Pevné a bezdrátové síťové technologie pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO

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: Doc. Ing. Vít Novotný, Ph.D.

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

Doc. Ing. Vít Novotný, Ph.D. 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.


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).

Pevné a bezdrátové síťové technologie pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 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:

Pevné a bezdrátové síťové technologie pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 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

FEKT Vysokého učení technického v Brně -

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

FEKT Vysokého učení technického v Brně 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:

Pevné a bezdrátové síťové technologie pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO •

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

FEKT Vysokého učení technického v Brně ♦

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),

Pevné a bezdrátové síťové technologie pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO ♦

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),

FEKT Vysokého učení technického v Brně ♦

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.

Pevné a bezdrátové síťové technologie pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 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 VUT a VŠB-TUO

Recommend Documents