Информатика. Лекции. Краткая история компьютерной техники Первые компьютеры: Z3, Colossus, eniac

Вид материала

Лекции

Содержание HSCSD и CDPD Особенности технологии GPRS Принципы построения системы GPRS Интересные факты Модель OSI на примере человеческой речи

Подобный материал:

• Лекция Развитие компьютерной техники, 430.69kb.
• 1. Что такое информатика?, 205.32kb.
• Положение о проведении Всероссийского игрового конкурса «Кит компьютеры, информатика,, 59.05kb.
• Учебной дисциплины «Компьютерная графика» для направления 010400 «Прикладная математика, 36.03kb.
• Урок подготавливается и проводится учителем информатики совместно с учителем предметником, 138.11kb.
• Врассказе «Краткая история парикмахерского дела», 191.64kb.
• Передача информации между компьютерами существует, наверное, с самого момента возникновения, 65.58kb.
• Характеристика предмета «Радиоприемные устройства», взаимосвязь с другими, 3189.29kb.
• Реферат по информатике История вычислительной техники, 158.06kb.
• Общие принципы построения вычислительных сетей, 1480.56kb.

WAP

Первой из технологий беспроводного доступа в интернет, широко внедренных в области мобильной связи, стала WAP (Wireless Application Protocol — протокол беспроводных приложений).

Создана WAP была в 1997 году совместными усилиями компании Motorola, Nokia, Ericsson и Phone.com. Она совместима с открытыми стандартами и поддерживает системы мобильной связи стандартов GSM, GPRS, WCDMA и другие.

WAP — это открытый протокол, с помощью которого осуществляется беспроводной доступ в Internet непосредственно с мобильного телефона со встроенным браузером. Необходимо понимать, что WAP — это протокол высокого уровня, а точнее несколько протоколов, один из которых — прикладного уровня, а остальные отвечают собственно за передачу данных.

WAP позволяет демонстрировать на экране мобильных телефонов только упрощенные Internet-страницы, написанные на специальном языке WML (Wireless Markup Language — беспроводной язык разметки страниц). В WAP применяется также язык скриптов — WMLScript, представляющий собой упрощенную версию JavaScript, и свой формат растровых изображений — Wireless Bitmap, или WBMP.

Стек протоколов WAP основан на классической семиуровневой модели OSI (Open System Interconnection) и включает в себя четыре основные составляющие и одну спецификацию самого высокого — WAE (Wireless Application Environment), которая описывает WML — язык разметки, используемый для создания информационных страниц.

Составляющие стека WAP:

0. Стандарт прикладного уровня WTA (Wireless Telephone Application) описывает способ создания и взаимодействия специальных операторских сервисов: автоматический биллинг, информационные бюллетени.
   
1. Протокол сеансового уровня WSP (Wireless Session Protocol) поддерживает неразрывным сеанс связи в течение длительных интервалов ожидания ответа, которые могут возникнуть при выборе SMS в качестве носителя или при применении удаленного шлюза.
   
2. Транспортный уровень, который обрабатывает отдельные пакеты соединения, реализуется протоколом WTP (Wireless Transaction Protocol).
   
3. Протокол физической передачи WDP (Wireless Datagram Protocol), имеющий в своей основе классические TCP/IP и UDP/IP. Над основным протоколом передачи WDP для обеспечения безопасности и шифрования данных в соединении введена надстройка — WTSL (Wireless Transport Security Layer).
   

Стек протоколов WAP во многом похож на стек протоколов Интернета. Уровень приложений WAE соответствует HTML и JavaScript. Протокол взаимодействия WSP соответствует HTTP, а WDP — TCP/IP и UDP/IP.

Сам протокол HTTP недостаточен для использования в беспроводных системах. Используя эквивалентные HTTP, но бинарные и сжатые форматы, WAP снижает размеры пересылаемых сообщений с сотен до всего лишь нескольких байт в рамках одного запроса. Однако для того, чтобы окончательно упростить задачу разработки сервисов, в WAP предлагается использовать шлюз между мобильным терминалом и сервером (провайдером информации). Шлюз занимается переводом запросов пользователя в HTTP-формат, а также компилирует элементы WML в бинарный код.

Основной проблемой WAP, помимо ограничения области применения только специально разработанными WAP-сайтами, была низкая скорость передачи данных. На момент создания она была ограничена возможностями GSM-сетей — 9600 Кбит/с, так как в версии WAP 1.0 в качестве носителя (так называют используемый физический коммуникационный протокол) предлагался исключительно SMS.

В дальнейшем появилась версия 1.1, в которую была добавлена поддержка новых носителей: СDPD для аналоговых сотовых сетей, USSD, классический CSD, GPRS для цифровых сетей, в результате чего скорость передачи данных существенно возросла.

HSCSD и CDPD

Решая проблему низкой скорости передачи данных в протоколе WAP, были использованы протоколы пакетной передачи данных. В отличие от WAP, это были протоколы «низкого» уровня, которые только решали задачу быстрой передачи данных через сеть. Фактически эти протоколы просто предоставляли для WAP более быстрый носитель. Поэтому нельзя сравнивать, например, WAP и CDPD, так как CDPD в некотором смысле «обслуживает» WAP и другие протоколы прикладного уровня.

CDPD (Cellular Digital Packet Data — сотовая цифровая пакетная передача данных) — первая жизнеспособная коммерчески доступная технология, которая позволила сетям AMPS/TDMA поддерживать пакетную передачу данных. CDPD обеспечивает низкий уровень ошибок, более высокую скорость (до 19.2 Кбит/с) и является более экономичной технологией, чем канальная передача данных. С CDPD невозможно сканирование передаваемых данных, а прерванная связь автоматически восстанавливается. К тому же в сетях CDPD оплата зависит от размера получаемых или отправляемых файлов, а не от количества времени, проведенного пользователем в сети, то есть тарификация услуги производится по объему трафика.

CDPD использует тот же частотный диапазон и ширину каналов, что и AMPS/TDMA, но намного более эффективно.

Основное применение технология нашла в различных бизнес-приложениях, где не требуется передача больших объемов данных. Во многом это вызвано тем, что в CDPD поддерживается шифрование передаваемых данных, что важно при организации защищенных каналов связи.

HSCSD (High Speed Circuit Switched Data — высокоскоростная передача данных по сетям с коммутацией каналов) — это многоканальная платформа для передачи данных в сетях GSM. Она преодолевает ограничения беспроводных сетей связи по скорости, позволяя абонентам GSM передавать данные со скоростями сравнимыми, и даже превышающими скорости передачи в проводных сетях.

При использовании технологии HSCSD максимальная скорость может составить 57.6 Кбит/с. HSCSD специально разработана для развития существующей инфраструктуры GSM путем модернизации программного обеспечения, поэтому внедрение этого решения производится быстро и экономично.

В системах, где применяется HSCSD, у нее более низкий приоритет, нежели у речевых каналов. Поэтому, если таймслот занят телефонными разговорами, HSCSD-канал может быть сужен вплоть до минимальной ширины. Из-за этого применение HSCSD возможно лишь в сетях с малым трафиком или в сетях, изначально ориентированных на передачу данных. Еще один недостаток этих каналов: при переходе из одной соты в другую может случиться, что в новой соте не найдется необходимого количества свободных таймслотов (или их придется выбирать из других временных промежутков).

Примером практической реализации HSCSD может служить поступивший в продажу в конце 1999 года мини-компьютер Card Phone 2.0, встроенный в GSM-телефон. Он может занимать до четырех таймслотов одновременно (скорость до 43.2 Кбит/с без компрессии данных). В России услуги HSCSD предоставляет Мегафон.

GPRS

Еще более прогрессивный метод цифровой передачи данных предложила технология GPRS, применение которой в идеальном случае позволяет повысить скорость передачи данных еще почти в 3 раза (по сравнению с HSCSD).

Протокол GPRS (General Packet Radio Service — сервис пакетной передачи данных по радиоканалу) был разработан специально для высокоскоростной передачи данных через действующие GSM-сети (теоретическое значение максимально скорости передачи данных составляет 171.2 Кбит/с), а основные ограничения скорости связаны в нем только с возможностями абонентских терминалов.

Этот протокол также является протоколом «нижнего» уровня, «занимая» транспортный, сетевой и канальный уровни и описывая лишь передачу данных через среду сети. Поэтому говорить, что с появлением GPRS WAP устареет — в корне неверно. GPRS предоставил для WAP еще один более быстрый носитель, поэтому с его появлением технология WAP лишь получит еще один толчок в развитии, повысив для пользователей скорость работы в сети и доступа к WAP-ресурсам.

Скорость приема и передачи информации, которую может обеспечить мобильный GPRS-терминал, зависит от количества каналов, которые терминал поддерживает на прием и передачу. Один канал поддерживает передачу информации с максимальной скоростью 13.4 Кбит/с. Таким образом, количество каналов, которые будет поддерживать конкретная модель терминала, определяет максимально возможную скорость передачи и приема информации.

По существующей спецификации все мобильные GPRS-терминалы делятся на три класса. Терминалы класса A (GPRS и голосовой трафик) позволяют одновременно работать в Интернете и говорить по телефону, трубки класса B предоставляют те же возможности, но при разговоре передача данных временно приостанавливается, а устройства класса C обеспечивают только доступ к сети Internet, например, с помощью карточек-модемов для ноутбуков.

Преимуществ у GPRS сразу несколько. Во-первых, она полностью использует канальный ресурс радиоинтерфейса GSM и предоставляет пользователям возможность постоянно находиться на связи с интернетом, оплачивая при этом только объем фактически полученных данных. Во-вторых, в зависимости от числа выделенных пользователю таймслотов скорость доступа варьируется от 9.6 до 171.2 Кбит/с. Кроме того, при использовании технологии GPRS предусмотрена возможность ответа на телефонный вызов во время приема или передачи данных.

Особенности технологии GPRS

Главное отличие и преимущество технологии GPRS заключается в том, что ни один канал не занимается при передаче данных целиком, что достигается за счет пакетной структуры передаваемых данных.

При использовании системы GPRS информация собирается в пакеты и передается в эфир, где она заполняет «пустоты» (не используемый в данный момент канал трафика), которые всегда есть при передаче голосовой информации. Если при обычной передаче данных сначала устанавливается соединение и только после этого начинается передача данных, то при пакетной передаче этап установления соединения практически отсутствует.

Абонент получает и отправляет данные с переменной скоростью, которая определяется условиями распространения сигнала и наличием свободных каналов в пределах заданной соты. При этом динамическое выделение каналов производится исходя из приоритета голосовых каналов. Таким образом, реальная скорость приема и передачи будет во многом зависеть от загруженности голосовых каналов в пределах каждой конкретной соты.

Служба GPRS в своей работе использует протокол IP и транспортирует пакеты между мобильными устройствами и сетями пакетной передачи. Мобильным устройствам присваиваются IP-адреса, так что пакеты IP, отправленные мобильными устройствами, могут быть переданы и во внешние сети, например Internet. Пакеты IP из внешних сетей смогут достигать мобильных устройств, даже если те находятся в движении. Для GPRS не имеет значения, какие протоколы работают над IP; таким образом, использовать можно любые стандартные протоколы Internet, в том числе TCP, UDP, HTTP, SSL и IPSec.

GPRS также позволяет защитить данные несколькими способами. Во-первых, как и в телефонах стандарта GSM, пользователь должен иметь SIM-карту, которая вставляется в устройство GPRS. Кроме того, сеть может запросить у пользователя пароль по протоколу CHAP (Challenge Handshake Authen-tication Protocol) или PAP (Password Authentcation Protocol). Из соображений конфиденциальности в GPRS эфирный канал шифруется, а на отрезке между GGSN (Gateway GPRS Support Node — шлюзовой узел GPRS) и внешней сетью оператор может по своему усмотрению использовать протокол IPSec. Более того, поскольку связь осуществляется на основе IP, пользователи с помощью технологии VPN имеют возможность применять средства обеспечения безопасности между конечными точками.

Хотя первоначально GPRS планировалась как служба передачи данных, работающая параллельно со службами голосовой связи, группы разработки стандартов начинают думать над тем, каким образом можно было бы задействовать GPRS для поддержки голосовых служб, используя протоколы VoIP. В частности, не так давно (в 2004 году) появились телефоны, поддерживающие различные специальные функции (например, функция Talk Now или Push to talk в телефоне LG F7250T, позволяющая оперировать переговорами в рамках группы людей с помощью минимального применения управляющих элементов — обычно одна кнопка), реализованные с применением протокола VoIP.

Принципы построения системы GPRS

На структурном уровне систему GPRS можно разделить на два части — подсистему базовых станций и ядро сети GPRS (GPRS Core Network). В подсистему базовых станций входят все контроллеры и базовые станции системы GSM, которые поддерживают пакетную передачу данных на программном и аппаратном уровне. Ядро сети GPRS включает в себя совершенно новые сетевые элементы, предназначенные для обработки пакетов данных и обеспечения связи с сетью Интернет.

Основным сетевым элементом является пакетный коммутатор — SGSN (Serving GPRS Support Node). Данный сетевой элемент берет на себя все функции обработки пакетной информации и преобразования кадров GSM в форматы, используемые протоколами TCP/IP глобальной компьютерной сети Internet. Пакетный коммутатор призван разгрузить GSM коммутатор, обеспечивая обработку пакетной информации, оставляя обычному коммутатору лишь голосовой трафик.

Вторым важным сетевым элементом является GPRS-шлюз — GGSN (Gataway GPRS Support Node). Он обеспечивает связь системы GPRS с пакетными сетями передачи данных: Internet, Intranet, X.25 и другие. GGSN содержит всю необходимую информацию о сетях, куда абоненты GPRS могут получать доступ, а также параметры соединения.

Кроме упомянутых элементов в GPRS Core входят и другие элементы — DNS (сервер доменных имен), Charging Gateway (шлюз для связи с системой тарификации), border Gateway (пограничный шлюз) и другие вспомогательные элементы.

Не стоит забывать и про широкие возможности масштабирования системы GPRS. При быстром увеличении количества абонентов, пользующихся услугой пакетной передачи данных, возможно увеличение емкости системы GPRS за счет расширения или установки дополнительных пакетных коммутаторов (SGSN). При увеличении суммарного объема данных, передаваемых абонентами (при несущественном увеличении числа абонентов), возможна установка дополнительных GPRS-шлюзов, которые обеспечат большую суммарную пропускную способность всей системы, а также расширение системы базовых станций.

EDGE

Новое слово в технологиях мобильной связи собирается сказать EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution).

Изначально EDGE подразумевалась как расширение технологии GPRS, а заговорили впервые о ней еще в 1997 году в ESTI (Европейский Институт Стандартизации Электросвязи). Тогда же была представлена первая расшифровка аббревиатуры как Enhanced Data Rates for GSM Evolution (усовершенствованная технология передачи данных для развития GSM).

В EDGE применяется восьмипозиционная фазовая манипуляция (8-PSK), которая обеспечивает примерно двукратный прирост в максимальной скорости по сравнению с GPRS — она составляет 384 Кбит/с. Разумеется, реальная скорость намного ниже.

Реально достижимая средняя скорость передачи данных составляет 100–120 Кбит/с, с пиковыми значениями до 230 Кбит/с. Во многом скорость передачи данных в сети с поддержкой технологии EDGE зависит от типа мобильного телефона.

Для передачи информации EDGE, так же как и GPRS, использует таймслоты (временные отрезки кадра). Существует идентичная GPRS политика распределения таймслотов между каналами на прием и передачу. Еще одно преимущество состоит в том, что максимальная скорость потока в одном таймслоте составляет 48 Кбит/с. Естественно, что такая скорость достигается только при идеальном приеме, в реальности все обстоит заметно хуже. В зависимости от качества связи предусмотрено 9 алгоритмов кодирования от MCS-1 до MCS-9 (последний обладает самой малой избыточностью кодирования, соответственно — самый быстрый).

В последствии, с появлением спецификации сетей третьего поколения, название EDGE было перефразировано и сейчас оно расшифровывается как Enhanced Data rates for Global Evolution (усовершенствованная технология передачи данных для глобального развития). EDGE можно назвать полноценным переходным звеном на пути к 3G.

Повсеместное распространение технологии EDGE при всех ее преимуществах тормозит очевидная проблема внедрения всех новых революционных технологий — необходимость не только приобрести пользователями новые телефоны, но и обновить операторам базовые станции. К слову стоит сказать, что обновление самих станций не потребует капитальных вложений, поскольку для EDGE используется та же структура кадра TDMA (метод множественного доступа с временным разделением каналов), тот же частотный диапазон для логического канала и несущая частота в 200 кГц, что и в современных сетях GSM. Так что операторам не нужно будет изменять топологию сети или получать новые лицензии. Главная нагрузка ляжет на нас с Вами — рядовых пользователей услуг, которым придется в который раз приобрести новые мобильные телефоны.

Интересные факты

Общая классификация технологий беспроводной передачи данных

Классификация систем беспроводного абонентского доступа (WLL — Wireless Local Loop или RLL — Radio Local Loop) может быть проведена по целому ряду параметров — структуре, используемому диапазону частот, содержанию трафика и так далее.

Общепринятой классификации систем WLL на сегодняшний день не существует, однако возможна некоторая систематизация по основным характеристикам:

Признак	Параметры, типы, характеристики
Способ передачи	аналоговые, цифровые
Пользовательский тип	фиксированный доступ, мобильный доступ
Способ реализации	гибридный (частично проводной), беспроводной
Структура	сотовые, на базе РРЛ (Point to Point), системы Point to Multi-Point
Метод множественного доступа	множественный доступ с частотным (FDMA), временным (TDMA) и кодовым (CDMA) разделением

Существует великое множество сотовых и Point to Multi-Point WLL-систем, поэтому их также дополнительно классифицируют по характеру их трафика. Можно выделить три основных класса таких систем:

0. системы абонентского доступа к сетям передачи данных;
   
1. системы для подключения абонентов к телефонной сети общего пользования;
   
2. системы интегрального типа.
   

В свою очередь, системы абонентского доступа к сетям передачи данных можно разделить на следующие подклассы:

а) системы, ориентированные на обслуживание абонентов с небольшой индивидуальной интенсивностью коротких транзакций (системы мониторинга различного назначения, платежные системы безналичного расчета и так далее);
б) системы, ориентированные на обеспечение доступа к сетевым информационным ресурсам (Интернет, услуги ISDN, удаленный доступ к локальным компьютерным сетям и так далее).

3G

Различные существующие ограничения и проблемы мобильных коммуникационных сетей текущего поколения собираются решить сети третьего поколения — 3G. Их основным отличием станет передача большого объема информации на высоких скоростях.

Одним из главнейших требований к сетям третьего поколения станет передача данных от абонента и обратно со скоростью до 2.048 Мбит/с при низкой мобильности (скорость — менее 3 км/ч) и локальной зоне покрытия и до 144 Кбит/с при высокой мобильности (до 120 км/ч) и широкой зоне покрытия.

Сегодня в мире существуют две основные конкурирующие концепции 3G — UMTS (Universal Mobile Telecommunications Systems — универсальная мобильная телекоммуникационная система), поддерживаемая европейскими странами, и CDMA 2000 (Code Division Multiple Access — мультидоступ с кодовым разделением каналов), сторонниками которой традиционно являются азиатские страны и США.

В принципе эти две технологии предполагают два различных подхода к организации сетей 3G: революционный (UMTS) и эволюционный (разновидности CDMA — CDMA2000, CDMA2000 IX, CDMA2000 IX EvDo). Эволюционный путь подразумевает сохранение частот и постепенный переход к новым технологиям, путем наращивания технических мощностей оператора. UMTS — совершенно новый стандарт, в то время как разновидности CDMA, предложенные для 3G, являются развитием уже эксплуатирующейся в мире технологии второго поколения cdmaOne (IS-95).

В настоящее время сети 3G уже работают в Азии, США, в то время как в Европе существует пока только в тестовых вариантах. Наиболее впечатляющих успехов в области 3G на мировом фоне добилась Япония. В Стране восходящего солнца сегодня работают три оператора, которые предоставляют услуги третьего поколения, — NTT DoCoMo, KDDI и J-Phone Communications.

Модель OSI на примере человеческой речи

Для более наглядной демонстрации модели OSI можно рассмотреть ее на примере человеческого общения.

Три верхних прикладных уровня модели OSI помещаются в нашей голове, а если быть точнее — в нашем мозгу. Именно он обрабатывает получаемые сведения (прикладной уровень), заботится о том, чтобы передаваемые сведения были понятны для прикладного уровня другой системы (например, переводит фразы с русского языка на английский и обратно — это представительный уровень), а также регулирует протекающий диалог, синхронизируя передачу данных (речь) обоих участников сеанса связи (сеансовый уровень).

Во всем этом мозгу помогают различные органы чувств, снабжающие его необходимой информацией, например понятна ли наша речь собеседнику.

Проблемы транспортировки сведений от одной системы к другой в случае общения двух людей решают речевой и слуховой аппараты человека. Первый служит для передачи информации, а второй — для ее приема. Вместе они составляют совокупность низших транспортных уровней.

Речевой аппарат преобразует сигналы мозга в движения множества мускулов, которые должны работать одновременно и в определенном порядке.

Воздух из легких, проходя через голосовые связки, формирует основные элементы голоса, а затем губы, зубы и язык формируют остальную часть произносимых слов.

Воздушные колебания, созданные речевым аппаратом, принимаются слуховым аппаратом второго участника коммуникации. Там колебания воздуха преобразуются в колебания барабанной перепонки, а затем уже в сигналы, «понятные» мозгу.

Очевидно, что средой передачи при речевом общении является окружающий нас воздух, и он же — физический уровень модели.