Сетевые протоколы. Базовый протокол Diameter

В настоящее время в мире существуют стандарты 2G, 3G и 4G, но не все три типа представлены во всех регионах. Смартфон всегда выбирает наилучшую сеть, но не каждый смартфон поддерживает все виды связи. Кроме того, многие поставщики мобильных услуг в настоящее время предлагают соединение 4G только для определенных контрактов.

В самом начале 2020 года будет запущен стандарт 5G. В то время как 4G продолжает оптимизироваться для частного использования, 5G предназначен для совершенно других целей. В частности, промышленным организациям интересны еще более высокие скорости связи. Если же говорить о применении 5G в частном секторе, например, вождение с использованием навигатора требует высокой пропускной способности и стабильного соединения для оценки данных в реальном времени, при этом высокопроизводительный компьютер в каждом автомобиле — совсем не обязательное условие.

1G – первое поколение

Стандарты связи первого поколения были аналоговыми и имели множество недостатков. Все тогдашние технологии, мало того, что имели проблемы были с качеством сигнала, так еще и были несовместимы между собой.

Наибольшее распространение получили следующие стандарты:

Несмотря на все недостатки, аналоговым сетям мобильной связи все же нашли коммерческое применение. Первопроходцами в этом, ожидаемо, стали японцы, которые запустили в массы аналоговую беспроводную телефонную сеть в 1979 году. Затем, в 1981 году, сеть была запущена в некоторых европейских странах — Дании, Швеции, Норвегии и Финляндии. В США, первая коммерческая беспроводная телефонная сеть была пущена в эксплуатацию лишь в 1983 году.

2G – второе поколение

Начиная с 1982 года, изучением и разработкой пан-Европейской наземной системы подвижной связи общего применения занималась рабочая группа GSM (от франц. Groupe Special Mobile — специальная группа по подвижной связи), которая была сформирована Европейской конференцией почтовых и телекоммуникационных ведомств. Затем, в 1989 году, изучение и разработку второго поколения мобильной связи продолжил Европейский институт стандартов в телекоммуникации. Но аббревиатура GSM осталась, хотя и приобрела новое значение — Global System for Mobile Communications (глобальная система для подвижной связи).

Внедрение коммерческих проектов на основе технологий второго поколения началось в 1991 году. Отличало второе поколение от первого в первую очередь применение цифровых методов передачи данных, что открыло возможности для создание таких сервисов, как SMS (Short Message Service — служба коротких сообщений), WAP (Wireless Application Protocol — беспроводной протокол передачи данных), с помощью которого стал возможен доступ к Интернет с мобильных устройств. Но скорость передачи данных в сетях 2G, конечно же, пока оставляла желать лучшего, так как позволяла загружать не более 19 Кбит интернет-трафика в секунду. Тем не менее, пользователи очень высоко оценили ноу-хау, и стимулов для дальнейшего развития технологий передачи данных посредством мобильных сетей было более чем достаточно.

Стоит отметить, что на пути к третьему поколению, были предприняты некоторые значительные шаги в развитии, которые, получили условные обозначения 2,5G и 2,7G.

Промежуточное поколение 2,5G ознаменовал приход технологии GPRS (General Packet Radio Service — пакетная радиосвязь общего пользования), которая позволила увеличить скорость передачи данных с 19 до аж 172 кбит/с. Но это лишь в теории, на практике скорость едва ли достигала 80 кбит/с, что по сравнению с 2G тоже не так уж плохо.

Другое яркое событие – появление технологии EDGE (EGPRS) (Enhanced Data rates for GSM Evolution). Этим событием был обозначен следующий промежуточный этап, получивший название 2,7G. Промежуточный, а не следующий, так как технология предполагала лишь усовершенствование прежней, а не создание чего-то принципиально нового. Что касается скорости передачи данных в таких сетях, то теоретический максимум составлял около 470 Кбит/с, практические показатели варьировались в районе 150 Кбит/с.

3G – третье поколение

В то время, как продолжалось коммерческое внедрение и усовершенствование технологий второго поколения, активно велись работы по созданию нового — третьего поколения. И вот, в начале 2000-х годов, наконец была запущена в эксплуатацию сеть 3G (в России в 2002 году). Основой послужила технология CDMA (Code Division Multiple Access — множественный доступ с кодовым разделением).

Третье поколение включает в себя целых 5 стандартов:

Первые два получили самое широкое применение в мире. Рассмотрим стандарты, используемые в России.

4G – четвёртое поколение

Сегодня, в мобильных сетях широко применяется технология уже четвертого поколения, причем не только в больших городах, но и в городах поменьше и даже деревнях. Переход к 4G был ознаменован внедрением новых стандартов передачи данных в беспроводных сетях, которые были разработаны совместными усилиями компаний Hewlett-Packard и NTT DoCoMo. Речь идет о стандартах WiMax и LTE. Далее подробнее о каждом из них.

WiMAX. Данный стандарт был разработан еще в 2001 году организацией WiMAX Forum. В состав данной организации входили такие производители, как Huawei Technologies, Samsung, Intel и многие другие известные компании. По сути технология WiMAX является продолжением всем знакомого стандарта беспроводной связи для локальных сетей Wi-Fi. Коммерческое применение для этой технологии впервые нашлось в Канаде в 2005 году.

LTE (Long-Term Evolution— долговременное развитие) концептуально является продолжением развития стандартов предыдущих поколений — GSM/UMTS и изначально к четвёртому поколению не относился, но на сегодняшний день именно этот стандарт является основным для сетей четвертого поколения. Разработанный крупнейшим в Японии оператором сотовой связи NTT DoCoMo, в десятом его релизе (LTE Advanced), данный стандарт был принят Международным союзом электросвязи как стандарт четвертого поколения, так как отвечал всем предъявляемым требованиям. Первый запуск коммерческой сети с поддержкой LTE был осуществлен в 2009 году в Швеции и Норвегии.

Максимально возможная скорость передачи данных по стандарту LTE составляет 326.4 Мбит/с, но это в теории. Что касается практики, то скорость передачи данных будет существенно зависеть от ширины диапазона частот, используемой оператором. Из российских операторов сотовой связи, на сегодняшний день, наибольшую ширину диапазона частот для сетей беспроводной связи, которая составляет 40 МГц, использует только Мегафон. Остальные компании, предоставляющие услуги сотовой связи, используют ширину канала 10 МГц.

Для сравнения, максимум скорости передачи данных в LTE-сетях в диапазоне частот 10 МГЦ составляет 75 Мбит/с, а предельная скорость в диапазоне 40 МГц может достигать 300 Мбит/с.

Есть еще такое понятие, как частотная полоса. Спецификации на такие частотные полосы называются бэндами (band). Всего таких спецификаций 70 и в разных странах для сетей LTE применяются разные спецификации. В России используются следующие 5:

В сетях LTE FDD (Frequency Division Duplex) используется метод частотного разделения, это означает, что загрузка и передача трафика осуществляется в разных частотных диапазонах. А в сетях LTE TDD (Time Division Duplex) используется метод разделения по времени, то есть входящий и исходящий трафик передаются в одном диапазоне частот, но в разные промежутки времени.

5G и 6G – пятое и шестое поколения

Эта система будет допускать до 10 мобильных соединений одновременно. Принимая во внимание, что к тому времени будет 5 млрд. клиентов, сеть должна будет обслуживать до 50 млрд. одновременных контактов. Дополнительную нагрузку будет создавать Интернет вещей. Полоса пропускания 5G будет в 10 раз больше, чем для у 4G и теоретически может достичь 10Гбит/c. Технологии 4G и 5G будут длительное время сосуществовать. Устройства 5G должны будут быть способны поддерживать до 50 ГБ на одного клиента.

Исследовательская группа 5G рассматривает перспективу появления стандарта 6G (см. "Get ready for upcoming 6G wireless, too", Patrick Nelson, Network World, Jun 28, 2018). Новый стандарт будет использовать частоту от сотни гигагерц до терагерца, его появление прогнозируется в пределах 10 лет. В 2020 году ожидается освоение 20ГГц.

Технологии на основе 4G LTE не дали заметного выигрыша в надежности по сравнению с существующими беспроводными приложениями (см. "6G will achieve terabits-per-second speeds", Patrick Nelson, Network World, Sep 12, 2018). Популярности 4G не способствуют и миллисекундные времена отклика каналов. Переход на 5G дает некоторое улучшение, но этого считается недостаточно. Появление технологии 6G ожидается приметно к 2030 году. В Финляндии планируется государственное финансирование программы 6G в объеме 290 млн долларов, завершение проекта намечено на 2037 год. В настоящее время ведутся разработки IEEE стандарта 802.15.3D для частотного диапазона 252GHz - 325GHz. Система будет работать с длинами волн менее одного миллиметра. НИР-ОКР начнутся в 2020 году. Среди приложений ожидается мониторирование здоровья людей, анализ состояния воздуха, окружающей среды и детектирование вредных примесей в атмосфере. В проекте намерен участвовать институт Electronics and Telecommunications Research из Южной Кореи. В США для этой цели выделяются частоты в диапазоне от 95 гигагерц до 3 ТГц. В работы над технологией 6G значительные ресурсы намерен вложить Китай.

Знаете ли Вы, что абстракция через спецификацию - это прием программирования, позволяющий абстрагироваться от процесса вычислений описанных в теле процедуры, до уровня знания того, что данная процедура делает. Это достигается путем задания спецификации, описывающей эффект ее работы, после чего смысл обращения к данной процедуре становится ясным через анализ этой спецификации, а не самого тела процедуры. Мы пользуемся абстракцией через спецификацию всякий раз, когда связываем с процедурой некий комментарий, достаточно информативный для того, чтобы иметь возможность работать без анализа тела процедуры. Абстракция через спецификацию позволяет абстрагироваться от процесса вычислений описанных в теле процедуры, до уровня знания того, что данная процедура делает. Это достигается путем задания спецификации, описывающей эффект ее работы, после чего смысл обращения к данной процедуре становится ясным через анализ этой спецификации, а не самого тела процедуры. Мы пользуемся абстракцией через спецификацию всякий раз, когда связываем с процедурой некий комментарий, достаточно информативный для того, чтобы иметь возможность работать без анализа тела процедуры.