6 5G
Ещё далеко не во всех крупных городах развёрнуты сети четвёртого
поколения LTE, а телекоммуникационные компании уже вовсю строят планы в
отношении сервисов пятого поколения (5G). К примеру, японская NTT DoCoMo
полагает, что запуск таких сетей станет возможен в 2020 году: по сравнению с
LTE они обеспечат стократное увеличение скорости передачи данных и
тысячекратный рост пропускной способности.
Исследователи из Технического университета Чалмерса (Швеция) рассказали,
какие инфраструктурные изменения могут потребоваться при внедрении
5G-технологий.
Для начала немного статистики. В 2021 году количество сотовых абонентов –
владельцев смартфонов составляло 1,2 млрд. К 2021-му их число, по прогнозам,
вырастет до 4,5 млрд. Мобильный трафик в период между первыми кварталами
2021-го и 2021-го увеличился вдвое, а к концу 2021-го подскочит ещё в 12 раз.
Понятно, что рост числа мобильных устройств с веб-подключением приведёт к
резкому повышению нагрузки на каналы передачи данных и породит потребность в
увеличении скорости. Решением проблемы как раз и должны стать сети 5G.
Исследователи выделяют пять основных направлений в сценарии развития
систем связи следующего поколения. Это многократное увеличение скорости по
сравнению с 4G/LTE, возможность предоставления качественных услуг даже в самых
густонаселённых районах, поддержание стабильной связи с большим количеством
устройств с веб-подключением (речь идёт об «Интернете вещей»), высокое качество
сервисов для конечных пользователей и минимальные задержки.
В начале года Еврокомиссия выделила €50 млн на исследования, касающиеся
мобильной связи пятого поколения. Гранты предоставляются научным организациям и
учёным, занимающимся технологиями коммуникаций. К примеру, участники проекта
METIS (Mobile and wireless communications Enablers for the Twenty-twenty
Information Society), в котором задействован Технический университет Чалмерса,
получили €16 млн.
В METIS уже определены основные требования, которым должны удовлетворять
5G-сети:
. Рост скорости передачи данных в 10-100 раз в расчёте на абонента
– до 1-10 Гбит/с.
. Рост потребляемого трафика в 1 000 раз – до 500 Гб на
пользователя в месяц.
. Увеличение количества подключённых устройств в 10-100 раз.
. Десятикратное увеличение времени автономной работы устройств с
небольшим энергопотреблением, таких как сенсоры.
. Сокращение времени реакции систем до 5 мс и менее.
. Сохранение прежних стоимости эксплуатации и энергетических
затрат.
Одним из предлагаемых способов решения обозначенных проблем называется
установка небольших маломощных базовых станций в домах, на фонарях уличного
освещения и даже на автомобилях и общественном транспорте. Это позволит
сократить расстояние между передатчиком информации и конечным пользователем и,
следовательно, повысит эффективность работы основных базовых станций и увеличит
скорость передачи данных.
Кроме того, уплотнение инфраструктуры базовых станций уменьшит
интенсивность излучения и улучшит энергетическую эффективность всех без
исключения устройств за счёт снижения мощности сигнала.
По сути, говорят исследователи, сети пятого поколения создадут основу для
интеллектуального сообщества, в котором люди и устройства смогут обмениваться
данными в любом месте и в любое время.
4
Некоммутируемые сети
Некоммутируемая сеть организуется на базе прямых широкополосных каналов,
соединяющих ЭВМ по принципу каждый с каждым, если существует достаточно большой
и постоянный обмен информацией между ними. В том случае, когда потребность в
обмене большими объемами информации возникает периодически, при
долговременности такого процесса применяют кроссовое соединение каналов или
кроссовую коммутацию.
Кроссирование осуществляется автоматически или вручную в зависимости от
необходимости в перераспределении каналов, и выполняются по расписанию,
эпизодически или разово. С целью уменьшения каналообразующей аппаратуры на узле
организация транзита при кроссировании осуществляется крупными группами.
В узлы некоммутируемой сети могут включаться абонентские линии, которые
соединяются с каналами ( линиями) сети также при помощи кроссовых соединений.
Например, если абонентским пунктом является какой-либо датчик
автоматизированной системы управления, контролирующий важный параметр и
значения которого непрерывно поступают в пункт обработки информации этой АСУ,
то абонентская линия такого абонентского пункта может быть постоянно скроссирована
с одним, а может быть, и с несколькими каналами.
Кроссовые соединения
абонентской линии с каналом или абонентских линий между собой целесообразны
также в том случае, когда абонентская линия является широкополосной. Примером
такой абонентской линии может служить абонентская линия от ЭВМ или
вычислительного центра.
Для распределения каналов в реальных некоммутируемых сетях можно
использовать метод поочередного выбора и занятия, кратчайших по длине путей
между парами узлов сети. Указанный способ заключается в следующем: составляется
таблица путей, выбирается пара узлов k и l сети, между которыми существует отличное от нуля требование
на передачу потоков φkl>
0, выбирается кратчайший путь µi(kl) между указанной парой узлов и определяется емкость этого
пути. Затем выбирается следующая пара узлов, и процесс повторяется до тех пор,
пока существует хотя бы одно φkl>0 и, по крайней мере, один путь µi(kl) между выбранной парой узлов.
В настоящее время функционирование УУС на некоммутируемых сетях
достаточно хорошо изучено для различных принципов организации системы
управления.
При наличии на сети кроссовых соединений отдельных каналов и их групп
некоммутируемая сеть является, очевидно, неоднородной. Обычно структура
некоммутируемой сети повторяет структуру первичной сети, на основе которой она
образована. При этом среди узлов некоммутируемой сети могут быть выделены УНС,
в которых все каналы использованы для образования транзитных соединений.
Если в узле первичной сети отсутствует аппаратура кроссовых соединений,
то такой узел не будет относиться к узлам некоммутируемой сети, и в этом случае
структура некоммутируемой сети будет отличаться от структуры первичной сети, на
базе которой она образована.
Принципы
использования оборудования сети
Коммутация – процесс соединения абонентов коммуникационной сети через
транзитные узлы.
Коммуникационные сети должны обеспечивать связь своих абонентов между
собой. Абонентами могут выступать ЭВМ, сегменты локальных сетей, факс-аппараты
или телефонные собеседники. Как правило, в сетях общего доступа невозможно
предоставить каждой паре абонентов собственную физическую линию связи, которой
они могли бы монопольно «владеть» и использовать в любое время.
Каждый абонент соединен с коммутаторами индивидуальной линией связи,
закрепленной за этим абонентом. Линии связи, протянутые между коммутаторами,
разделяются несколькими абонентами, то есть используются совместно.
Коммутация по праву считается одной из самых популярных современных
технологий. Коммутаторы по всему фронту теснят мосты и маршрутизаторы, оставляя
за последними только организацию связи через глобальную сеть. Популярность
коммутаторов обусловлена, прежде всего, тем, что они позволяют за счет
сегментации повысить производительность сети.
В 1994 году компания IDC дала свое определение коммутатора локальных
сетей: коммутатор – это устройство, конструктивно выполненное в виде сетевого
концентратора и действующее как высокоскоростной многопортовый мост; встроенный
механизм коммутации позволяет осуществить сегментирование локальной сети, а
также выделить полосу пропускания конечным станциям в сети.
Впервые коммутаторы появились в конце 1980-х годов. Первые коммутаторы
использовались для перераспределения пропускной способности и, соответственно,
повышения производительности сети. Можно сказать, что коммутаторы первоначально
применялись исключительно для сегментации сети.
Широкое применение коммутаторов значительно повысило эффективность
использования сети за счет равномерного распределения полосы пропускания между
пользователями и приложениями. Несмотря на то что первоначальная стоимость была
довольно высока, тем не менее они были значительно дешевле и проще в настройке
и использовании, чем маршрутизаторы.
Широкое распространение коммутаторов на
уровне рабочих групп можно объяснить тем, что коммутаторы позволяют повысить
отдачу от уже существующей сети. При этом для повышения производительности всей
сети не нужно менять существующую кабельную систему и оборудование конечных
пользователей.
Общий термин коммутация применяется для четырех различных технологий:
· конфигурационная коммутация,
· коммутация кадров,
· коммутация ячеек,
· преобразование между кадрами и ячейками.
В основе конфигурационной коммутации лежит нахождение соответствия между
конкретным портом коммутатора и определенным сегментом сети. Это соответствие
может программно настраиваться при подключении или перемещении пользователей в
сети.
При коммутации кадров используются кадры сетей Ethernet, Token Ring и
т.д. Кадр при поступлении в сеть обрабатывается первым коммутатором на его
пути. Под термином обработка понимается вся совокупность действий, производимых
коммутатором для определения своего выходного порта, на который необходимо
направить данный кадр. После обработки он передается далее по сети следующему
коммутатору или непосредственно получателю.
В технологии АТМ также применяется коммутация, но в ней единицы
коммутации носят название ячеек. Преобразование между кадрами и ячейками
позволяет станциям в сети Ethernet, Token Ring и т.д. непосредственно
взаимодействовать с устройствами АТМ. Эта технология применяется при эмуляции
локальной сети.
Коммутаторы делятся на четыре категории:
. Простые автономные коммутаторы сетей рабочих групп позволяют
некоторым сетевым устройствам или сегментам обмениваться информацией с
максимальной для данной кабельной системы скоростью. Они могут выполнять роль
мостов для связи с другими сетевыми сегментами, но не транслируют протоколы и
не обеспечивают повышенную пропускную способность с отдельными выделенными устройствами,
такими как серверы.
. Коммутаторы рабочих групп второй категории обеспечивают
высокоскоростную связь одного или нескольких портов с сервером или базовой
станцией.
. Коммутаторы сети отдела предприятия, которые часто используются
для взаимодействия сетей рабочих групп. Они представляют более широкие
возможности администрирования и повышения производительности сети. Такие
устройства поддерживают древовидную архитектуру связей, которая используется
для передачи информации по резервным каналам и фильтрации пакетов. Физически
такие коммутаторы поддерживают резервные источники питания и позволяют
оперативно менять модули.
. Коммутаторы сети масштаба предприятия, выполняющие
диспетчеризацию трафика, определяя наиболее эффективный маршрут. Они могут поддерживать
большое количество логических соединений сети. Многие производители
корпоративных коммутаторов предлагают в составе своих изделий модули АТМ. Эти
коммутаторы осуществляют трансляцию протоколов Ethernet в протоколы АТМ.
Технология коммутации сегментов Ethernet была предложена фирмой Kalpana в
1990 году в ответ на растущие потребности в повышении пропускной способности
связей высокопроизводительных серверов с сегментами рабочих станций.
Структурная схема коммутатора EtherSwitch, предложенного фирмой Kalpana,
представлена ниже.
Каждый из 8 портов 10Base-T обслуживается одним процессором
пакетов Ethernet – ЕРР (Ethernet Packet Processor). Кроме того, коммутатор
имеет системный модуль, который координирует работу всех процессоров ЕРР.
Системный модуль ведет общую адресную таблицу коммутатора и обеспечивает
управление коммутатором по протоколу SNMP.
Для передачи кадров между портами
используется коммутационная матрица, подобная тем, которые работают в
телефонных коммутаторах или мультипроцессорных компьютерах, соединяя несколько
процессоров с несколькими модулями памяти. Коммутационная матрица работает по
принципу коммутации каналов.
При поступлении кадра в какой-либо порт процессор ЕРР буферизует
несколько первых байт кадра, чтобы прочитать адрес назначения. После получения
адреса назначения процессор сразу же принимает решение о передаче пакета, не
дожидаясь прихода остальных байт кадра.
Для этого он просматривает свой
собственный кэш адресной таблицы, а если не находит там нужного адреса,
обращается к системному модулю, который работает в многозадачном режиме,
параллельно обслуживая запросы всех процессоров ЕРР. Системный модуль
производит просмотр общей адресной таблицы и возвращает процессору найденную
строку, которую тот буферизует в своем кэше для последующего использования.
После нахождения адреса назначения процессор ЕРР знает, что нужно дальше делать
с поступающим кадром (во время просмотра адресной таблицы процессор продолжал
буферизацию поступающих в порт байтов кадра). Если кадр нужно отфильтровать,
процессор просто прекращает записывать в буфер байты кадра, очищает буфер и
ждет поступления нового кадра.
Если же кадр нужно передать на другой порт, то
процессор обращается к коммутационной матрице и пытается установить в ней путь,
связывающий его порт с портом, через который идет маршрут к адресу назначения.
Коммутационная матрица может это сделать только в том случае, когда порт адреса
назначения в этот момент свободен, то есть не соединен с другим портом.
Если же
порт занят, то, как и в любом устройстве с коммутацией каналов, матрица в
соединении отказывает. В этом случае кадр полностью буферизуется процессором
входного порта, после чего процессор ожидает освобождения выходного порта и
образования коммутационной матрицей нужного пути.
После того как нужный путь установлен, в него направляются буферизованные
байты кадра, которые принимаются процессором выходного порта. Как только
процессор выходного порта получает доступ к подключенному к нему сегменту
Ethernet по алгоритму CSMA/CD, байты кадра сразу же начинают передаваться в
сеть.
Городская телефонная сеть – это совокупность линейных и станционных
сооружений. Сеть, имеющая одну АТС, называется нерайонированной. Линейные
сооружения такой сети состоят только из абонентских линий. Типовое значение
емкости такой сети 8-10 тысяч абонентов.
При больших емкостях из-за резкого
увеличения длины АЛ целесообразно переходить на районированное построение сети.
В этом случае территория города делится на районы, в каждом из которых
сооружается одна районная АТС (РАТС), к которой подключаются абоненты этого
района.
Соединения абонентов одного района осуществляется через одну РАТС,
абонентов разных РATC – через две. РАТС связываются между собой соединительными
линиями в общем случае по принципу «каждая с каждой». Общее число пучков между
РАТС равно количество РАТС/2.
При возрастании емкости сети число пучков СЛ,
связывающих РATC между собой по принципу «каждая с каждой», начинает резко
расти, что приводит к чрезмерному возрастанию расхода кабеля и затрат на
организацию связи и Поэтому при емкостях сети свыше 80 тысяч абонентов
применяют дополнительный коммутационный узел.
4
Коммутация ячеек
Коммутация ячеек (КЯ, cell switching) – совмещает в себе свойства сетей с
коммутацией каналов и сетей с коммутацией пакетов, при коммутации ячеек пакеты
всегда имеют фиксированный и относительно небольшой размер (рис. 8).
Рисунок 8 – Структурная схема ячейки
Первые компьютерные сети строились для передачи цифровых (компьютерных)
данных с единственным требованием – обеспечить надёжную (без ошибок) доставку
данных, при этом время доставки не являлось критичным. Развитие компьютерных
технологий и появление необходимости передачи мультимедийных данных, таких как
речь и видео, выдвинуло, наряду с надёжной доставкой, новое требование к
передаче данных в компьютерных сетях: минимизация времени доставки сообщений.
Для реализации этой концепции в начале девяностых годов прошлого столетия была
разработана сетевая технология, получившая название Asynchronous Transfer Mode
(ATM) -режим асинхронной передачи, назначение которой – передача мультимедийных
данных в компьютерной сети с минимальной задержкой.
Как было показано выше при рассмотрении коммутации пакетов, чем короче
пакеты, тем меньше время доставки всего сообщения. Исходя из этого, в АТМ-сетях
в качестве единицы передачи данных был выбран блок размером в 53 байта (5 байт
– заголовок и 48 байт – данные), названный ячейкой (рис. 1.32).
Столь странный
размер ячейки появился в результате компромисса двух противодействующих групп,
из которых одна группа (по одной из версий: традиционные связисты – телефонисты)
настаивала на меньшем значении поля данных в 32 байта, а другая (компьютерщики)
– на значении в 64 байта.
Действительно, меньшее значение размера ячейки
обеспечило бы меньшие задержки при доставке данных, однако не следует забывать,
что при этом возрастают накладные расходы на передачу заголовков ячеек, что
снижает полезную (эффективную) пропускную способность среды передачи.
В
АТМ-сетях это снижение составляет около 10%. Если же размер поля данных будет
32 байта, то при том же заголовке в 5 байт снижение полезной пропускной
способности составит 13,5%. Принимая во внимание, что в мультимедийных сетях
обычно используются высокоскоростные каналы, потери пропускной способности
могут оказаться значительными, что отрицательно скажется на экономической эффективности
компьютерной сети.
Подводя итог сказанному, можно отметить следующие достоинства коммутации
ячеек:
маленькие задержки ячеек (не монополизируется канал связи);
быстрая обработка заголовка ячейки в узлах, поскольку местоположение
заголовка строго фиксировано;
более эффективная, по сравнению с коммутацией пакетов, организация
буферной памяти и надежной передачи данных.
Основным недостатком коммутации ячеек является:
наличие сравнительно больших накладных расходов на передачу заголовка
(почти 10%) и, как следствие, значительная потеря пропускной способности,
особенно в случае высокоскоростных каналов связи.
