Pevné a bezdrátové síťové technologie pro integrovanou výuku

Transkript

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ
Pevné a bezdrátové síťové technologie pro
integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
Garant předmětu:
Doc. Ing. Vít Novotný, Ph.D.
Autoři textu:
BRNO * 2014
Vznik těchto skript byl podpořen projektem č. CZ.1.07/2.2.00/28.0062
Evropského sociálního fondu a státním rozpočtem České republiky.
FEKT Vysokého učení technického v Brně
Autor
Název
Vydavatel
Vydání
Rok vydání
Náklad
ISBN
2
Pevné a bezdrátové síťové technologie pro integrovanou výuku VUT a
VŠB-TUO
Vysoké učení technické v Brně
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Ústav telekomunikací
Technická 12, 616 00 Brno
první
2014
elektronicky
978-80-214-5120-9
Tato publikace neprošla redakční ani jazykovou úpravou.
Pevné a bezdrátové síťové technologie pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
3
OBSAH
ÚVOD ........................................................................................................................................ 5
1
VÝVOJ DATOVÝCH SÍTÍ A SLUŽEB ......................................................................... 6
2
SÍTĚ ISDN ......................................................................................................................... 8
2.1 ZÁKLADNÍ CHARAKTERISTIKA SÍTÍ ISDN ........................................................................ 8
2.2 ÚZKOPÁSMOVÁ SÍŤ ISDN ................................................................................................ 9
2.2.1
Služby úzkopásmové sítě ISDN .................................................................. 9
2.2.2
Základní přístup BRA – Basic Rate Access .............................................. 15
2.2.3
Primární přístup - 30B64+D64 ..................................................................... 30
2.2.4
Signalizace v ISDN .................................................................................... 30
2.2.5
Průběh sestavování spojení v síti ISDN ..................................................... 41
2.2.6
ISDN koncová zařízení .............................................................................. 42
2.3 ŠIROKOPÁSMOVÁ ISDN - TECHNOLOGIE ATM.............................................................. 54
3
2.3.1
Základy ATM ............................................................................................ 54
2.3.2
Vrstvový model ATM:............................................................................... 56
2.3.3
Třídy služeb v síti ATM............................................................................. 57
2.3.4
Uživatelský přístup .................................................................................... 58
2.3.5
Uplatnění technologie ATM ...................................................................... 58
BEZDRÁTOVÉ DATOVÉ SÍTĚ ................................................................................... 59
3.1 DATOVÉ PŘENOSY V BEZDRÁTOVÝCH A MOBILNÍCH SÍTÍCH ........................................... 59
3.2 ÚVOD DO LOKÁLNÍCH BEZDRÁTOVÝCH TECHNOLOGIÍ ................................................... 61
3.3 ASPEKTY BEZDRÁTOVÉHO ZPŮSOBU KOMUNIKACE ....................................................... 62
3.3.1
Techniky s rozprostřením spektra .............................................................. 63
3.3.2
Infračervený přenos ................................................................................... 63
3.4 SÍTĚ WLAN DLE STANDARDŮ IEEE 802.11 .................................................................. 65
3.4.1
Architektury ve WLAN sítích.................................................................... 66
3.4.2
Základní standard IEEE 802.11 ................................................................. 67
3.4.3
Standard IEEE 802.11b.............................................................................. 73
3.4.4
Standard 802.11a ....................................................................................... 73
3.4.5
Standard 802.11g ....................................................................................... 74
3.5 STANDARD IEEE 802.11N ............................................................................................. 74
4
ZAJIŠTĚNÍ KVALITATIVNÍCH POŽADAVKŮ SLUŽEB ..................................... 82
4.1 OCHRANA PROTI CHYBOVOSTI: ...................................................................................... 83
4
4.2 ŘEŠENÍ PROBLEMATIKY ZPOŽDĚNÍ ................................................................................ 84
4.2.1
Integrované služby v IP sítích ................................................................... 85
4.2.2
Diferencované služby v IP sítích ............................................................... 85
ZÁVĚR .....................................................................................................................................86
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ...................................................................................87
5
Úvod
Elektronické komunikační a informační technologie jsou v současnosti jednou
z nejdynamičtěji se rozvíjejících oblastí v oboru elektrotechniky. Jasným důkazem tohoto
stavu je bouřlivý vývoj v oblasti bezdrátových komunikací, konkrétně jednak na poli
bezdrátových lokálních sítí – WiFi (poslední standardy IEEE 802.11ac/ad), tak i na poli
rozsáhlých bezdrátových sítí s širokým stupněm mobility – nastupujících mobilních sítí čtvrté
generace – EPS/LTE (Evolved Packet System/Long Term Evolution). Přenosové rychlosti
v bezdrátových sítích se stále zvyšují, snižuje se latence průchodu paketů těmito sítěmi, a
zavádějí se sofistikované techniky podpory kvalitativních požadavků služeb, a to buď na
straně terminálů, což je případ modifikace náhodné přístupové metody CSMA/CA (viz
kap. 3.4.2.2) v sítích WiFi, nebo centrálně řízené poskytování podpory pomocí tzv. nosičů
dat, což je logická přenosová entita se specifikací parametrů k dané službě, jako jsou střední a
maximální přenosová rychlost, velikost shluků dat, maximální latence, paketová ztrátovost, a
některé další, které se pak mapují jednak na konkrétní způsob podpory QoS na úrovních
síťové, spojové vrstvy či MPLS vrstvy, a jednak na konkrétní mechanizmus plánování u
základnových stanic, což je případ rozsáhlých mobilních sítí.
Telekomunikační sítě, které se dnes používají, jsou již digitální (až na stále hojně
používané analogové telefonní přípojky), avšak samozřejmě nejsou to pouze sítě typu
Ethernet či již výše zmíněné bezdrátové a mobilní sítě, ale i další typy, kam v oblasti
přístupových sítí patří technologie xDSL, a v oblasti rozsáhlých sítí je to především tzv.
Úzkopásmová ISDN (Integrated Services Digital Network).
Ačkoli sítě ISDN, jakožto sítě založené na spojování fyzických okruhů, nejsou
telekomunikační sítí budoucnosti, jsou stále hojně rozšířené, a to i když už neslouží
původnímu názvu a účelu, tj. poskytovat prostředky pro přenos dat široké paletě služeb, ale
především pro poskytování hovorové a videokonverzační služby.
Proto je důležité, aby absolvent bakalářského studia znal nejenom nejnovější či
nejrozšířenější technologie, ale i ty, které byly nasazeny již před mnoha lety, které však dosud
existují, a ještě řadu let existovat budou. Absolvent tak bude připraven pro praxi, kdy existuje
nemalá pravděpodobnost, že je bude moct uplatnit.
Učební text si klade za cíl pokrýt oblast sítí ISDN i oblast bezdrátových datových sítí
tak, aby doplnil informace z oblasti telekomunikačních sítí jinými současnými učebními texty
opomíjené.
6
1 Vývoj datových sítí a služeb
Telekomunikační sítě mají za sebou historii dlouhou již kolem jednoho a půl století 150
let, budeme-li uvažovat historii telefonie, a pokud bychom do toho započítali i historii
telegrafu, pak bychom byli blízko dvěma stoletím. Během této historie se způsob transportu
informace několikrát změnil. Obzvláště poslední čtyři desetiletí lze charakterizovat jako
revoluci v této oblasti. Nejdříve s nástupem digitálního zpracování informace došlo
k digitalizaci standardní telefonní sítě v podobě nástupu okruhově spojované technologie
ISDN (Integrated Services Digital Network), zavedení transportní technologie PDH
(Plesiochronous Digital Hierarchy), i pozvolnému rozšiřování zcela nového typu sítí, a to sítí
založených na přepojování datových jednotek (paketů) známých jako počítačové sítě (neboť
dlouhou řadu let sloužily jako prostředek elektronické komunikace pouze mezi počítači).
V současnosti jsme svědky globálního přechodu služeb do oblasti paketových (IP) sítí, a
rozdělování oblastí podnikání v telekomunikační branži na oblast poskytování přístupu do
Internetu, oblast páteřního transportu dat a oblast poskytování služeb.
Co se týče poskytování přístupu k Internetu, tak zde jsou zastoupeny přístupovými
technologiemi, kam řadíme jednak kabelové systémy zastoupené technologiemi xDSL,
kabelovým přístupem TKR (koaxiální sítě televizních kabelových rozvodů), technologií
Ethernet (EFM po metalice), či skupinou FTTx využívající nejčastěji s techniku xPON
(pasivní optické sítě), a jednak bezdrátové technologie zastoupené technologiemi Bluetooth,
WiFi, WiMAX a dnes sem řadíme i mobilní sítě 3G a 4G, jak pozemní, tak i satelitní.
Oblast páteřního transportu IP paketů je pak zajištěna pomocí vysokokapacitních
optických spojů, kde transport je pak řešen buď technologiemi SDH či SONET nebo přímo
technologií MPλS (MPLS over lambda).
Na poli poskytování služeb elektronické komunikace a informačních služeb je to velice
komplikované, protože díky jednotné transportní technologii i široké dostupnosti
vysokorychlostního Internetu může služby poskytovat víceméně kdokoli, což má za následek
ztrátu původně výlučné pozice tradičních telekomunikačních operátorů jakožto poskytovatele
jak transportu dat, tak i telekomunikačních služeb. Současný Internet je tak zahlcen
rozmanitými komunikačními a informačními službami, z nichž mnohé jsou cenově mnohem
výhodnější, než služby od standardních operátorů, či jsou dokonce zdarma. Příkladem tohoto
jsou globální služby sociálních komunikačních sítí, například Facebook, Twitter a řada
dalších; dále telefonní či videokonverzační služby typu Skype; a mnoho tzv. cloudových
služeb.
7
Tradiční operátoři řeší tuto obtížnou situaci pomocí reorganizace celé vlastní
infrastruktury poskytování telekomunikačních služeb a její správy pomocí samostatného a
jednotného systému poskytování služeb založeného na konvergované platformě IP sítí
s otevřenými a standardizovanými rozhraními pro stávající i budoucí služby, a nezávislého na
konkrétní transportní infrastruktuře. Řešení se označuje jako IMS (IP Multimedia Subsystem),
které umožňuje začlenit i stávající technologie, a tudíž zachovat v činnosti stále fungující a
prosperující síťové technologie a současně sjednotit, obohatit a výsledku zatraktivnit systém
poskytování služeb.
8
2 Sítě ISDN
2.1 Základní charakteristika sítí ISDN
Označení ISDN pro telekomunikační síť znamená Integrated Services Digital Network,
což představuje čistě digitální telekomunikační síť, tj. včetně koncových zařízení a
účastnických přípojek, s podporou řady služeb elektronické komunikace. Sítě ISDN se
rozdělují do dvou typů:
1. Úzkopásmová ISDN,
2. Širokopásmová ISDN.
Úzkopásmová síť ISDN je síť založená na technice přepínání fyzických okruhů a
poskytuje telekomunikační služby do kapacity 2 Mb/s, zatímco širokopásmová síť ISDN je
již síť využívající techniku přepojování datových jednotek, konkrétně techniku ATM Asynchronnous Transport Mode, (pod tímto označením je širokopásmová ISDN známá),
s teoreticky neomezenou adaptivitou a nabídkou libovolně náročných komunikačních služeb.
Celkově jsou definované kanály dle Tab. 2.1.
Tab. 2.1: Specifikace ISDN kanálů
Označení
kanálu
Přenosová
rychlost
Využití
•
B
64 kb/s
•
•
D
16 kb/s
H0
384 kb/s
•
H11
1,536 kb/s
•
H12
1,920 kb/s
•
H1
H
H2
30 - 44 Mb/s
H4
90 - 138 Mb/s
Kanál pro přenos uživatelské
informace, je možný multiplex
kombinací rychlostí 8, 16 a 32 kb/s,
spojování okruhů, spojování
paketů, nebo pronajaté okruhy
Primárně signalizační kanál pro
kanály B nebo D,
Sekundárně paketový kanál pro
uživatelská data.
Komunikační kanál pro
uživatelská data,
Okruhově spojovaný, paketově
přepínaný, případně i pronajatý
spoj.
9
2.2 Úzkopásmová síť ISDN
Úzkopásmová ISDN poskytuje uživateli 2 základní typy přístupů, viz Obr. 2.1:
- základní = Basic Rate Access (BRA) - 2 uživatelské B kanály po 64kb/s a
1 signalizační D kanál 16 kb/s. Uživatelské B kanály lze sdružit v kanál 128 kb/s. D kanál
slouží pro signalizaci a bylo jej s nižší prioritou možno využít i pro pomalý paketový přenos
dat např. podle protokolu X.25 (v současnosti však žádný veřejný operátor síť X.25
neprovozuje).
- primární = Primary Rate Access (PRA) – 30 uživatelských kanálů B po 64 kb/s a
1 signalizační kanál 64 kb/s. Používá se především k připojení pobočkových ISDN ústředen
k veřejné síti. I zde je možnost uživatelské B kanály sdružit v rychlejší kanál, a to až 1920
kb/s.
a)
b)
Obr. 2.1: Přenosové kapacity a) základního a b) primárního přístupu úzkopásmové sítě ISDN
2.2.1
Služby úzkopásmové sítě ISDN
Služby ISDN lze rozdělit na základní a doplňkové. Základní služby představují nosné
služby, tj. služby zajišťující přenos hlavního druhu informace, pro který byla služba navržena,
tj. například hlasová informace u hlasové služby. Doplňkové služby jsou služby, které jsou
přidružovány k základním službám, čímž zvyšují komfort a hodnotu dané základní služby.
2.2.1.1 Základní služby
V síti ISDN jsou základní služby rozdělovány na nosné (transportní, anglicky „bearer
services“) a telematické. Nosné služby poskytují pouhý transport libovolného obsahu danou
sítí (v našem případě sítí ISDN), tj. je definováno rozhraní na vstupu / výstupu sítě, definující
10
pouze parametry a protokoly přístupu do sítě. Telematické služby jsou telekomunikační
služby se standardizací až do úrovně aplikační vrstvy, tj. včetně obsahu, způsobu prezentace
informace, apod.
a) TELEMATICKÉ SLUŽBY
Mezi telematické služby patří:
Hovorová služba – nejběžnější služba pro přenos hlasu. Jedná se buď o službu
„audio 300-3400 Hz“ nebo slibovaný, ale doposud neimplementovaný typ „audio 7
kHz“.
Faximilní služba – služba pro přenos grafických dokumentů. Spojení lze realizovat
mezi zařízeními implementujícími 2 typy faximilních komunikací: G3 - G3, G3 - G4,
či G4 - G4. Pro spojení s faxy G3 se používá softwarová emulace protokolu a daného
typu modulace pro danou přenosovou rychlost. Možnost implementace služby fax
polling (služba klient či server) pro vzdálené vyzvednutí dokumentů.
Emulace modemu (např. V.32) a emulace terminálu (např. VT100)
Přenos souborů – podle protokolu Euro-File Transfer (ETS 300 409), případně i
modernějších, avšak proprietary protokolů. Protokol Euro-File Transfer například
neumožňuje spojovat více B kanálů do rychlejšího datového toku.
Teletexová služba - služba pro přenos textových dokumentů
Videokomunikace – služba pro přenos videosignálu po síti ISDN podle doporučení
H. 320 či H. 323. Tato doporučení jsou zastřešovací a pod nimi se skrývá celá řada
doporučení pro činnost dílčích částí videokonferenčního zařízení. Jedná se buď o
dvoubodové či konferenční spojení. Pro zajištění videokonference je zapotřebí
centrální zařízení označované jako MCU (Multipoint Conferencing Unit). Koncovými
zařízeními jsou buď videotelefon, počítač s ISDN kartou, kamerou, kartou pro
zpracování signálu z kamery (pokud není toto zařízení součástí ISDN karty) a
zvukovou
kartou,
případně
speciální
videokonferenční
zařízení
připojitelné
k televizoru či monitoru. Pro kvalitní přenosy se sdružuje více B kanálů (služba
Bonding, viz níže) do rychlejšího datového toku.
b) TRANSPORTNÍ SLUŽBY
Transportní služby jsou služby, kdy síť
ISDN poskytuje pouze transport
nespecifikovaného digitálního signálu a slouží především pro propojení jiných sítí přes ISDN
či pro tzv. vzdálený přístup.
ISDN spoj, viz Obr. 2.2, se pro propojení LAN v minulosti používal:
-
pro občasný přenos dat mezi dvěma sítěmi,
11
-
jako záloha pevného spojení pro případ jeho nefunkčnosti,
-
případně pro dočasné zvýšení přenosové kapacity propojení, nedostačuje-li kapacita
pevného spojení.
ISDN
ISDN směrovač
ISDN směrovač
LAN
LAN
pevný spoj
Obr. 2.2: Záložní propojení sítí LAN pomocí spoje ISDN
Automatické navazování spojení zajišťuje funkce dial-on-demand, čili vytočení při
požadavku. Tato funkce se spojuje s funkcí ukončování spojení v době, kdy se nepřenáší data,
čímž se při vhodném nastavení tzv. „inactivity timeout“ (doby nečinnosti) a při zavedení
filtrování paketů šetří poplatky za připojení. Vhodným doplňkem je k tomu i funkce nazývaná
bandwidth-on-demand (šířka pásma na požádání) nebo Dynamic Bandwidth Allocation
(DBA). Pomocí tzv. BACP (Bandwidth Allocation Control Protocol) umí koncové ISDN
zařízení (datové) automaticky připojovat a odpojovat B-kanály, tak aby výsledná rychlost
připojení odpovídala požadavkům na přenos dat.
Dalším doplňkem datové komunikace může být funkce Call Bumping – používá se
pro možnost připojení 1 počítače či spíše malé LAN přes ISDN BRI přípojku k Internetu či
k jiné LAN s využitím obou kanálů B a ještě navíc s možností telefonování, viz Obr. 2.3.
LAN
přístupový
směrovač
ISDN + TA
BRI
ISDN
směrovač,
přístupový
server (RAS)
INTERNET
analogový
(LAN)
telefon
Obr. 2.3: Propojení počítačových sítí a vzdálený přístup k počítačové síti přes ISDN
Jsou-li využity oba kanály B a je zapotřebí uskutečnit odchozí hovor, pak směrovač
s aktivovanou touto funkcí 1 B kanál odpojí a umožní tak realizaci odchozího volání. Pro
příchozí volání při obsazení obou kanálů pro datové spojení je zapotřebí mít v místní (nebo
pobočkové ústředně) aktivovanou službu Call Waiting, která zabrání vyslání obsazovacího
12
tónu volajícímu a upozorní směrovač, že přichází volání. Má-li směrovač (či jiné zařízení)
aktivovanou službu Voice Priority, pak se 1 B kanál uvolní a propustí se volání na telefon.
Pro IP komunikaci přes ISDN po více B kanálech je zapotřebí Multilink PPP protokol, což je
varianta PPP, která umožňuje přenášet jeden tok IP paketů paralelně po více kanálech.
Zvýšení datového toku lze dosáhnout bez přídavných peněžních nároků použitím online komprese přenášených dat. Zde je možno použít buď standardní kompresi V.42bis, nebo
tzv. STAC kompresi, která je specifická pro ISDN a je o něco výkonnější. Na druhé straně je
STAC komprese licencovanou technologií, takže nejlevnější sorta ISDN datových zařízení ji
nemusí mít implementovánu. Kromě toho existují i nestandardní firemní řešení komprese dat.
2.2.1.2 Doplňkové služby ISDN
Doplňkové služby jsou jedním ze základních parametrů, které charakterizují ISDN
jakožto telekomunikační službu. Svůj základ mají v Signalizaci č.7, která se používá na
digitální telekomunikační síti jak pro ISDN, tak pro mobilní i pevné telefony. Díky tomu je
řada doplňkových služeb na těchto různých typech telefonů stejná nebo podobná identifikace volajícího, přesměrování hovoru apod. Existují však doplňkové služby, které
existují a fungují pouze v rámci ISDN.
Každý operátor si však vybírá, které z nich bude nabízet a které ne. Výběr je limitován
technickými možnostmi spojovacích systémů v síti, ale také obchodními záměry daného
operátora.
Call Forwarding (přesměrování hovoru) – přesměrování příchozích hovorů podle řady
kriterií (pevné přesměrování CFU, v nepřítomnosti CFNR, při obsazení CFB).
AOC, Advice Of Charge - jedna z celého spektra "přidaných" služeb, které zvyšují komfort
volajících účastníků. Tato služba poskytuje průběžné informace o protelefonovaných
poplatcích.
Konferenční hovor – současné propojení více jak dvou účastníků s řadou funkcí pro řízení
průběhu konferenčního hovoru.
CLIP, Calling Line Identification Presentation (zobrazení čísla volajícího) – v rámci
navazování spojení je přeneseno i číslo volající stanice, a může být zobrazeno na
displeji telefonu volaného účastníka. Této možnosti se využívá i při datových
přenosech, kde číslo volajícího může být použito pro potřeby ověření přístupových
práv.
13
CLIR, Calling Line Identification Restriction (zákaz zobrazení čísla volajícího) - opačná
funkce, umožňující aby volající zakázal zobrazení svého čísla volanému.
COLP, Connected Line Presentation (identifikace skutečné volané linky) – předání
identifikace propojené přípojky. Služba COLP umožňuje volajícímu účastníkovi
přijmout identifikaci propojené přípojky, tj. národní nebo mezinárodní ISDN číslo
včetně případné subadresy. Užitečnost služby se projeví zejména při přesměrování
volání, kdy propojená přípojka není volaným účastníkem.
COLR, Connected Line Identification Restriction – zamezení předání identifikace
propojené přípojky. Služba COLR umožňuje volanému účastníkovi zabránit předání
jeho ISDN čísla včetně případné subadresy volajícímu účastníkovi.
MCID, Malicious Call Identification (Identifikace zlomyslného volání) - i při nastaveném
zákazu zobrazování (službou CLIR) přeci jen lze za spolupráce s telefonním operátorem
identifikovat skutečného volajícího.
MSN, Multiple Subscriber Number (Vícenásobné účastnické číslo) - ISDN přípojka typu
BRI umožňuje připojení až osmi zařízení (z nichž ale jen dvě mohou být současně
aktivní, vzhledem k existenci pouze dvou datových kanálů typu B). Standardně je k
jedné přípojce BRI poskytnuto jen jedno telefonní číslo, stejného typu jako pro klasické
(analogové) telefonní přípojky. Aby ale bylo možné jednoznačně identifikovat každé z
těchto osmi zařízení, je nutné požádat provozovatele ISDN sítě o přidělení dalších
telefonních čísel (MSN). Tato čísla přitom nemusí následovat za sebou, ale mohou to
být libovolná čísla.
AO/DI, Always On/Dynamic ISDN - použití BRI přípojky ISDN je zpoplatňováno
analogicky, jako použití běžného telefonu - vedle pravidelného paušálního poplatku
uživatelé platí ještě i časový tarif, za použití jednotlivých kanálů B (u nás jsou tyto
časové tarify shodné s tarify klasické telefonní sítě, včetně časových délek impulsů.
Zpoplatňováno však není použití služebního kanálu D, a tak se objevily pokusy využít
tuto možnost pro cenově výhodnější komunikaci. Prostřednictvím technologie AO/DI
lze využít služební kanál D k přenosu dat, rychlostí 9,6 kb/s, prostřednictvím protokolu
X.25.
14
BONDing - jednou z výhod ISDN je možnost sdružovat jednotlivé kanály do větších celků v
situaci, kdy je potřeba vytvořit přenosovou cestu s větší propustností. Jednou z technik,
která toto umožňuje, je tzv. bonding (od: "Bandwidth On Demand Interoperability
Group"). Při použití této metody dochází ke splynutí" B kanálů na bitové úrovni, takže
výslednou přenosovou cestu je možné využít i pro přenos nestrukturovaných binárních
dat (bitového proudu), například pro potřeby videokonferencí.
MPPP, Multilink Point-to-Point Protocol - další metoda spojování B kanálů u přípojky BRI
do větších celků s vyšší propustností (do jednoho kanálu o rychlosti 128 kb/s). Je
alternativní k metodě BONDing a liší se v tom, že neprobíhá na bitové úrovni, ale na
úrovni paketů. Jde v zásadě o vylepšený protokol PPP z prostředí TCP/IP.
Call bumping -možnost dynamicky přidělovat jednotlivé B kanály platí i opačně, v tom
smyslu že jsou-li právě oba B kanály u BRI přípojky používány jako jeden datový kanál
o 128 kbps a náhle vnikne potřeba uskutečnit také telefonní hovor, pomocí tzv. "call
bumping" je možné dočasně odebrat jeden B kanál datovým přenosům a použít jej pro
potřeby telefonního hovoru.
Subadresace – přenos adresy pro adresaci uvnitř sítě napojené na síť ISDN.
Provolba – přímá adresace poboček v pobočkové síti.
Podržení hovoru - až 2 hovory mohou být ve stavu podržení pro uskutečnění třetího hovoru
Čekající volání (Call Waiting – CW) – při volání na obsazenou linku není vyslán volajícímu
obsazovací tón, ale volaný je upozorněn na příchod dalšího volání a on se rozhodne, zda
hovor převezme či odmítne.
Omezení hovorů (Call Restrictions)
a) úplné - pro odchozí i příchozí hovory
b) odchozí - zamezení odchozích hovorů
c) příchozí - A) dočasné - funkce nerušit
B) trvalé
d) selektivní - určitá pásma, určitá tlf. čísla
15
Přenositelnost terminálu (Terminal Portability) – možnost podržení hovoru a následného
převzetí z jiného telefonu na stejném S0 rozhraní.
2.2.2
Základní přístup BRA – Basic Rate Access
2.2.2.1 Charakteristika základního přípoje
Základní přípoj (BRA) poskytuje přípojku 2xB64+D16, tedy nabízí 2 kanály s rychlostí
64 kb/s, označované jako kanály B64 a 1 kanál s rychlostí 16 kb/s označovaný jako kanál D16.
B kanály jsou určeny pro přenos uživatelské informace a D kanál je určen primárně pro
přenos signalizace, a sekundárně pro pomalý přenos paketových dat. Celý přípoj se skládá z
několika stupňů, mezi kterými jsou definována rozhraní zachycená na Obr. 2.4 a Obr. 2.5:
1
TE1
NT
Ústředna
TE1
8
TE2
S0- 4 drát
TA
U- 2drát
R
Obr. 2.4: Základní přístup ISDN
TE1 - ISDN terminál,
TA - terminálový adaptér,
TE2 - non-ISDN terminál (analog. telefon,
NT - síťové zakončení.
fax G.3, PC s V.24....),
TE1
NT2
Veřejná
ústředna
NT1
PBÚ
TE1
S0/U
T
Obr. 2.5: Připojení ISDN terminálů na pobočkovou ústřednu ISDN
U
16
Uživatelské rozhraní ISDN je tvořeno rozvodem S0 sběrnice, zakončené zásuvkami RJ45, viz Obr. 2.6 a Obr. 2.7. Dosah S0 sběrnice je určen typem, od tzv. mikrosběrnice až po
rozšířenou sběrnici. Na sběrnici může být připojeno až 8 koncových zařízení ISDN, případně
ne-ISDN zařízení připojených přes terminálový adaptér TA.
Obr. 2.6: Příklad rozvodu sběrnice S0
•
Obr. 2.7: Konektor pro připojení k S0 sběrnici
rozhraní S0 pro připojení až 8 koncových zařízení ISDN na 4-vodičovou sběrnici
zakončenou 100Ω odpory a připojenou k síťovému zakončení NT,
•
rozhraní U pro dvoudrátový přenos mezi síťovým zakončením a linkovým zakončením
ústředny,
•
rozhraní R pro připojení ne-ISDN koncových zařízení, např. analogového faxu, telefonu
či počítače přes RS-232. Rozhraní R je od rozhraní S0 odděleno terminálovým adaptérem
TA, rozhraní S0 je od rozhraní U je odděleno síťovým zakončením NT.
Protokolová struktura základního přípoje je zobrazena na Obr. 2.8 a Obr. 2.9.
kanál D16
Signalizace
DSS1
Q. 931
Q. 921
Pomalý
paketový
přenos
dat
do 9600 b/s
kanály B164 a B264
služba 1
(protokoly
závislé
na službě)
služba 2
(protokoly
závislé
na službě)
I. 430
základní přístup
Obr. 2.8: Vrstvový model základního přístupu
ISDN
UKZ
3
2
1
signalizace
DSS1
po D kanálu
Q. 931
Q. 921
ústředna
SS7
3
2
1
NT
I. 430
ústředna
UK0
3
2
1
signalizace
DSS1
po D kanálu
Q. 931
Q. 921
NT
UK0
17
ISDN
UKZ
3
2
1
I. 430
Obr. 2.9: Vrstvový model signalizačního systému DSS1
2.2.2.2 Rozhraní S0
Po základním přípoji se přenáší řada informací – uživatelské, signalizační,
synchronizační, aktivační, informace managementu, aj. Z hlediska vrstev je pro všechny tyto
typy přenášených informací společná pouze fyzická vrstva. Tato vrstva je pro BRA
a
rozhraní S0 specifikována doporučením I.430 a poskytuje vyšším vrstvám tyto služby:
•
přenos informace – patřičné umístění informace (uživatelské a řídicí) do fyzického
rámce a správné kódování signálu,
•
aktivace a deaktivace – v době nečinnosti koncových zařízení je základní přípojka v
neaktivním stavu (stavu snížené spotřeby – „power-down mode“). Při příchodu volání,
nebo při požadavku na vybudování spojení je nutné rozhraní aktivovat, a po ukončení
komunikace zase deaktivovat.
•
přístup k D-kanálu – na sběrnici, kde může být připojeno až 8 koncových zařízení a
jediný signalizační kanál, je nutné řešit problematiku mnohonásobného přístupu k
tomuto kanálu,
•
udržení činnosti fyzického spoje – zahrnuje signalizaci a procedury potřebné k
udržení spoje, jako je především synchronizace koncových zařízení,
•
indikace stavu – fyzická vrstva signalizuje spojové vrstvě stav fyzické vrstvy
18
Tab. 2.2: Primitivy mezi fyzickou a spojovou vrstvou
•
napájení koncových zařízení – koncová zařízení mají buď vlastní napájení, nebo
jsou napájena přes S0 rozhraní ze síťového zakončení NT (normální režim), v případě
výpadku lokálního zdroje pak z ústředny (nouzový režim), a to nejčastěji po fantomu,
viz Obr. 2.10.
Obr. 2.10: Princip tvorby a přenosu energie pro napájení koncových zařízení na základní přípojce ISDN
Existují však i další možnosti napájení specifikované v doporučení, viz Obr. 2.11, kdy
je napájecí napětí posíláno po odděleném páru, a to buď z NT (PS2), a nebo dokonce
některého z terminálů TE (PS3).
TE
19
NT
Zdroj
energie PS3
Spotřebič
energie PSi3
Vysílání
Příjem
Spotřebič
energie PSi1
Zdroj
energie PS1
Příjem
Vysílání
Zdroj
energie PS2
Spotřebič
energie PSi2
Obr. 2.11: Možné způsoby napájení koncových zařízení po S0 rozhraní
Z hlediska spotřeby elektrické energie platí pro koncová zařízení dva stavy – aktivní a
pasivní, a dva režimy – normální a nouzový, které definují maximální množství odebírané
elektrické energie z S0 rozhraní, viz Tab. 2.3.
Tab. 2.3: Hodnoty maximálních odběrů koncových zařízení z jednotlivých typů napájecích zdrojů
napájecí zdroj
normální režim
nouzový režim
PS1/aktivní stav
8W
380 mW
PS2/aktivní stav
8W
2W
100 mW
25 mW
neaktivní stav PS1/PS2
2.2.2.3 Prvky základního přípoje
Základní přípoj ISDN zahrnuje následující prvky:
ISDN koncové zařízení - Terminal Equipment - TE1
Označení TE1 představuje ISDN koncové zařízení, kam patří například ISDN telefon,
fax G.4, ISDN datový terminál, videoterminál, teletexový terminál, multifunkční ISDN
terminál.
Non-ISDN Terminal Equipment – TE2
TE2 je ne-ISDN zařízení, které není určeno pro přímé napojení na základní přípojku.
Připojuje se k ISDN přes terminálový adaptér. Mezi taková koncová zařízení můžeme zařadit
20
analogová koncová zařízení, jako analogový telefon, fax G3, záznamník, či datový terminál
s rozhraními například RS-232, V. 24, V. 35 a podobně.
Terminálový adaptér (TA - Terminal Adapter )
Terminálový adaptér umožnuje připojení analogových koncových zařízení (rozhraní
a/b) a zařízení s protokolovými rozhraními jako jsou X.21, V.35, V.24 apod. Pomocí adaptérů
mohou být připojena také analogová koncová zařízení jako faxy a telefony. TA bývají buď
samostatné moduly, nebo jsou součástí některých ISDN zařízení, například ISDN směrovače
pro propojení sítí LAN přes síť ISDN.
Síťové zakončení (NT - Network Termination)
Síťové zakončení tvoří zakončení sítě provozovatele (je v jeho vlastnictví) a plní u
základního přístupu BRA tyto funkce:
1) převádí rozhraní S0 na U0 a naopak
2) zajišťuje napájení terminálů na S0 rozhraní
3) generuje Echo kanál pro řízení přístupu terminálů k D-kanálu
4) umožňuje testování účastnického vedení a sebe samého
5) generuje rámec na rozhraní S0 a umožňuje tak synchronizaci terminálů
6) zajišťuje aktivaci a deaktivaci rozhraní S a U.
Síťové zakončení může být tvořeno dvěmi částmi - NT1 a NT2. NT1 poskytuje funkce
pouze na úrovni fyzické vrstvy, zatímco NT2 poskytuje služby dalších dvou vrstev, linkové a
síťové. NT2 bývá zastoupeno pobočkovou ústřednou. NT je vždy napájeno z veřejné
ústředny. Je však připojeno do energetické sítě v místě zákazníka, avšak přípojka neslouží
k napájení samotného síťového zakončení, nýbrž pro tvorbu napájení pro koncová zařízení.
2.2.2.4 Charakteristika S0 rozhraní
Fyzická vrstva S0 rozhraní je specifikována standardem I.430. Charakterizují ho
následující sady parametrů a rysů:
•
mechanické vlastnosti - rozhraní S0 je 4-drátové, maximální počet připojitelných
koncových zařízení je 8. Existuje několik konfigurací:
1. krátká pasivní sběrnice (viz Obr. 2.12) - délka sběrnice je 100 až 200 m a koncová
zařízení mohou být připojena kdekoliv podél celé sběrnice. Limit 100m je pro vedení
o nízké charakteristické impedanci (75 Ω) a 200 m pro vedení s impedancí 150 Ω.
21
Zpoždění signálu z určitého místa na sběrnici v jednom směru do stejného místa v
druhém směru musí být v rozsahu 10 až 14 µs. 10 µs platí pro KZ umístěné blízko
síťového zakončení NT, neboť zahrnuje pouze 2-bitový offset mezi rámci a největší
povolenou zápornou fázovou odchylku –7 % šířky pulzu. Hodnota 14 µs je pro
nejvzdálenější KZ a skládá se ze 2-bitového offsetu (10.4 µs), přídavného zpoždění
kvůli zatížení KZ a maximálního zpoždění vysílače (15% šířky pulzu= 0.8 µs) a
dopravního zpoždění v dopředném a zpětném směru (2 µs).
U
150 - 200 m
NT1
So
TE1
TE1
TE1
max. 8 terminálů
Obr. 2.12: Sběrnicová topologie rozhraní S0 – krátká pasivní sběrnice
2. prodloužená pasivní sběrnice (viz Obr. 2.13) – délka se může pohybovat v rozmezí
100 až 1000 m, maximální vzdálenost mezi prvním a posledním koncovým zařízením
je asi 35 m, což je dáno maximálním rozdílem zpoždění 2 µs mezi nejvzdálenějšími
KZ.
0-50 m
500 m
U
NT1
So
TE1
TE1
max. 4 terminály
Obr. 2.13: Sběrnicová topologie rozhraní S0 – prodloužená pasivní sběrnice
3. dvoubodový spoj (viz Obr. 2.14) – maximální délka je přibližně 1000 m, na sběrnici je
připojeno pouze jediné koncové zařízení.
U
NT1
TE1
max. 1 terminál
1000 m
Obr. 2.14: Konfigurace S0 rozhraní – dvoubodový spoj
So
22
Pozn. Sběrnice musí být impedančně přizpůsobena na obou koncích, aby nedocházelo
k odrazům, což se v případě přenosu po S0 rozhraní realizuje jednoduše pomocí
zakončovacích odporů (TR – Terminating Resistor) o hodnotě 100 Ω.
Délka odbočky od sběrnice ke konektoru (zásuvce) by neměla přesáhnout 1m. Délky
přípojných kabelů pro koncová zařízení by měly být delší než 5 m a kratší než 10 m, a pro NT
kratší než 3 m. Minimální impedance je 75Ω na 96 kHz, maximální kapacita přípoje je 350pF,
maximální odpor vodičů je 3,2 Ω. Pro konfiguraci Point-to-Point je povolen kabel do 25 m.
Vlastnosti konektoru jsou specifikovány normou ISO 8877. Zapojení konektorů na straně
koncového zařízení (TE) a síťového zakončení (NT) je dle Tab. 2.4.
Tab. 2.4: Zapojení zástrčky připojovacího kabelu na straně KZ a NT s vyznačením polarity vodičů
vzhledem k napájení a vzhledem ke kladné polaritě rámcového bitu.
Číslo pinu
konektoru
1
2
3
4
5
6
7
8
•
Funkce
strana TE
Zdroj či spotřebič PS3
Zdroj či spotřebič PS3
Vysílání
Příjem
Příjem
Vysílání
spotřebič PS2
spotřebič PS2
Polarita
strana NT
spotřebič PS3
spotřebič PS3
Příjem
Vysílání
Vysílání
Příjem
ZdrojPS2
ZdrojPS2
+
+
+
+
elektrické vlastnosti - přenosová rychlost na S0 rozhraní je 192 kb/s ±100ppm, z toho
144 kb/s tvoří B a D kanály, dalších 40 kb/s je doplňková signalizace a 8kb/s je
rámcová synchronizace. Jako symbolové kódování se používá inverzní AMI kód (log.
0 - pulzy o napětí 0,75 V střídající se polarity, log. 1 – 0 V), viz Obr. 2.15. Úkolem je
odstranit stejnosměrnou složku a zajistit synchronizaci.
Obr. 2.15: Inverzní AMI kódování
Průběh pulzu je definován tolerančním polem uvedeném na Obr. 2.16.
23
Obr. 2.16: Toleranční pole impulzu (vyslání log. 0)
Fázová odchylka vysílačů se musí pohybovat v rozmezí 7 až 15 % šířky impulzu.
Maximální zpoždění ve smyčce je 42 µs. Výstupní impedance vysílače při vysílání log. 0
musí být alespoň 20 Ω a při vysílání log. 1 nesmí klesnout v pásmu 20 - 80 kHz (pro KZ) a 20
- 106 kHz (pro NT) klesnout pod 2500 Ω, jak je to ukázáno na Obr. 2.17 a Obr. 2.18.
Obr. 2.17: Toleranční pole výstupní impedance vysílače NT pro stav log. 1
24
Obr. 2.18: Toleranční pole výstupní impedance vysílače KZ pro stav log. 1
Vstup je vždy vysokoimpedanční. Impedance sběrnice je 75 - 150 Ω. Sběrnice je
oboustranně zakončena přizpůsobovacími odpory 100 Ω ± 5%. Napájení KZ je buď vlastní,
nebo ze sítového zakončení NT.
•
struktura dat na S0 rozhraní
Data jsou po S0 rozhraní v obou směrech přenášena v rámcích dlouhých 48 bitů s dobou
přenosu 250 µs, viz Obr. 2.19. Rámce jsou rozdílné pro každý směr přenosu. Jsou časově
posunuty o 2 bity a jsou tvořeny časovým multiplexem 2 oktetů kanálu B1, 2 oktetů kanálu
B2, 4 bitů kanálu D (+ echo kanálu E pro přenos NT->TE), rámcového bitu, vyrovnávacích
bitů pro odstranění stejnosměrné složky a dalších pomocných bitů. Časování rámců je řízeno
hodinami sítě. NT na jejich základě produkuje rámec ve směru NT-KZ a z něj získávají KZ
informaci pro časování rámce KZ-NT.
Obr. 2.19: Struktura dat na příchozím a odchozím páru S0 rozhraní
25
Rámec vždy začíná rámcovým synchronizačním bitem F vyjádřeným pulzem kladné
polarity. Za ním následuje ihned vyrovnávací bit se záporným pulzem. K zasynchronizování
se využívá skutečnosti, že rámcový synchronizační bit narušuje pravidlo střídání kladných a
záporných pulzů. To, aby každý rámec končil kladným pulzem, zajišťuje poslední bit rámce –
bit L. Pro zaručení synchronizace se používají další bity:
-
směr NT-TE: bity FA a N, které mají opačnou binární hodnotu a způsobují sekundární
porušení bipolarity ve vzdálenosti <=14 bitů od rámcového bitu F,
-
směr TE-NT: bity FA a L, které mají shodnou hodnotu log. 0.
Nedekují-li se dvojice porušení bipolarity, dochází ke ztrátě synchronizace a stanice
musí přestat vysílat. Snaží se opět zasynchronizovat, což je úspěšně provedeno, pokud stanice
správně detekuje 3 po sobě jdoucí páry porušení bipolarity.
•
aktivace S0 rozhraní – obvody S0 rozhraní se mohou nacházet v síťovém zakončení NT
(pak pracují v NT módu) nebo v koncovém zařízení (pak pracují v TE módu). Dále se tyto
obvody mohou nacházet v různých stavech činnosti, což na venek vyjadřují určitými typy
signálů:
A. NT-mód
• INFO 0 – NT vysílá samé jedničky nebo znaky 01111110 (klid na D-kanálu),
•
INFO 2 – NT nastavuje všechny bity kanálů B1,B2, D, E na „0“, což umožňuje
zasynchronizování koncových zařízení. Aktivační bit A je nastaven na „0“,
•
INFO 4 – aktivní stav, kanály B1,B2, D, E jsou v operačním módu. Aktivační bit
A je nastaven na „1“.
B. TE-mód
• INFO 0 – KZ vysílá samé jedničky (klid na D-kanálu),
•
INFO 1 – KZ vysílá opakovaně oktet „00111111“ rychlostí 192 kb/s,
•
INFO 3 – aktivní stav, kanály B1,B2, D jsou v operačním módu a rámec je
zasynchronizován s rámcem vysílaným NT.
Aktivaci rozhraní S0 může způsobit buď příchozí žádost o spojení nebo KZ aktivované
účastníkem či automatizovaně určitou událostí.
Proces aktivace:
A. od NT
•
NT začne vysílat signál INFO 2 s bitem A=0,
•
KZ detekuje signál, přejde ze stavu sníženého příkonu do plně funkčního
režimu, zasynchronizuje se a začne vysílat signál INFO 3,
•
NT po příjmu INFO 3 začne vysílat INFO 4.
26
B. od KZ
•
Obvody rozhraní přejdou do režimu plného příkonu a začne se vysílat signál
INFO 1. Současně se startuje časovač na limit 35 s,
•
NT signál přijme a odpoví signálem INFO 2 s bitem A=0 a zahájí aktivaci
rozhraní U,
•
KZ detekuje signál, přestane vysílat a zasynchronizuje se a začne vysílat signál
INFO 3 a čeká na INFO 4 od NT.
Proces deaktivace rozhraní: vždy je iniciován síťovým zakončením NT. NT přestane
vysílat (signál INFO 0), což je detekováno KZ, která přejdou do stavu sníženého
odběru (signál INFO 0) a posléze NT také.
•
Komunikace po S0 rozhraní – po S0 rozhraní mohou po zasynchronizování komunikovat
současně až 3 koncová zařízení, neboť jsou dostupné 3 kanály – 2 kanály B a 1 kanál D.
Tento případ je zachycen na Obr. 2.20.
Obr. 2.20: Princip vícenásobné komunikace po S0 rozhraní
2.2.2.5 D-kanál
D-kanál je kanál na základní či primární přípojce ISDN s kapacitami 16 a 64 kb/s. Je
primárně určen pro přenos signalizace, ale u základního přístupu je možno kanál využít i pro
pomalý paketový přenos dat do rychlosti 9 600 b/s podle doporučení X.25. Na základní
přípojku může být připojeno až 8 koncových zařízení, která sdílejí jediný D-kanál. Musí tedy
existovat metoda řídící výlučný přístup. K tomu se využívá tzv. Echo- kanálu (E-kanálu) ve
směru NT1-TE, což je vlastně reflektovaný D-kanál ze směru TE-NT1, jak ukazuje Obr. 2.21.
TE1
TE1
27
TE1
NT
D -kanál
účastnické
vedení
E -kanál
Obr. 2.21: Princip vzniku E-kanálu (Echo) na rozhraní S0
Rámce v odchozím a příchozím směru jsou vůči sobě posunuty o 2 bity. Vzdálenost
mezi D-bitem v odchozím směru a odpovídajícím E-bitem v příchozím směru je 10 bitů.
Koncová zařízení vysílají synchronně. Časovací signál odvozují ze signálu přicházejícího ze
síťového zakončení. Rámcová struktura je řešena tak, že v daný okamžik mohou koncová
zařízení vyslat do D-kanálu puls (tedy log. 0) pouze jedné polarity. Princip přístupu k Dkanálu je následující:
Data D-kanálu jsou strukturována do HDLC rámců, kde se může vyskytnout maximálně
6 logických jedniček za sebou, a to pouze u rámcové značky F = 01111110 vymezující datový
rámec, viz dále. Mezirámcová mezera, neboli klid na D-kanálu je vyjádřen samými
jedničkami, a proto kritériem volnosti D-kanálu v odchozím směru je delší posloupnost
jedniček než 6, stanoveno bylo alespoň 8. Pro čtení stavu D-kanálu v odchozím směru (TENT) se využívá E-kanál, což je jeho kopie zpožděná o 10 bitových pozic. D-kanálem se
přenáší nejenom signalizace, ale i paketová data. Signalizace má však vyšší prioritu, která je
vyjádřena nižším počtem potřebných jedniček k zahájení vysílání.
Napočítá-li koncové zařízení více jak 8 jedniček, může začít vysílat. Protože se tak
mohlo rozhodnout více koncových zařízení ve stejném okamžiku, musí se provádět kontrola,
a to pomocí E-kanálu, zda nedošlo k přepsání některé logické jedničky na logickou nulu.
Pokud začalo ve stejný okamžik vysílat více zařízení (viz Obr. 2.22), tak dříve či později ke
kolizi dojde, neboť rámce dvou byť stejných typů koncových zařízení nemohou být nikdy
stejné. To zařízení, které zjistilo přepsání svých dat jiným zařízením, od D-kanálu odstupuje,
pokouší se po náhodně generovaném časovém intervalu a přitom navrátí počet jedniček na 8.
Nakonec tedy “zvítězí“ pouze jedno koncové zařízení, které dokončí vysílání signalizační
informace. Aby bylo umožněno i ostatním zařízením přistoupit k D-kanálu, zvýší se u
úspěšného terminálu počet jedniček o 1. Napočítá-li pak zařízení požadovaný vyšší počet
jedniček, znamená to, že žádné zařízení s nižším potřebným počtem jedniček (a tedy s vyšší
prioritou) nepotřebuje vysílat signalizaci, a tak vrátí počet jedniček zpět na 8 a začne vysílat.
Protože po D-kanálu lze přenášet i data uživatelská (paketová), je zajištěna nižším počtem
28
jedniček vyšší priorita signalizace. Tedy pro přenos uživatelských dat je potřeba napočítat
např. 10 jedniček, než lze přistoupit k D-kanálu. I zde platí pravidlo, že po úspěšném odeslání
paketu se zvýší potřebný počet jedniček na 11, aby se umožnilo ostatním koncovým
zařízením na sběrnici poslat data.
Obr. 2.22: Princip vícenásobného přístupu na D-kanálu a řešení případné kolize
2.2.2.6 Rozhraní U0
Při vývoji sítě ISDN byl požadavek využít stávající dvoudrátová účastnická vedení.
Protože parametry účastnických vedení jsou různé v různých zemích, bylo ponecháno na nich,
jakou techniku přenosu použijí.
o mechanické vlastnosti - jsou u přístupu BRA určeny požadavkem využít
stávajících dvoudrátových metalických účastnických vedení. Dosah pro
rozhraní typu UK0 (viz níže) je až 8 km a s opakovačem až 12 km pro vedení
∅Cu = 0,6 mm.
o elektrické vlastnosti - přenosová rychlost v obou směrech je 160 kb/s. Byly
vyvinuty dva základní principy přenosu po rozhraní U:
♦ UK0 - po dvoudrátovém vedení je provozován plný duplex, a proto vstupy všech
zařízení musí být vybaveny obvody pro potlačování ozvěn (EC - Echo
Canceller). Tento typ je nejčastěji používán.
♦ UP0 - využívá přepínání směru přenosu (tzv. ping - pong ). Protože přenosová
rychlost v obou směrech musí být ve výsledku stejná jako u plného duplexu, je
skutečná přenosová rychlost více než dvojnásobná, což má za následek nižší
29
dosažitelnou vzdálenost. Takže se využívá vzhledem k jednodušší realizaci
především u pobočkových ISDN systémů.
Používají se 2 druhy symbolového kódování:
-
2B1Q - 4-stavová modulace, modulační rychlost 80 kBd, z dvojice bitů je vytvořen
jeden čtyřstavový symbol, napěťové úrovně 2,5V; 0,5 až 0,83 V; -0,5 až -0,83 V; 2,5V, viz Obr. 2.23. V ČR se používá tento typ.
Obr. 2.23: Kódování 2B1Q
-
4B3T - 3-stavová modulace, modulační rychlost 120 kBd. Z každé čtveřice bitů jsou
vytvořeny 3 třístavové symboly, což vytváří určitou redundanci, kterou je možné
využít např. pro odstranění stejnosměrné složky v signálu.
Data se po rozhraní UK0 s modulací 2B1Q přenášejí v multirámcích složených z 8
rámců po 1,5 ms. Multirámce se pro oba směry přenosu liší významem informací v kanálech
M. Každý rámec obsahuje 120 čtyřstavových symbolů, neboli 240 bitů. Rámce mají strukturu
zachycenou na Obr. 2.24:
FW
DATA
M1
M2
M3
M4
M5
M6
Obr. 2.24: Struktura rámce dat na U rozhraní
Jednotlivá pole rámce mají následující význam:
FW- rámcová značka 9 čtyřstavových symbolů, u prvního rámce v multirámci je
značka invertovaná (IFW),
DATA - uživatelská data B a D kanálu 108 čtyřstavových symbolů,
M1-M6 - jednobitové kanály, celkem3 čtyřstavové symboly, kanály M1-M3 jsou
využity pro přenos tzv. EOC zprávy (například uzavření smyčky v NT1 pro testování
účastnického vedení, chybové stavy NT1 apod.), M4 je pro směr NT1-LT použit pro
30
různorodé zprávy, jako vstup do testovacího módu, problémy s napájením, studený
start, aktivace, deaktivace aj., M5 a M6 jsou využity pro zabezpečení dat multirámce
12-bitovým cyklickým kódem.
2.2.3
Primární přístup - 30B64+D64
Je specifikován doporučením I.431. Jsou definovány 2 formáty, 24 (Amerika,
Japonsko,..) a 30 kanálový (Evropa, ...). Struktura je shodná se systémem PCM 1. řádu s tím,
že signalizační kanál D (64 kb/s) je umístěn do 16. kanálového intervalu. 0-tý kanál obsahuje
rámcovou synchronizaci a některá provozní data. Fyzicky je to 4-drátové metalické vedení
nebo optický spoj, po kterém se přenáší data rychlostí 2,048 Mb/s s kódováním HDB3. Pro
zvětšení dosahu je možné použít standardní regenerátory digitálního signálu. Tento přípoj se
nejčastěji používá pro připojení větších PbÚ, nebo multiplexorů a koncentrátorů sdružující
celou skupinu ISDN základních přípojek. Na tomto spoji jsou definována rozhraní S2M a U2M,
viz Obr. 2.25. Obvody rozhraní jsou nepřetržitě v aktivním stavu. Na tomto rozhraní lze
vytvářet vysokorychlostní kanály H0 (384 kb/s) a H12 (1920 kb/s).
ISDN PbÚ
NT
S2M
Opakovač
Ústředna ISDN
U2M
Obr. 2.25: Struktura primárního přístupu ISDN
2.2.4
Signalizace v ISDN
Hlavním znakem ISDN signalizace je její přenos odděleným kanálem od
uživatelských kanálů. To umožňuje přenos signalizace sítí nezávisle na stavu vybudování
uživatelského kanálu, a tedy takové služby, jakou je identifikace volajícího a další.
Signalizace je rozdělena na 2 části:
1. uživatelskou - signalizace mezi koncovým a spojovým zařízením. U ISDN je tato
část představována signalizací DSS1,
2. meziuzlovou - signalizace mezi jednotlivými spojovými uzly sítě. U ISDN je tato část
představována signalizací signalizačním systémem č.7 (CCSS No.7).
2.2.4.1 Signalizace DSS1
Signalizace DSS1 (Digital Subscriber Signalling System No. 1) je digitální účastnický
signalizační systém pro ISDN síť. Signalizace je přenášena po zvláštním kanálu označovaném
jako kanál D. Protokol účastnické signalizace je rozdělen do 3 vrstev:
1. Fyzická -
31
poskytuje příslušné fyzické rozhraní, začlenění signalizace do celkového
fyzického rámce,
řízení přístupu k D-kanálu
2. Linková -
zabezpečení dat,
zpracování zpráv vrstvy 1,
identifikace terminálů,
3. Síťová (Vrstva zpráv) - řízení sestavování spojení,
zpracování zpráv vrstvy 2,
poskytování uživatelsky požadovaných služeb,
2.2.4.1.1 Fyzická vrstva
Hlavním úkolem této vrstvy z hlediska signalizace je řízení přístupu koncových zařízení
k D-kanálu. K tomu se využívá tzv. Echo- kanálu (E-kanálu) ve směru NT1-TE, což je vlastně
reflektovaný D-kanál ze směru TE-NT1.
2.2.4.1.2 Linková vrstva
Je zodpovědná za bezchybný přenos informace z vrstvy 3 po D-kanálu, a to jak
signalizační, tak i uživatelské. Dále se stará o zajištění jednoznačné identifikace terminálů.
Protokol vrstvy 2 u D-kanálu se nazývá LAP-D (Link Access Procedure on the D-channel).
Tato vrstva poskytuje jak potvrzované, tak i nepotvrzované přenosové služby. Pro
potvrzované služby jsou rámce číslovány. Data jsou vkládána do rámců formátu HDLC (High
Definition Link Control), viz Obr. 2.26:
FLAG 01111110
Adresové pole
Řídicí pole
Informační pole
Zabezpečení - FCS
FLAG 01111110
Obr. 2.26: Formát rámce vrstvy 2
Jsou definovány 2 formáty rámců:
-
formát A - rámec neobsahuje informační pole a slouží pro řídicí a dohledové funkce
-
32
formát B -slouží k přenosu signalizačních zpráv z vrstvy 3, nebo funkci managementu
sítě s potřebnými informacemi. Ve zvláštních případech obsahuje paketová data.
Maximální délka informačního pole je 260 oktetů.
Význam jednotlivých částí rámce:
FLAG - rámcová značka
Adresové pole - 2 oktety pro identifikaci příjemce, viz Obr. 2.27:
EA0
C/R
EA1
SAPI
TEI
Obr. 2.27: Struktura adresového pole rámce
Význam dílčích částí je následující:
EA -rozšiřující bit adresy 0= následuje další adresový oktet,
1=poslední adresový oktet.
C/R - bit, který určuje, zda daný rámec je příkazem či odpovědí
• směr TE-NT - příkaz-0, odpověď-1,
• směr NT-TE - příkaz-1, odpověď-0.
SAPI (Service Access Point Identifier) - 6-bitové pole, které určuje druh informace
přenášené po D-kanálu, a tím i přístupový bod k obslužné entitě ve vrstvě 3.
= 0 - signalizace (řízení spojení),
1 - paketový mód podle dop. Q.931 pro řízení spojení,
16 - paketový mód podle protokolu X.25,
63 - procedury managementu (např. přidělování TEI),
32-47 - rezervováno pro národní použití,
Ostatní - pro budoucí aplikace.
TEI (Terminal End-point Identifier) - určuje log adresu terminálu na S0 sběrnici na linkové
vrstvě. Jedná se o 7-bitové pole. TEI může být na terminálu přednastaveno, pak musí
mít hodnotu 0-63, nebo je přidělováno ústřednou na žádost “TEI request“ v rozmezí
64-126. Hodnota TEI=127 je vyhrazena pro signalizaci od ústředny pro všechny
terminály (tzv. broadcast message). Pobočková ústředna s přípojkou BRA nebo PRA
má TEI = 0. Před vlastní komunikací na úrovni vrstvy 2 je ústřednou zkontrolována
jednoznačnost TEI.
Řídicí pole - identifikuje typ rámce a případně určuje číslo přijatého či odeslaného
rámce. Obsahuje 1 nebo 2 oktety. Jsou definovány 3 typy rámců, viz Tab. 2.5:
1. informační (I) - číslovaný přenos zprávy z vrstvy 3,
33
2. dohlížecí (S) - sledování, obnova a potvrzování I-rámců,
3. neočíslovaný (U) - nepotvrzovaný přenos, např. “broadcast“ zprávy pro nastavení
určitého režimu.
Tab. 2.5: Typy rámců linkové vrstvy
•
SABME se používá pro nastavení potvrzované komunikace s modulo 128,
•
Nastavení tohoto režimu komunikace je potvrzeno vysláním rámce UA (Unnumbered
Acknowledgement) s vynulování všech čítačů odeslaných a přijatých rámců,
•
UI rámec nese informaci pro management vrstvy 3. Je nečíslovaný, takže se může ztratit
bez upozornění,
•
RNR rámec – upozornění na nepřipravenost přijímače k příjmu informačních rámců,
•
RR rámec – upozornění na stav připravenosti, případně pro potvrzení přijatých rámců do
čísla N(R),
•
REJ rámec – žádost o znovuvyslání rámců počínaje rámcem N(R),
•
DISC rámec – ukončení logického spojení,
34
•
DISC mode rámec - oznámení o nemožnosti přenášet informační rámce,
•
FRMR rámec – odmítnutí rámce se sdělením důvodu, ale bez žádosti o opakování,
•
XID rámec (Exchange Identification) – identifikace parametrů linkové komunikace mezi
řídicími částmi entit linkové vrstvy.
Informační pole - obsahuje zprávu z vrstvy 3,
Zabezpečení - 2 oktety, zabezpečení cyklickým kódem: F(x) = x16 + x12 + x5 + x + 1.
Před vlastním přenosem signalizace za účelem budování spojení je nutné identifikovat
jednoznačně spojení pomocí přidělení či kontroly jednoznačnosti TEI.
2.2.4.1.2.1 Procedury řízení přidělování TEI
Entita dvoubodového linkového spoje určitého KZ se může nacházet v jednom ze 3 stavů:
stav TEI nepřiděleno - nelze přenášet žádné zprávy vrstvy 3,
stav TEI přiděleno – TEI bylo právě přiděleno pomocí procedury přidělení TEI. Je
možný pouze nepotvrzovaných rámců UI,
stav sestavení linkového spoje (Multiple-frame-established state) – je sestaveno
linkové spojení pomocí rámců SABME a UA a jsou povoleny potvrzované i
nepotvrzované rámce.
Procedury managementu TEI zahrnují tyto funkce:
•
přidělování TEI,
•
přezkoušení platnosti či násobnosti TEI ze strany sítě,
•
odmítnutí TEI (jedná li se o žádost o přidělení TEI s nabídnutou hodnotou > 64),
•
zrušení TEI – určitého nebo všech ze strany sítě,
•
potvrzení TEI.
Doporučení Q.921stanovuje, že procedury managementu linkové vrstvy by měly zajistit
automatické zrušení přiděleného TEI v případě:
•
odpojení KZ ze sítě,
•
neschopnosti komunikace.
Je povoleno přiřadit určitému KZ více TEI a navázat je na daná SAPI. Existují 2 typy
ISDN KZ:
35
a) se schopností automatického řízení přidělování TEI,
b) neschopné procedur pro automatické přidělování TEI.
Procedury managementu se uskutečňují pomocí nečíslovaných informačních rámců UI
se SAPI=63 a TEI=127, kde informační pole nese 5 oktetů s následujícím významem:
•
Management Entity Identifier,
•
Reference Number Ri – náhodně generované 16 bitové číslo identifikující komunikaci,
•
Message Type – typ zprávy 1 oktet,
•
Action Indicator Ai = 1 oktet obsahující informaci o žádaném TEI (0-63) nebo o
libovolném možném TEI (127).
Typy zpráv jsou (viz Tab. 2.6):
ID request (TE-ET) – žádost o přidělení TEI,
ID assigned (ET –TE) – odpověď s přidělenou hodnotou,
ID denied (ET-TE) – zamítnutí žádosti z důvodu neexistence volného TEI, nebo
explicitní vyjádření TEI pomocí Ai >64,
ID Check req. (ET-TE) – žádost o přezkoušení platnosti TEI (jedné Ai<127,všech
Ai=127),
ID Check resp. (TE-ET) – odpověď na přezkoušení, Ai = TEI,
ID remove (ET-TE) – zrušení jednoho (Ai=TEI) nebo všech TEI (Ai=127),
ID verify (TE-ET) – přezkoušení platnosti TEI (Ai=TEI).
Tab. 2.6: Seznam práv pro správu TEI
Zpráva
Identity Request
(TE->NTW)
Identity Assigned
(NTW->TE)
Identity Denied
(NTW->TE)
Identity Check Request
(NTW->TE)
Identity Check Response
(TE->NTW)
Identity Remove
(NTW->TE)
Identity Verify
(TE->NTW)
Identifikátor
entity správy
Referenční
číslo Ri
Kód zprávy
Indikátor akce Význam zprávy
0000 1111
0-65535
0000 0001
Ai = 127
Libovolné TEI lze
specifikovat
0000 1111
0-65535
0000 0010
Ai = 64 - 126
Přidělené TEI
0000 1111
0-65535
0000 0011
0000 1111
0 (nevyužito)
0000 0100
Ai = 64 - 126
Ai = 127
Ai = 127
Ai = 0 - 126
Odmítnuté TEI
Není volné TEI
Kontrola všech TEI
Kontrola daného TEI
0000 1111
0-65535
0000 0101
Ai = 0 - 126
TEI je použitelné
0000 1111
0 (nevyužito)
0000 0110
Ai = 127
Ai = 0 - 126
0000 1111
0 (nevyužito)
0000 0111
Ai = 0 - 126
Odstranění všech TEI
Odstranění daného TEI
Žádost o kontrolu
konkrétního TEI
36
AKTIVACE A DEAKTIVACE VRSTVY 2:
Komunikace na linkové vrstvě se zahajuje a ukončuje pomocí nečíslovaných rámců:
1. SABME,
2. UA (DM),
3. přenos informace (signalizace / řízení / paketová data),
4. DISC,
5. UA.
2.2.4.2 Vrstva zpráv
Zodpovídá za sestavení, udržení a ukončení spojení jak na D- tak i na B-kanálu. Dále
realizuje ISDN doplňkové služby. Max. délka zprávy je 260 oktetů. Struktura zprávy je dle
Obr. 2.28.
Protokolový diskriminátor PD
Reference spojení CR
Typ zprávy
Tělo zprávy
Obr. 2.28: Struktura řídicích zpráv
Jednotlivá pole mají následující význam:
Protokolový diskriminátor - identifikuje protokol vrstvy 3. Pro signalizaci podle Q.931 je to
08H.
Reference spojení - identifikuje jednoznačně každé spojení či doplňkovou službu. Umožňuje
tak vícenásobné využití spojení na úrovni vrstvy 2.
Typ zprávy - identifikuje funkci vysílané zprávy. Jsou definovány 4 skupiny zpráv.
Tělo zprávy – obsahuje informační elementy, které mohou mít dva formáty, viz Obr. 2.29:
1. jednooktetový
1 Identifikátor Informační element
2. víceoktetový
0 Identifikátor informačního elementu
Délka informačního elementu
Data informačního elementu
Obr. 2.29: Struktury informačních elementů signalizačních zpráv
37
Jeden a ten samý typ zprávy může pro různý typ služeb či v závislosti na stavu spojení
obsahovat rozdílné informační elementy.
DRUHY ZPRÁV
Řídicí zprávy se dělí do několika následujících skupin:
1. zprávy pro sestavení spojení
•
•
•
•
•
•
•
ALERTING - zahájení vyzvánění
CALL PROCEEDING - budování
spojení probíhá
CONNECT - přihlášení volaného
CONNECT ACKNOWLEDGE potvrzení platnosti přihlášeného
volaného účastníka
CALL PROGRESS – průběh
budování spojení
SETUP - žádost o spojení
SETUP ACKNOWLEDGE - přijetí
žádosti o spojení
2. zprávy pro ukončení spojení
•
•
•
DISCONNECT - zahájení
uvolňování spojení
RELEASE - potvrzení počátku
rozpadu spojení
RELEASE COMPLETE - spojení
ukončeno
3. zprávy během spojení
•
•
•
•
•
•
•
RESUME
RESUME ACK
RESUME REJ
SUSPEND
SUSPEND ACK
SUSPEND REJ
USER INFORMATION
4. různé zprávy
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
CANCEL
CANCEL ACK
CANCEL REJ
CONGESTION CONTROL
FACILITY
FACILITY ACK
FACILITY REJ
INFORMATION
REGISTER
REGISTER ACK
REGISTER REJ
STATUS
2.2.4.3 Signalizační systém SS7
Signalizační systém číslo 7 je základním signalizačním systémem používaným
v páteřních částech sítí ISDN i mezi sítěmi jednotlivých operátorů.
Signalizace se přenáší po společných okruzích zvláštní signalizační sítí paketového
typu oddělené od sítě určené pro přenos uživatelské informace. Signalizace může tedy být
přenášena jinou cestou, než je přenášena uživatelská informace. Používají se zpravidla okruhy
s přenosovou rychlostí 64 kb/s nejčastěji sdružené do dvoumegabitových toků. Přitom
kapacita jednoho okruhu stačí pro obsluhu 500 až 1000 hovorových nebo datových kanálů.
Tato signalizace se využívá i pro účely managementu sítě, pro zavádění služeb inteligentní
sítě. Důležitou vlastností SS7 je to, že signalizační síť je oddělena od sítě pro přenos
uživatelské informace, což umožňuje přenos signalizačních zpráv nezávisle na stavu a cestě
38
uživatelského spojení. To přináší celou řadu nových možností, především co se týče
doplňkových služeb a služeb tzv. inteligentních sítí.
2.2.4.3.1 Architektura signalizační sítě
Architektura sítě SS7 je nejčastěji víceúrovňová (hierarchická) a její uzly jsou podle
vztahu k přenášeným signalizačním zprávám rozděleny na:
1.
Signalizační bod SP (Signalling Point) - uzel vzniku či cíle signalizační zprávy,
nejčastěji místní ústředny
2.
Přenosový signalizační bod STP (Signalling Transfer Point) - průchozí uzel,
signalizační zprávy nezpracovává, ale pouze směruje. Bývá to speciální ústředna
vyhrazená pouze pro přepojování signalizace.
3.
Smíšený signalizační bod SP/STP – uzel, který může být jak zdrojovým či cílovým
uzlem signalizace, tak i transportním uzlem. Tuto funkci plní tranzitní ústředny.
4.
Bod řízení služeb SCP (Service Control Point) - pro služby inteligentní sítě
Síť dohledu a
OMC
OMC
managementu
OMC
SCP
STP
SP
SP
TÚ
KZ
Síť pro služby
STP
SP/STP
SP
MÚ
SCP
SP/STP
SP
SP
TÚ
SP/STP
SP
inteligentních sítí
Signalizační síť
TÚ
KZ
MÚ
MÚ
MÚ
MÚ
MÚ
Přepravní síť
Obr. 2.30: Celková struktura digitální telekomunikační sítě se spojováním okruhů
MÚ – místní ústředna,
SP/STP – smíšený signalizační uzel,
TÚ – tranzitní ústředna,
SCP – řídicí uzel pro služby
KZ – koncové zařízení,
SP – signalizační uzel,
STP – signalizační transportní uzel,
inteligentních sítí,
OMC – uzel dohledu a administrace
telekomunikační sítě.
39
Každý signalizační bod je určen jedinečným kódem SPC (Signalling Point Code), který
se používá pro adresování uzlů signalizační sítě (OPC – Originating Point Code, DPC –
Destination Point Code).
2.2.4.3.2 Vrstvová architektura SS7
Protokolová architektura SS7 se z hlediska vrstev skládá ze dvou částí:
A) Přenosová část - MTP (Message Transfer Part) - je tvořena 3 vrstvami:
1. Signalizační datový spoj
- 64kb/s, kapacita až 1000 uživ. kanálů,
2. Signalizační linková vrstva
- definice formátu rámce SU (Signalling Unit),
- navazování a řízení linkového spojení,
- detekce a oprava chyb pomocí ARQ,
- sledování dostupnosti společného signalizačního
kanálu.
3. Signalizační přenosová a síťová vrstva
- směrování signalizace signalizační sítí,
- řešení výpadku signalizačního spoje.
B)Uživatelská část UP (User Part) - obsahuje několik částí specializovaných pro určitý účel,
nejdůležitější je ISUP (ISDN User Part), což je právě ta část SS7, která zajišťuje
fungování služeb ISDN. TUP (Telephone User Part) obsluhuje normální telefonní
spojení a MAP (Mobile Application Part) zase mobilní komunikaci, INAP (Intelligent
Network Application Part) zajišťuje funkce tzv. inteligentních sítí. Z výše uvedeného
je patrné, že fungování ISDN, obyčejných i mobilních telefonů zajišťují podmnožiny
jedné jediné signalizace v jediné telekomunikační síti. Díky tomu je možné bez
problémů například volat z ISDN na mobil a řada doplňkových služeb (přesměrování
hovoru, identifikace volajícího apod.) funguje jak v ISDN, tak v mobilních i
obyčejných telefonech. Na druhé straně existují doplňkové služby, které existují pouze
v ISUP (např. subadresování), takže mimo ISDN se nepřenáší.
Architektura signalizačního systému je zachycena na Obr. 2.31.
40
SS7
INAP
OSI Model
MAP
Application
TCAP
ISUP
TUP
SCCP
Presentation
Session
Transport
Network
MTP Level 3 (Signalling Network)
MTP Level 2 (Signalling Link)
Data Link
MTP Level 1 (Signalling Data Link)
Physical
Obr. 2.31: Architektura signalizačního systému SS7 a srovnání s modelem ISO/OSI
MTP (Message Transfer Part),
INAP (Intelligent Network Application
SCCP (Signalling Connection Control
Part),
Part),
MAP (Mobile Application Part),
TCAP (Transaction Capabilities
ISUP (ISDN User Part),
Application Part),
TUP (Telephone User Part).
Signalizační síť SS7 je síť se spojováním datových jednotek, kdy jeden signalizační spoj
64 kb/s se využívá pro přenos signalizace pro mnoho spojení. Přenášená data jsou tedy
strukturována do rámců (signalizačních jednotek). Jsou celkem definovány 3 formáty:
1. výplňová jednotka FISU – využívá se pro udržování synchronizace a pro detekci
chybovosti linky,
2. signalizační jednotka stavu spoje LSSU - informace o stavu signalizační sítě,
3. signalizační jednotka nesoucí zprávy MSU - přenos signalizačních zpráv, viz Obr. 2.34
41
Obr. 2.32: Formát signalizačních zpráv SS7 jednotky MSU
2.2.5
Průběh sestavování spojení v síti ISDN
Typický průběh sestavování spojení v síti ISDN je zachycen na Obr. 2.33.
DSS1
volající
uživatel
volající
KZ
vyzvednutí
µ-telefonu
ozn. tón
budování
spojení
výchozí
ústředna
CALL PROC.
ALERTING
CONNECT
KZ-Y
volané
KZ-X
CONNECT ACK
IAM
SETUP
ACM
CPG
ANM
počátek
tarifování
vyzv.
signál
SETUP
položení
µ-telefonu
volaný
uživatel
CONNECT
RELEASE
DISCONNECT
RELEASE
RELEASE
COMPLETE
REL
konec
tarifování
RLC
Obr. 2.33: Zprávy pro řízení průběhu telefonního spojení
vyzvánění
přijetí
hovoru
ALERTING
CONNECT ACK
RELEASE
COMPLETE
výměna
informace
(hovor)
rozpad
spojení
cílová
ústředna
SETUP ACK
INFO
kvt vyp.
síť
DSS1
SETUP
volba
kvt
SS7
DISCONNECT
RELEASE
RELEASE
COMPLETE
výměna
informace
(hovor)
obsaz.
tón
položení
µ-telefonu
2.2.6
42
ISDN koncová zařízení
ISDN koncová zařízení jsou digitální koncová zařízení sestávající za 2 částí:
♦ technické vybavení HW
♦ programové vybavení SW (firmware a aplikace)
ISDN koncová zařízení se připojují pomocí 8-pinového konektoru RJ45 nejčastěji 4drátově k základní ISDN přípojce k rozhraní S0, které nabízí 2 uživatelské B kanály po 64
kb/s a 1 signalizační kanál D o rychlosti 16 kb/s. Při tom na jedné takovéto přípojce může být
nainstalováno až 8 koncových zařízení, včetně možnosti připojit i ne-ISDN koncové zařízení
pře terminálový adapter (TA – Terminal Adaptor), viz Obr. 2.34. Nejčastějšími ISDN
koncovými zařízeními jsou ISDN telefon pro realizaci hovorového spojení a počítač s ISDN
kartou jako multifunkční zařízení umožňující realizovat hovorovou službu, záznamovou
službu, faximilní přenosy, datové přenosy, případně i videokomunikační spojení i vzdálený
přístup k Internetu či lokální počítačové síti. Z doplňkových služeb je možno uvést zobrazení
čísla (jména) volajícího, zobrazení ceny spojení, vícenásobné uživatelské číslo (MSN –
Multiple Subscriber Number), přeložení spoje na jiný terminál v rámci jedné základní
přípojky (TP – Terminal Portability), aj.
Koncová zařízení lze k síti ISDN připojit několika způsoby:
na rozhraní S0 – standardní připojení ISDN koncových zařízení
na rozhraní Ux (UK0, UP0) – používá se především v pobočkových sítích
k terminálovému adaptéru TA – pro připojení ne-ISDN koncových zařízení
Obr. 2.34: Možnosti připojení koncových zařízení k základní přípojce ISDN
2.2.6.1 Terminálový adaptér
Terminálový adaptér (TA - Terminal Adapter) umožňuje připojení analogových
koncových zařízení (rozhraní a/b) a zařízení s datovými rozhraními jako jsou X.21, V.35, RS232, V.24, Centronix, USB, apod. TA bývají buď samostatné moduly, nebo jsou součástí
43
síťového zakončení NT1 či některých ISDN zařízení, například ISDN směrovače pro
propojení sítí LAN přes síť ISDN.
Tento obrázek ny ní nelze zobrazit.
NT
rozhraní U
RS 232 / USB
a/b
TA
rozhraní S/T
rozhraní R
analogový
telefon
Obr. 2.35: Příklad připojení ne-ISDN zařízení k síti ISDN
2.2.6.2 Struktura ISDN koncového zařízení
Každé ISDN koncové zařízení obsahuje tyto bloky (Obr. 2.36):
-
obvody rozhraní S0,
-
obvody zpracování uživatelské informace,
-
obvody zpracování signalizace,
-
řídicí část,
-
část ovládacích a signalizačních prvků,
-
obvody napájení, do povoleného příkonu je napájeno z NT1, jinak musí být připojeno
k energetické síti. Blok obvodů rozhraní zajišťuje funkce fyzické vrstvy přípojky
ISDN, tedy funkce aktivace, synchronizace a vysílání dat.
řídicí
a
signalizační
prvky
řídicí
jednotka
rozhraní
uživatele
prvky
konverze a
prezentace
uživatelské
informace
jednotka
zpracování
uživatelské
informace
Obr. 2.36: Bloková struktura ISDN koncového zařízení
UN
modul
napájení
obvody
ISDN
rozhraní
S/
U
44
2.2.6.3 ISDN telefon
I v síti ISDN je nejběžnějším koncovým zařízením ISDN telefon. Kromě standardních
funkcí známých z analogové sítě (opakování posledně volaného čísla, podržení hovoru,
přídavné paměti s přímou či nepřímou volbou, regulace hlasitosti příjmu a vyzvánění a
případně i typu vyzváněcího signálu, aj.) bývá už ve standardní výbavě displej zobrazující
datum, čas, informace o volajícím o volaném, délku hovoru, cenu hovoru, průběh
programování. Dalšími vlastnostmi je možnost rozlišení volajícího pomocí přiřazení různých
vyzváněcích tónů buď volajícím účastníkům nebo různým číslům přiřazeným telefonu díky
službě MSN (Multiple Subscriber Number). Jinými funkcemi je volba jménem uloženým v
paměti, různé typy přesměrování, programovatelná tlačítka a další. Obr. 2.37 znázorňuje
blokové schéma ISDN telefonu.
alfanumer.
display
klávesnice
světelná
indikace
návěstní
obvod
rozhraní
S0
řídicí
jednotka
s
hovorová
jednotka
i
jednotka S0
rozhraní,
napájecí
jednotka
Obr. 2.37: Základní blokové schéma ISDN telefonního přístroje
2.2.6.4 ISDN fax
Pro ISDN je určen fax skupiny G4, který je však díky své ceně a možnosti přenášet
grafické dokumenty jiným způsobem málo rozšířen. U nás je homologovaný jediný fax G4
CANON FAX-L260i, viz Obr. 2.38. Mezi jeho základní vlastnosti patří komunikace s faxy
G3 i G4, rozlišení až 600dpi v horizontálním i vertikálním směru, přenos 1 běžné strany A4
po ISDN spoji za 3s, laserový tisk - až 6 stran/min, paměť až pro 230 průměrných stran A4,
možnost skenování, hromadné rozesílání aj.
Pro jeho velkou cenu a jednoúčelovost se pro spojení s faximilním přístrojem v
analogové síti v drtivé většině používá softwarová implementace protokolů T.4 a T.30 v
osobním počítači s ISDN kartou jako jedna z mnoha služeb nabízených programovým
vybavením dodávaným s ISDN kartou.
45
Obr. 2.38: Fax Canon L260i
2.2.6.5 Videokomunikační koncová zařízení
Koncová zařízení pro videokomunikaci spolu s dalšími prvky umožňují řadu nových
funkcí oproti starším typům koncových zařízení:
- přenos videosignálu (pohyblivý obraz a zvuk),
- přenos dat – statické obrázky, texty, „poznámková tabule“, sdílení aplikací, obecná data
(soubory)
- řízení chování protějšího zařízení (např. natáčení kamery, nastavení přiblížení, citlivosti
mikrofonu, apod.)
V současné době existují standardy, které definují přenos videosignálu po různých
typech sítí:
-
H.324
– po analogových sítí pomocí modemů V.34 (28800-33600 b/s), kódování
videa – H.263, audia – G.723.1, řízení - H.245
-
H.320
– po N-ISDN sítích, viz níže,
-
H.321
– po B-ISDN sítích,
-
H.323
– po paketových sítích (Ethernet LAN, Internet), kódování videa – H.261,
řízení - H.245.
46
Obr. 2.39: Doporučení pro realizaci videokonferencí v různých typech sítí
Specifikace systémů pro přenos videosignálu (pohyblivého obrazu a zvuku) po ISDN
kanálech se šířkou do 1920 kb/s popisuje doporučení H.320, ke kterému patří specifikace
požadavků na danou službu definovaných v dop. F.720 pro videotelefonii a v dop. F.730 pro
videokonference.
Pro kódování obrazu se používá metoda specifikovaná v dop. H.261a pro kódování
zvuku jsou doporučeny 3 metody podle doporučení G.711, G.722, G.728. Pro přenos
videosignálu se využívají ISDN kanály n*B, H0(384kb/s), n*H0, H11(1536kb/s), H12(1920
kb/s). Při vícenásobném používání kanálů (B, H0) musí být zajištěna synchronizace kanálů
podle dop.H.221/2.7. Struktura rámce je dána dop. H.221.
ISDN videokomunikace, stejně jako koncová zařízení pro tento typ přenosu lze
typicky rozdělit do několika základních skupin:
2.2.6.5.1 Videotelefony
Videotelefony jsou specializovaná zařízení poskytující pouze přenos videosignálu.
Mohou být napojeny na jednu až tři základní ISDN přípojky, čímž se dosahuje různé kvality
videokomunikace, tj. rozlišení, počet snímků za sekundu, kvalita zvuku. Nevýhodou těchto
videotelefonů je jednoúčelovost, většinou nedostatečná kvalita obrazu a zvuku a poněkud
vysoká cena. Příkladem může být videotelefon T-view od společnosti Siemens.
Obr. 2.40 firma VCON
47
Obr. 2.41: Videotelefon Siemens T-view.
Obr. 2.42: Videotelefon MAIA 384 společnosti AETHRA
2.2.6.5.2 Desktop videokonference
Desktop videokonferenční výbava se instaluje jako rozšiřující
karta (karty) do klasického PC a jako zobrazovací jednotku
používají monitor počítače. Obvykle se připojují na jednu ISDN
BRI přípojku, což znamená, že komunikují po jednom či dvou Bkanálech na rychlosti 64 respektive 128 kb/s. Přenosovou
kapacitu lze rozšířit sloučením více přípojů BRI. K nim se
připojuje malá statická kamera a zvuk je vyřešen pomocí standardní zvukové karty. Pro
nenáročnou personální komunikaci takové řešení dostačuje, i když v kvalitě různých
desktopových videokonferencí jsou značné rozdíly. Levnější typy dokonce nemívají
hardwarový kodek obrazu, který je pak realizován softwarově, což značně zatěžuje procesor
PC a negativně se odráží na kvalitě obrazu. Další problém, který levnější systémy přinášejí a
který se projevuje i u obyčejného telefonování, je značné zpoždění zpracování zvukového
signálu v počítači.
48
2.2.6.5.3 Kompaktní systémy
Jde o samostatná externí zařízení, která pro zobrazení používají standardní TV přijímač
či na monitor a jsou vybavena pohyblivou kamerou se zoomem. Některé typy mohou
komunikovat po více než dvou B-kanálech a vyšší přenosová rychlost se pak velmi příznivě
odráží na kvalitě obrazu. Díky technologickému pokroku dnes některé typy kompaktních
videokonferencí nabízí parametry a funkčními možnosti, které byly dříve vyhrazeny pouze
pro tzv. group videokonferenční systémy.
Obr. 2.43: VEGA společnosti AETHRA
Obr. 2.44: Voyager společnosti AETHRA
2.2.6.5.4 Group systémy
Nejvyšší a také nejdražší třída videokonferenčních zařízení, která jsou plně vybavena
pro komunikaci mezi skupinami osob, tj. například mezi dvěma zasedacími místnostmi.
49
Standardně komunikují po šesti B-kanálech (H0), což dává přenosovou rychlost 384 kbit/s,
která dostačuje pro přenos obrazu v televizní kvalitě. Některé typy mají přímo v sobě
zabudovánu tzv. MCU (Multipoint Conferencing Unit), která umožňuje spojení mezi více než
dvěma body.
2.2.6.5.5 Multipoint konference po ISDN
Pro uskutečnění multipoint videokonference přes ISDN musejí účastníci být připojení k
tzv. MCU (Multipoint Conferencing Unit), která principiálně může být kdekoliv na světě. Jde
o relativně drahé zařízení, které navíc vyžaduje kvalifikovanou obsluhu. Většinou je proto
lepší použít služeb některého poskytovatele této služby než uvažovat o koupi vlastní MCU,
zvláště když jen málokterá firma dokáže toto zařízení plně vytížit pro vlastní komunikaci.
Obr. 2.45: ELECTRA-VTC228 společnosti AETHRA
2.2.6.5.6 Videoserver
Vyšší třídou zařízení určených pro realizaci multipoint videokonferencí je tzv.
videoserver. Ten poskytuje větší spektrum funkcí než klasická MCU a mívá také větší
kapacitu z hlediska maximálního počtu účastníků. Kromě toho umožňuje spojit
videokonference používající různá transportní média, např. H.320 přes ISDN a H.323 či SIP
po sítích IP, které by jinak neměly možnost mezi sebou komunikovat.
50
2.2.6.6 Architektura H.320
Doporučení H.320 je tzv. deštníkové doporučení definující obecnou architekturu pro
multimediální komunikaci v síti ISDN. Blokové schéma koncového zařízení pro
multimediální komunikaci je uvedeno na Obr. 2.46.
Obr. 2.46: Blokové schéma videotelefonu podle doporučení H.320
MCU – řídicí jednotka pro konferenční spojení
Komunikační procedury jsou specifikovány v dop. ITU V.242. Spojení probíhá v několika
fázích:
•
fáze A: navázání spojení, mimopásmová signalizace,
•
fáze B1: inicializace módu přenosu na prvotním kanále,
•
fáze CA: připojení dalších kanálů, je-li to třeba,
•
fáze CB1:inicializace módu na přidaných kanálech a sesynchronizování kanálů,
•
fáze CB2:nastavení společných komunikačních parametrů,
•
fáze C: vlastní videokomunikace,
•
fáze D: ukončovací fáze,
•
fáze E: rozpad spojení.
Dop. H.320 také specifikuje možnost postupného uvolňování přidaných kanálů, nejsou-
li potřeba, či přibírání dalších kanálů, aniž by se rozpadlo celé spojení.
51
2.2.6.6.1 Protokoly řady T.120
Protokoly řady T.120 zahrnují řadu komunikačních a aplikačních protokolů a služeb,
které poskytují podporu pro mnohabodové datové komunikace v reálném čase. Možnost
mnohabodové komunikace podnítila rozvoj nových aplikací, jako datové konference,
spolupráce na dálku na jednom projektu, distribuce novinek, aplikace využívající virtuální
realitu, simulace, řízení systémů, víceuživatelské hry apod.
Dalšími vlastnostmi jsou:
♦ zabezpečený přenos dat,
♦ bezproblémová spolupráce aplikací od různých výrobců,
♦ protokol může využívat různé transportní mechanizmy - POTS, PSDN, CSDN, ISDN,
TCP/IP, IPX/SPX, ... Dokonce v rámci jednoho konferenčního spojení může být
využíváno více transportních protokolů současně.
Protokolová řada T.120 zahrnuje dílčí protokoly rozdělené do 2 skupin:
♦ protokoly nižších vrstev - 122, 123, 124, 125 - jsou aplikačně nezávislé,
♦ protokoly vyšších vrstev - 126, 127 - jsou aplikačně vázané,
♦ protokoly 122 a 125 umožňují mnohabodové komunikační služby, kde protokol T.122
implementuje vlastní služby a protokol T.125 definuje přenosový protokol,
♦ přenášená data mohou mít definovanou jednu ze 4 priorit,
♦ Generic Conference Control (GCC) = protokol T.124 - poskytuje množinu služeb pro
vybudování a řízení vícebodové konference,
♦ protokol T.126 zajišťuje přenos nepohyblivých obrazů,
♦ protokol T. 127 zajišťuje přenos souborů a kompresi souborů,
♦ aj.
2.2.6.7 Multifunkční zařízení ISDN
Multifunkční zařízení ISDN je osobní počítač s instalovaným ISDN rozhraním a
patřičným programovým vybavením.
Technické vybavení - ISDN karta
1. pasivní – pro menší provoz
2. aktivní – pro větší provoz,
Volba typu závisí na četnosti komunikace po ISDN vedeních a na typu přípojky (BRA,
PRA). Karty ISDN se základními přípojkami mohou být, buď pasivní (zatěžují částečně
52
procesor počítače), a nebo aktivní (obsahují vlastní procesor pro řízení a zpracování dat)
obsahovat jednu nebo až 3 základní ISDN přípojky (BRA) a umožňují i spojování kanálů,
takže lze vytvořit kanály s rychlostí až 384 kb/s žádané pro kvalitní video přenosy. Karty
s primární přípojkou jsou vždy aktivní.
Programové vybavení - operační systém + software dodaný k dané ISDN kartě obsahuje
několik částí:
♦ ovladač ke kartě s rozhraním CAPI (aplikační programové rozhraní pro nezávislé
vytváření aplikací pro ISDN, v současnosti verze 2),
♦ CAPI port ovladač pro napojení na standardní komunikační software operačního systému,
jakými jsou například www prohlížeč nebo server, e-mail klient, ftp klient či server apod.,
♦ software pro poskytování níže uvedených služeb vytvořený pro aplikační rozhraní CAPI.
Nejčastěji podporované služby:
♦ telefonování,
♦ faxování podle G3 (14400 b/s),
♦ telefonní záznamník,
♦ přenos dat podle protokolu Euro-file Transfer, či některého novějšího, který například umí
sdružovat více kanálů pro rychlejší přenos a implementuje kompresi dat podle V.42bis,
♦ funkce analogového modemu 14400 b/s, dálkový přístup k počítačové síti, připojení na
Internet,
♦ videokomunikace – doporučení H.320.
standardní
komunikační nástroje a
aplikace operačního
systému
CAPI port driver
aplikace ISDN
aplikační
OS
(W9x)
rozhraní
ovladač ISDN karty
ISDN karta
ISDN přípojka
Obr. 2.47: Struktura realizace ISDN aplikace na počítači
CAPI
53
2.2.6.7.1 CAPI rozhraní
COMMON-ISDN-API (CAPI) je aplikační programové rozhraní pro přístup k síti
ISDN přes základní nebo primární přístup (BRI, PRI). CAPI
může být použito pro
implementaci aplikací pro následující platformy operačních systémů:
• DOS,
• Windows – různé verze,
• Netware,
• Linux,
CAPI zahrnuje tyto služby pro tyto oblasti:
•
•
•
Základní řízení spojení,
Řízení doplňkových služeb,
Podpora více aplikací,
•
•
•
UNIX,
BeOS,
OS/2.
•
•
•
DTMF detekce/ generování,
CTI podpora,
Podpora více ISDN rozhraní.
CAPI podporuje následující protokoly:
•
•
•
•
HDLC, invertovaný HDLC, SDLC,
X.75, X.25,
LAPD, X.31,
V.110, V.120,
•
•
•
•
T.30 (fax G3),
protokoly analogových modemů,
PCM (řeč),
aj.
CAPI je nezávislé na národních signalizačních protokolech (DSS1, 1TR6, VN3, …)
Obr. 2.48: Začlenění rozhraní CAPI do síťové architektury OS Windows 9x
54
2.3 Širokopásmová ISDN - technologie ATM
Síť ATM (Asynchronous Transport Mode) byla navrhována jako univerzální
telekomunikační síť vyhovující potřebám všech služeb. Věřilo se, že je to síť budoucnosti,
která nahradí všechny typy stávajících sítí a tak sjednotí telekomunikační prostředí. Vývoj
v této oblasti však ukázal, že to nebude zdaleka pravda a že se bude ubírat jiným směrem.
2.3.1
Základy ATM
V podstatě se jedná o síť s přepojováním datových jednotek, kde se jedná o jednotky
na spojové vrstvě mající pevně stanovenou délku, a to 53 B, a nazývají se ATM buňky.
Buňky sestávají z 5B hlavičky a 48B informační části. Délka buňky byla stanovena jako
kompromis mezi požadavky služeb v reálném čase (telefonie, video přenosy, aj. vyžadují co
nejkratší buňku, tj. co nejmenší paketizační zpoždění), a požadavky služeb pro přenos dat,
které naopak požadují delší buňky, a tedy větší poměr objemu uživatelských dat a režie pro
řízení sítě. ATM je spojově orientovaná síť, což znamená, že před vlastním přenosem musí
být mezi účastníky sestaveno virtuální spojení. Jako přenosového prostředku je využívána
SDH (Synchronnous Digital Hierarchy), kdy jsou jednotlivé buňky vkládány do STM rámců.
Přenosové rychlosti toků ATM jsou od 1,5 Mb/s přes 155 Mb/s a 622 až po 2,5 Gb/s.
Hlavními vlastnostmi ATM sítě jsou:
•
minimální režie přenosu - mezi dvěma uzly není kontrola chyb datové části buňky (je
zabezpečena pouze hlavička buňky nesoucí směrovací informace), a není řízena plynulost
toku dat. Odstranění chyb při přenosu je záležitostí koncových zařízení. To přináší
vysokou propustnost sítě.
•
spojově orientovaný mód - na počátku komunikace se buduje virtuální spojení,
•
flexibilita - snadné přizpůsobení se novým požadavkům a službám,
•
efektivní využití zdrojů sítě - obsazuje prostředky sítě pouze, když je to nutné,
•
univerzálnost - lze použít pro poskytování všech dnes známých služeb,
•
nebezpečí ztráty buňky - vlivem přeplnění fronty v ATM uzlech dojde k odhození buňky.
Pravděpodobnost ztráty je řádově 10-8-10-12. Toto nebezpečí je minimalizováno také tím,
že se jedná o spojově orientovaný přenos
•
minimální množství režie v hlavičce - 5B především pro identifikaci virtuálního spojení,
•
krátké buňky - tj. malé paketizační zpoždění,
- potřeba menších bufferů v uzlech,
- malé zpoždění buňky průchodem uzlem.
vhodné pro služby
v reálném čase
55
Pro zajištění co největší pravděpodobnosti správného doručení buňky je zabezpečena
její hlavička pomocí 8b cyklického kódu HEC (Header Error Correction ), který pracuje ve 2
módech:
a) korekční - oprava chyby v jednom bitu,
b) detekční - detekce chyb s odhozením buňky.
Nesprávné směrování by u cílového uživatele způsobilo ztrátu buňky a u jiného uživatele
doručení nepatřičné buňky.
Virtuální spoj mezi dvěma uzly sítě je určen virtuálním kanálem VCI (Virtual Channel
Identification ) a virtuální cestou VPI (Virtual Path Identification). Tyto informace jsou
uloženy v hlavičce každé buňky. VCI identifikuje buňku daného virtuálního spojení. VPI
určuje kanály VCI se stejnou cestou a urychluje tak spojování v ATM uzlech, které mohou
být dvojího typu:
1) VPS (Virtual Path Switch) - přepínač virtuálních cest (také ATM Cross-Connect) přepojují se pouze celé svazky kanálů určené VPI.
2) )VCS (Virtual Channel Switch) - přepínač virtuálních kanálů (také ATM ústředna) propojuje virtuální spoje (mění tedy jak VPI tak i VCI).
V ATM síti jsou definovány 2 typy rozhraní:
1. UNI (User-Network Interface) - rozhraní koncové zařízení - spojový uzel sítě,
2. NNI (Network Node Interface) - rozhraní spojový uzel sítě - spojový uzel sítě.
V závislosti na místě pohybu buňky, existují 2 typy buněk lišící se v 1. oktetu hlavičky:
1) UNI buňka,
2) NNI buňka.
Obr. 2.49 udává strukturu obou buněk:
GFC
VPI
VPI
VCI
VPI
VPI
VCI
VCI
VCI
VCI
PT
C
VCI
PT
HEC
HEC
PAYLOAD
PAYLOAD
48 oktetů
48 oktetů
UNI buňka
Obr. 2.49: Struktury záhlaví buněk UNI a NNI
NNI buňka
C
56
GFC – General Flow Control – řízení vícenásobného přístupu (4b),
VCI – Virtual Channel Identifier – číslo virtuálního kanálu (16 b),
VPI – Virtual Path Identifier – číslo virtuální cesty (8 nebo 12b),
PT – Payload Type – typ přenášené informace (2b),
C – Cell Loss Priority – požadavek na snížení pravděpodobnosti ztráty buňky (1b),
HEC – Header Error Correction - zabezpečení hlavičky (8b).
2.3.2
Vrstvový model ATM:
ATM část vrstvového modelu je složena ze 3 vrstev a specifikován do 3 rovin:
•
vrstvy:
1) Fyzická vrstva,
2) ATM vrstva,
3) ATM adaptační vrstva,
4) vyšší vrstvy.
•
roviny:
a) Uživatelská (User Plane) – řízení toku uživatelské informace,
b) Řídicí (Control Plane) – sestavování, udržování a rozpad spojení,
c) Správní (Management Plane) plnící funkci:
I)
Správa rovin – transformace funkcí a procedur do ostatních dvou rovin,
II) Správa vrstev – řízení toku O&M (dohled nad funkčností sítě) informace a
metasignalizace.
1) Fyzická vrstva:
Fyzická vrstva se skládá ze dvou podvrstev:
a) podvrstva fyzického média – odpovídá za správné vyslání a příjem bitů, zajišťuje
bitovou synchronizacia vhodné kódování signálu,
b) podvrstva konvergence pro přenos – má několik funkcí:
1) generování a obnova přenosového rámce – přizpůsobení dané přenosové strategii,
kterou může být buď SDH přenos nebo vlastní buňkový přenos ATM,
2) adaptace buňky pro přenos v daném rámci,
3) rozpoznání buňky,
4) generování a ověření zabezpečení hlavičky,
5) vkládání a odstraňování prázdných buněk.
2) ATM vrstva:
Je nezávislá na přenosovém médiu a má 4 hlavní funkce:
1) muldex buněk z různých spojení rozlišených různými VPI aVCI do a z jednoho
toku buněk,
57
2) přepočet VPI či VCI v ATM uzlech,
3) odstranění nebo přidání hlavičky,
4) řízení toku pomocí GFC.
3) ATM adaptační vrstva:
Provádí adaptaci informace z vyšších vrstev do ATM buněk. Obsahuje 2 podvrstvy:
1) Podvrstva segmentace SAR (Segmentation And Reassembly) – rozděluje data
z vyšších vrstev do buněk a ve zpětném směru zase skládá. Zohledňuje typ
přenášených dat, tj. vyrovnává zpoždění, převádí na plynulý tok dat,
2) Podvrstva konvergence CS (Convergence Sublayer) – provádí identifikaci zprávy,
tj. pro kterou rovinu je určena.
Adaptační vrstvy se označují jako AAL, přičemž bylo definováno celkem 5 typů, AAL1 –
AAL5. Vrstva AAL1 je určena pro služby CBR, AAL2-4 pak pro VBR a AAL5 je určena
pro obecná data.
2.3.3
Třídy služeb v síti ATM
Způsob zprostředkování dané služby ATM sítí je určen požadavky služby na
přenosové parametry, jako jsou rychlost, zpoždění, jeho rozptyl, a povolená míra ztráty
buněk. Podle míry jednotlivých požadavků byly stanoveny 4 třídy A, B, C, D. První 3 třídy
jsou pro spojově orientované služby a třída D pro nespojově orientované služby:
A – CBR (Constant Bit Rate) – pro služby s požadavkem na konstantní přenosovou rychlost
(např. přenos hovoru, videokonference, ...). Definuje se rychlost, zpoždění, jeho
rozptyl a povolená míra ztráty buněk.
B – VBR (Variable Bit Rate) – služby s proměnnou přenosovou rychlostí. Definuje se
maximální rychlost. Podle důležitosti zpoždění se dále typ dělí na:
RT-VBR (Real Time) – služby v reálném čase,
NRT-VBR(Non-Real Time) – služby nevyžadující služby v reálném čase,
C – ABR (Available Bit Rate) – dostupná přenosová rychlost. Pro služby, u nichž není
kritická ani rychlost ani zpoždění, ale jsou stanoveny max. ztráty. Určitá
minimální přenosová rychlost je zajištěna.
D – UBR (Unspecified Bit Rate) – nespecifikovaná přenosová rychlost, zpoždění ani ztráty
buněk. Ztráty se řeší ve vyšších vrstvách, což je záležitost koncových zařízení. Je
to obdoba přenosu informací po Internetu.
Informační část buňky obsahuje kromě uživatelské informace také další přídavné
informace v závislosti na třídě služby. Např. služby třídy A (např. telefonní služba) mají 1.
58
informační oktet vyhrazen pořadovému číslu (indikátor konvergenční podvrstvy + poř. číslo)
a zabezpečení pořadového čísla pomocí CRC a parity.
2.3.4
Uživatelský přístup
Definice rozhraní koncové zařízení – síť vychází z N-ISDN. Jsou definována rozhraní
RB, SB, TB, UB. Standardizována jsou pouze rozhraní S a T. Přenosovým médiem bývá
nejčastěji optické vlákno.
B-TE1
TE2
B-ISDN
ústředna
B-NT
B-TA
RB
SB
TB
UB
Obr. 2.50: Struktura ATM uživatelského rozhraní
Signalizace:
Signalizace v ATM se přenáší stejně jako uživatelská informace v buňkách po
virtuálních kanálech. Může probíhat po stejné nebo odlišné cestě jako uživatelská informace.
Opět jsou definovány uživatelská signalizace (označovaná DSS2 nebo UNI – Q.2931) a
meziuzlová signalizace vycházející z CCS No.7. Navíc je definována tzv. metasignalizace,
což je signalizace pro signalizaci. Má pro každý směr pevně vyhrazené kanály určené VPI a
VCI, které nemohou být využívány pro jiný účel.
2.3.5
Uplatnění technologie ATM
Při vývoji technologie ATM a v počátcích jejího nasazování se předpokládalo, že ATM
je síťovou technologií budoucnosti, která bude schopna odpovědět na všechny výzvy, které
v budoucnosti ze strany požadavků budoucích služeb. Technologie ATM se ukázala jako
velmi komplikovaná, a tedy i drahá technologie, která se prosadila především ve
vysokorychlostních páteřních datových sítích, kde se vysoké náklady vyvážily velkými
objemy zpracovávaných data a schopností rozlišovat různé druhy provozu a preferovat datové
toky vyžadující nízké zpoždění. Další rozšíření technologie ATM doznala u ADSL přípojek
pro schopnost zajistit kvalitativní parametry při současném poskytování služby přístupu
k Internetu a služby IPTV (poskytování distribuce televizního vysílání spolu se službou Video
on Demand).
59
3 Bezdrátové datové sítě
3.1 Datové přenosy v bezdrátových a mobilních sítích
Bezdrátové technologie jsou velmi přitažlivým řešením především ze strany snadné a
rychlé instalace. Nevýhodou jsou však nižší přenosové rychlosti, než je tomu u pevných sítí, a
to z důvodů nižší efektivity využívání síťových zdrojů, vyšší režie kvůli sdílenému prostředí a
prostředí s vyšší úrovní rušení, aj. Patří sem:
DECT – primárně pro telefonii, lze však i pro přenos dat – do 3 Mb/s,
WPAN sítě – bezdrátové osobní sítě (dosah decimetry až jednotky metrů)
IEEE802.15.1 - Bluetooth – přenos na jednotky až desítky m – až desítky
Mb/s,
IEEE802.15.3 – vysokorychlostní WPAN – až desítky Mb/s,
IEEE802.15.4 – ZigBee – desítky kb/s, extrémně nízká spotřeba, senzory,
ovladače, hračky
WLAN – IEEE 802.11 – až jednotky Gb/s (na fyzické vrstvě),
HiperLAN – ETSI – desítky Mb/s,
WiMAX – IEEE802.16 – metropolitní bezdrátová technologie,
MBWA - IEEE 802.20 - Mobile Broadband Wireless Access – pásmo 3,5 GHz – více
LTE/EPS
UMTS/HSPA(+)
GSM/(E)GPRS
než 1 Mb/s.
LT
EAd
va
nc
ed
Obr. 3.1: Porovnání oblastí využití jednotlivých zástupců bezdrátových a mobilních technologií
Mobilní sítě na rozdíl od bezdrátových sítí umožňují mnohem větší mobilitu účastníků
(rychlost pohybu účastníků, rozsah území s možností přístupu k síti), sítě jsou vzájemně
propojené a často na základě smluv umožňují využití sítí nedomovských operátorů (roaming).
Cenou za větší mobilitu jsou však nižší přenosové rychlosti. Do této skupiny patří
technologie:
GSM – CSD (Circuit-Switched Data), později HSCSD (High Speed CSD) – desítky
kb/s,
GPRS (General Packet Radio Service) – paketový přenos – desítky kb/s,
60
EGPRS - paketový přenos doplněný o technologii EDGE (Enhanced Data rates for
GPRS Evolution) – přenosové rychlosti až kolem 200 kb/s,
CDMA2000 1x-EVDO – pouze pro data – stovky kb/s,
UMTS – WCDMA – stovky kb/s,
UMTS – HSPA (HSDPA + HSUPA) – (High Speed Packet Access) jednotky Mb/s.
UMTS – HSPA+ - přenosové rychlosti až několik desítek Mb/s,
EPS – LTE – desítky Mb/s dle šířky pásma a třídy terminálů,
EPS – LTE-Advanced – až jednotky stovek Mb/s.
Obr. 3.1 zachycuje možnosti využití jednotlivých představitelů bezdrátových a
mobilních technologií.
Mobilní sítě třetí generace - UMTS
Systémy třetí generace jsou sdruženy pod označení IMT-2000, a patří sem dvojice
UMTS – WCDMA-FDD a TDD, systém CDMA 2000, UWC-136 a DECT. Technologie
UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) je zástupce mobilních sítí třetí
generace nejvíce rozšířený v oblastech mimo Severní Ameriku (zde je nejrozšířenější
technologií 3G technologie CDMA2000), který rozšiřuje možnosti zavádění nových služeb,
především multimediálního typu – videokomunikace, video a audio streaming. To je
umožněno zavedením nové přístupové technologie WCDMA, navýšením přenosových
rychlostí (typicky do 384 kb/s, teoreticky až 2 Mb/s), snížením latence při přidělování
síťových zdrojů, zdokonalením mobilních terminálů a řadou dalších doplňujících funkcí.
Struktura sítě UMTS je zachycena na Obr. 3.2.
RNS
UE
Node B
Iub
RNC
Node B
RNC: Radio Network Controller,
RNS: Radio Network Subsystem,
CN: Core Network.
UTRAN zahrnuje několik
subsystémů RNS,
RNC je zodpovědný za
rozhodnutí o handoveru
vyžadující signalizaci s UE,
Iu
CN
Iur
Node B
Iub
Node B
RNC
Node B – základnová
stanice,
Buňka nabízí FDD či TDD.
Node B
RNS
Obr. 3.2: Struktura sítě 3G UMTS s detailnějším zachycením rádiové přístupové sítě
61
Pro zavedení dalších služeb, jako je VoIP, je zapotřebí dalších vylepšení (nejen vyšší
propustnost, ale také podstatně nižší latence), což je řešeno v podobě technik HSPA (High
Speed Packet Access) specifikující dílčí techniky HSDPA (High Speed Downlink Packet
Access) a HSUPA (High Speed Uplink Packet Access), později pak HSPA+. Současně je
vývoj doprovázen přechodem na IP transport, tj. používání IP sítí jako jednotný transportní
prostředek, což současně umožnilo hladký nástup sítí následující generace, která je již tzv.
All-IP řešením.
Mobilní technologie čtvrté generace
Mobilní technologie čtvrté generace jsou technologie založené na přepojování paketů a
poskytující přenosové rychlosti jednotek až stovek Mb/s. Mezi mobilní technologie
označované jako 4G řadíme sítě EPS (Evolved Packet System), známé spíše pod označením
LTE (Long Term Evolution), a WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave
Access). U těchto technologií se využívá multiplexní technika OFDM doplněná o technologii
MIMO, což spolu s mnohastavovými modulacemi umožňuje dosahovat rychlostí až stovek
Mb/s. Architektura sítě EPS je zachycena na Obr. 3.3.
Obr. 3.3: Architektura mobilních sítí EPS (LTE)
3.2 Úvod do lokálních bezdrátových technologií
Oblast bezdrátových datových sítí během posledních dvou desetiletí prošla bouřlivým
vývojem a v současnosti je tento typ komunikace využíván širokou škálou koncových uzlů
(přenosné počítače, PDA, mobilní telefony, VoIP telefony aj.), na nichž se realizuje velké
množství služeb, a to od prostého přenosu dat, přístupu k internetovým zdrojům, k e-mailu, až
po služby v reálném čase, jako jsou instant messaging, VoIP, videokomunikace, video
streaming, provozování her po síti a další. Tento rozvoj byl umožněn postupnými inovacemi
technologií, a to nejenom přenosových rychlostí, ale také zaváděním dalších inovačních prvků
jako jsou zvýšení bezpečnosti komunikace, a především pak podpora QoS pro implementaci
služeb reálného času.
62
3.3 Aspekty bezdrátového způsobu komunikace
Podstatou těchto sítí je přenos dat volným prostorem pomocí elektromagnetických vln v
radiové či v optické a jí blízké oblasti spektra. Nejznámějšími standardy na poli bezdrátových
sítí je řada IEEE 802.11, i když existují i další specifikace, jako například, Bluetooth, sítě
HIPERLAN či sítě založené na technologii DECT a IrDA.
Bezdrátová komunikace může být realizována jako:
point-to-point,
point-to-multipoint,
a může být použita v prostředích:
vnitřní prostory – malý dosah (WLAN sítě),
venkovní prostory – větší dosah – hlavně pro bezdrátový přístup k Internetu.
Pro přenos jsou používána různá komunikační pásma:
rádiové pásmo
a) 902-928 MHz - bezlicenční pásmo (ISM - Industrial-Scientific-Medical
application) pro americký kontinent,
b) 1880-1900 MHz – DECT,
c) 2,4 – 2,5 GHz (ISM) – pásmo ISM, IEEE 802.11b/g, Bluetooth,
d) 3,5 GHz – licencované pásmo,
e) 5,725 – 5,875 GHz – pásmo ISM, IEEE 802.11a/n/ac,
f) 26 GHz (FWA – Fixed Wireless Access) – licencované pásmo,
g) 27,5-29,5 GHz (BWA – Broadband Wireless Access) – pásmo LMDS (Local
Multipoint Distribution Service) – na každých 50 MHz pásma lze vytvořit
datový tok až 3 Gb/s s až 5000 koncovými uzly na jeden přístupový bod (Hub)
infračervené pásmo – v okolí vlnové délky 1 mikrometru,
Využití přiděleného kmitočtového kanálu zajišťují různé techniky:
FDMA – frekvenční dělení spektra pro jednotlivé spoje, mikrovlnné úzkopásmové
kanály,
TDMA – časové dělení, problémem je, že stanice musí znát co nejpřesněji vzdálenost
od přístupového bodu (bázové stanice),
SS (Spread Spectrum) techniky – techniky rozprostření spektra přenášených signálů,
kombinace několika technik, například SDM/FDM/TDM/TDD (Space Division
Multiplex/ Frequency Division Multiplex/ Time Division Multiplex/ Time Division
Duplex) v případné kombinaci s FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) – to je
případ mobilní sítě GSM,
63
přenos vysokorychlostního toku na více nosných (multi-carrier modulation) –
původní datový tok se rozdělí do více toků s nižšími rychlostmi a každý tok se po
bitových skupinách moduluje na určitou nosnou (např. pomocí modulace QAM). Tím
se potlačí vliv vícecestného šíření a může se dosáhnout vyšších přenosových rychlostí.
Příkladem této techniky jsou modulace OFDM, VOFDM (Orthogonal Frequency
Division Multiplex, Vectorized OFDM). U těchto technik se před vlastním vysláním
vytváří z modulovaných nosných pomocí FFT kompozitní signál, který se v přijímači
pomocí zpětné FFT rozloží zpět na dílčí úzkopásmové signály, které se demodulují a
jednotlivé toky se pak skládají do původního vysokorychlostního datového toku.
náhodný přístup – doplněná metoda CSMA/CA.
3.3.1
Techniky s rozprostřením spektra
Techniky s rozprostřením spektra se označují také jako CDMA (Code Division
Multiple Access), kdy kódová sekvence určuje posloupnost změn určitého parametru signálu,
jako nosný kmitočet, časovou polohu či bity a rychlost původní posloupnosti. Výsledkem je
širokopásmový signál, který lze v přijímači při znalosti dané kódové sekvence správně
vyhodnotit i při současném výskytu jiných signálů (užitkových či rušivých) ve stejném
pásmu. Existuje tedy několik způsobů, jak z úzkopásmového signálu udělat širokopásmový:
a) FHSS – kmitočtové přeskakování,
b) THSS – přeskakování časových slotů,
c) DSSS – přímé rozprostření.
FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) – rozprostření spektra s přeskakováním
kmitočtů. Přeskakování kmitočtů může být:
pomalé (slow frequency-hopping) – na jednom kmitočtu je přeneseno několik bitů,
rychlé (fast frequency-hopping) – jeden bit je postupně přenášen na více kmitočtech.
THSS (Time Hopping Spread Spectrum) – rozprostření spektra s přeskakováním časových
slotů. Časová osa je rozdělena do rámců a ty do slotů. Využívání jednotlivých slotů pro danou
relaci je dáno speciální kódovou sekvencí.
DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) – přímé rozprostření spektra pomocí
nekorelovaných posloupností. Nejčastějším typem posloupností jsou tzv. Barkerovy
posloupnosti (11-bitová sekvence).
3.3.2
Infračervený přenos
64
Pro komunikaci se využívá infračerveného pásma. Dosah je omezen na přímou
viditelnost, v interiéru tedy na jednu místnost. Pro zajištění vícebodového spoje jsou
používány různé techniky:
Rozptýlený (diffused) mód – síť je tvořena pouze bezdrátovými stanicemi a prostředím
odrážející infračervené paprsky (zdi a strop místnosti). Stanice vysílají do širokého
prostorového úhlu a stejným způsobem i signál přijímají. Toto řešení vyžaduje dosti velký
vysílací výkon (nevýhodné pro zařízení napájených z akumulátorů) a projevuje se také
problém vícecestného šíření, které způsobuje mezisymbolovou interferenci (ISI –
intersymbol interference). Přenosová rychlost je tedy omezena na hodnoty řádově stovky
kb/s až několik Mb/s. Výhodou je naproti tomu částečná mobilita zařízení a menší
citlivost na umístění optického vysílače a přijímače stanice
Směrovaný (directed) mód – síť je tvořena stanicemi se směrovanými vysílači (veškerý
výkon je vysílán v úzkém paprsku) a přijímači (přijímají signál pouze v úzkém
prostorovém úhlu) a translačním bodem, který zajišťuje šíření signálu do všech směrů,
kde se mohou vyskytovat stanice. Tento translační bod může být:
o pasivní – vytváří pouze odraznou plochu, výkon vysílaný stanicí musí být
relativně vysoký,
o aktivní – regeneruje a zesiluje signál, je tvořen sadou fotodiod (přijímače) a
infradiod (vysílače) a elektronikou pro regeneraci signálu. Vysílací výkon stanic
nemusí být velký.
Výhodou je vysoký stupeň potlačení problému vícecestného šíření a možnost dosažení
vyšších přenosových rychlostí.
Jako modulační techniky jsou používány:
a) OOK (On-Off Keying) – přímá modulace infračerveného nosného signálu (1 –
vysílání nosné, 0 – vypnutí nosné) – vliv rušivých zdrojů infračerveného signálu, proto
je přenosová rychlost omezena max. do 2 Mb/s.
b) PPM (Pulse-Position Modulation) - bitový tok je rozdělen do n-bitových symbolů a
každý symbol je rozdělen do 2n časových slotů. V rámci symbolu je pak vyslán 1 pulz
a jeho pozice vyjadřuje bitovou kombinaci daného symbolu. Například pro 4-stavový
symbol existují 4 časové sloty. Maximální přenosová rychlost je omezena asi na 2
Mb/s.
c) Modulace nosné – FSK, nebo PSK pro rychlosti 2 - 4 Mb/s. Vyšší rychlosti jsou
omezeny mezisymbolovou interferencí díky vícecestnému šíření. Jedním z řešení je
paralelní přenos na více nosných.
Příklady bezdrátových datových sítí jsou:
65
IEEE-802.11-/b/a/g/n/ac/ad,
Zigbee,
Bluetooth,
DECT,
IrDA,
aj.
3.4 Sítě WLAN dle standardů IEEE 802.11
Bezdrátové
technologie
rodiny
standardů
IEEE
802.11
jsou
v současnosti
nejrozšířenějším typem lokálních bezdrátových datových sítí. Ke konci minulého století tato
technologie soutěžila s propracovanější technologií HiPERLAN. HiPELAN již ve své
základní specifikaci obsahovala podporu kvalitativních služeb, o které se v té době hodně
diskutovalo a kdy se navrhovaly různé implementace, avšak v té době nebyla po podpoře QoS
ještě taková poptávka, která by navýšení komplikovanosti, kterou s sebou další funkcionalita
nutně přinesla, opodstatnila. Tak se i díky větší propagaci stalo to, co se neudálo poprvé, že
lepší technologie ne vždy zvítězí.
Dílčí standardy rodiny IEEE 802.11 jsou shrnuty v Tab. 3.1.
Tab. 3.1: Standardy rodiny IEEE 802.11
Standard Schválení Pásmo
802.11
1997
2,4 GHz
802.11a
1999
5 GHz
802.11b
1999
2,4 GHz
802.11g
2003
2,4 GHz
802.11n
2009
2,4/5 GHz;
20/40 MHz
802.11ac 2013
2,4/5 GHz;
až 160 MHz
802.11ad 2015
2,4/5/60
GHz;
až 160 MHz
Přenosová
rychlost
Modulace
1 a 2 Mb/s
DSSS, FH,
Infrared
54 Mb/s
OFDM
11;5,5;2;1
Mb/s
54 Mb/s;
komp.
s 802.11b
300 (600)
Mb/s; komp.
s 802.11b/g
1 Gb/s (6,93
Gb/s); komp.
s 802.11n
6,93 Gb/s;
komp.
s 802.11ac,n
DSSS
OFDM
OFDM;
MIMO (až 4)
OFDM;
MU-MIMO
(až 8)
OFDM;
MU-MIMO
(až 8)
3.4.1
66
Architektury ve WLAN sítích
Existují následující základní architektury:
♦
ad-hoc architektura - nezávislá skupina bezdrátových stanic,
♦
infrastruktura - architektura s přístupovým bodem,
♦
distribuovaný systém tvořený několika přístupovými body (buňkami) propojenými
distribuční sítí.
3.4.1.1 Ad-Hoc architektura
Ad-Hoc architektura vytváří síť se spojením rovný s rovným (peer-to-peer), tzv. BSS
(Basic Service Set), viz Obr. 3.4. Neexistuje žádný centrální bod. Existuje-li více typů sítě
tohoto typu, tzv. IBSS (independent Basic Service Set), je zapotřebí, aby každá síť pracovala
na jiném kanále.
Obr. 3.4: Ad-Hoc architektura
3.4.1.2 Architektura s distribučním systémem
Architektura s distribučním systémem se označuje jako DSS (Distribution Service Set),
případně ESS (Extended Service Set), viz Obr. 3.6, a je tvořena sadou bezdrátových
základnových stanic, několika tzv. přístupovými body a distribuční sítí (Distribution System –
DS) pro zajištění komunikace mezi jednotlivými částmi sítě a možnost roamingu, neboli
možnost mobility mezi jednotlivými buňkami. Distribuční síť může libovolný typ sítě,
například Ethernet, Token Ring, Token Bus, FDII, další WLAN (označovaný jako WDS –
Wireless Distribution System), apod.
Ad-hoc WLAN
WLAN typu Infrastruktura
2L
a)
L
b)
Obr. 3.5: Rozdíl v dosahu sítí a) typu infrastruktura (s přístupovým bodem) a b) Ad-hoc
1
2
AB C
3
D EF
4
G HI
5
JK L
6
M NO
7
PQR S
8
TU V
9
WXYZ
*
0
#
Obr. 3.6: Bezdrátový systém typu infrastruktura ESS se dvěma BSS s příkladem roamingu
3.4.2
Základní standard IEEE 802.11
67
68
Pro standard 802.11 bylo vybráno pásmo 2,4 GHz a stanoveny přenosové rychlosti 1 a 2
Mb/s. Jako přenosové techniky byly zvoleny FHSS, DSSS a infračervený přenos (IR). Pro
techniku FHSS je pásmo rozděleno do 79 kanálů s šířkou 1 MHz. Komunikující strany se
domluví na sekvenci přeskakování. Maximální rychlost je 2 Mb/s. Je-li použita technika
DSSS, je pásmo rozděleno na 14 částečně se překrývajících kanálů s šířkou 22 MHz
s odstupem 5 MHz. Datový signál se technikou DSSS rozprostře do některého ze 14 kanálů.
3.4.2.1 Vrstvová struktura systému IEEE 802.11
Specifikace technologie WLAN, stejně jako u dalších síťových technologií zahrnuje
fyzickou a spojovou vrstvu. Na Obr. 3.7 je zachycena vrstvová struktura standardu IEEE
802.11.
vyšší vrstvy
LLC
Linková
vrstva
DCF-RTS/CTS (DFW) Management
MAC
- nepovinná
MAC
Distribuovaná koordinační funkce (DCF) –
podvrstvy
CSMA/CA
Management
Fyzická vrstva
FHSS
DSSS
IR
fyzické
Management stanice
Centralizovaná koordinační
funkce (PCF) - nepovinná
vrstvy
(PLME)
Obr. 3.7: Vrstvová struktura bezdrátových sítí standardu IEEE 802.11
DCF – Distributed Coordination Function,
PCF – Point Configuration Function,
DFW – Distributed Four-Way handshake function,
PLME – Physical Layer Managment Entity.
Architektura DSS (Distribution Service System) v síti IEEE 802.11 zajišťuje následující
sadu služeb:
69
association (sdružování),
disassociation (odpojování),
reassociation (přepojování),
distribuiton (doručování),
integration (integrace).
•
Association – přihlášení stanice k určitému přístupovému bodu AP. Systém DS
(Distribution System) využívá informaci o mapování stanice k AP pro správnou
distribuci zpráv. Stanice zjišťuje dostupnost jednotlivých přístupových bodů AP buď
♦
aktivním prohledáváním okolí – stanice vysílá průzkumné rámce a zpracovává
odpovědi od bodů AP, nebo
♦
pasivním průzkumem okolí – stanice poslouchá všechny kanály a vyhodnocuje
kvalitu signálu.
•
Disassociation – oznámení přístupovému bodu, že stanice opouští síť.
•
Reassociation – přechod mezi buňkami a odhlášení se od původního bodu AP a
přihlášení se k novému AP.
•
Distribution – pro správné doručení zprávy - zjišťování správné polohy cílové stanice
a směrování zprávy do správné buňky.
•
Integration – integrace stanic s pevným přípojem do distribučního systému DSS. Bod
přípoje bodu AP k pevné síti se označuje jako „portal“.
3.4.2.2 Podvrstva MAC
Struktura podvrstvy MAC je uvedena na Obr. 3.7. Povinnou součástí je Distribuovaná
koordinační funkce (DCF) představovaná přístupovou metodou CSMA/CA. Tato metoda
spočívá v tom, že stanice, která chce vysílat, „poslouchá“ provoz v kanále. Je-li detekován
provoz, stanice musí čekat. Je-li kanál volný, stanice generuje náhodný časový interval
(backoff period), který určuje, jak dlouho bude stanice ještě čekat, než může začít vysílat.
Tato doba závisí na počtu předchozích pokusů o vyslání rámce. Doba čekání je odpočítávána
časovačem. Hodnota časovače je snižována pouze v době volného kanálu. Obsadí-li jiná
stanice kanál během této čekací doby, hodnota časovače se „zmrazí“ a další snižování
následuje až po detekci klidu na kanálu po dobu delší než DIFS (DCF InterFrame Space).
Jakmile hodnota časovače dosáhne hodnoty 0, může stanice začít vysílat.
70
Obr. 3.8: Princip fungování přístupové metody CSMA/CA
Metoda CSMA/CA však naráží na problém tzv. „skrytého uzlu“, který se projevuje
především v sítích s přístupovým bodem, kdy některé stanice v síti nejsou schopny detekovat
vysílání všech ostatních stanic. To znamená, že stanice, které se „neslyší“ mohou začít vysílat
i v době, kdy „skrytá“ stanice vysílá, což způsobí situaci obdobnou kolizi. Protože však
stanice během vysílání nemůže kolizi rozpoznat, pokračuje ve vysílání až do konce rámce, i
když je to už zbytečné.
Aby se problém skrytých uzlů vyřešil, používá se jako doplněk metoda DCF-RTS/CTS
označovaná také jako DFW. Využívá se dvou rámců, které se přenesou před vlastním
přenosem aplikačních dat:
•
RTS (Request To Send) – žádost o vysílání vyslaná stanicí, která chce vysílat, příjemci
(jiná stanice nebo bod AP). Zpráva obsahuje dobu vysílání datového rámce. Délka je 20
oktetů.
•
CTS (Clear To Send) – zpráva odeslaná zpět žádající stanici. Délka je 14 oktetů. Zpráva
obsahuje povolení k vysílání a také obsahuje dobu vysílání datového rámce. Zároveň je to
upozornění všem ostatním stanicím, že se nemají pokoušet po určenou dobu o přístup
k přenosovému kanálu. Stanice si udržují vektor obsazení kanálu tzv. NAV (Net
Allocation Vector), který určuje, na jak dlouho je kanál obsazen.
•
Pokud nejsou zprávy RTS a CTS použity, je hodnota vektoru NAV určena polem „doba
přenosu“ v datových rámcích.
Přístup ke sdílenému kanálu v sítích WLAN umožňuje implementovat i prioritní
mechanizmus, a to pomocí různých délek mezirámcových mezer:
•
71
SIFS (Short InterFrame Space) – pro data s nejvyšší prioritou, využívá se hlavně pro
potvrzovací rámec ACK (ACKnowledgement)
•
PIFS (Point InterFrame Space) – větší hodnota mezirámcové mezery, střední priorita
•
DIFS (DCF InterFrame Space) – nejnižší priorita
Metoda DCF-RTS/CTS snižuje propustnost sítě, a proto mají stanice několik možností:
•
nikdy nevyužívat metodu,
•
metodu používat pouze v případě délky datového rámce větší než stanovený limit, pro
krátké rámce je pravděpodobnost kolize malá.
•
vždy používat.
Alternativou k vysílání dlouhých rámců s využitím RTS/CTS je segmentace rámce
MPDU (MAC Protocol Data Unit) na úseky kratší než je stanovený limit a vysílat segmenty
s čekáním na potvrzení (ACK) každého segmentu a pokračování po době SIFS.
Point Configuration Function (PCF) je volitelná alternativa pro poskytování spojově
orientované služby a možnost přenosu rámce bez soupeření o kanál. Systém sestává ze
speciální funkce určité stanice (nejčastěji bod AP) – Point Coordinator (PC) a stanic, které
podporují tzv. dobu bez soupeření (Contention-Free Period – CFP). Během této doby stanice
PC přiděluje určitým stanicím podle tabulky (Polling Table) právo na vyslání rámce. Kapacita
kanálu je rozdělena v čase na periodicky se opakující intervaly (CFP Repetition Interval),
které sestávají z části PCF a DCF. Počátek doby CFP je ohlášen pomocí signalizačního rámce
„beacon“.
3.4.2.3 Struktura rámce v sítích WLAN
Rámec sítě WLAN je poněkud složitější, než je tomu u klasických drátových
(kabelových) sítí. Jeho struktura je zachycena na Obr. 3.9.
MAC záhlaví
FC
D/ID
Add1
Add2
PV
Type SubType To DS
Data
Add3
SC
From
More
DS
Fragm.
Obr. 3.9: Struktura MAC rámce v síti IEEE 802.11
CRC
Add4
Retry
Pwr
More
Mgt
Data
WEP
Order
♦
72
FC (Frame Control) – dvouoktetové pole obsahující:
PV (Protocol Version) – 2 bity, verze protokolu, standardně 00,
Type - typ rámce – 2 bity, datový, řídicí, rámec managementu
SubType – 4 bity, blíže specifikuje typ rámce,
To DS - 1 bit, specifikuje, zda je rámec určen pro distribuční systém (ano = 1),
From DS - 1 bit, specifikuje, zda je rámec přichází z distribučního systému (ano =
1),
More Fragm (More Fragments) – 1 bit indikující, že další fragmenty původní
MSDU budou následovat
Retry – 1 bit, log. 1 označuje, že rámec je opakováním dříve vyslaného rámce,
Power Mgt (Power Management) – 1 bit indikující zda stanice bude vstupovat do
úsporného režimu (log. 1),
More Data – 1 bit indikující čekající rámce v uzlu AP pro danou STA (bezdrátovou
stanici),
WEP – 1 bit označující, zda je implementován šifrovací algoritmus. Log. 1
označuje, že ano a že patřičné informace (inicializační vektor – 24 bitů a
identifikátor klíče – 2bity) jsou uloženy v prvních 4 oktetech pole Data.
Order – 1 bit definující (log.1), že se jedná o datový rámec nesoucí MSDU (MAC
Service Data Unit),
♦
D/ID (Duration/Association Identifier) – v případě řídicího rámce s podtypem „power
save poll“ nese informaci AID (Association Identifier), číslo v rozmezí 1 - 2007, jinak
nese informaci o trvání rámce.
♦
Add 1-4 (Address) – čtyři adresy indikující BSSID – identifikátor BSS = MAC adresa
přístupového bodu AP, SA (Source Address), DA (Destination Address) a TA
(Transmitting station Address) nebo RA (Receiving station Address) stanice.
♦
SC (Sequence Control) – 2 oktety nesoucí informaci o pořadí fragmentu (4 bity) a pořadí
datové jednotky MSDU (MAC Service DU) nebo MMPDU (MAC Management PDU).
♦
CRC – 32 bitů, zabezpečení cyklickým kódem.
3.4.2.4 Fyzická vrstva
Standard IEEE 802.11 definuje 3 typy fyzické vrstvy:
♦
FHSS – s přeskakováním kmitočtů, 79 kanálů s odstupem 1MHz, modulace 2-GFSK
(1 Mb/s), 4-GFSK (2 Mb/s),
♦
DSSS – s přímým rozprostřením, Barkerova posloupnost je 11-prvková, modulační
rychlost je modulace DBPSK (1 Mb/s) a DQPSK (2 Mb/s),
♦
73
IR – infračervený přenos – na rozdíl od standardu IrDA nemusí být vysílače stanic na
sebe nasměrované a dokonce nemusí existovat přímá viditelnost mezi stanicemi.
Maximální dosah se pohybuje mezi 10 a 20 metry, využívá se rozptýlený (diffused)
mód. Používané modulační techniky jsou 16-PPM (1 Mb/s) a 4-PPM (2 Mb/s). Doba
trvání pulzu je 250 ns. Přístupová metoda je CCA (Clear Channel Assessment). Jsou
definovány 2 masky specifikující vlastnosti vysílačů:
•
Maska 1 – pro aktivní opakovač umístěný nejčastěji na stropě místnosti. Výkon je
až 2W.
•
Maska 2 – pro bezdrátové stanice, maximální výkon je 500 mW a vysílač může
být namířený na jakoukoliv bílou plochu fungující jako reflektor, či rozptylovač
paprsku.
Funkci vysílače zastává levná infračervená dioda a jako detektor signálu se používá dioda
PIN.
Každá z uvedených typů fyzické vrstvy se skládá ze dvou podvrstev a entity managementu:
♦
PMD (Physical Medium Dependent) – podvrstva závislá na konkrétním způsobu
fyzického přenosu dat,
♦
PLCP (Physical Layer Convergence Protocol) – podvrstva závislá na konkrétním
způsobu fyzického přenosu dat umožňující nezávislost vrstvy MAC na fyzické vrstvě
– provádí vzájemnou konverzi mezi jednotkami MPDU (MAC Protocol Data Unit) na
PPDU (PLCP PDU), což spočívá v:
o přidání či odebrání (a zpracování) preambule a PLCP záhlaví nesoucí
informace pro podvrstvu PMD,
o konverzi signálů na rozhraní fyzické a linkové vrstvy,
o případném skramblování dat.
♦
3.4.3
PLME (Physical Layer Managment Entity) – entita zajišťující správu fyzické vrstvy.
Standard IEEE 802.11b
Standard IEEE 802.11b opět využívá pásmo 2,4 GHz, avšak s dosažitelnými
přenosovými rychlostmi až 11 Mb/s. Existuje několik podtypů lišících se ve fyzické vrstvě.
•
infrared - 1 a 2 Mb/s, 4- nebo 16-stavová pulzně polohová modulace (PPM), max.
vysílací výkon 2 W,
•
FHSS – 1,6 a 3,2 Mb/s, 2- a 4-úrovňová GFSK modulace,
•
DSSS – 1; 2; 5,5 a 11 Mb/s, s modulací DBPSK nebo DQPSK.
3.4.4
Standard 802.11a
74
Standard 802.11a používá pro přenos pásmo 5 GHz a umožňuje dosáhnout přenosovou
rychlost až 54 Mb/s. Jako modulační technika se využívá modulace OFDM (Orthogonal
Frequency Division Multiplex).
3.4.5
Standard 802.11g
Standard 802.11g – pro pásmo 2,4 GHz a rychlosti až 54 Mb/s. V průběhu vývoje
standardu byla uvažována dvě řešení, a to od firem Texas Instuments a Intersil
Texas Instruments
•
Nejvyšší povinné rychlosti:
– 22 Mb/s a PBCC (Packet-Binary Convolutional Coding),
– 26,4 Mb/s a CCK-OFDM (Complementary Code Keying).
Nejvyšší volitelné rychlosti:
– 33 Mb/s for PBCC,
– 59,4 Mb/s for CCK-OFDM,
Intersil
•
použít hodinový signál od 802.11a (20 MHz) pro OFDM
– přenosové rychlosti jsou identické rychlostem 802.11a (6, 9,
12, 18, 24, 36, 48 a 54 Mb/s)
Nakonec byl spor společností vyřešen takto:
povinná výbava – OFDM (používá se i v pásmu 5 GHz – 802.11a) a
CCK (používané v 802.11b, zaručuje zpětnou kompatibilitu 802.11g s
802.11b).
volitelná výbava – PBCC (Packet Binary Convolutional Coding) a
CCK-OFDM
Standard 802.11g byl schválen počátkem října 2002, který je zpětně
kompatibilní s 802.11b a umožňuje přenášet data rychlostí až 54 Mb/s.
MAC podvrstva – přístupová metoda CSMA/CA + RTS/ CTS/ACK/NAV,
-
zabezpečení přenosu – pomocí techniky WEP (Wired Equivalent Privacy) –
algoritmus RC4 se 40-bitovým klíčem.
3.5 Standard IEEE 802.11n
Jedním v současnosti z nejpoužívanějších standardů řady IEEE 802.11 je standard
802.11n, jehož vývoj započal již v roce 2004, a byl ratifikován na podzim roku 2009.
75
Obr. 3.10: Certifikační logo WiFi Aliance pro IEEE 802.11n Draft a plnohodnotný standard
Nejvýraznějším aspektem tohoto nového standardu je výrazně vyšší přenosová
rychlost na fyzické vrstvě než u standardu 802.11g.
Obr. 3.11: Prvky standardu IEEE 802.11n Draft 2.0
Výrazné zlepšení výkonu zařízení standardu IEEE 802.11n je založeno především na
následujících vlastnostech:
•
ortogonální kmitočtový multiplex OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex),
oproti standardu 802.11g, kde je 48 datových subkanálů, má technika OFDM 52
datových subkanálů,
•
adaptivní modulační a kódová schémata MCS (Modulation-Coding Scheme) – různý
typ vícestavovvých modulací a různý kódový poměr podle kvality signálu,
•
technologie Multiple Input - Multiple Output (MIMO),
•
agregace paketů (Packet aggregation),
•
sdružení kanálů (Channel bonding) - kanály 40 MHz.
Základním prvkem umožňujícím takové navýšení přenosové rychlosti při zachování
vysoké spolehlivosti je technologie víceprvkového přijímače a víceprvkového vysílače
označovaná jako MIMO (Multiple Input – Multiple Output), jejíž princip je zachycen na Obr.
3.12. Předchozí technologie jsou z tohoto pohledu označované jako SISO (Single Input Single Output). Systém standardu IEEE 802.11n tedy může obsahovat různé kombinace
určitého počtu vysílacích a přijímacích antén. Obecně platí, čím více antén, a tedy i řetězců
zpracování signálů, tím vyšší dosažitelná propustnost. Více přijímacích antén znamená
76
především možnost kombinace signálů jednoho vyslaného paprsku přijímaného z více směrů
díky vícecestnému šíření elektromagnetických vln.
Více vysílacích antén poskytuje několik možností, a to tzv. „beam-forming“ neboli
soustředění vyzařované energie směrem k přijímači, či paralelní vysílání více toků ve stejném
pásmu s potřebným prostorovým vzorem umožňujícím přijímači tyto toky rozlišit, neboli tzv.
prostorový multiplex. Podmínkou prostorového odlišení je však nekorelovanost jednotlivých
toků. Často používané kombinace jsou MIMO 2x2 (povinné pro prvky standardu IEEE
802.11n, kromě ručních terminálů) nebo 4x4 (volitelný pro standard IEEE 802.11n). Ne
nepodstatnou výhodou systému MIMO je také větší dosah sítě a spolehlivější pokrytí oblasti.
Kanál
Vysílač
Přijímač
Obr. 3.12: Princip technologie MIMO
Avšak i WLAN terminály typu telefon, které mají pouze jednu anténu a tedy i pouze
jeden signálový řetězec pro daný směr komunikace, budou využívat dalších výhod standardu
IEEE 802.11n, a to násobného vysílání shodného datového toku pomocí prostorově časového
blokového kódování (STBC – Space Time Block Coding) či diversity datových toků dle
cyklického posuvu symbolů trénovací posloupnosti (CSD – Cyclic Shift Diversity), a také
techniky soustřeďování vyzařované energie (beam-forming).
Obr. 3.13: Spektrum ortogonálního kmitočtového multiplexu OFDM a) pro pásmo 20 MHz, b) pro pásmo
40 MHz (světle šedé nosné jsou pro vysílání pilotního signálu)
77
Na Obr. 3.15 je zachycen průběh dosažitelné přenosové rychlosti na fyzické vrstvě
v závislosti na vzdálenosti mezi komunikujícími prvky a typu techniky MIMO při přenosu
kanálem o šířce 20 MHz. Pro kanál 40 MHz má závislost podobný průběh, samozřejmě
s přibližně dvojnásobnou přenosovou kapacitou, avšak se strmějším poklesem při vzrůstající
vzdálenosti mezi komunikujícími uzly.
Se zvyšujícím počtem počtu antén a tedy i řetězců zpracovávající jednotlivé datové
toky (pro vysílání i příjem) narůstá složitost systému a tedy i výsledná cena zařízení, a to
exponenciálně. Výkonnost zařízení však vzhledem k omezeným rozměrům zařízení, a tedy i
pozicím pro umístění antén, má tendenci saturovat.
Obr. 3.14: Příklad spektra WiFi buňky v pásmu 2,4 GHz a šířky 20 MHz zachyceného nástrojem
Chanalyzer
Důležité také je, že prvky dle standardu IEEE 802.11n jsou kompatibilní s
předchozími standardy 802.11a/b/g. Technika více vysílacích a přijímacích antén se příznivě
projeví i při komunikaci WLAN koncových uzlů starších standardů s přístupovým bodem dle
standardu IEEE 802.11n, a to jak ve zvýšení propustnosti (cca 30%), tak i ve zvýšení dosahu.
78
140
Fyzická přenosová rychlost [Mb/s]
120
100
80
60
40
20
0
0
6
12
18
24
30
36
42
48
54
60
vzdálenost [m]
Obr. 3.15: Závislost dosažitelné fyzické přenosové rychlosti na vzdálenosti a typu MIMO pro pásmo 20
MHz a 2 paralelní datové toky
Předchozí standardy používaly kanály o šířce 20 MHz v oblasti kmitočtů 2,4 či 5 GHz.
Standard 802.11n umožňuje sdružit dva sousední kanály a vytvořit tak kanál o šířce 40 MHz
(Channel Bonding). Protože v pásmu 2,4 GHz je málo prostoru, očekává se hlavní využití
v pásmu 5 GHz, kde se nachází 11 nepřekrývajících se 40 MHz kanálů.
Starší standardy měly dosti omezenou délku datových jednotek, a to jak pro MSDU
(datová jednotka přenášená mezi LLC a MAC podvrstvami), tak i MPDU (datová jednotka
přenášená mezi MAC podvrstvou a fyzickou podvrstvou PLCP) na 2,3 kB.
Standard IEEE 802.11n zavádí techniku sdružování datových jednotek na hranicích
MAC podvrstvy a zvětšuje velikosti výsledných datových jednotek, a to pro A-MSDU je to
buď necelé 4 kB nebo 8 kB a pro A-MPDU je to 64 kB, viz Obr. 3.16.
Obr. 3.16: Agregace datových jednotek A-MSDU do jedné A-MPDU
V předchozích standardech je odesílání dat spojeno se značnou režií, která výrazně
snižuje propustnost sítě. Sem patří především zpoždění spojené s přístupem k médiu a možná
rizika kolizí, která dále prodlužuje zpoždění úspěšného odeslání dat, a pak potvrzování
79
každého paketu. Tato režie poměrově narůstá se zvyšováním fyzických přenosových
rychlostí.
Standard 802.11n se snaží snížit tuto režii buď zkracováním mezirámcových mezer,
tzv. redukovaná mezirámcová mezera (RIFS) či sdružováním skupiny dílčích rámců do
jednoho přenosového rámce (Frame Aggregation) a blokovým potvrzováním.
Tato technika umožňuje vyslat celou skupinu rámců bez čekání na potvrzování
každého z nich, což je výhodné především pro služby typu přenosu větších objemů dat.
Blokový ACK rámec obsahuje bitmapové pole buď v nekomprimované podobě (128 B –
podporuje potvrzování i fragmentů MSDU, 2 B na každou jednotku MSDU) nebo
v komprimované podobě (pouhých 8 B – každým bitem se potvrzují pouze celé MSDU =>
max. 64 jednotek MSDU).
Obr. 3.17: Techniky pro vylepšení efektivity přenosu dat (zlepšení datové propustnosti)
BA – Block Acknowledgement,
BAR – Block Acknowledgement Request.
Služby reálného času budou však stále využívat tradiční způsob komunikace, neboť
jsou data generována průběžně a jejich ukládání pro hromadné odeslání by zvyšovalo
neúměrně zpoždění.
Samozřejmostí standardu IEEE 802.11n je podpora QoS typu WMM (WiFi
MultiMedia) či dle standardu IEEE 802.11e a zabezpečení komunikace typu WPA dle
standardu IEEE 802.11i.
U standardu IEEE 802.11n existuje varianta zkrácení ochranného intervalu mezi po
sobě jdoucími symbolovými intervaly OFDM, a to na polovinu, tedy z předchozích 800 ns na
80
400 ns označovaný jako SGI (Short Guard Interval), což vede ke zvýšení propustnosti o cca
11%.
Obr. 3.18: Modulační schémata: BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM
Standard IEEE 802.11n dále zavádí 16 modulačních a kódových schémat (MCS –
Modulation and Coding Schemes) MCS-0 až MCS-15, které se liší počtem datových toků,
modulací (viz Obr. 3.18) a kódovým poměrem, který se pohybuje mezi 1/2 až 5/6. Výsledná
přenosová rychlost na fyzické vrstvě pro daný typ kódování je dále závislá na tom, zda je
použito pásmo 20 či 40 MHz a zda je aplikován standardní nebo krátký ochranný interval, viz
Tab. 3.2.
Při použití systému MIMO 4x4 a4-násobného prostorového paralelismu datových toků
by bylo možné se stejnými typy modulačních a kódových poměrů dosáhnout až 600 Mb/s.
Přístupový bod (AP) standardu IEEE 802.11n může komunikovat ve třech módech:
1. Non-HT (Legacy) mode – AP se chová jako přístupový bod standardu IEEE
802.11a/g, výhody standardu IEEE 802.11n tedy nejsou využity (pozn. HT = High
Throughput),
2. HT Mixed mode – AP podporuje jak komunikaci se stanicemi standardu IEEE
802.11n, tak i stanicemi standardů IEEE 802.11a/g, tento mód bude nejčastěji
využíván,
3. HT Greenfield mode – v buňce se mohou nacházet pouze zařízení podporující
standard IEEE 802.11n, stanice starších standardů nemohou s AP komunikovat.
81
Tab. 3.2: Modulační a kódová schémata a dosažitelné fyzické přenosové rychlosti
Fyzická přenosová rychlost v Mb/s
MCS
index
Počet
toků
Modulace a
kódový poměr
kanál 20 MHz
kanál 40 MHz
standardní GI
krátký GI
standardní GI
krátký GI
0
1
BPSK 1/2
6,5
7,2
13,5
15,0
1
1
QPSK 1/2
13,0
14,4
27,0
30,0
2
1
QPSK 3/4
19,5
21,7
40,5
45,0
3
1
16-QAM 1/2
26,0
28,9
54,0
60,0
4
1
16-QAM 3/4
39,0
43,3
81,0
90,0
5
1
64-QAM 2/3
52,0
57,8
108,0
120,0
6
1
64-QAM 3/4
58,5
65,0
121,5
135,0
7
1
64-QAM 5/6
65,0
72,2
135,0
150,0
8
2
BPSK 1/2
13,0
14,4
27,0
30,0
9
2
QPSK 1/2
26,0
28,9
54,0
60,0
10
2
QPSK 3/4
39,0
43,3
81,0
90,0
11
2
16-QAM 1/2
52,0
57,8
108,0
120,0
12
2
16-QAM 3/4
78,0
86,7
162,0
180,0
13
2
64-QAM 2/3
104,0
115,6
216,0
240,0
14
2
64-QAM 3/4
117,0
130,0
243,0
270,0
15
2
64-QAM 5/6
130,0
144,4
270,0
300,0
GI – Guard Interval
Hlavními přínosy technologie IEEE 802.11n jsou:
1. vyšší přenosové rychlosti,
2. větší počet uživatelů na buňku, vyšší dosažitelná hodnota provozu,
3. větší spolehlivost přenosu dat,
4. větší propustnost,
5. zpětná kompatibilita s předchozími standardy – klienti starších standardů mohou
komunikovat s přístupovým bodem dle IEEE 802.11n, avšak dochází k redukci
propustnosti, je-li to možné, mělo by se vyloučit připojení klientů dle IEEE
802.11b,
6. snazší plánování pokrytí oblasti,
7. podpora opravdových multimediálních aplikací,
8. aj.
82
4 Zajištění kvalitativních požadavků služeb
Současné datové sítě založené na přepínání datových jednotek (paketů) se vyznačují
sdílením síťových prostředků, čímž se dosahuje vysokého stupně efektivity jejich využívání.
To na jedné straně umožňuje výrazně redukovat náklady na síťovou infrastrukturu, a tím i na
služby, ve srovnání s původním typem sítí (digitálních, jakými jsou sítě ISDN) založených na
přepojování fyzických okruhů, a to pro stejný nebo i větší objem provozu. Díky nižším
nákladům je pak možné snižovat výrazně ceny služeb. A to vyvolalo masivní přesun
stávajících telekomunikačních služeb ze sítí s přepojováním okruhů do paketových sítí, a díky
konvergenci telekomunikačních a informačních technologií i vznik mnoha služeb nových.
Levné služby, jejich bohatá nabídka a snadný přístup k nim vyvolaly enormní nárůst datových
objemů přenášených po datových sítích. Princip sdílení síťových prostředků je dobrá věc,
pokud jich je dostatek. Avšak jak objem provozu narůstá, síťových prostředků se pro danou
síťovou architekturu začne nedostávat a služby začnou strádat. Dochází ke zpomalení přenosu
dat, k nárůstu hodnot zpoždění průchodu paketů sítí i jeho proměnlivosti, případně ke ztrátám
datových jednotek a v souvislosti s tím také ke znásobení shodných datových jednotek, což
má dopad na průběh služeb, a tím i na spokojenost zákazníků se službami. Neděje se to však
stejným dílem pro všechny služby, některé takzvaně trpí více, jiné méně. Je to tím, že každý
typ služby je jiný a má jiné požadavky na hodnoty přenosových parametrů sítě a jejich
proměnlivost. Aby se nemusely kvalitativní parametry služeb zajišťovat tzv. hrubou silou, a
tedy neefektivně, je zapotřebí obohatit síťové prvky původně navržené pro co nejvyšší
přepojovací výkon bez rozlišování typu provozu – obsluha typu „best effort“ dle
jednofrontového mechanizmu FCFS (First Come - First Served) o mechanizmy umožňující
rozlišovat druhy provozu a přidělovat omezené síťové prostředky dle určité politiky.
Datové jednotky odeslané z jednoho koncového uzlu sítě do druhého koncového uzlu
jsou přenosem sítí ovlivňovány. Dochází k jejich zpožďování, ke ztrátám vlivem přenosových
chyb či vlivem přetížení síťových prvků, dále k doručování mimo pořadí, případně i ke
znásobování paketů. Z důvodu dynamičnosti sítě jsou tyto jevy náhodného charakteru,
především úroveň zpoždění je proměnlivá, a vzniká tzv. jitter, který nepříznivě ovlivňuje
služby vyžadující zpracování dat a tedy i příjem dat ze sítě ke zpracování v pevně
stanovených intervalech. V takovém případě pak jitter musí být odstraňován pomocí
vyrovnávacích pamětí, čímž dochází k navyšování celkového zpoždění dat, než jsou
prezentována v cílové aplikaci.
Hlavním úkolem technik pro zajištění požadavků služeb na QoS je, aby se zajistil
hladký chod služeb především s ohledem na kritické parametry určitých typů služeb. Těmito
parametry nejčastěji bývá propustnost, ztrátovost, zpoždění a proměnlivost zpoždění (tzv.
83
jitter). Různé typy služeb vykazují různý stupeň citlivosti na tyto parametry. Nejkritičtější
jsou v tomto ohledu služby v reálném čase, jako jsou konverzační služby typu telefonní
hovor, videokonverzace, řízení systémů na dálku, hry po síti apod. Je tedy nutné, aby se
pomocí prevenčních technik předešlo zahlcení spojů podél cest přenosu dat kritických služeb,
a dle potřeb se zajistilo potřebné množství síťových zdrojů. Proto musí síť vstupní toky
analyzovat, odstranit nežádoucí (nebezpečné či nepovolené) datové toky, případně i omezit
celkovou velikost vstupního datového toku dle nasmlouvaných podmínek (SLA = Service
Level Agreement) a akceptovaný datový tok označit tak, aby pak dle značky v záhlaví datové
jednotky mohly být přidělovány síťové zdroje, tj. přidělena priorita zacházení s daným
datovým tokem.
Nároky na kvalitu služeb přenosu informace v reálném čase prostředím IP sítí jsou:
akceptovatelné zpoždění,
rychlé vybudování spojení,
nízká proměnlivost zpoždění,
akceptovatelná ztrátovost datových jednotek,
zabezpečení přenosu citlivých informací,
rychlost detekce a řešení chybových stavů.
Problematiku řešení zajištění požadované QoS pro danou relaci lze rozdělit do dvou
základních skupin:
řešení technických problémů – implementace metod pro zajištění QoS na linkové a
síťové vrstvě celého spoje,
řešení administrativních problémů – autentifikace, autorizace a účtování (AAA –
Authentication, Authorization, Accounting).
4.1 Ochrana proti chybovosti:
V souvislosti s pojmem XoIP či konkrétně VoIP se chybovostí míní chybovost paketová, kdy
se při přenosu ztratí celý paket. Paket se může ztratit na cestě sítí nebo až v cílovém
koncovém zařízení. Příčinami toho může být:
jedna či více chyb detekovaných na linkové úrovni některého z uzlů sítě, což vede
k zahození datové jednotky,
zahlcení sítě – jsou-li vyrovnávací paměti spojovacích uzlů zaplněny, jsou přicházející
datové jednotky zahazovány. Aby se toto nestávalo, existuje několik způsobů řešení:
o ve spojovacích uzlech
♦
řízení toku dat na linkové úrovni – princip Xon/Xoff, či generování
kolizí (u Ethernetu),
♦
84
předcházení zaplnění vyrovnávacích pamětí zahazováním TCP paketů
(směrovač musí umět rozpoznat typ dat nesených v paketu), jejichž
ztráta je vyřešena v TCP znovuvysláním a současně to má za následek
zmenšení vysílacího okna vysílače
o v koncových zařízeních
♦
nastavení velikosti vysílacího okna ve vysílači,
♦
implementace prioritních mechanizmů,
chybné informace pro směrování v uzlech sítě.
Protože nesou datové jednotky informaci o relativně krátkém úseku řeči či videa, řeší se
problém ztráty paketu pomocí:
♦
Predikce průběhu signálu na základě průběhu signálu předchozího úseku.
Nejjednodušším typem predikce je prosté opakování předchozího úseku.
♦
Opakováním přenosu datové části předchozího paketu jako součást paketu
následujícího – zvyšuje nároky na přenosovou kapacitu a zvýší se tak i zpoždění.
Za ztracené jsou považovány i pakety, které dorazily do cíle příliš pozdě. Mezera
v datech je nahrazena některým z výše uvedených způsobů a paket je zahozen.
4.2 Řešení problematiky zpoždění
Problém neakceptovatelné hodnoty zpoždění průchodem sítí lze řešit například
zavedením priorit pro jednotlivé druhy dat a zajištěním přednostního zpracování datových
jednotek s vyšší prioritou. To je dále spojeno ještě s omezením maximální délky datové
jednotky (MTU – maximum transfer unit) především pro pomalé spoje, aby přenos jedné
jednotky jiné služby neobsadil na poměrně dlouhou dobu přenosový kanál. Další metodou je
rezervace požadovaných prostředků podél celé cesty spojení.
Během vývoje vznikly různé techniky zajištění QoS (označované jako architektury
QoS), z nichž nejpoužívanějšími jsou:
IS (“Integrated Services”) – integrované služby,
DS (“Differentiated Services“) – diferencované služby,
MPLS (“Multiprotocol Label Switching“) – označování rámců a přepínání na druhé
vrstvě síťového modelu,
SBM (“Subnet Bandwidth Management“) – implementace virtuálních sítí a prioritním
mechanizmů uvnitř sítě, tedy na úrovni přepínačů.
4.2.1
85
Integrované služby v IP sítích
Model Integrovaných Služeb (“Integrated Services” – “IntServ“ - IS) byl definován
stejnojmennou pracovní skupinou IETF (Internet Engineering Task Force). Integrované
služby zavádějí do IP sítí možnost definice kvalitativně rozdílných tříd přenosových služeb.
Model IS doplňuje stávající třídu služby BE (Best Effort) dalšími třídami, které již poskytují
kvalitativní garance. Model je do budoucna otevřený definování dalších tříd služeb. IS vytváří
prostředí, které je ze všech QoS technik IP sítí nejbližší klasické komutaci okruhů a znamená
nejvýraznější odklon od služby typu BE. Také je ze všech QoS technik nejnáročnější (pro
aplikace, pracovní stanice i síťové směrovače).
Směrovače (“routers”) a TE - pracovní stanice (“hosts“), které podporují IS, vykonávají
funkci řízení jednotlivých toků paketů – metodou “per flow”.
4.2.2
Diferencované služby v IP sítích
Architektura Diferencovaných Služeb - DS je definována pracovní skupinou
“Differentiated Services” - ”DiffServ”, IETF v základním dokumentu RFC 2475. Cílem DS
je umožnit poskytování služeb diferencovaných dle tříd v rámci sítí IP. Diferencované služby
zaručují předvídatelnou kvalitu přenosové služby (zpoždění, ztrátovost, kolísání zpoždění
paketů). Rozdíl oproti IS spočívá také v tom, že DS rozlišují IP pakety ne podle jednotlivých
toků, ale spíše podle druhu poskytovaných služeb. Přenášená data jsou zpracovávána po
skupinách toků.
Způsob zpracování přenášených paketů se označuje jako chování uzlu PHB ("Per Hop
Behaviour"). Pravidla PHB se aplikují na přenášená data na vstupním bodě sítě podle
předdefinovaných kritérií síťové politiky. Přenášené pakety jsou zde označeny dle druhu
přenášených dat a poté zpracovávány sítí podle přiřazeného označení. Na výstupním bodu sítě
jsou poté označení zbavena. Označování dat (prioritizace) se nemusí dít pouze na vstupních
bodech sítě, může se provádět již přímo v pracovních stanicích.
86
Závěr
Učební text si kladl za cíl pokrýt jednak dnes již opomíjenou oblast sítí ISDN, které, ač
si to nová generace lidí už moc nepřipouští, jsou stále dosti rozšířené, sloužit budou ještě řadu
let, a znalosti o této klasické digitální technologii jsou tedy stále zapotřebí, a jednak
v současnosti velice populární oblast lokálních bezdrátových sítí, konkrétně rodinu standardů
IEEE 802.11.
87
Seznam použité literatury
[1] SANTAMARIA,A., LOPEZ-HERNANDEZ, F.J. Wireless LAN; Standards and
Applications. Artech House, ISBN 0-89006-943-3, UK, 2001
[2] MIANO,G., MAFFUCCI,A. Trasnsmission Lines and Lumped Circuits. Academic
Press, ISBN 0-12-189710-9, USA, 2001
[3] PUIJE,P.D. Telecommunication Circuit Design. John Wiley & Sons, ISBN 0-47141542-1, SA, 2002
[4] COLLINS,D. Carrier Grade: Voice over IP. Mc Graw-Hill, ISBN 0-07-136326-2,
USA, 2001
[5] ITU ITU Recommendation Q.921. 2001
[6] ITU ITU Recommendation Q.931. ITU, 2001
[7] E. PERAHIA, R. STACEY Next generation Wireless LANs: Throughput, Robustness
and Reliability in 802.11n. Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-88584-3,
USA, 2008
[8] B.H. WALKE, S. MANGOLD, L. BERLEMANN IEEE 802 Wireless Systems:
Protocols, Multi-hop Mesh/Relaying, Performance and Spectrum Coexistence. J.
Wiley & Sons, ISBN 978-0-470-01439-4, UK, 2006
[9] NOVOTNÝ, V. Mobilní komunikační sítě a služby v all-IP prostředí pro
integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO. Skriptum FEKT VUT v Brně, 2014

Pevné a bezdrátové síťové technologie pro integrovanou výuku

Transkript

Podobné dokumenty

fronte VR 38 EUROPE - Viroplastic CZ, as

Skotntzralost

Rozklikněte si též článek o našem projektu v časopise Chatař

SERRA 3 RIPIANI MINI SERă CU 3 ETAjERE SKLENÍK SE TŘEMI

tuffiE