Протоколы обмена данными сетей радиосвязи

Обновлено: 30.06.2024

Изобретение относится, в основном, к способам и системам радиосвязи и, в частности, к протоколам, используемым при радиосвязи для посылки и приема пакетных данных. Технический результат - создание протокола для обмена данными в сети радиосвязи. Сущность изобретения заключается в том, что предусмотрены блоки данных протокола для установления и отключения связи, управления передачей и приемом данных, определения состояния и ошибки. 2 с. и 9 з.п.ф-лы, 7 ил., 5 табл.

Настоящее изобретение относится, в основном, к способам и системам радиосвязи и, в частности, к протоколам, используемым при радиосвязи, для посылки и приема пакетных данных.

Сети связи с коммутацией пакетов возникли в связи с необходимостью сохранения ресурсов передачи данных. Поскольку данные посылаются в дискретных пакетах, а не путем непрерывной передачи, можно эффективно использовать паузы в передаче данных одного соединения для передачи пакетов из других соединений с целью заполнения этих пауз. Поскольку непосредственного соединения между терминалами в сети с коммутацией пакетов нет, линию связи называют виртуальным соединением. Соединение в сети с коммутацией пакетов с использованием виртуального канала не идентифицируется принадлежностью к прямому физическому каналу, а определяется множеством идентификаторов. Эти идентификаторы и другая информация, необходимая для обеспечения равномерной передачи данных в сетях с коммутацией пакетов, обеспечиваются протоколами, которые определяют правила обмена данными в сети с коммутацией пакетов. Эти правила также необходимы для того, чтобы системные программисты и разработчики имели общую основу при проектировании совместимых систем.

Известно множество протоколов передачи данных в сети. Некоторые протоколы, такие как протоколы асинхронной передачи (АТ-протоколы), обычно используемые в компьютерных модемах, изначально были разработаны для сетей проводной связи, а позднее распространены на применение в сетях радиосвязи. Однако, сети проводной связи являются относительно высокоскоростными системами, по сравнению с сетями радиосвязи, поскольку передача пакета в беспроводной среде занимает значительно больше времени. Таким образом, протоколы проводной связи не предназначены для учета структурных особенностей систем радиосвязи, например задержек распространения, помех при передаче и т.д.

В адаптерных платах сетей связи предусмотрены другие протоколы, которые позволяют компьютерам осуществлять связь, например, в сетях расширенной области или локальных сетях. Примеры этого типа протокола включают протоколы сети Ethernet, протоколы управления передачей данных/межсетевого обмена TCP/IP протоколы сети Netware, и т.д. Во многом подобные протоколу AT, эти протоколы были разработаны для высоких скоростей передачи данных, например - 10 Мбит/с.

Более современной разработкой в области протоколов связи является режим асинхронной передачи (АТМ), который можно использовать для передачи данных с различными требованиями в широкополосной цифровой сети связи с интеграцией служб и комплексными услугами (ISDN). Однако, подобно другим протоколам, режим АТМ определен только для высокоскоростных соединений.

Сеть, известная под названием Mobitex (сеть передачи данных общего пользования для подвижных объектов, разработанная фирмой ERITEL, Швеция, имеет свой собственный протокол асинхронной связи MASC, который определен для последовательного интерфейса между компьютером и модемом. Кроме того, разработка MASC проведена достаточно давно, без учета возможностей радиосвязи и имеет ряд ограничений в данном аспекте. Например, в соответствии с MASC, байт восьмиразрядных данных кодируется в виде двух байтов данных, так что каждый байт можно посылать в виде нескольких битов данных с однобитовой четностью.

В последствии протокол MASC был усовершенствован путем введения новых команд. К сожалению, эти нововведения в протокол MASC были не всегда последовательны, и, следовательно отсутствует общий алгоритм или набор команд. Напротив, каждая команда является единственной в своем роде, что создает массу проблем для пользователей системы Mobitex. Примером непоследовательности протокола MASC являются разграничители. В протоколе MASC в качестве разграничителей используется символ "," и символ "/". Даже использование разграничителей непоследовательно, поскольку иногда в протоколе MASC разграничители используются даже в случае, когда передаваемые параметры имеют фиксированную длину.

Эти и другие недостатки известных протоколов связи преодолеваются в соответствии с настоящим изобретением, направленным на создание нового протокола, который например, может быть введен в существующие системы. Протоколы, соответствующие настоящему изобретению, специально предназначены для учета, в том числе особых характеристик радиосвязи. Эти протоколы не зависят ни от какой конкретной среды и могут быть использованы с такими интерфейсами, как интерфейс управляемого обращения к машинному интеллекту персонального компьютера (PCMCIA), последовательный интерфейс или интерфейс информационных ресурсов (IP).

Вышеизложенные и другие задачи, отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения поясняются в нижеследующем подробном описании, иллюстрируемом чертежами, на которых представлено следующее: фиг. 1 - обычный протокол соединения с использованием М-кадра согласно MASC, между главной ЭВМ и радиомодемом; фиг. 2 - обычный протокол FO-кадра, соответствующий MASC для соединения между главной ЭВМ и радиомодемом; фиг. 3 - последовательность протокола соединения между главной ЭВМ и радиомодемом в соответствии с возможным вариантом осуществления настоящего изобретения; фиг. 4 - последовательность протокола управления передачей данных между главной ЭВМ и радиомодемом в соответствии с возможным вариантом осуществления настоящего изобретения; фиг. 5 - протокол для блоков данных, передаваемых между главной ЭВМ и радиомодемом, в соответствии с возможным вариантом осуществления настоящего изобретения; фиг. 6 - протокол состояния, соответствующий возможным вариантам осуществления настоящего изобретения; фиг. 7 - протокол ошибок, соответствующий возможным вариантам осуществления настоящего изобретения.

Для пояснения протоколов систем, использующих такие протоколы, и способов обмена данными, соответствующих настоящему изобретению, вначале будет представлено описание протоколов, соответствующих обычной системе MASC. Для установки параметров связи по протоколу MASC между главной персональной ЭВМ (ПЭВМ) используется начальный кадр (INIT). Возможная структура кадра INIT, согласно протоколу MASC, дана в табл.1.

Поле текста разделено на пять отдельных частей. Поле B - это просто буква B в шестнадцатиричной системе счисления, т.е. 42. За ними следует символ пробела (SP), шестнадцатиричное число 20. Следующее поле LEN - это трехзначное шестнадцатиричное число в коде (ASCII), которое устанавливает максимальную длину информационного кадра. Это поле обычно устанавливают на максимальный возможный размер кадра, например, шестнадцатиричное число 47Е. Четвертое поле содержит знак запятой, который отделяет поле LEN от поля INT. Поле INT определяет минимальное время между двумя последовательными кадрами. Это значение может, например, быть задано приращениями по 10 мс и иметь по умолчанию значение 0.

Параметры связи по умолчанию используются до тех пор, пока не будет принят кадр INIT. Кадр INIT должен быть первым кадром, посылаемым после запуска, и после приема кадра INIT протокол должен зарегистрировать установление соединения с радиомодемом и уведомить, что может следовать начальная последовательность.

Для посылки и приема данных с помощью радиомодема в соответствии с системой MASC используют протокол с передачей М-кадра. Радиомодем, который принимает М-кадр от ПЭВМ, посылает пакет данных (МРАК) по радиоканалу в сеть. Если М-кадр содержит номер последовательности, то вместе с номером последовательности в ПЭВМ посылается индикатор. Пакеты данных, принимаемые по радиоканалу, посылаются через интерфейс MASC (эфирный интерфейс) в ПЭВМ с использованием протокола передачи М-кадра. Те пакеты данных, которые приходят от ПЭВМ, должны иметь правильную информацию в заголовке, например, сведения об отправителе, состояние трафика, класс, тип пакета, размер и т.д., а также точную длину. Структура М-кадра дана в табл.2.

Возможная последовательность передачи между главной ЭВМ и радиомодемом для протокола М-кадра изображена на фиг. 1. Здесь главная ЭВМ 10 передает MPAK, обозначенный буквой 'М', в модем 14. После посылки MPAK в сеть модем 14 возвращает сигнал FH в главную ЭВМ 10.

В дополнение к передаче данных и командам приема, в протоколах MASC также предусмотрены различные команды управления, в число которых входят следующие: ACK - квитирование неточно принятого информационного кадра; NACK - отрицательное квитирование неточно принятого информационного кадра;
RACK - запрос на повторную передачу предыдущего квитирования;
SENS - управление на уровне канала;
SACK - квитирование управления на уровне канала.

Структура команд управления изображена в табл.3.

Для выключения радиомодем используют кадр FO. После приема радиомодем начинает очищать содержимое буферов с записанными пакетами данных и пытается послать пакеты О-данных в сеть. Затем радиомодем посылает "не активный" пакет в сеть и подтверждает, что буфер освобожден, посылкой кадра FO обратно в ПЭВМ. Структура поля текста в кадре FO дана в табл.4.

Возможный порядок передачи сигналов показан на фиг. 2 для протокола MASC кадра FO.

После описания обычного протокола для передачи данных в сетях с коммутацией пакетов будет представлен протокол, соответствующий настоящему изобретению. Основные блоки данных протокола (PDU) и их параметры указаны в табл.5.

Ниже будет описано использование вышеупомянутых блоков данных в возможных системах и способах, соответствующих настоящему изобретению. На фиг. 3 в виде блок-схемы изображены блоки данных, используемые при установлении и завершении соединения между главной ЭВМ 10 и радиомодемом 14.

Чтобы установить связь, главная ЭВМ 10 посылает блок данных "Открыть" 12 в радиомодем 14. Радиомодем 14 отвечает посылкой блока данных "Открыто" 16, включающего параметры радиомодема, такие как, например, номер абонента. Путем этого обмена блоками данных устанавливается соединение и радиомодем 14 инициирует выполнение функции радиосвязи.

Когда нужно прекратить сеанс связи, главная ЭВМ 10 инициирует завершение соединения посылкой блока данных "Закрыть" 18. Радиомодем 14 отвечает посылкой блока данных, чтобы подтвердить отключение. Затем радиомодем 14 прекращает выполнение функции радиосвязи.

В соответствии с фиг. 6, радиомодем 14 указывает изменения состояния с помощью блока данных "Состояние" 40. В число возможных изменений состояния входит потеря контакта с сетью или установление контакта с сетью. Если главная ЭВМ 10 посылает неизвестный или запрещенный блок данных, радиомодем 14 отвечает посылкой блока данных "Ошибка", как показано на фиг. 7.

За счет использования протоколов, соответствующих настоящему изобретению, реализуются многие преимущества по сравнению с известными системами, в частности - в условиях радиосвязи. По сравнению, например, с известной системой MASC, протоколы, соответствующие настоящему изобретению, имеют минимальные непроизводительные издержки, которые, соответственно, более важны в условиях (например - радиосвязи), при которых пропускная способность канала данных относительно мала. Кроме того, протоколы на основе блоков данных, разработанных в целом, а не по частям, обеспечивают подход, который является последовательным, легко реализуемым и имеет возможность расширения.

Вышеупомянутые возможные варианты осуществления во всех аспектах следует рассматривать как иллюстрирующие, а не ограничивающие настоящее изобретение. Таким образом, при детальной реализации настоящего изобретения возможны многочисленные видоизменения, которые специалист в данной области техники может внести на основании приведенного описания. Все такие изменения и модификации следует рассматривать как соответствующие объему и сущности настоящего изобретения, определяемым формулой изобретения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере один из упомянутых блоков данных протокола включает в себя поле кода функции, поле кода субфункции, обеспечивающее дополнительную информацию, связанную с полем кода функции, и функционально-зависимую часть.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве упомянутого удаленного устройства используют радиомодем.

10. Способ по п.6, отличающийся тем, что дополнительно формируют блок данных "Ошибка" протокола для указания того, что удаленное устройство приняло ошибочную команду из главной ЭВМ.

11. Способ по п.6, отличающийся тем, что в качестве упомянутого удаленного устройства используют радиомодем, а в качестве упомянутого интерфейса используют эфирный интерфейс.

Функционирование как локальных, так и глобальных компьютерных сетей, мобильных и иных коммуникационных сервисов предполагает задействование различных протоколов связи. Какие из них можно считать самыми распространенными? В чем может заключаться значимость соответствующих стандартов?

Что представляют собой протоколы связи?

Протокол связи — это перечень унифицированных инструкций, которые устанавливают то, каким образом те или иные программные либо аппаратные интерфейсы должны обеспечивать передачу данных — например, текстовых, графических, аудио- и видеопотоков. Соответствующие протоколы создаются главным образом для облегчения масштабирования различных компьютерных сетей. Например, внедрение протокола TCP/IP позволило унифицировать передачу данных фактически по всему миру, благодаря чему стало возможно объединение компьютеров в глобальную сеть Интернет.

На современном рынке информационных технологий протоколы каналов связи используются на самых разных уровнях внедрения коммуникационных интерфейсов. Они постоянно дорабатываются, обновляются. Периодически разрабатываются новые протоколы, отражающие специфику развития коммуникационного рынка. Могут использоваться различные протоколы связи в сетях как бытового, так и промышленного назначения, реализованных на базе инфраструктуры научно-исследовательских центров и т. д. В числе самых распространенных стандартов соответствующего типа — Ethernet, CAN, HART.

Использование протоколов связи осуществляется также в сфере услуг мобильных коммуникаций. В числе таковых — 3G, 4G, GPRS.

Данные протоколы в сетях мобильных операторов различаются, в частности:

- по скорости передачи данных между абонентом и поставщиком коммуникационных услуг;

- по диапазонам частот;

- по показателям максимального расстояния коммуникационного устройства до базовой станции.

Что касается классификации протоколов компьютерной связи — она характеризуется достаточно высоким уровнем сложности. Рассмотрим ее специфику подробнее.

Классификация протоколов компьютерной связи

Классификация соответствующих протоколов может быть осуществлена с использованием достаточно большого количества подходов. Распространен тот, по которому стандарты связи могут быть подразделены на нижестоящие и вышестоящие уровни. В числе таковых:

Изучим их подробнее.

Прикладной уровень сетевых протоколов

Представительский уровень сетевых протоколов

На соответствующем уровне протокол связи предполагает представление тех или иных данных. Здесь могут осуществляться процедуры преобразования одних протоколов в другие, кодирование, сжатие файлов, управление различными запросами.

Сеансовый уровень протоколов связи

На данном уровне протокол связи используется в целях осуществления конкретной операции — например, синхронизации тех или иных задач, создания сеанса связи, отправки или получения файла. В числе распространенных протоколов, что используются в подобных целях — ASP, DLC, SOCKS.

Транспортный уровень протоколов связи

Соответствующего типа стандарты используются в целях непосредственно доставки тех или иных типов данных от одного сетевого объекта к другому. Во многих случаях здесь осуществляется разделение файлов на отдельные элементы — для облегчения их передачи. К протоколам соответствующего типа можно отнести TCP, UDP, RMTP.

Сетевой уровень протоколов

Следующий тип стандартов, на основе которого может функционировать система связи — протоколы сетевого уровня. Они отвечают, прежде всего, за способы передачи данных, трансляцию адресов, коммутацию, мониторинг качества работы инфраструктуры. К таким протоколам можно отнести, в частности, тот же TCP/IP, ICMP. DHCP.

Канальный уровень протоколов

Данные стандарты применяются для обеспечения функционирования ключевых аппаратных компонентов сети. Соответствующие протоколы позволяют системе, прежде всего, проверить данные, поступающие с физического уровня, на наличие ошибок. При необходимости также осуществляется их корректировка.В числе таких стандартов — распространенный протокол связи PPP, такие алгоритмы, как SLIP, L2F, PROFIBUS. В принципе, к канальным протоколам можно отнести и Ethernet.

Физический уровень протоколов

Следующий уровень действия стандартов, о которых идет речь — физический. Здесь протокол связи — это инструмент, посредством которого осуществляется непосредственно передача потока цифровых данных — посредством направления сигнала по кабелю или же по радиоканалу.

В случае с проводной передачей могут задействоваться такие стандарты, как RS-232, xDSL, 100BASE-T. Распространенные протоколы беспроводной связи — в частности, реализованной с помощью Wi-Fi-роутеров - те, что относятся к типу IEEE 802.11.

Изученную нами классификацию стандартов можно считать очень условной. Так, в рамках нее может быть весьма проблематично отнести тот или иной протокол к конкретной категории: часто бывает, что стандарт применяется сразу на нескольких уровнях. Полезно будет рассмотреть более подробно специфику самых популярных на современном рынке информационных технологий протоколов. Таких как, например, протокол управления PPP (связью – именно она является объектом воздействия алгоритмов, которые предусмотрены соответствующим стандартом).

Что представляет собой протокол PPP?

Рассматриваемый протокол относится, как мы отметили выше, к стандартам, которые предназначены для обеспечения функционирования инфраструктуры сетей на канальном уровне. Он универсален: посредством соответствующего протокола можно реализовать аутентификацию устройства, задействовать механизм шифрования данных, при необходимости — сжатие файлов.

Рассматриваемый протокол обеспечивает функционирование сетей на базе распространенных коммуникационных ресурсов — таких как телефонные линии, каналы сотовой связи. Если в той или иной программе выскакивает надпись о том, что протокол PPP связью был прерван, то это, скорее всего, будет означать невозможность получения пользователем фактического доступа к сетевым ресурсам, что предоставляются его провайдером.

- наличие широкой поддержки со стороны производителей программного обеспечения.

Есть и у него и ряд недостатков, выделяемых экспертами:

- неприспособленность к распределенным вычислениям;

- отсутствие возможности осуществлять навигацию по ресурсам, размещенным на сервере.

Если говорить конкретно о сфере промышленности, то к числу самых востребованных протоколов в соответствующем сегменте рынка можно отнести Modbus.

Что представляет собой протокол Modbus?

Соответствующий стандарт применяется главным образом для обеспечения взаимодействия между различными элементами в рамках инфраструктуры автоматизации на производстве. Представлен соответствующий протокол может быть в тех разновидностях, что адаптированы к передаче данных по конкретному типу канала связи — проводному, беспроводному (в свою очередь, к ресурсам первого типа могут относиться медные, оптоволоконные кабели — и для них разработаны отдельные модификации протокола, о котором идет речь).

Есть версии Mobdus, адаптированные для передачи данных поверх TCP/IP. Еще одно популярное в среде промышленных предприятий решение — PROFIBUS-FDL.

Что представляет собой протокол PROFIBUS-FDL?

Рассматриваемый протокол функционирует в рамках сети PROFIBUS, которая получила распространение среди европейских промышленных предприятий. Ее прототип был разработан специалистами компании Siemens и подлежал применению на участках производства, где задействовались контроллеры.

Впоследствии на базе разработок немецкой корпорации была сформирована инфраструктура сети, в которой были объединены различные технологические, а также функциональные особенности последовательных коммуникаций, относящихся к полевому уровню. Рассматриваемый сетевой протокол позволил осуществить интеграцию разнотипных устройств автоматизации в рамках единой системы производства. Стоит отметить, что протокол PROFIBUS-FDL — не единственный, что функционирует а указанной промышленной сети. Однако, он является единым с точки зрения применимости в целях организации доступа к основной шине.

Так или иначе, рассматриваемый протокол связи дополняется следующими стандартами:

Протокол PROFIBUS DP используется в целях организации обмена данными между ведущими промышленными девайсами типа DP, а также устройствами, на которых ввод-вывод реализован по распределенной схеме. При этом указанный протокол позволяет организовать обмен данными на высокой скорости. Также он характеризуется относительно невысокой стоимостью внедрения, что может делать его популярным и на небольших предприятиях.

Стандарт PROFIBUS PA позволяет осуществить обмен данными между инфраструктурой, которая состоит из оборудования, относящегося к полевому уровню. Данный протокол оптимизирован для подключения различных датчиков и механизмов на общую линейную или же кольцевую шину.

Стандарт PROFIBUS FMS характеризуется универсальностью. Он предназначен, прежде всего, для организации обмена данными между высокотехнологичными компонентами промышленной инфраструктуры — компьютерами, программаторами, контроллерами.

В числе самых сильных сторон протоколов, функционирующих в сети PROFIBUS — открытость (то есть, они могут быть использованы любыми заинтересованными промышленными предприятиями), широкая распространенность (что обуславливает облегчение масштабирования промышленной инфраструктуры при расширении рынков, открытии новых производств).

Резюме

Итак, мы рассмотрели сущность протоколов связи, изучили особенности некоторых популярных разновидностей соответствующих стандартов. Основное их назначение — обеспечение передачи данных в рамках унифицированных форматов. То есть — тех, которые могут быть масштабированы в рамках инфраструктуры, как правило, значительно превышающей масштабы отдельно взятого предприятия.

Фактически речь идет о международных стандартах: современные протоколы сотовой связи, проводных, Wi-Fi-коммуникаций, распространены очень широко, общедоступны, относительно легко масштабируются. Безусловно, в ряде случаев даже на таких глобальных рынках, как оказание услуг сотовой связи возможно применение региональных протоколов, но в интересах крупнейших брендов — внедрять, если это не противоречит интересам бизнеса, а в ряде случаев — и государства, как можно более унифицированные стандарты, что позволит активизировать международные коммуникации.

Протоколы связи — незаменимый инструмент решения сложных задач как в области обеспечения пользовательских коммуникаций, так и в промышленной, сервисной сферах. От грамотного выбора конкретного стандарта зависит успешность внедрения соответствующей инфраструктуры, а также ее эффективность — с точки зрения соотношения производительности системы и затрат на ее инсталляцию. Таким образом, заблаговременное изучение свойств сетевых протоколов, выбор оптимального — важная задача менеджеров предприятия, ответственных за внедрение и модернизацию коммуникационной инфраструктуры фирмы.

Необходимость коренного улучшения взаимодействия между подразделениями служб общественной безопасности различных ведомств продиктована появлением новых видов угроз и увеличением масштабов природных и техногенных катастроф. Комплексная система радиосвязи , базирующаяся на принципах автоматической коммутации, самонастраивающейся инфраструктуры подвижных и стационарных радиосетей, а также обмена данными по протоколу IP, может стать основой для разработки перспективной системы управления и информационного обеспечения МЧС России. Она сможет обеспечить взаимодействие между подразделениями различных служб общественной безопасности при проведении совместных операций.

Комплексная система радиосвязи МЧС России нового поколения с самонастраивающейся инфраструктурой радиосетей обмена данными по IP-протоколу

надежность среды передачи (линия передачи не подвергается механическим повреждениям и разрушающему влиянию окружающей среды, а ее качество контролируется соответствующими государственными органами);
обширная оперативная зона с возможностью ретрансляции сигнала (реально построенные радиосети УКВ-диапазона имеют сплошную оперативную зону общей площадью более миллиона кв. км);
относительно небольшое время доступа к каналу передачи данных;
высокая безопасность данных, функционирующих в технологической радиосети (применяемые технологии обеспечивают защиту от подавления, перехвата или несанкционированного доступа к работе в составе технологической радиосети);
относительно низкая стоимость эксплуатации, поскольку радиосеть принадлежит пользователю и доставка данных, независимо от их объема, не требует оплаты;
простота перемещения и оперативность развертывания в новом районе за счет использования подвижного оборудования связи.

Технологические радиосети подразделяются на стационарные и подвижные и используются для обмена голосовой информацией и мультимедийными данными. Отдельные типы радиосетей позволяют обмениваться как голосовой информацией, так и данными. Голосовые технологические радиосети получили широкое распространения во всех экстренных службах. Они построены на различных технологиях, работающих в различных частях УКВ-диапазона и используют разнотипное оборудование, как правило, не совместимое между собой. В связи с этим основной задачей в области совершенствования голосовых технологических радиосетей является обеспечение их совместимости и возможности взаимоувязанного функционирования с использованием уже имеющейся и планируемой к приобретению аппаратуры связи.
В связи с расширением областей применения и масштабов технологических радиосетей, их использованием в ответственных приложениях, разработчиками ведутся активные работы, направленные на повышение надежности и живучести таких радиосетей. Эти параметры являются наиболее важными и значимыми при выборе технического решения для технологической радиосети.

Варианты построения технологических радиосетей обмена данными
Современные программно-технические средства позволяют создавать относительно недорогие, эффективные и гибкие радиосети обмена данными, способные функционировать на протяжении многих лет с минимальным техническим обслуживанием. Типовая упрощенная схема коммутации технологической радиосети обмена данными представлена на рис. 1. [3]

Рис. 1. Упрощенная схема коммутации технологической радиосети обмена данными

Рис. 2. Варианты построения технологических радиосетей обмена данными

Основными приложениями для служб общественной безопасности, в которых применяются узкополосные стационарные технологические радиосети обмена данными, являются распределенные автоматизированные системы сбора данных о состоянии окружающей среды и системы оповещения.
Примером успешной реализации стационарной технологической радиосети для решения задачи контроля окружающей среды является Автоматизированная система контроля радиационной обстановки (АСКРО) Ленинградской АЭС (ЛАЭС), предназначенная для автоматического мониторинга радиационной обстановки в 30-километровой зоне вокруг станции (см. рис. 3).

Рис. 3. Размещение измерительных постов АСКРО ЛАЭС

Система радиосвязи имеет следующие функциональные возможности и алгоритм функционирования:

– Стационарная базовая станция WiMax широкополосной технологической радиосети обмена данными.

– Мониторинг и оперативно-диспетчерское управление подвижными дежурными силами при выдвижении в район оперативного развертывания в зоне работы постоянной действующей системы технологической радиосвязи.

– Управление автодорожной обстановкой (светофорными комплексами) по каналам технологической радиосети в интересах приоритетного пропуска подразделений ГОЧС на регулируемых перекрестках на маршруте движения.

– Оперативное управление и информационное обеспечение сил и средств ГОЧС, находящимся в зоне действия технологической радиосети по каналам связи WiMax.

– Локальная сеть управления силами и средствами ГОЧС по каналам связи WiFi в оперативной зоне постоянной действующей технологической радиосети.

– Разнородные подвижные силы и средства экстренных служб различной ведомственной принадлежности в удаленной зоне.

– Локальная сеть WiFi для взаимодействия разнородных подвижных сил и средств экстренных служб различной ведомственной принадлежности в удаленной зоне.

– Локальная сеть WiFi общего пользования.

Широкополосная технологическая радиосеть обмена данными имеет в своем составе группу стационарных базовых станций WiMax и обеспечивает функционирование подвижных и стационарных объектов в оперативной зоне. Встроенный протокол позволяет организовать автоматический перевод подвижных объектов между соседними базовыми станциями с минимальной задержкой по времени. Базовые станции подключаются к региональному пункту управления по проводным или беспроводным магистральным каналам связи, работающим по IP-протоколу.
Региональный пункт управления осуществляет мониторинг и оперативно-диспетчерское управление подвижными дежурными силами при выдвижении в ходе решения функциональных задач в районе оперативного развертывания в зоне действия системы радиосвязи. Он обеспечивает автоматизированный контроль за действиями подвижных сил с самого начала их оперативного использования и до завершения спасательных работ. По каналам радиосети с заданной периодичностью транслируются данные о текущем местоположении подвижных сил и средств и характере их использования, передаются команды управления и сигналы оповещения, а также обеспечивается удаленный доступ к массивам информации, которая может потребоваться в процессе решения поставленных задач.
Оперативное управление и информационное обеспечение сил и средств в районе оперативного развертывания осуществляется по каналам связи WiMax, которые обеспечивают обмен мультимедийной информацией. Относительно высокая пропускная способность системы позволяет передавать достаточно большие массивы графической и видео информации.
В районе оперативного развертывания может быть реализована беспроводная локальная сеть управления силами и средствами ГОЧС по каналам связи WiFi. Она сопрягается с действующей стационарной технологической радиосетью обмена данными WiMax и обеспечивает доступ пользователей к ресурсам информационной системы на региональном и федеральном уровнях. В результате оперативные подразделения могут иметь функциональные возможности, аналогичные тем, которыми они располагают при работе в стационарных условиях. Применение WiFi позволяет организовать подключение к сети абонентов различной ведомственной принадлежности и использовать для подключения коммерческие терминалы и стандартное программное обеспечение, используемое в сетях данного типа.
При наличии в удаленной зоне сети WiFi общего пользования она может использоваться в качестве резервной или аварийной сети для обеспечения обмена данными оперативных подразделений между собой и с соответствующими пунктами управления верхнего звена.
Навигационное обеспечение различных служб МЧС России данными от системы спутниковой связи ГЛОНАСС осуществляется через внешние или встроенные навигационные приемники аппаратуры Sentry-4G-900 [6].
Таким образом, рассмотренная технология широкополосной передачи данных и реализованные на ее основе образцы оборудования позволяют создавать интегрированные технологические радиосети обмена данными повышенной надежности и живучести, полностью удовлетворяющие требованиям современных автоматизированных систем оперативно-диспетчерского управления для построения перспективной системы радиосвязи МЧС России.

Автор - ЗЫКОВ Владимир Иванович, Начальник кафедры Академии государственной противопожарной службы МЧС России, Лауреат премии Правительства России, доктор технических наук, профессор.

Cтек протоколов TCP/IP широко распространен. Он используется в качестве основы для глобальной сети интернет. Разбираемся в основных понятиях и принципах работы стека.

Основы TCP/IP

Стек протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol, протокол управления передачей/протокол интернета) — сетевая модель, описывающая процесс передачи цифровых данных. Она названа по двум главным протоколам, по этой модели построена глобальная сеть — интернет. Сейчас это кажется невероятным, но в 1970-х информация не могла быть передана из одной сети в другую, с целью обеспечить такую возможность был разработан стек интернет-протоколов также известный как TCP/IP.

Разработкой этих протоколов занималось Министерство обороны США, поэтому иногда модель TCP/IP называют DoD (Department of Defence) модель. Если вы знакомы с моделью OSI, то вам будет проще понять построение модели TCP/IP, потому что обе модели имеют деление на уровни, внутри которых действуют определенные протоколы и выполняются собственные функции. Мы разделили статью на смысловые части, чтобы было проще понять, как устроена модель TCP/IP:

Уровневая модель TCP/IP

Три верхних уровня — прикладной, транспортный и сетевой — присутствуют как в RFC, так и у Таненбаума и других авторов. А вот стоит ли говорить только о канальном или о канальном и физическом уровнях — нет единого мнения. В RFC они объединены, поскольку выполняют одну функцию. В статье мы придерживаемся официального интернет-стандарта RFC и не выделяем физический уровень в отдельный. Далее мы рассмотрим четыре уровня модели.

Канальный уровень (link layer)

Предназначение канального уровня — дать описание тому, как происходит обмен информацией на уровне сетевых устройств, определить, как информация будет передаваться от одного устройства к другому. Информация здесь кодируется, делится на пакеты и отправляется по нужному каналу, т.е. среде передачи.

Этот уровень также вычисляет максимальное расстояние, на которое пакеты возможно передать, частоту сигнала, задержку ответа и т.д. Все это — физические свойства среды передачи информации. На канальном уровне самым распространенным протоколом является Ethernet, но мы рассмотрим его на примере в конце статьи.

Межсетевой уровень (internet layer)

Каждая индивидуальная сеть называется локальной, глобальная сеть интернет позволяет объединить все локальные сети. За объединение локальных сетей в глобальную отвечает сетевой уровень. Он регламентирует передачу информации по множеству локальных сетей, благодаря чему открывается возможность взаимодействия разных сетей.

Межсетевое взаимодействие — это основной принцип построения интернета. Локальные сети по всему миру объединены в глобальную, а передачу данных между этими сетями осуществляют магистральные и пограничные маршрутизаторы.

Маска подсети и IP-адреса

Маска подсети помогает маршрутизатору понять, как и куда передавать пакет. Подсетью может являться любая сеть со своими протоколами. Маршрутизатор передает пакет напрямую, если получатель находится в той же подсети, что и отправитель. Если же подсети получателя и отправителя различаются, пакет передается на второй маршрутизатор, со второго на третий и далее по цепочке, пока не достигнет получателя.

Протокол интернета — IP (Internet Protocol) используется маршрутизатором, чтобы определить, к какой подсети принадлежит получатель. Свой уникальный IP-адрес есть у каждого сетевого устройства, при этом в глобальной сети не может существовать два устройства с одинаковым IP. Он имеет два подвида, первым был принят IPv4 (IP version 4, версии 4) в 1983 году.

IPv4 предусматривает назначение каждому устройству 32-битного IP-адреса, что ограничивало максимально возможное число уникальных адресов 4 миллиардами (2 32 ). В более привычном для человека десятичном виде IPv4 выглядит как четыре блока (октета) чисел от 0 до 255, разделенных тремя точками. Первый октет IP-адреса означает его класс, классов всего 4: A, B, C, D.

IPv6 имеет вид восьми блоков по четыре шестнадцатеричных значения, а каждый блок разделяется двоеточием. IPv6 выглядит следующим образом:

Так как IPv6 адреса длинные, их разрешается сокращать по следующим правилам: ведущие нули допускается опускать, например в адресе выше :00FF: позволяется записывать как :FF:, группы нулей, идущие подряд тоже допустимо сокращать и заменять на двойное двоеточие, например, 2DAB:FFFF::01AA:00FF:DD72:2C4A. Допускается делать не больше одного подобного сокращения в адресе IPv6.

IP предназначен для определения адресата и доставки ему информации, он предоставляет услугу для вышестоящих уровней, но не гарантирует целостность доставляемой информации.

ICMP и IGMP

ICMP никогда не вызывается сетевыми приложениями пользователя, кроме случаев диагностики сети, к примеру, пинг (ping) или traceroute (tracert). ICMP не передает данные, это отличает его от транспортных TCP и UDP, расположенных на L3, которые переносят любые данные. ICMP работает только с IP четвертой версии, с IPv6 взаимодействует ICMPv6.

Сетевые устройства объединяются в группы при помощи IGMP, используемый хостами и роутерами в IPv4 сетях. IGMP организует multicast-передачу информации, что позволяет сетям направлять информацию только хостам, запросившим ее. Это удобно для онлайн-игр или потоковой передаче мультимедиа. IGMP используется только в IPv4 сетях, в сетях IPv6 используется MLD (Multicast Listener Discovery, протокол поиска групповых слушателей), инкапсулированный в ICMPv6.

Транспортный уровень (transport layer)

Постоянные резиденты транспортного уровня — протоколы TCP и UDP, они занимаются доставкой информации.

TCP (протокол управления передачей) — надежный, он обеспечивает передачу информации, проверяя дошла ли она, насколько полным является объем полученной информации и т.д. TCP дает возможность двум хостам производить обмен пакетами через установку соединения. Он предоставляет услугу для приложений, повторно запрашивает потерянную информацию, устраняет дублирующие пакеты, регулируя загруженность сети. TCP гарантирует получение и сборку информации у адресата в правильном порядке.

UDP (протокол пользовательских датаграмм) — ненадежный, он занимается передачей автономных датаграмм. UDP не гарантирует, что всех датаграммы дойдут до получателя. Датаграммы уже содержат всю необходимую информацию, чтобы дойти до получателя, но они все равно могут быть потеряны или доставлены в порядке отличном от порядка при отправлении.

UDP обычно не используется, если требуется надежная передача информации. Использовать UDP имеет смысл там, где потеря части информации не будет критичной для приложения, например, в видеоиграх или потоковой передаче видео. UDP необходим, когда делать повторный запрос сложно или неоправданно по каким-то причинам.

Протоколы L3 не интерпретируют информацию, полученную с верхнего или нижних уровней, они служат только как канал передачи, но есть исключения. RSVP (Resource Reservation Protocol, протокол резервирования сетевых ресурсов) может использоваться, например, роутерами или сетевыми экранами в целях анализа трафика и принятия решений о его передаче или отклонении в зависимости от содержимого.

Прикладной уровень (application layer)

В модели TCP/IP отсутствуют дополнительные промежуточные уровни (представления и сеансовый) в отличие от OSI. Функции форматирования и представления данных делегированы библиотекам и программным интерфейсам приложений (API) — своего рода базам знаний. Когда службы или приложения обращаются к библиотеке или API, те в ответ предоставляют набор действий, необходимых для выполнения задачи и полную инструкцию, каким образом эти действия нужно выполнять.

Зачем нужен порт и что означает термин сокет

IP присваивается каждому компьютеру межсетевым уровнем, но обмен данными происходит не между компьютерами, а между приложениями, установленными на них. Чтобы получить доступ к тому или иному сетевому приложению недостаточно только IP, для идентификации приложений применяют порты. Комбинация IP-адреса и порта называется сокетом или гнездом (socket). Поэтому обмен информацией происходит между сокетами. Нередко слово сокет употребляют как синоним для хоста или пользователя, также сокетом называют гнездо подключения процессора.

Из привилегий у приложений на прикладном уровне можно выделить наличие собственных протоколов для обмена данными, а также фиксированный номер порта для обращения к сети. Администрация адресного пространства интернет (IANA), занимающаяся выделением диапазонов IP-адресов, отвечает еще за назначение сетевым приложениям портов.

Процесс, кодирования данных на прикладном уровне, передача их на транспортном, а затем на межсетевом и, наконец, на канальном уровне называется инкапсуляцией данных. Обратная передача битов информации по иерархии, с канального на прикладной уровни, называют декапсуляцией. Оба процесса осуществляются на компьютерах получателя и отправителя данных попеременно, это позволяет долго не удерживать одну сторону канала занятой, оставляя время на передачу информации другому компьютеру.

Стек протоколов, снова канальный уровень

После ознакомления с уровневой структурой модели становится понятно, что информация не может передаваться между двумя компьютерами напрямую. Сначала кадры передаются на межсетевой уровень, где компьютеру отправителя и компьютеру получателя назначается уникальный IP. После чего, на транспортном уровне, информация передается в виде TCP-фреймов либо UDP-датаграмм.

На каждом этапе, подобно снежному кому, к уже имеющейся информации добавляется служебная информация, например, порт на прикладном уровне, необходимый для идентификации сетевого приложения. Добавление служебной информации к основной обеспечивают разные протоколы — сначала Ethernet, поверх него IP, еще выше TCP, над ним порт, означающий приложение с делегированным ему протоколом. Такая вложенность называется стеком, названным TCP/IP по двум главным протоколам модели.

Point-to-Point протоколы

Отдельно расскажем о Point-to-Point (от точки к точке, двухточечный) протоколе также известном как PPP. PPP уникален по своим функциям, он применяется для коммуникации между двумя маршрутизаторами без участия хоста или какой-либо сетевой структуры в промежутке. При необходимости, PPP обеспечивает аутентификацию, шифрование, а также сжатие данных. Он широко используется при построении физических сетей, например, кабельных телефонных, сотовых телефонных, сетей по кабелю последовательной передачи и транк-линий (когда один маршрутизатор подключают к другому для увеличения размера сети).

У PPP есть два подвида — PPPoE (PPP по Ethernet) и PPPoA (PPP через асинхронный способ передачи данных — ATM), интернет-провайдеры часто их используют для DSL соединений.

PPP и его старший аналог SLIP (протокол последовательной межсетевой связи) формально относятся к межсетевому уровню TCP/IP, но в силу особого принципа работы, иногда выделяются в отдельную категорию. Преимущество PPP в том, что для установки соединения не требуется сетевая инфраструктура, а необходимость маршрутизаторов отпадает. Эти факторы обуславливают специфику использования PPP протоколов.

Заключение

Стек TCP/IP регламентирует взаимодействие разных уровней. Ключевым понятием в здесь являются протоколы, формирующие стек, встраиваясь друг в друга с целью передать данные. Рассмотренная модель по сравнению с OSI имеет более простую архитектуру.

Сама модель остается неизменной, в то время как стандарты протоколов могут обновляться, что еще дальше упрощает работу с TCP/IP. Благодаря всем преимуществам стек TCP/IP получил широкое распространение и использовался сначала в качестве основы для создания глобальной сети, а после для описания работы интернета.

Читайте также: