BSS;

- обеспечивает аутентификацию абонентов, шифрацию сообщений, закрытие абонентов временными номерами при работе в пакетной сети (P-TMSI);

- ведет базу данных обслуживаемых пакетной сетью абонентов, обеспечивая их локализацию (процедуры Mobility Management) и требуемый QoS;

- обеспечивает взаимодействие с MSC/VLR и HLR сети подвижной связи с коммутируемыми каналами;

- предоставляет информацию об оказанных услугах для биллинга абонентов.

Шлюз GGSN

- маршрутизирует пакеты в направлении MS Û внешняя пакетная сеть;

- организует интерфейс с пакетной сетью передачи данных;

- совместно с другими элементами сети участвует в назначении динамических адресов абонентам;

- предоставляет информацию для биллинга.

При создании сети GPRS усложняются функции BSC и BTS. BSC содержит дополнительный блок PCU - Packet Control Unit.

BSC

- распределяет канальный ресурс между абонентами, обслуживаемыми по коммутируемым каналам, и MS, работающими в пакетном режиме;

- предоставляет каналы абонентам пакетной сети в соответствии с требуемым QoS;

- обеспечивает фрагментацию и сборку кадров для их передачи по радиоканалам;

- обеспечивает контроль качества передачи по радиоканалам.

В состав BTS входит новое кодирующее устройство CCU (Channel Codec Unit).

HLR содержит дополнительные данные об абонентах, которым предоставляют услуги GPRS (базисный PDP - Packet Data Protocol контекст).

Реальная структура GPRS существенно сложнее (рис. 4.4). К GPRS магистрали, связывающей SGSN c различными GGSN для выхода на разные сети (например, Интернет, Х-25, корпоративные сети) подключают несколько дополнительных шлюзов:

CG - Charging Gateway, шлюз для выхода на биллинговый центр,

LIG - Legal Interception Gateway, шлюз для законного прослушивания информации;

BG - Border Gateway, шлюз для выхода на межоператорскую (международную) сеть GPRS.

С магистралью GPRS связан DNS (Domain Name System), сервер имен доменов, обеспечивающий замену символических адресов пакетных сетей (Интернет, Интранет) на соответствующие им числовые адреса. Для защиты сети GPRS от несанкционированного входа со стороны внешних сетей устанавливают брандмауэры (FW - firewall). Управление сетью GPRS осуществляет подсистема управления NMS (Network Management System).

Обслуживание абонентов в сети GPRS требует ввода новых дополнительных процедур. При подключении абонента к сети GPRS происходит его регистрация в SGSN, активизация программного обеспечения GPRS в MS и в базах данных по обслуживанию абонента в SGSN и GGSN (активизация PDP контекста). При этом абонент либо получает временный адрес в соответствующей пакетной сети, либо активизируют его постоянный адрес. В процессе сеанса связи MS может находиться в разных состояниях. В состоянии Ready ей выделен канальный ресурс; в состоянии Standby станция находится в режиме ожидания вызова. При движении абонента в состоянии Standby происходит процедура Routing Area Updating, аналогичная процедуре Location Updating в обычной GSM. Когда MS находится в состоянии Ready, то при перемещении из соты в соту станция осуществляет реселекцию сот. По ее запросу BSC переключает каналы трафика от одной BTS к другой. Хэндовер в GPRS отсутствует.

Адресация в GPRS

В сети GPRS для адресации абонентов и функциональных устройств используют принципы адресации в Интернете. Адресация в Интернете непосредственно связана со структурой его протоколов. В этой структуре можно выделить 3 уровня, соотнесенные с семиуровневой моделью обмена информацией в открытых средах (рис. 4.5):

Рис. 4.5. Структура протоколов Интернета

протокол сетевого 3-го уровня IP - Internet Protocol,

протокол транспортного 4-го уровня TCP - Transmission Control Protocol,

протокол транспортного 4-го уровня UDP - User Datagram Protocol,

протоколы 7-го уровня применения, например, HTTP - Hypertext Transfer Protocol и др.

Протокол IP предназначен для пересылки пакетов данных (дейтаграмм) по сетям связи без установления соединения. Это значит, что каждый пакет маршрутизируют индивидуально с помощью адресов отправителя и получателя. Адреса в Интернете уникальные, присваиваемые каждому узлу (ЭВМ), называемому хостом (host).

Приведем основные сведения о доставке IP пакетов.

IP пакеты – дейтаграммы. Длина дейтаграммы теоретически может достигать 65535 октетов. Однако на практике рабочие станции и маршрутизаторы обычно работают с дейтаграммами длиной не более 576 байт. Следовательно, при передаче длинные файлы фрагментируют и последовательно передают несколько дейтаграмм.

В соответствии со структурой IP протоколов каждая дейтаграмма имеет заголовок IP протокола и протокола TCP/UDP (Transmission Control Protocol/ User Datagram Protocol) (рис.4.6).

Рис. 4.6. Структура дейтаграммы

В широко применяемой пока версии (IPv4) адрес представлен в виде 32- разрядного двоичного числа, например,

189.160.0.2

Для удобства поиска получателя глобальная сеть Интернет разделена на отдельные подсети (сети). Для выделения адресов подсетей и хостов на адрес накладывают маску, выделяя часть, относящуюся к подсети. Например, при маске 255.255.255.0 выделим подсеть 189.160.0.0:(табл. 4.1).

Таблица 4.1

Указанную в табл.4.1 подсеть можно обозначить как 189.160.0.0/24. Нулевой адрес хоста является адресом подсети, последний адрес - 189.160.0.255 используют для передачи вещательной информации.

Сети (подсети) связаны между собой посредством маршрутизаторов. Маршрутизатор имеет выходы на две и более сетей и обеспечивает пересылку пакетов между ними в направлении адреса получателя.

Адреса бывают статические и динамические. Статический адрес постоянно закреплен за абонентом (компьютером) и всякий раз при его подключении к сети обмен пакетами с компьютером производят по этому адресу. При динамической адресации сеть назначает адрес компьютеру на время сеанса связи. По окончании работы этот адрес будет присвоен другому устройству. Как правило, при работе с Интернетом, пользователям назначают динамические адреса. Статическую адресацию часто используют в локальных (ведомственных) сетях.

Протоколы транспортного уровня TCP и UDP позволяют передавать дейтаграммы между определенными портами (приложениями) узлов с данными адресами. Протокол ТСР обеспечивает надежную передачу данных с подтверждением полученных пакетов и повторной передачей пропавших или поврежденных пакетов. UDP обеспечивает передачу пакетов без подтверждения, что при снижении надежности связи увеличивает скорость передачи.

Применительно к ЭВМ номер порта определяет точку входа на машину. В Интернете под портом также понимают приложение (программное или программно-аппаратное), размещенное в узле с данным адресом. Это позволяет, например, адресовать запросы к определенным файловым структурам, а также к конкретным устройствам, объединенным в группу единым адресом. Так группе абонентов GPRS одного оператора со стороны Интернета может быть присвоен один адрес, но каждый абонент на уровне UDP будет адресоваться своим уникальным номером порта. Всего портов 2¹⁶, от 0 до 65535. Адрес с указанием порта записывают следующим образом: <адрес>:<порт>, например, 188.160.0.2:17.

Для того чтобы защитить отдельные сети от несанкционированного проникновения из сети Интернета и оптимальным образом использовать адресное поле, при адресации часто пользуются трансляцией сетевых адресов и портов. Пример применения трансляции в подсети GPRS показан на рис. 4.7.

Внутри подсети GPRS принята локальная адресация, что защищает сеть от проникновения извне. В сети Интернета все MS имеют один адрес, но различные порты. В подсети GPRS каждому составному адресу + порту соответствует уникальный локальный адрес. Транслятор адресов может быть выполнен в виде специального маршрутизатора, находящегося вне пределов подсети GPRS, или совмещен с GGSN.

Рис. 4.7. Пример трансляции сетевых адресов и портов

В состав оборудования сети GPRS входит сервер имен доменов DNS. DNS-протокол уровня приложений преобразует символические имена хостов в числовые адреса и обратно. DNS хранит соответствующие пары в своей базе данных. Для выполнения процедуры установления соответствия DNS подсети GPRS обращается к DNS соответствующих доменов.

Как пример, на рис. 4.8 показано, как SGSN получает адрес хоста с символическим именем gprs.allenby.com

.

Рис. 4.8. Пример получения SGSN адреса хоста

1. SGSN посылает запрос в местный DNS сервер об адресе, соответствующему gprs.allenby.com.

2. Местный DNS не знает ответа, так как он содержит базу данных только об устройствах и пользователях своей подсети. Поэтому он направляет запрос в корневой DNS. Корневой DNS передает список адресов DNS серверов, оканчивающихся на .сом.

3. Местный DNS направляет запросы в .com DNS, откуда поступают адреса DNS серверов .allenby.com.

4. Местный DNS направляет запросы в DNS серверы .allenby.com. С одного из них приходит адрес gprs.allenby.com.

5. Полученный адрес местный DNS пересылает в SGSN.

Информацию об адресе сохраняют в SGSN и местном DNS в течение определенного времени для отправления следующих пакетов по данному адресу.

Наличие DNS позволяет также организовать роуминг для выхода на локальные сети с фиксированным адресом пользователя и точкой доступа в домашней сети абонента (рис. 4.9).

Рис. 4.9. Роуминг в GPRS