Пакетная передача данных
Чаще пользователей интересуют сотовые сети. Второе поколение 2G существенно ускорило пакетную передачу данных. Ключом явилось использование технологии GPRS. Последующие стандарты, включая поколения 5G, считают исключительно надстройками. Сети предпочитают работать со структурированной информацией, добиваясь весомых преимуществ: повышение скорости, возможность коррекции ошибок, оптимизация логистики, постдоставка. Современный интернет – услуга сугубо пакетированная.
Пакет
Пакет – определённым образом сформированный объем данных, передаваемых сетью.
Почему использование упорядоченной структуры позволяет ускорить отправку? Информация будет передаваться небольшими порциями. Вместо частотной, временной коммутации каналов начинают применять пакетную. Аппаратура располагает большими возможностями автоматизации, оптимизации распределения ресурсов меж абонентами. Становится доступным назначить каждому устройству скорость, реализуя заявленные операторами тарифные планы.
Простейшее определение даёт журнал Наука и жизнь (№11, 2000):
- Сервер нарезает сформированную информацию порциями оговорённой длины. Снабжает посылки заголовком. Порция называется пакетом.
Направление в сети интернете выбирает IP-маршрутизатор. Мобильной связью заведуют базовые вышки. Сменяющиеся поколения пакетной передачи заставляют провайдеров модернизировать оборудование. Относиться легкомысленно нельзя – клиенты заклюют. Так Билайн, имевший подавляющее преимущество, отдал ветку первенства МТС. Мегафон идёт вдогонку. Сегодня выигрывает правильно избравший дорогу.
Структура
Преамбулу, формат определяет протокол. Последовательный порт RS-232 предусматривает наличие стартовых битов. Заголовок иногда содержит адрес абонента, обязательно присутствует полезная информация, опционально – контрольная. Длина пакета (MTU), измеряемая байтами, строго фиксирована. Меж посылками соблюдают интервал молчания. Антонимом называют непрерывную передачу информации последовательностью битов.
- Второй (канальный, связи данных) – кадр.
- Третий (данных) – пакет.
- Четвёртый (транспортный) – датаграмма.
TCP-сегмент, являющийся составной частью датаграммы IP-протокола, содержит несколько пакетов, разбитых кадрами. Представление данных определено стандартом. PPP использует 8-битные байты, специальные элементы выступают разделителями. Эксперты, объясняя новичкам понятие пакета, предлагают модель письма:
Заголовок IP-пакета содержит следующие набор сведений:
- Версия (IPv4, IPv6) – 4 бита.
- Длина заголовка – 4 бита.
- Приоритет (QoS) – 8 бит.
- Длина пакета – 16 бит.
- Слот идентификации группы – 16 бит.
- 3 бита фрагментации:
- Всегда нуль.
- Допустимость разбиения на части.
- Наличие иных частей текущего пакета, идущих следом.
Адрес
Сетевые пакеты снабжены двумя адресами:
Выявление/коррекция ошибок
Поддерживается различными слоями протокола. Распространённые методики контроля:
Иногда возможна модификация битых пакетов промежуточными звеньями передачи.
Счётчик прыжков
Встретив ошибку сети, пакет должен перестать бесцельно грузить сеть. Посланию назначают время жизни. Величина снижается каждой промежуточной точкой. Увидев нулевое время жизни, устройства уничтожают информацию. Сети Ethernet, лишённые возможности контролировать процесс аннулирования, подвергаются широковещательным штормам. Часть вызвана намеренной атакой хакеров.
Длина
Иногда размер указывают прямо, отдельные сети эксплуатируют принцип временного деления канала.
Приоритет
QoS стал притчей во языцех, отнимая 20% полосы пропускания сети, используемой для передачи приоритетных пакетов «срочно».
Полезная нагрузка
Непосредственно информационное сообщение, контрольная информация.
Примеры
Структурированные данные помогли увеличить производительность отдельных областей науки/техники.
Пакетный поток MPEG
Спецификация пакетированной передачи (PES) определена стандартом MPEG-2. Любопытный нюанс: использующие технологию программы ПК выполняют аналогичную работу, минуя сеть.
Заголовок
- Старт-код:
- Префикс длиной 3 байта – шестнадцатеричная единица.
- Идентификатор потока длиной 1 байт – аудио, видео…
- Длина пакета – 2 байта. Может быть нулевой, неопределённой для потоков видео.
- Опциональный заголовок PES переменной длины.
- Длина битов начинки.
- Передаваемые данные.
Опциональный заголовок
- Маркерные биты – 0х02.
- Контроль шифрования. 0 – отсутствие скремблирования.
- Приоритет – 1 бит.
- Индикатор выравнивания – 1 бит. 1 – после заголовка непосредственно идёт информация.
- Авторское право – 1 бит. 1 – защищённое произведение.
- Оригинальность копии – 1 бит. 1 – содержит оригинал.
- Индикатор PTS DTS – 2 бита. 11 – оба, 10 – PTS.
- Флаг ESCR – 1 бит.
- Флаг скорости ES – 1 бит.
- Флаг режима DSM – 1 бит.
- Флаг дополнительной копии информации – 1 бит.
- Флаг CRC – 1 бит.
- Флаг расширения – 1 бит.
- Длина заголовка PES – 8 бит. Протяжённость оставшегося сегмента, имеющего переменную длину.
- Опциональные поля.
- Биты начинки – 0хff.
GPRS
Технология призвана ускорить сети второго поколения сотовой связи. Пакетную передачу считают европейским ответом развитию концепции цифровой передачи CDPD (начало 90-х) и режиму i-mode. Основу GPRS составил разработанный ранее (1991-1993) стандарт CELLPAC. Пакетную передачу внедрили в 2000 году, окончив эпоху второго поколения сотовых сетей, создав пристройки:
Стандарт предполагает передачу IP-пакетов, реализуя туннельный протокол.
Функции
Туннельный протокол
Группа протоколов специально предназначена доставлять пакеты посредством беспроводной связи. Используется сетями GSM, UMTS, LTE. LTE существенно увеличивает скорость, благодаря модернизации ядра сети, использованию сигнальных процессоров, структура пакетов наследуется от GPRS и HSPA. Система запрос-ответ блокирует лишний расход ресурсов. Предваряя отправку сообщения, точка оценивает доступность получателя, создаёт туннель – канал передачи информации. Словами 3GPP, туннельный протокол означает – вариант IPv6-интерфейса. Структурно образован тремя составляющими:
- GTP-C (control). Функционирует сугубо внутри ядра сети. Управляет активацией, деактивацией, обновлением сессии, предоставляет QoS-приоритет. Создаёт, удаляет контекст PDP, определяет достижимость адресата.
- GTP-U (user). Заведует переносом пакетов IPv4, IPv6, PPP меж ядрами сетей и средствами беспроводной связи.
- GTP` (первичный). Управляет связью разрозненных частей сети.
Заголовок идентичен TCP/UDP. Пример версии 1:
- Номер версии – 3 бита. GTPv1 = 1.
- Тип протокола – 1 бит. GTP` = 0.
- Зарезервировано – 1 бит. Должен быть 0.
- Флаг расширения заголовка – 1 бит.
- Флаг номера последовательности – 1 бит.
- Флаг номера N-PDU – 1 бит.
- Тип сообщения – 8 бит.
- Длина сообщения 16 бит.
- Идентификатор конечной точки – 32 бита.
- Номер последовательности – 16 бит. Присутствует опционально. Содержание задаётся флагами.
- Номер N-PDU – 8 бит. Присутствие задаётся флагами.
- Тип заголовка следующего расширения – 8 бит.
Туннель позволяет менять абоненту местоположение, заведуя непрерывной передачей информации.
Узлы
Туннель наводится меж узлами – точками, поддерживающими GPRS. Каждая снабжена входным Gn-интерфейсом. Имеются 2 глобальные разновидности:
- Врата (шлюзовый узел). Главный компонент, разделяющий среду GPRS и внешнюю часть (интернет, Х.25…). Извне врата выглядят подсетью, укрывая подробности реализации протокола. Происходит двунаправленная конвертация пакетов PDP-IP. Здесь находится пул.
- Служба (обслуживающий узел). Составная часть базовых станций, мобильного оборудования. Поддерживает GPRS, UMTS. Занимается выслеживанием других служб-оппонентов, поддерживает функции контроля доступа. Подключается к базовым станциям GERAN посредством интерфейсов Gb, Iu; UTRAN – Iu. Переносит пакеты беспроводными путями.
Точка доступа
Имеет несколько определений:
- IP-сеть подключения.
- Набор настроек, описывающих соединение.
- Соответствующая опция телефонного аппарата.
После формирования телефоном PDP-пакета выбирается APN (имя точки доступа). Настройки вводят вручную, либо заказывают автоматические. Точка доступа заведует отправкой адресов ДНС-серверу, получением адреса IP ресурса. Затем начинается передача контента:
PDP-контекст
Контекст пакетированного протокола данных (IP, X.25, FrameRelay) – структура, передаваемая участникам связи. Содержит информацию о сессии абонента. Мобильный телефон, запрашивающий информацию, формирует структуру, направляя ближайшему звену цепи:
- IP-адрес абонента.
- IMSI.
- Туннельная точка врат.
- Туннельная точка службы.
Опорные точки и интерфейсы
Некоторые экземпляры рассматриваемых структур упоминались выше. Интерфейсы:
- Ga – помогает передать запись деталей вызова.
- Gb – интерфейс подключения службы к базовой станции.
- Iu – врата меж контроллером беспроводной сети и службами.
- Gc – интерфейс получения вратами детальной информации, описывающей базовую станцию.
- Gd – соединяет SMS врата со службами.
- Ge – интерфейс служба-точка контроля сервиса.
- Gf – интерфейс служба-реестр идентификаторов оборудования.
- Gi – интерфейс врата-публичная сеть (иногда интернет).
- Gmb – интерфейс врата-центр службы вещания.
- Gn – интерфейс общения служб.
- Gp – интерфейс служба-внешние врата.
- Gr – интерфейс служба-базовая сеть.
- Gs – интерфейс служба-реестр базовой сети.
- Gx – интерфейс онлайн политики врата-функция правил оплаты.
- Gy – интерфейс врата-система онлайн оплаты.
- Gz – интерфейс оффлайн оплаты врата-система GTP`.
- Lg – интерфейс служба-центра базирования мобильных врат.
- S6d – интерфейс служба-сервер домашних абонентов.
- S3 – интерфейс служба-объект управления мобильностью.
HSPA
GPRS расширял функционал GSM, HSPA выполняет аналогичную роль касательно UMTS. Различаются два подвида:
- Нисходящая ветвь (загрузка информации станцией) – 14 Мбит/с.
- Восходящая ветвь (приём информации станцией) – 5,76 Мбит/с.
Потоки разнесены ввиду разных техник, скоростей. Протоколы пакетной передачи удваивают скорости оригинального стандарта.
HSDPA
Усовершенствованный вариант протокола третьего поколения. Чаще называют 3G+, 3.5 G, Turbo G. Представлен пятым релизом 3GPP. Седьмой выпуск ввёл понятие HSPA+, предоставляющий преимущества благодаря:
- Модуляции 64QAM.
- Множественное кодирование MIMO.
- Двуячеячные операции HSDPA (два канала шириной 5 МГц).
Наконец, релиз 11 достиг планки 337,5 Мбит/с.
HSUPA
Добавляет новый транспортный канал. Последовали улучшения, дублирующие HSDPA:
- Мультикодированная передача.
- Сокращение время отклика (TTI).
- Новое управление избыточностью, ускоряющее коррекцию ошибок.
Пакетная передача дополнена принципом гарантированного запроса. Оболочка выбирает количество абонентов, устанавливает время связи. Разрешается передача данных без авторизации, используется VoIP. Скорость устанавливается по факту соединения. Контролируемый оболочкой звонок получается заданные характеристики.