Әдебиет
1. С. Карлин. Основы теории случайных процессов. – М.: Мир, 1971.
2. Т. Харис. Теория ветвящихся случайных процессов. – М.: Мир, 1966.
МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ,
ПОСВЯЩЕННОЙ 135-ЛЕТИЮ М. ТЫНЫШПАЕВА
ТРАНСПОРТ В XXI ВЕКЕ: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ
_____________________________________________________________________________
402
Абетаева Г.Е. – преподаватель, Казахская академия транспорта и коммуникаций
им. М.Тынышпаева (г. Алматы, Казахстан)
ОРГАНИЗАЦИЯ КООРПОРАТИВНОЙ СЕТИ WIMAX
НА ОСНОВЕ УСТРОЙСТВ ASI 3000
Про сети WiMAX сказано и написано уже немало. Однако в основном речь идет о
беспроводном сегменте этих сетей под управлением стандарта IEEE 802.16. В то время
как об опорном (наземном) сегменте сетей WiMAX публикаций практически нет,
несмотря на то, что его значение весьма велико. Но стандартизация опорной WiMAX-сети
началась заметно позже появления документов IEEE 802.16. Более того, она еще не
завершена. Однако основные аспекты архитектуры WiMAX-сетей уже утверждены.
Настало время познакомиться с ними.
Основные принципы архитектуры сети WiMAX Сеть WiMAX представляет собой
совокупность беспроводного и базового (опорного) сегментов. Первый описывается в
стандарте IEEE 802.16, второй же определятся спецификациями WiMAX-форума. Базовый
сегмент – это все, что не относится к радиосети, т.е. связь базовых станций друг с другом,
связь с локальными и глобальными сетями (в том числе с Интернетом) и т.п. Базовый
сегмент основывается на IP-протоколах (IETF RFC) и стандартах Ethernet (IEEE 802.3-
2005). Однако собственно архитектура сети, включая механизмы аутентификации,
криптозащиты, роуминга, хэндовера и т.п. (в части, не относящейся к беспроводной сети),
описывается в документах WiMAX Forum Network Architecture [1, 2]. Спецификации сети
WiMAX основываются на технологии пакетной коммутации, протоколах IP и Ethernet,
дополняя их по мере необходимости. Архитектура WiMAX-сети должна обеспечивать
независимость архитектуры сети доступа, включая радиосеть, от функций и структуры
транспортной IP-сети. Сеть WiMAX должна быть легко масштабируемой и гибко
изменяемой, основываться на принципах декомпозиции (т.е. строиться на основе
стандартных логических модулей, объединяемых через стандартные интерфейсы).
Масштабируемость и гибкость возможна по таким эксплуатационным параметрам, как
плотность абонентов, географическая протяженность зоны покрытия (районная, городская
или пригородная сети), частотные диапазоны, топология сети (иерархическая, плоская,
mesh и т.п.), мобильность абонентов (фиксированные, мобильные, номадические). Базовая
модель сети.
Базовая модель сети WiMAX (БМ) – это логическое представление сетевой
архитектуры WiMAX. Термин "логическое" в данном случае означает, что модель
рассматривает набор стандартных логических функциональных модулей и стандартных
интерфейсов (точек сопряжения этих модулей). При практической реализации одно
устройство может включать несколько функциональных элементов или, напротив,
функция может быть распределена между различными устройствами. БМ включает три
основных элемента – множество абонентских (мобильных) станций (МС), совокупность
сетей доступа (сервисная сеть доступа ASN) и совокупность сетей подключения (CSN).
Кроме того, в БМ входят так называемые базовые точки (R1–R8), через которые
происходит сопряжение функциональных модулей (рис.1). Сеть (сети) ASN принадлежит
провайдеру сети доступа (NAP) – организации, предоставляющей доступ к радиосети для
одного или нескольких сервис-провайдеров WiMAX (NSP). В свою очередь, сервис-
провайдер WiMAX – организация, предоставляющая IP-соединения и услуги WiMAX
конечным абонентам. В рамах данной модели уже сервис-провайдеры WiMAX заключают
МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ,
ПОСВЯЩЕННОЙ 135-ЛЕТИЮ М. ТЫНЫШПАЕВА
ТРАНСПОРТ В XXI ВЕКЕ: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ
_____________________________________________________________________________
403
соглашения с Интернет-провайдерами, операторами других сетей доступа, соглашения о
роуминге и т.п. Сервис-провайдеры по отношению к абоненту могут быть домашними и
гостевыми, каждый – со своей сетью CSN. Сеть доступа ASN представляет собой
множество базовых станций (БС) беспроводного доступа по стандарту IEEE 802.16 и
шлюзов для связи с транспортной IP-сетью (т.е. с локальной или глобальной сетью
передачи информации) (рис.2). Фактически эта сеть связывает радиосеть IEEE 802.16 и IP-
сеть. ASN включает как минимум одну БС и как минимум один ASN-шлюз. Но и базовых
станций, и шлюзов в одной ASN может быть несколько, причем одна БС может быть
логически связана с несколькими шлюзами. БС в рамках данной модели – это логическое
устройство, поддерживающее набор протоколов IEEE 802.16 и функции внешнего
сопряжения. Логическая БС – односекторная, с одним частотным номиналом. Очевидно,
что реальная базовая станция представляет собой набор нескольких логических БС.
Шлюз ASN – это также логическое устройство, связывающее базовые станции
одной ASN с другими сетями доступа и с сетью подключения CSN. Шлюз ASN
обеспечивает связность как на уровне каналов передачи данных, так и на уровне
управления. Примечательно, что для каждой МС базовая станция логически связана с
одним шлюзом. Но реально функции ASN-шлюза для каждой МС могут быть
распределены между несколькими шлюзами, принадлежащими одной или нескольким
сетям доступа.
Шлюз ASN опционально может быть представлен как совокупность двух групп
функциональных элементов – блока решения (DP – Decision Point) и блока исполнения
(EP – Enforcement Point). ЕР реализует функции, связанные с передачей потока данных, в
то время как в DP сосредоточены функции, непосредственно не относящиеся к передаче
данных (например, функции контроллера управления радиоресурсами сети). Эти два
функциональных модуля соединены через базовую точку R7. Зачем в стандарт введена
такая модель, можно только догадываться. Нигде подробнее она не раскрыта, но без
упоминания о возможности такой декомпозиции функций ASN-шлюза невозможно
объяснить наличие R7. В целом распределение функций между реальными шлюзами и
базовыми станциями определяется так называемыми профилями ASN. Сегодня описано
три таких профиля (А, В и С), их мы рассмотри ниже. Сеть подключения CSN – это
собственно сеть оператора WiMAX, именно в ней реализуются функции управления
авторизацией, аутентификацией и доступом (ААА), подключение абонентов WiMAX к
глобальным IP-сетям, предоставление таких услуг, как IP-телефония, доступ к
телефонным сетям общего пользования, доступ в Интернет и частные сети и т.п. Важно
отметить, что базовая модель сети WiMAX допускает, что одной сетью доступа ASN
могут пользоваться несколько сервис-провайдеров WiMAX (каждый со своей CSN). И
напротив – одна CSN может подключаться к сетям доступа разных провайдеров доступа.
В CSN реализованы такие функции, как предоставление мобильным абонентам IP-
адресов и других сетевых параметров на период сетевой сессии, сервер политик/контроля
доступа и хранения профилей абонентов, передача (туннелирование) данных между
сетями доступа и подключения, биллинг абонентов WiMAX и межоператорские расчеты,
туннелирование данных между различными CSN при роуминге, обеспечение мобильности
при выходе МС за пределы одной ASN. Поддерживаются такие WiMAX-услуги, как
соединения "точка-точка", авторизация и/или подключение к мультимедийным IP-
сервисам, функции легального перехвата трафика (для России – выполнение требований
СОРМ) и т.п.
МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ,
ПОСВЯЩЕННОЙ 135-ЛЕТИЮ М. ТЫНЫШПАЕВА
ТРАНСПОРТ В XXI ВЕКЕ: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ
_____________________________________________________________________________
404
CSN может включать такие элементы, как маршрутизаторы, серверы (и прокси-
серверы) для функций авторизации/аутентификации/доступа, базы данных пользователей,
шлюзы и т.п.
В связи с поддержкой мобильности в базовой модели сети WiMAX введены
понятия домашних и гостевых сервис-провайдеров – H-CSP и V-CSP, соответственно
(рис.3). Домашний NSP – это оператор, заключивший договор об обслуживании с
абонентом WiMAX. Именно он реализует функции авторизации, аутентификации и
контроля доступа (включая биллинг и взимание абонентской платы). Для поддержки
роуминга домашний сервис-провайдер WiMAX заключает роуминговые соглашения с
другими NSP.
Гостевой NSP (V-NSP) – это оператор, который предоставляет WiMAX-абоненту
услуги роуминга. Прежде всего, V-NSP обеспечивает для такого абонента функции ААА,
а также полный или частичный доступ ко всем услугам WiMAX-сети. При этом возможны
различные варианты маршрутизации трафика – через домашнюю сеть подключения или
непосредственно через гостевую CSN-сеть.
Базовые точки в рамках базовой модели сети WiMAX – это каналы связи между
базовыми модулями. Они представляют собой стандартные интерфейсы, причем не
обязательно физические, особенно если соединяемые базовой точкой модули
конструктивно находятся в одном устройстве.
Базовая точка R1 представляет собой канал связи между мобильной станцией и
сетью доступа ASN. Это – беспроводной интерфейс, соответствующий стандарту IEEE
802.16, однако допустимы и дополнительные протоколы управления. Базовая точка R2
является каналом между МС и CSN. Она включает протоколы и процедуры, связанные с
аутентификацией МС, авторизацией и IP-конфигурированием. Это – чисто логический
интерфейс, ему нельзя поставить в соответствие никакой конкретный физический
интерфейс между МС и CSN. Базовая точка R3 содержит набор протоколов управления
между ASN и CSN для реализации процедур AAA, выполнения различных политик и
управления мобильностью. Она также поддерживает функции передачи данных (в том
числе – туннелирования) между ASN и CSN. Базовая точка R4 – это канал связи между
ASN-шлюзами различных ASN-сетей или между ASN-шлюзами в пределах одной ASN.
Базовая точка R5 является каналом связи между сетью домашнего и гостевого
сервис-провайдера. Базовая точка R6 служит интерфейсом между БС и ASN-шлюзом.
Базовая точка R7 определена как некий виртуальный канал внутри ASN-шлюза для
связи двух групп функций (связанных с каналом передачи информации и не связанных с
ним). Конкретизации протоколов R7, видимо, следует ожидать в будущем (или не
ожидать вовсе).
Базовая точка R8 – это канал связи непосредственно между базовыми станциями.
Он должен поддерживать передачу управляющих сообщений и опционально –
непосредственную трансляцию данных (для быстрого и бесшовного хендовера). Профили
ASN.
Профилями ASN называют распределение логических функций ASN-сетей между
физическими устройствами. В стандарте описано три типа ASN-профилей. Профиль В
подразумевает полную свободу производителя – ему соответствует как концентрация всех
функций в одном устройстве, так и их произвольное распределение. Профили А и С более
конкретны. На уровне описания они чрезвычайно похожи – различие в том, что функции
контроллера радиоресурсов (RRC) и управления хэндовером в профиле А отнесены к
ASN-шлюзу, а в профиле С – к базовой станции. Несмотря на, казалось бы,
МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ,
ПОСВЯЩЕННОЙ 135-ЛЕТИЮ М. ТЫНЫШПАЕВА
ТРАНСПОРТ В XXI ВЕКЕ: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ
_____________________________________________________________________________
405
незначительное формальное различие, на практике оно привело к тому, что профиль А
был официально закрыт летом 2007 года на сессии WiMAX-форума в Мадриде, а
общепризнанным стандартом стал профиль С (рис.4). Действительно, профиль А,
концентрируя функции управления в ASN-шлюзе, затрудняет совместимость
оборудования различных поставщиков. В профиле В интеллект базовых станций
возрастает, они играют более существенную роль в управлении трафиком и
мобильностью. Профиль С – наиболее открытая и потому перспективная система. В нем, в
отличие от профиля А, базовые станции ответственны за все управление радиоресурсами
и за обеспечение хендовера. В идеальном случае все элементы такой системы
взаимозаменяемы продуктами других поставщиков, сертифицированных WiMAX-
форумов.
Вся работа по описанию и стандартизации сетей WiMAX, по большому счету,
направлена на одно – на обеспечение глобальной мобильности абонентов WiMAX, их
свободы перемещаться между различными сетями во всем мире, постоянно оставаясь "на
связи". Для этого необходим механизм глобального распределения общих сетевых
ресурсов между различными операторами-провайдерами. Возможно несколько различных
вариантов распределения сетевых ресурсов: одной ASN-сетью пользуются несколько
CSN-провайдеров,
несколько ASN-сетей (одного или нескольких операторов)
взаимодействуют с различными CSN, одному оператору принадлежит ASN и CSN и т.п.
Очевидно, что при таком разнообразии вопросы стандартизации процедур при
мобильности выходят на первый план. Напомним, что WiMAX-сеть – это TCP/IP-сеть. С
точки зрения IP-сети, мобильность – это возможность идентифицировать устройство,
подключающееся к различным узлам глобальной сети. Для поддержки мобильности были
созданы спецификации мобильных IP-сетей (MIP). В мобильных IP-сетях задача
обеспечения мобильности устройств решается на основе двух основных механизмов –
назначения глобального дополнительного IP-адреса или использования внешнего агента.
Протокол мобильного IP подразумевает, что у каждого устройства есть два IP-адреса –
основной (НоА), присвоенный ему в домашней сети, и дополнительный (CoА). Если
устройство оказывается в новой сети (внешней сети), ему может быть присвоен
глобальный дополнительный IP-адрес (например, на основе протокола динамического
назначения адресов DHCP). Этот адрес устройство сообщает своему домашнему агенту
(НА – home agent) – маршрутизатору, который перехватывает все сообщения по
основному IP-адресу данного устройства и направляет их по дополнительному IP (как
правило,
в
режиме
туннелирования
и
инкапсуляции
IP-в-IP)
[3].
Второй механизм сводится к тому, что во внешней сети используется так называемый
внешний агент (FA, foregion agent). Это маршрутизатор, в котором устройство
регистрируется при подключении к внешней сети. FA в качестве дополнительного IP-
адреса присваивает устройству адрес из своего пула IP-адресов. При передаче сообщений
домашний агент направляет инкапсулированные пакеты уже внешнему агенту (его адрес
выполняет функцию СоА), который, отбросив оболочку инкапсулированных пакетов,
передает их устройству-получателю в соответствии со своей таблицей адресации (рис.6).
Отметим, что дополнительный адрес CoA служит только для сетевого взаимодействия.
Все пользовательские приложения, выполняемые на мобильном устройстве и в других
узлах сети, используют основной IP-адрес.
WiMAX-сеть ориентирована на поддержку стека протоколов MIP. Однако в сетях
WiMAX не все абонентские устройства обязаны поддерживать мобильный IP. Для таких
устройств возможен механизм присвоения IP-адресов на основе протокола динамического
МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ,
ПОСВЯЩЕННОЙ 135-ЛЕТИЮ М. ТЫНЫШПАЕВА
ТРАНСПОРТ В XXI ВЕКЕ: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ
_____________________________________________________________________________
406
конфигурирования DHCP (IETF RFC4361). Причем DHCP-сервер может находиться как в
домашней, так и в гостевой сети. Возможно его размещение и в сети ASN, в этом случае
информация об IP-адресе абонентской станции передается в домашнюю сеть при ее
подключении и аутентификации.
В WiMAX-сетях выделяют два вида мобильности – микро- и макромобильность.
Иначе их называют мобильность в рамках ASN (ASN-мобильность) и CSN-мобильность.
В случае ASN-мобильности МС перемещается в пределах одной ASN-сети (рис.7). При
этом МС обслуживается одним внешним агентом (в простейшем случае – ASN-шлюзом) и
с точки зрения CSN-сети никаких перемещений устройства не происходит (маршрут к
нему остается неизменным, равно как и СоА-адрес). Таким образом, для ASN-
мобильности не требуется поддержка протоколов уровня MIP. На уровне ASN-
мобильности реализуется хэндовер в пределах одной ASN-сети. При этом в процесс
вовлекаются только интерфейсы R6 (между БС шлюзами) и R8 (между базовыми
станциями).
Отметим особый случай ASN-мобильности, когда МС выходит за пределы одной
ASN и оказывается в другой (рис.8). При этом МС подключается к новому внешнему
агенту, но данные от этого FA передаются к прежнему внешнему агенту по каналу R4.
Очевидно, что в данном случае с точки зрения сети CSN (т.е. домашнего агента)
никакихизменений не произошло.
Важно отметить, что различные механизмы мобильности могут сосуществовать в
рамках одной интегрированной сети. Например, при перемещении МС при хендовере
сначала могут использоваться механизмы ASN-мобильности (переключение от одной БС
к другой в пределах одной ASN-сети), а затем – CSN-мобильности. Более того, возможна
оптимизация подключения.
Регистр местоположения – это распределенная база данных, с которой связан
каждый анкерный РС. В этой базе данных для каждой МС хранится такая информация,
как текущая пейджинговая группа, пейджинговый цикл и смещение, идентификатор
последней БС и последнего ретрансляционного РС. Для МС в режиме ожидания в LR
также хранятся сетевые настройки (согласно IEEE 802.16е) и информация о сервисных
потоках данной МС. Эта информация используется анкерным РС для определения
вероятного местоположения МС и передачи ей сообщений, а также для упрощения ее
повторного подключения к сети после выхода из режима ожидания.
Анкерный SFA определяется при подключении МС к сети и не меняется до ее
повторной регистрации (остается неизменным в течение всей сессии). В анкерный SFA
передается информация о QoS-профиле абонента при его регистрации в сети. Если МС
оказывается в зоне другого ASN-шлюза, она взаимодействует уже с новым SFA. Такой
SFA, с которым в данный момент связана МС, называется сервисным. Сервисный SFA по
каналам R4 выполняют функцию ретранслятора между МС и ее анкерным SFA (точнее –
между модулем SFM базовой станции, с которой в данный момент работает МС, и
анкерным SFA для данной МС). В функции анкерного и/или сервисного SFM входит
реализация так называемой локальной политики QoS для данной ASN-сети, связанной с
загрузкой и распределением сетевых ресурсов.
Выводы: Мы достаточно бегло рассмотрели основные принципы организации
WiMAX-сетей. При этом вне пределов нашего внимания остались столь важные вопросы,
как реализация процедур ААА для различных конфигураций WiMAX-сетей, механизмы
назначения IP-адресов, процедуры соединения, хендовера и т. п. Отметим, что многие
вопросы пока вообще не отражены в стандартах WiMAX-сети, но это, видимо, – лишь
МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ,
ПОСВЯЩЕННОЙ 135-ЛЕТИЮ М. ТЫНЫШПАЕВА
ТРАНСПОРТ В XXI ВЕКЕ: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ
_____________________________________________________________________________
407
дело времени. Процесс стандартизации WiMAX-сетей отстает от их практической
реализации только потому, что сама по себе технология WiMAX чрезвычайно нова,
однако весьма востребована рынком.
Литература
1. WiMAX Forum Network Architecture. (Stage 2: Architecture Tenets, Reference
Model and Reference Points). Release 1, Version 1.2. – WiMAX Forum, January 11, 2008.
2. WiMAX Forum Network Architecture. (Stage 3: Detailed Protocols and Procedures).
Release 1, Version 1.2. – WiMAX Forum, January 11, 2008.
3. ДугласЭ. Камер. Сети TCP/IP, т.1. Принципы, протоколы и структура, 4-е изд. –
М.: Издательский дом "Вильямс", 2003.
4. Шахнович И. Широкополосная мобильность: IEEE 802.16е. Часть 1: МАС-
уровень. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2007, №2, с.18–27.
5. Шахнович И. Широкополосная мобильность: IEEE 802.16е. Часть 2: физический
уровень и элементная база. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2008, №1, с.98–104.
Мекебаева А.К. – доцент, к.х.н., Казахская академия транспорта и коммуникаций
им. М.Тынышпаева (г. Алматы, Казахстан)
Достарыңызбен бөлісу: |