Сегодня все более актуальной становится проблема перегруженности кабельной канализации, решить которую можно с помощью микротраншейной прокладки волоконно-оптических кабелей. Совершенствование телекоммуникационного оборудования позволяетзначительно сокращать площадь, занимаемую станционным оборудованием, при этом многократно наращивая мощность.
В отношении линейных сооружений такие тенденции, к сожалению, практически не наблюдаются. Развитие сетей операторов связи, а также ведомственных сетей приводит к тому, что существующая кабельная канализация оказывается перегруженной, и дополнительная прокладка кабелей невозможна. Кроме того, следует учитывать, что волоконно-оптические кабели необходимо прокладывать в свободных каналах кабельной канализации, в которые впоследствии могут быть проложены другие волоконно-оптические кабели. В канале кабельной канализации, занятом кабелем с металлическими проводниками, допускается совместная прокладка волоконно-оптических кабелей только в защитной полиэтиленовой трубке. Однако часто в каналах отсутствует место для прокладки кабелей в полиэтиленовых трубках. В такой ситуации приходится выполнять докладку каналов кабельной канализации, а это весьма дорогостоящая процедура. Чаще всего возникает необходимость докладки каналов в центральных районах, и без того перенасыщенных подземными коммуникациями (это, как правило, районы с высокой деловой активностью).
Надо отметить, что разрытие влечет за собой многочисленные неудобства: создает препятствия передвижению транспорта и пешеходов, ухудшает внешний вид улиц. В местах пересечений с коммуникациями сторонних организаций необходимо привлекать представителей этих организаций. Работы часто приходится проводить в сжатые сроки, в том числе и в ночное время. Для движения пешеходов через зоны разрытий устраиваются временные переходы с ограждениями, в темное время суток предусматривается освещение. Кроме того, по окончании работ проводятся ре-культивационные мероприятия, а также восстановление покрытия дорожного полотна (асфальтирование, укладка плитки и пр.). Действующие инструкции рекомендуют проводить ручным способом работы по рытью траншей и котлованов в стесненных городских условиях. Это создает дополнительные проблемы, особенно в зимний период. Городские власти с неохотой позволяют осуществлять разрытия в центральных районах города. Таким образом, есть целый комплекс проблем, препятствующих развитию проводных сетей в районах, где они более всего необходимы. Поиск путей решения этих проблем заставляет обратиться к опыту зарубежных партнеров. Одним из эффективных методов является применение микротраншейной прокладки волоконно-оптических кабелей.
Механизмы микротраншейной прокладки
Методика микротраншейной прокладки основана на использовании специализированных механизмов. Они представляют собой фрезу на шасси трактора для снятия дорожного покрытия и устройство для удаления пыли, песка, гравия и других мелких фракций. Эти механизмы могут быть совмещены в один или же, наоборот, разделены, соответственно распределяя технологическую операцию подготовки траншеи к инсталляции кабеля на два этапа – вскрытия асфальта и очистки микротраншеи. В качестве устройства очистки может применяться компрессор, а также вакуумный или водяной насос. Соответственно, посторонние частицы выдуваются воздушным потоком, отсасываются или же вымываются водяным потоком, который подается под напором.
Как правило, прокладка кабеля в грунт осуществляется в траншею на глубину 1,2 м (кроме скальных и прочих плотных грунтов IV и выше категории) согласно действующим нормам. Такая глубина считается достаточной для надежной защиты линейно-кабельных сооружений, эксплуатируемых вне помещений, от несанкционированного доступа и влияния факторов окружающей среды. В городских условиях для упорядочивания коммуникаций строится кабельная канализация, которая обеспечивает дополнительную защиту линейно-кабельных сооружений.
Различными разработчиками волоконно-оптических кабелей предлагаются разные варианты технологии прокладки кабеля в микротраншею. Эти варианты имеют общую технологическую операцию – заглубление. Идея микротраншейной технологии заключается в том, чтобы при значительном сокращении земляных работ обеспечить надежную защиту кабелей. Дополнительной защитой от наиболее вероятного внешнего механического и температурного воздействия служит само дорожное полотно.
Схема функциональных устройств при прокладке оптического кабеля в микротраншею
Существуют технологии прокладки волоконно-оптических кабелей специальной конструкции непосредственно в микротраншею, а также прокладка специальных каналов для последующей инсталляции в них волоконно-оптических кабелей.
Прокладка волоконно-оптических кабелей непосредственно в грунт
С помощью специализированных механизмов в полотне дороги проделывается микротраншея шириной до 15 мм и глубиной от 40 до 100 мм, в которую укладывается специализированный волоконно-оптический кабель. Проложенный кабель накрывается жгутом из пористой резины, диаметр жгута подобран таким образом, чтобы он плотно укладывался в траншею и служил распоркой. После этого траншея заливается битумом.
Кабель, предназначенный для такого способа инсталляции, представляет собой конструкцию monotube и состоит из одного металлического модуля, выполненного из медного сплава, внутри которого содержатся оптические волокна. Внутреннее пространство модуля с волокнами заполняется гидрофобным компаундом. Внешний диаметр модуля составляет 5 мм. Модуль содержит пучки оптических волокон. Для идентификации оптические волокна в одном пучке имеют различную окраску, а каждый пучок имеет обмотку из цветных синтетических нитей. Количество оптических волокон в пучке – до 12 штук. Кабель может содержать до 5 пучков оптических волокон. Таким образом, количество оптических волокон в кабеле может достигать шестидесяти. Снаружи кабель покрыт защитной полиэтиленовой оболочкой. Наружный диаметр кабеля составляет 7 мм, вес – порядка 110 кг/км.
Волоконно-оптический кабель для микротраншейной прокладки
Такая конструкция волоконно-оптического кабеля обеспечивает высокую устойчивость к температурным колебаниям и механическим воздействиям. Допустимое усилие на разрыв составляет 1 кН. Допустимый радиус изгиба при прокладке – 70 мм. Диапазон рабочих температур – от -40 до+70°С.
Следует заметить, что, как и в случае с другими волоконно-оптическими кабелями, инсталляционные работы должны проводиться при температуре окружающей среды не ниже -5°С.
Для сращивания строительных длин волоконно-оптического кабеля разработаны специальные муфты, предназначенные для установки на поверхности грунта таким образом, чтобы люк муфты оказывался на одном уровне с дорожным покрытием. Это муфты проходного типа. Корпус круглой формы выполнен из нержавеющей стали и рассчитан на сращивание до двух строительных длин кабеля, то есть имеет 4 кабельных ввода. Существуют модификации муфт для сращивания волоконно-оптических кабелей различной емкости. Корпус муфты имеет круглую форму, диаметр рассчитан таким образом, чтобы обеспечить возможность выкладки технологического запаса оптических волокон внутри корпуса муфты.
Кабельные вводы располагаются в нижней части корпуса муфты, герметизируются механически путем обжима патрубка муфты вокруг металлического модуля кабеля с помощью обжимного инструмента. Затем место стыка защитной полиэтиленовой оболочки кабеля и кабельного ввода муфты может быть дополнительно защищено термоусаживаемой трубкой для предотвращения проникновения влаги под оболочку. Такой способ герметизации обеспечивает надежную долговременную защиту муфты от проникновения влаги.
Микротраншейная прокладка кабельных каналов
Способ подготовки микротраншеи для инсталляции аналогичен способу прокладки кабеля непосредственно в грунт, за исключением размеров микротраншеи. Для прокладки каналов проделывается микротраншея шириной 100 мм и глубиной порядка 250 мм. В нее прокладывается 1–2 канала, содержащих до 7 субканалов для прокладки кабелей: один центральный и 7 периферийных. Внутренний диаметр каналов составляет 10 мм. После укладки каналов микротраншея заливается легким бетоном, а затем восстанавливается асфальтовое покрытие. Для расположения муфт и технологического запаса волоконно-оптического кабеля устраиваются специальные микроколодцы, представляющие собой пластиковые или металлические короба, заглубленные в грунт и вмурованные в асфальт. Горловина микроколодца закрывается крышкой или люком с замком, препятствующим несанкционированному доступу. Ввод каналов с кабелями осуществляется через стенки с последующей герметизацией места ввода. Муфта закрепляется на стенке микроколодца, а технологический запас кабеля выкладывается в форме восьмерки. За счет небольшого внешнего диаметра кабеля минимально допустимый радиус изгиба кабеля – около 150 мм.
Сечение микротраншей с проложенным кабелем
Строительство традиционных смотровых устройств кабельной канализации предусматривает значительный объем земляных работ, включающих в себя рытье котлована, вывоз излишков грунта, трамбовку грунта на дне котлована во избежание проседания под весом железобетонной конструкции. При строительстве необходима также техника для разгрузки железобетонных элементов колодца.
Поскольку микроколодцы располагаются на поверхности грунта, а их размеры и вес гораздо меньше стандартных смотровых устройств кабельной канализации, необходимы значительно меньшие затраты на их строительство. В первую очередь это достигается за счет значительного сокращения объемов земляных работ, а также за счет уменьшения трудозатрат.
Для данной методики разработаны специальные микрокабели, представляющие собой типичные кабели конструкции loose tube, но с оптическими модулями уменьшенного диаметра. Благодаря использованию таких технологических решений и совершенствованию материалов кабеля удалось уменьшить наружный диаметр кабеля до 7,2 мм без снижения механической прочности, то есть устойчивости к растягивающим и раздавливающим усилиям, к удару, кручению, изгибу, а также к температурным колебаниям. Такой кабель содержит до 6 оптических модулей, в каждом из которых может быть до 12 оптических волокон. Таким образом, общее количество оптических волокон в кабеле может достигать 72. Выпускаются также модификации этих кабелей, содержащие 8 и 12 оптических модулей и, соответственно, 96 и 144 оптических волокна.
Поскольку основная масса подземных коммуникаций располагается в канализациях и коллекторах, которые находятся на глубине не менее 1 м, а глубина микротраншеи значительно меньше, существенно снижается вероятность повреждения сторонних коммуникаций в процессе инсталляции. Упрощается также процесс согласования строительных работ на этапе проектирования.
При использовании стандартных методик строительства кабельной канализации скорость инсталляции составляет до 300 м в день. Использование микротраншейной технологии позволяет увеличить скорость строительства до нескольких километров в день, без учета времени на строительство смотровых устройств, где преимущества этого метода еще более очевидны.
В результате инсталляции одного канала можно получить кабельную канализацию, готовую для прокладки волоконно-оптических кабелей емкостью до полутысячи оптических волокон.
Перспективы
Широкие перспективы применения микротраншейной технологии прокладки волоконно-оптических кабелей обусловлены отсутствием необходимости приобретения дополнительного дорогостоящего оборудования и привлечения зарубежных специалистов для его наладки и обучения персонала. Необходимое для реализации этого метода дорожно-строительное оборудование имеется в наличии в учреждениях, занимающихся эксплуатацией дорог. Достоинством этой технологии прокладки является отсутствие необходимости длительных перерывов движения транспорта. В случае проведения работ на улицах с незначительным транспортным потоком движение вообще можно не перекрывать даже в случае поперечного пересечения.
В заключение необходимо отметить, что микротраншейная технология прокладки волоконно-оптических кабелей намного дешевле традиционных способов строительства кабельной канализации. Применение этой методики позво-ляет значительно сократить трудозатраты и время на проведение строительных работ, а также повысить эффективность труда с помощью механизации. Широкое внедрение микротраншейной технологии на практике позволит интенсифицировать развитие межстанционной сети в мегаполисах и тем самым улучшить качество обслуживания клиентов.
Волоконная оптика дороже кабелей с медными жилами, но с каждым годом спрос на нее растет. Отчасти это происходит из-за того, что технология монтажа стала намного проще, а стоимость необходимого инструментария постоянно снижается. Без преувеличения можно сказать, что оптическое волокно получило массовое распространение в телекоммуникациях.
Одно из серьезных ограничений в использовании волоконно-оптических кабелей — необходимость особого, аккуратного отношения к их укладке, разделке, соединению и оконцовке, т. е. абсолютно ко всем элементам технического процесса монтажа кабельной линии. Ошибки обходятся весьма дорого — от замены испорченного соединителя до установки соединительной муфты на месте поврежденного кабеля. Тем не менее оптическое волокно активно вытесняет медь не только на магистральных участках сетей связи общего пользования, где почти все новые линии строятся на основе волоконно-оптических линий связи, но даже и на магистральных (вертикальных) участках СКС.
Некоторые особенности работы с волоконно-оптическими кабелями (ВОК) рассматривались в предыдущих номерах, в разделах, посвященных вопросам укладки кабеля. В основном они сводились к набору специальных приемов для захвата кабеля при втягивании в канал, чтобы обеспечить равномерность приложенного тягового усилия, ограничить его максимально допустимым уровнем, а также строго выдержать норму минимального радиуса изгиба. Для успешного выполнения этих задач создан целый набор монтажных приспособлений: кабельные чулки и захваты, электрические и гидравлические тяговые лебедки с электронным управлением и ограничителем усилия, а также защитные устройства, смазка и т. п. «мелочи». Теперь настал черед уделить внимание инструментарию для всех прочих операций.
Основные трудности, которые приходится преодолевать при резке волоконно-оптических кабелей, — броневой покров (стальная лента или стальная проволока) и внутренние силовые элементы (стальной трос). Поскольку оптическое волокно чувствительно к осевым и радиальным деформациям, то волоконно-оптические кабели имеют их в большем количестве, чем медножильные. Это касается не только кабелей для внешней прокладки, но и тех, что предназначены для укладки в зданиях. Правда, последние не всегда содержат силовой элемент из стали. Бронирование, если таковое имеется, осуществляется тонкой стальной или алюминиевой гофрированной фольгой. А так называемые мини-кабели, которые используются для изготовления коммутационных шнуров и выполнения горизонтальных участков СКС, представляют собой одиночное или двойное оптическое волокно в буферном покрытии с одним или двумя защитными слоями полимерной изоляции. Так или иначе, но для большинства волоконно-оптических кабелей недорогие кабелерезы для медных кабелей непригодны. Для них требуется более дорогой инструмент, лезвия которого рассчитаны на резку стали. Впрочем, такой же инструмент необходим и для резки бронированных медножильных.
Первые этапы разделки волоконно-оптических кабелей (удаление верхнего слоя защитных и броневых покровов) выполняются теми же инструментами, что и разделка медножильных кабелей. Никаких особенностей здесь нет — полимерная изоляция и фольга вскрываются резаками, а стальная проволока выкусывается бокорезами. Однако без применения нескольких специальных инструментов не обойтись. Во-первых, это ножницы с керамическими лезвиями или кусачки для удаления нитей из кевлара, которые часто применяются для упрочнения кабеля. Обычные ножницы эти тонкие, гибкие и прочные волокна не режут, а выдавливают или гнут. Во-вторых, это приспособление для снятия полимерной изоляции с мини-кабелей. При выполнении работы не универсальным, а специализированным инструментом риск повреждения оптического волокна существенно снижается, так как его рабочие поверхности имеют фиксированную настройку.
Стоит отметить, что важно хорошо знать конструкцию разделываемого кабеля, так как последний слой защитного покрытия кабеля или изоляцию модулей (групповых элементов, содержащих несколько волокон) нужно удалять с особенной аккуратностью. После удаления всех защитных слоев открывается доступ к одиночным оптическим волокнам в буферном покрытии. На этом сходство заканчивается, и далее работать с волоконно-оптическими кабелями можно только специальным инструментом.
Разделка кабеля может выполняться для оконцовки (монтажа разъемных соединителей) или сращивания (сварки или монтажа неразъемных соединителей).
Разъемные соединители монтируются на мини-кабели или на оптическое волокно в буферном покрытии; для оптического волокна их существует великое множество (ST, SC, SMA, FC, LC, FJ, MT и др.). Некоторые из них выпускаются еще и в нескольких разновидностях, предназначенных для оконцовки различного оптического волокна (многомодового, одномодового, разного диаметра, с различной толщиной оболочки) и отличающихся некоторыми деталями конструкции и технологии монтажа. Такое разнообразие не слишком осложняет работу монтажников. Грамотная техническая политика позволяет резко уменьшить число разновидностей кабелей и соединителей для волоконно-оптических линий связи. Иногда ограничения вытекают из особенностей применяемого оборудования, иногда — оформляются в виде внутреннего стандарта организации. Подобные ограничения и правила просто необходимы, если помнить, что существенная часть достаточно дорогого инструмента и приспособлений предназначена только для оптического волокна или соединителей определенного вида. А в силу высочайших требований к точности обработки и монтажа использование непредусмотренного технологией инструментария почти всегда заканчивается браком в работе. В значительной степени результат зависит и от качества расходных материалов: клеев, растворителей, безворсовых салфеток, шлифовальной и полировальной бумаги.
Итак, после разделки кабеля по шаблону до оптического волокна в буферном покрытии наступает наиболее ответственный момент. С помощью особого инструмента, рассчитанного на оптическое волокно определенного размера, с него удаляют буферное покрытие. Основная проблема — не повредить при этом само волокно, так как при небольшом задире или сколе всю работу придется выполнять еще раз. Поскольку внешне инструменты для этой операции выглядят абсолютно одинаково, производители используют для их маркировки различные цвета.
Затем производится сборка соединителя. Оптическое волокно продевается сквозь отверстие наконечника соединителя и фиксируется с помощью различных видов клея: термоклея (становится пластичным при нагреве), эпоксидного компаунда (полимеризуется благодаря реакции между двумя смешанными компонентами), универсального клея (твердеет после испарения растворителя) или клея с отвердением под воздействием ультрафиолета. Отверстие заполняется клеем с помощью шприца (исключение составляет термоклей, который наносится в процессе производства разъемов). Однокомпонентный клей поставляется уже расфасованным в шприцы, а двухкомпонентный — в отдельной таре. Полученная сборка нагревается в печке (для ускорения процесса отвердения эпоксидного компаунда или разогрева термоклея) или облучается ультрафиолетом.
После склеивания излишки оптического волокна удаляются, а торец сердечника шлифуется и полируется. Для удаления излишков на поверхности волокна резаком (скрайбером) наносится царапина. Резаки могут иметь различный профиль: лезвие (металл, карбид или керамика) либо конус (алмаз или корунд). После нанесения риски волокно отламывается.
Дальнейшая обработка торца выполняется на мате или стекле на нескольких листах наждачной бумаги с убывающим размером абразивного элемента (шлифовальная, полировальная, доводочная). Для фиксации сердечника строго перпендикулярно к поверхности наждака применяется оправка, в которую устанавливается обрабатываемый соединитель. При больших объемах эта операция может быть автоматизирована за счет использования шлифовальной машины.
Качество обработки проверяется с помощью микроскопа. Выпускаемые модели контрольных микроскопов отличаются степенью увеличения и конструкцией. Особенно удобен защитный фильтр для глаз — для блокирования излучения на случай, если оно окажется в подключенном волокне.
Все инструменты для работы с волоконно-оптическими кабелями можно приобрести по отдельности, но чаще всего они поставляются в специально составленных комплектах, куда входит не только инструмент, но и вся необходимая для проведения работ тара, дозаторы, распределители, расходные материалы и защитные средства. Для удобства хранения все это упаковано в органайзер (сумку или чемодан). Восполнение расходных материалов также осуществляется подобранными комплектами.
В зависимости от поставленных задач предлагается как скромный набор минимально необходимых для обработки одного типа оптического волокна средств, так и полный набор для работы с любым оптическим волокном. А вот комплектов, универсальных с точки зрения обрабатываемых разъемных соединителей, очень мало. Объясняется это просто — часть инструмента для их монтажа поставляется только производителями самих соединителей.
Несколько слов тем, кому придется выполнять работы с волоконно-оптическими кабелями на улице. Для защиты от пыли и осадков, а также создания необходимого микроклимата используются теплоизолированные палатки и боксы. Первые легко переносятся и собираются в любом месте; вторые устанавливаются на шасси автомобиля и прицепа.
GPRS (General Packet Radio Service) - это новая перспективная технология, стандартизация которой началась в 1993 году в European Telecommunication Standards Institute (http://www.etsi.org/), позволяющая работать в сети Internet, используя обычный мобильный телефон. С помощью GPRS, пользователи могут работать со своей электронной почтой, с обычными Web-серверами (а не со специальными WAP-версиями) и т.д. Основное достоинство GPRS-сетей состоит в том, что пользователь оплачивает только объем передаваемой/получаемой информации, а не время нахождения в сети.
До разработки технологии GPRS (http://www.gsmworld.com/technology/gprs/index.shtml), абонент оплачивал все время соединения независимо от того, использовал он установленный канал передачи данных. Иными словами, ресурсы сети задействованы только во время непосредственной передачи данных от телефона. Во время пауз (например, просмотр полученной электронной почты) ресурсы сети предоставляются в распоряжение других абонентов. Кроме того, технология GPRS является промежуточным этапом при переходе от сетей 2 поколения (GSM) к 3-му (UMTS). В GPRS максимально возможная скорость передачи данных составляет 171,2 Кбит/с - это почти в 12 раз быстрее работы передачи данных в обычных сетях GSM (9,6 Кбит/с). Однако на данный момент скорости не так высоки - обычно 30-40 Кбит/с. В настоящее время три крупнейших сотовых сети России (МТС, БиЛайн, Мегафон) предлагают своим абонентам услуги GPRS. Потенциальное число абонентов технологии GPRS в России - 17,8 миллионов человек, именно такое количество абонентов сотовой связи насчитывалось в России к концу 2002 года. Реальное же число желающих воспользоваться преимуществами этой технологии пока не так велико. В частности, к началу декабря 2002 года в БиЛайне, пионере GPRS в России, насчитывалось всего 25000 абонентов.
Архитектура GPRS
Если не вдаваться в глубокие технические подробности, то технология работы GPRS выглядит следующим образом. Архитектура GPRS расширяет стандартные компоненты GSM новыми или обновленными элементами. В целом, таких элементов всего 4, из которых только 2 не были известны в технологии GSM.
Мобильная станция
MS (mobile station) - это мобильная станция, в качестве которой может выступать переносной или карманный компьютер, мобильный телефон или иное устройство, поддерживающее технологию GPRS. Функционально данный элемент состоит из 2-х компонентов, которые могут быть выполнены как в виде единого устройства (например, мобильный телефон Sony Ericsson T68i), так и в виде самостоятельных устройств:
терминальное оборудование (terminal equipment, TE), например, переносной компьютер;
мобильный терминал (mobile terminal, MT), например, модем.
В зависимости от типа оборудования и возможностей сети данная станция может работать в одном из 3-х режимов работы:
Класс A - позволяет мобильной станции в одно и то же время передавать как данные, так и голос, т.е. одновременно работать в GSM- и GPRS-сетях.
Класс B - позволяет мобильной станции передавать и данные и голос, но в разные моменты времени, т.е. не одновременно.
Класс C - позволяет мобильной станции работать только в режиме GPRS.
При подключении к сети GPRS, мобильная станция (а точнее элемент TE) получает IP-адрес, который не меняется до момента отключения мобильного терминала (MT); больше того, мобильная станция может даже и не "подозревать" о том, что она является мобильной. Мобильная станция устанавливает соединение с узлом обслуживания абонентов GPRS, описываемым далее.
Базовая станция
BSS (base station system) - это базовая станция, которая принимает радиосигнал от мобильной станции и, в зависимости от того, что передается (голос или данные), транслирует трафик:
на центр коммутации (mobile switching center, MSC), являющийся стандартным элементом сети GSM, или на узел SGSN, отвечающий за обработку входящих/исходящих данных GPRS.
Узел обслуживания абонентов GPRS
Обслуживающий узел (serving GPRS support node, SGSN) является основным компонентом GPRS-сети. Он транслирует IP-пакеты, посылаемые/получаемые мобильной станцией. По своей сути, это такой же центр коммутации, как и MSC в GSM, но в отличие от последнего, он коммутирует пакеты, а не каналы. Как правило, такой узел построен на базе ОС Unix и имеет свой IP-адрес. С точки зрения безопасности, на SGSN возложены функции:
Проверки разрешений абонентов на пользование запрашиваемых услуг (аутентификация). Механизм аутентификации GPRS совпадает с аналогичным механизмом в GSM.
Мониторинг активных абонентов.
Регистрация новых абонентов.
Шифрование данных. Алгоритм шифрования в технологии GPRS (GEA1, GEA2, GEA3) отличаются от алгоритмов шифрования в GSM (A5/1, A5/2, A5/3), но разработаны на их основе.
Узел маршрутизации GPRS
Узел маршрутизации (gateway GPRS support node, GGSN), также является важнейшим элементом технологии GPRS и отвечает за прием/передачу данных из внешних сетей, например, Internet или GPRS-сети другого оператора связи. С точки зрения внешней сети GGSN - это обычный маршрутизатор (как и SGSN, построенный на базе Unix), который принимает данные для всех подписчиков услуг GPRS. Помимо маршрутизации, GGSN отвечает за выдачу IP-адресов и тарификацию услуг.
Другие элементы GPRS-сети
Home Location Register (HLR) - это реестр собственных абонентов сети, которая хранит информацию о каждом человеке, оплатившем услуги оператора GPRS именно данной сети. В частности, HLR хранит информацию о дополнительных услугах, параметрах аутентификации, IP-адресе и т.д. Обмен данной информацией происходит между HLR и SGSN.
Visitor Location Register (VLR) - это реестр перемещений, которая хранит информацию о каждой мобильной станции, находящейся в данный момент в зоне действия SGSN. В VLR хранится та же информация об абоненте, что и в HLR, но только до тех пор, пока абонент не покинет географическую зону, обслуживаемую этим реестром перемещений.
Equipment Identity Register (EIR) - это реестр идентификационных данных оборудования, который содержит информацию, позволяющую блокировать вызовы от украденных, мошеннических или иных неавторизованных устройств.
Механизмы безопасности GPRS
Если посмотреть внимание на рис.1, то можно выделить следующие фрагменты GPRS-сети, на безопасность которых необходимо обратить соответствующее внимание:
безопасность мобильной станции
безопасность соединения между мобильной станцией и узлом обслуживания SGSN
безопасность данных в процессе их передачи по сети GPRS
безопасность данных в процессе их передачи между различными операторами GPRS-услуг
безопасность данных в процессе их передачи в сети открытого доступа, например, Internet.
Безопасность мобильной станции
Наибольший интерес вызывает безопасность мобильного телефона, который в терминах GPRS является мобильной станцией. Его безопасность складывается из двух составляющих:
SIM-карта
сам телефон
SIM-карта (Subscriber Identity Module) - это модуль идентификации абонента. В SIM-карте содержится информация о сервисах, предоставляемых абоненту, независимая от типа используемого мобильного оборудования. Эта карта может вставляться в любой другой GSM терминал, при этом абонент получает возможность использовать этот терминал для получения всех сервисов системы, на которые он подписан. С точки зрения безопасности SIM-карта отвечает за идентификацию абонента и аутентификацию мобильного телефона в GPRS-сети. Она содержит идентификатор IMSI, индивидуальный ключ аутентификации абонента длиной 128 бит Ki, алгоритм генерации ключей шифрования A8 и алгоритм аутентификации A3 и разумеется PIN-код для доступа к функциям карты. Алгоритм A5 наряду с IMEI включен в состав программного обеспечения телефона и обеспечивает его защиту. Каждый абонент в GPRS-сети имеет уникальный международный идентификатор мобильного абонента (IMSI, International Mobile Subscriber Identity), хранимый в SIM-карте. IMSI состоит из 3 элементов:
трехразрядный код страны (для России - 250)
двухразрядный код сети (для МТС - 01, для Билайн - 99, для СМАРТС - 07 и т.д.)
десятиразрядный код абонента (Mobile Subscriber Identity Number, MSIN).
[pagebreak]
Алгоритм A8 отвечает за генерацию ключей шифрования, который, используя случайное число, передаваемое на мобильный терминал в момент соединения с сетью, и ключ Ki генерит 64-битный ключ шифрования трафика. Так как индивидуальный ключ Ki имеется не только у абонента, но и хранится в реестрах HLR и VLR, то и абонент и оборудование сети создают одинаковый ключ шифрования, который и используется для защиты передаваемых данных.
Алгоритм A3, отвечающий за аутентификацию абонента, похож на алгоритм A8 и также использует случайное число, получаемое в момент подключения к сети и индивидуальный ключ абонента. Для доступа к функциям SIM-карты необходимо использовать специальный персональный код (другими словами, пароль) PIN (Personal Identification Number), после 3-х неправильных попыток ввода которого, SIM-карта блокируется.
Безопасность самого телефона, как уже было сказано выше, обеспечивается двумя механизмами:
алгоритмом шифрования A5, который обеспечивает защиту данных, циркулируемых между мобильной станцией и узлом SGSN.
Уникальным 14-тиразрядным международным идентификатором аппаратуры мобильной связи (International Mobile Equipment Identity, IMEI), который однозначно идентифицирует телефон. Узнать этот номер очень просто - достаточно набрать на телефоне комбинацию *#06#. Если высвеченное число не совпадает с тем, что указано на задней крышке телефона, то вероятнее всего вы пользуетесь взломанным аппаратом. Именно эти номера хранятся в реестре EIR. Данный реестр ведет три типа списков IMEI:
"белый" список, содержащий идентификаторы всех разрешенных аппаратов.
"серый" список, содержащий идентификаторы всех незапрещенных аппаратов, но используемых для различных целей, например, тестирования и т.п.
"черный" список, содержащий идентификаторы всех запрещенных аппаратов. Как заявил в одном из интервью вице-президент МТС (http://www.mts.ru/press/speech9.html) Михаил Сусов "Сейчас между операторами (в России - А.Л.) проводятся переговоры о создании единого "черного списка" краденых телефонов".
Надо понимать, что идентификаторы IMEI и IMSI - независимы между собой. Более того - они решают различные задачи: IMEI идентифицирует мобильный терминал, а IMSI - абонента.
Безопасность соединения мобильной станции с узлом SGSN
В процессе подключения мобильной станции, описываемом далее, между ней и узлом SGSN происходит выбор версии используемого в дальнейшем алгоритма шифрования GPRS-A5. В 3-м квартале 2002 года началось внедрение третьей версии этого алгоритма (A5/3), которая может использоваться не только в GSM-, но и в GPRS-, HSCSD- и EDGE-сетях. Данный алгоритм разработан на базе алгоритма "Казуми" (Kasumi), в свою очередь разработанного на базе алгоритма MISTY компании Мицубиси. Как утверждается в пресс-релизе Ассоциации GSM (http://www.gsmworld.com/news/press_2002/press_15.shtml), A5/3 обеспечивает на сегодняшний день практически 100-процентную защиту передаваемых данных. Однако не стоить безоглядно верить этому утверждению. Аналогичные заявления делались и для предыдущих версий алгоритма A5, история которого начинается с 1987 года, однако они были успешно взломаны.
В сетях GPRS используются алгоритмы семейства A5 - GEA1 и GEA2, а после разработки A5/3 - начинается внедрение созданного на его базе алгоритма GEA3.
Безопасность данных в процессе их передачи по сети GPRS
Все данные между узлами поддержки (SGSN и GGSN) передаются с помощью специального протокола GTP (GPRS Tunneling Protocol), который инкапсулирует в себя любые пользовательские протоколы, например, HTTP, Telnet, FTP и т.д. По умолчанию GTP-трафик не шифруется. Кроме того, опорная сеть строится на базе частных IP-адресов, описанных в RFC 1918 (http://www.ietf.org/rfc/rfc1918.txt), что обеспечивает невозможность прямого доступа к сетевому оборудованию из внешних сетей.
Безопасность в процессе взаимодействия с различными операторами GPRS-услуг
Безопасность возлагается на устройства, называемые пограничными шлюзами (border gateway, BG), которые очень похожи на обычные межсетевые экраны, защищающие корпоративные сети от посягательств злоумышленников. В частности, этот шлюз защищает оператора от атак, связанных с подменой адреса (IP Spoofing).
Настройка такого шлюза включает в себя создание правил, разрешающих входящий/исходящий пользовательский трафик, данные биллинговой системы, аутентификацию роуминговых абонентов и т.п. Дополнительно на пограничный шлюз может быть установлено программное обеспечение, организующее VPN между различными GPRS-операторами.
Помимо встроенных в пограничный шлюз защитных механизмов, существует возможность использования продуктов третьих фирм. Первым таким решением стал межсетевой экран Firewall-1 GX компании CheckPoint Software (http://www.checkpoint.com/products/solutions/firewall-1gx.html), который, будучи установлен на пограничном шлюзе или узле GGSN повышает защищенность сети GPRS-оператора от возможных несанкционированных действий.
Безопасность в процессе взаимодействия с Internet
Основные механизмы безопасности реализованы на узле GGSN, в состав которого входит межсетевой экран, который определяет тип входящего и исходящего GPRS-трафика. Задача межсетевого экрана, входящего в состав GGSN, защитить мобильную станцию от атак внешних (из Internet) хакеров. Защита от атак с других мобильных станций возлагается на узел SGSN. Для предотвращения доступа к сетевому оборудованию опорной сети от внешних злоумышленников используется трансляция адресов (network address translation). Все остальные механизмы защиты могут быть взяты из классической практики обеспечения информационной безопасности Internet-сетей и устройств, например, аутентификация при помощи серверов RADIUS или защита трафика с помощью IPSec.
Процедура подключения мобильной станции
Упрощенно процесс подключения абонента, желающего воспользоваться услугами GPRS, выглядит следующим образом: Мобильная станция посылает запрос (Attach Request) на получение доступа к сети, который содержит ряд параметров, в т.ч. и IMSI.
Узел SGSN, получив такой запрос, проверяет наличие аутентифицирующей данного абонента информации в своей базе. Если такая информация отсутствует, то SGSN посылает запрос в реестр HLR, который возвращает т.н. аутентификационный триплет, содержащий:
Случайное число, используемое в алгоритмах A3 и A8 для выработки ключа шифрования и аутентификации абонента.
32-хразрядный ключ аутентификации абонента, который вырабатывается на основе индивидуального ключа, хранящегося как на мобильной станции, так и в реестре HLR.
Ключ шифрования данных, получаемый также на базе индивидуального ключа абонента.
Полученное случайное число передается на мобильную станцию, которая на его основе вырабатывает ключ шифрования и ключ аутентификации. Т.к. индивидуальные ключи, хранящиеся в реестре HLR и на мобильной станции совпадают, то и ключи шифрования и аутентификации также должны совпадать, что и является фактом правомочности запроса данным абонентом оплаченных GPRS-услуг.
После идентификации абонента осуществляется идентификация оборудования, которое посылает на SGSN идентификатор IMEI. Узел SGSN в свою очередь проводит проверку данного оборудования по реестру EIR.
После аутентификации абонента и оборудования происходит процедура определения местоположения абонента (с использованием реестров HLR и VLR), после чего происходит завершение процедуры подключения мобильной станции к сети GPRS. В том случае, если мобильная станция не смогла пройти аутентификацию, то SGSN посылает на нее сообщение Attach Reject.
Заключение
В заключение хочу добавить, что, при создании технологии GPRS (как и при создании многих современных сетевых технологий) вопросам безопасности внимания уделялось недостаточно. Многие аспекты не описаны и отданы на откуп операторам, которые далеко не всегда уделяет безопасности первостепенное внимание, что приводит к печальным последствиям. Специалистами найдено уже немало недостатков технологии GPRS, но это уже тема другой статьи
Напомним, что IP относится к группе протоколов TCP/IP. Протокол TCP реализует транспортные функции модели OSI (Open Systems Interconnection), ее четвертого уровня. Его основная обязанность - обеспечение надежной связи между начальной и конечной точками пересылки данных. IP располагается в OSI на сетевом, или третьем, уровне; он должен поддерживать передачу маршрутизаторам адресов отправителя и получателя каждого пакета на всем пути его следования.
Маршрутизаторы и коммутаторы третьего уровня считывают записанную в пакетах по правилам IP и других протоколов третьего уровня информацию и используют ее совместно с таблицами маршрутизации и некоторыми другими интеллектуальными средствами поддержки работы сети, пересылая данные по сетям TCP/IP любого масштаба - от "комнатной" до глобальной, охватывающей всю планету.
Процесс маршрутизации начинается с определения IP-адреса, уникального для станции-отправителя (адреса источника), который может быть постоянным или динамическим. Каждый пакет содержит такой адрес, длина которого, в соответствии с современной спецификацией IPv4, составляет 32 бита.
Кроме того, в заголовке пакета записан IP-адрес его места назначения. Если отправляющая станция определяет, что адрес доставки не локальный, пакет направляется маршрутизатору первого сетевого сегмента. Этот маршрутизатор определяет IP-адрес пакета и проверяет по своей таблице, не расположена ли станция получателя в локальной физически подключенной к нему сети, которая называется IP-подсетью (обычно она назначается для всех сетевых интерфейсов маршрутизатора). Если же выясняется, что IP-адрес получателя локальный, маршрутизатор начинает искать внутреннее хранилище IP- и MAC-адресов локальных устройств - ARP-кэш (Adress Resolution Protocol), позволяющий сопоставлять IP- и MAC-адреса.
При обнаружении нужного MAC-адреса маршрутизатор помещает его в заголовок пакета (удаляя собственный MAC-адрес, который больше не нужен) и направляет пакет по месту назначения. Если MAC-адрес получателя не найден в ARP-кэше, маршрутизатор пересылает ARP-запрос в подсеть, соответствующую IP-адресу получателя пакета, где конечная станция с этим IP-адресом передает ответ на запрос, содержащий необходимый MAC-адрес. Затем маршрутизатор обновляет содержимое кэша, устанавливает новый MAC-адрес в заголовке пакета и отправляет его. Если пакет не предназначен для локальной подсети, маршрутизатор направляет его на маршрутизатор следующего сегмента по MAC-адресу последнего.
Процесс построения и обновления таблиц маршрутизации практически непрерывен. Он осуществляется средствами, использующими интеллектуальные протоколы обнаружения, например RIP или OSPF. В таблице каждого маршрутизатора указан оптимальный маршрут до адреса назначения или до маршрутизатора следующего сегмента (если адрес не принадлежит локальной подсети). Последовательно просматривая собственные таблицы маршрутизации, соответствующие устройства передают пакет "по этапу", запрашивая, при необходимости, MAC-адрес конечной станции. Этот процесс продолжается до тех пор, пока пакет не доберется до пункта назначения.
Однако при пересылке пакета через множество сетевых сегментов существует опасность образования "петель": неправильно сконфигурированный маршрутизатор постоянно возвращает пакет тому маршрутизатору, через который данный пакет уже проходил. Во избежание этого в IP предусмотрена TTL-функция (time-to-live), позволяющая задать предел времени путешествия пакета по сети. Значение TTL устанавливается заранее и уменьшается на единицу при каждом прохождении любого сегмента. Если величина TTL становится равной нулю, пакет удаляется, а маршрутизатор отсылает отправителю сообщение ICMP.
Механизм IP- маршрутизации
1. Маршрутизатор проверяет IP-адрес входящего пакета и просматривает т аблицу, определяя, не является ли пунктом назначения локальная сеть.
2. Если IP-адрес назначения локальный, то маршрутизатор находит во внутреннем хранилище IP- и MAC-адресов локальных устройств MAC-адрес места назначения, помещает его в заголовок пакета и направляет пакет получателю.
3. Если MAC-адрес получателя не обнаруживается, маршрутизатор должен послать запрос о нем по IP-адресу получателя. Если после просмотра таблицы выясняется, что пакет не предназначен для локальной сети, маршрутизатор переправляет его маршрутизатору следующего сетевого сегмента, используя MAC-адрес последнего.
До появления Windows XP даже самым опытным специалистам отделов ИТ было нелегко добиться корректной работы инфракрасного порта. Приходилось преодолевать многочисленные проблемы с драйверами, и, даже если ИК-порт одной машины функционировал исправно, не действовал порт на другой.
Благодаря Windows XP положение изменилось. Впервые многие пользователи смогли оценить наличие ИК-портов у своих ноутбуков. IrDA-порт ноутбука обеспечивает соединение на линии прямой видимости на расстоянии до 2м.
У большинства новых ноутбуков скорость передачи данных достигает 4Мбит/с.
Какие же выгоды дает исправно функционирующий ИК-порт?
- Синхронизация. Вероятно, самое известное применение - синхронизация устройств Palm и карманных ПК без док-станций. Конечно, с такой станцией время пересылки данных было бы несколько меньше, но важно то, что цель достигается.
- Печать. В некоторых принтерах так же есть ИК-порты, и файлы из ноутбука можно распечатать, не подключая его к сети. Чтобы установить связь с принтером, нужно вызвать «мастера» Add Printer, щелкнув на пиктограмме Printers and Faxes в Панели управления. Следуйте указаниям «мастера» и выберите локальный ИК-порт для загрузки драйвера принтера.
- Пересылка файлов. Через ИК-порт можно пересылать файлы между ноутбуками, неподключенными к сети. Разместите два ноутбука таким образом, чтобы ИК-порт каждого из них находился «в поле зрения» другого.
Затем соберите файлы и перешлите их с одного ноутбука на другой. В качестве меры предосторожности принимающий ноутбук «испросит» у пользователя разрешения принять файлы. Достаточно щелкнуть на кнопке OK, и все остальные действия будут выполнены автоматически.
Многих пользователей интересует Bluetooth. Эта беспроводная технология обладает большей дальностью действия, но максимальная пропускная способность составляет лишь 1Мбит/с. Вероятно, в будущем она вытеснит ИК, но в настоящее время ИК-порт есть почти на каждом ноутбуке, чего не скажешь о Bluetooth.
Все протоколы обмена маршрутной информацией стека TCP/IP относятся к классу адаптивных протоколов, которые в свою очередь делятся на две группы, каждая из которых связана с одним из следующих типов алгоритмов:
* дистанционно-векторный алгоритм (Distance Vector Algorithms, DVA),
* алгоритм состояния связей (Link State Algorithms, LSA).
В алгоритмах дистанционно-векторного типа каждый маршрутизатор периодически и широковещательно рассылает по сети вектор расстояний от себя до всех известных ему сетей. Под расстоянием обычно понимается число промежуточных маршрутизаторов через которые пакет должен пройти прежде, чем попадет в соответствующую сеть. Может использоваться и другая метрика, учитывающая не только число перевалочных пунктов, но и время прохождения пакетов по связи между соседними маршрутизаторами.
Получив вектор от соседнего маршрутизатора, каждый маршрутизатор добавляет к нему информацию об известных ему других сетях, о которых он узнал непосредственно (если они подключены к его портам) или из аналогичных объявлений других маршрутизаторов, а затем снова рассылает новое значение вектора по сети. В конце-концов, каждый маршрутизатор узнает информацию об имеющихся в интерсети сетях и о расстоянии до них через соседние маршрутизаторы.
Дистанционно-векторные алгоритмы хорошо работают только в небольших сетях. В больших сетях они засоряют линии связи интенсивным широковещательным трафиком, к тому же изменения конфигурации могут отрабатываться по этому алгоритму не всегда корректно, так как маршрутизаторы не имеют точного представления о топологии связей в сети, а располагают только обобщенной информацией - вектором дистанций, к тому же полученной через посредников. Работа маршрутизатора в соответствии с дистанционно-векторным протоколом напоминает работу моста, так как точной топологической картины сети такой маршрутизатор не имеет.
Наиболее распространенным протоколом, основанным на дистанционно-векторном алгоритме, является протокол RIP.
Алгоритмы состояния связей обеспечивают каждый маршрутизатор информацией, достаточной для построения точного графа связей сети. Все маршрутизаторы работают на основании одинаковых графов, что делает процесс маршрутизации более устойчивым к изменениям конфигурации. Широковещательная рассылка используется здесь только при изменениях состояния связей, что происходит в надежных сетях не так часто.
Для того, чтобы понять, в каком состоянии находятся линии связи, подключенные к его портам, маршрутизатор периодически обменивается короткими пакетами со своими ближайшими соседями. Этот трафик также широковещательный, но он циркулирует только между соседями и поэтому не так засоряет сеть.
Протоколом, основанным на алгоритме состояния связей, в стеке TCP/IP является протокол OSPF.
Дистанционно-векторный протокол RIP
Протокол RIP (Routing Information Protocol) представляет собой один из старейших протоколов обмена маршрутной информацией, однако он до сих пор чрезвычайно распространен в вычислительных сетях. Помимо версии RIP для сетей TCP/IP, существует также версия RIP для сетей IPX/SPX компании Novell.
В этом протоколе все сети имеют номера (способ образования номера зависит от используемого в сети протокола сетевого уровня), а все маршрутизаторы - идентификаторы. Протокол RIP широко использует понятие "вектор расстояний". Вектор расстояний представляет собой набор пар чисел, являющихся номерами сетей и расстояниями до них в хопах.
Вектора расстояний итерационно распространяются маршрутизаторами по сети, и через несколько шагов каждый маршрутизатор имеет данные о достижимых для него сетях и о расстояниях до них. Если связь с какой-либо сетью обрывается, то маршрутизатор отмечает этот факт тем, что присваивает элементу вектора, соответствующему расстоянию до этой сети, максимально возможное значение, которое имеет специальный смысл - "связи нет". Таким значением в протоколе RIP является число 16.
При необходимости отправить пакет в сеть D маршрутизатор просматривает свою базу данных маршрутов и выбирает порт, имеющий наименьшее расстояния до сети назначения (в данном случае порт, связывающий его с маршрутизатором 3).
Для адаптации к изменению состояния связей и оборудования с каждой записью таблицы маршрутизации связан таймер. Если за время тайм-аута не придет новое сообщение, подтверждающее этот маршрут, то он удаляется из маршрутной таблицы.
При использовании протокола RIP работает эвристический алгоритм динамического программирования Беллмана-Форда, и решение, найденное с его помощью является не оптимальным, а близким к оптимальному. Преимуществом протокола RIP является его вычислительная простота, а недостатками - увеличение трафика при периодической рассылке широковещательных пакетов и неоптимальность найденного маршрута.
При обрыве связи с сетью 1 маршрутизатор М1 отмечает, что расстояние до этой сети приняло значение 16. Однако получив через некоторое время от маршрутизатора М2 маршрутное сообщение о том, что от него до сети 1 расстояние составляет 2 хопа, маршрутизатор М1 наращивает это расстояние на 1 и отмечает, что сеть 1 достижима через маршрутизатор 2. В результате пакет, предназначенный для сети 1, будет циркулировать между маршрутизаторами М1 и М2 до тех пор, пока не истечет время хранения записи о сети 1 в маршрутизаторе 2, и он не передаст эту информацию маршрутизатору М1.
Для исключения подобных ситуаций маршрутная информация об известной маршрутизатору сети не передается тому маршрутизатору, от которого она пришла.
Существуют и другие, более сложные случаи нестабильного поведения сетей, использующих протокол RIP, при изменениях в состоянии связей или маршрутизаторов сети.
Комбинирование различных протоколов обмена. Протоколы EGP и BGP сети Internet
Большинство протоколов маршрутизации, применяемых в современных сетях с коммутацией пакетов, ведут свое происхождение от сети Internet и ее предшественницы - сети ARPANET. Для того, чтобы понять их назначение и особенности, полезно сначала познакомится со структурой сети Internet, которая наложила отпечаток на терминологию и типы протоколов.
Internet изначально строилась как сеть, объединяющая большое количество существующих систем. С самого начала в ее структуре выделяли магистральную сеть (core backbone network), а сети, присоединенные к магистрали, рассматривались как автономные системы (autonomous systems). Магистральная сеть и каждая из автономных систем имели свое собственное административное управление и собственные протоколы маршрутизации. Далее маршрутизаторы будут называться шлюзами для следования традиционной терминологии Internet.
Шлюзы, которые используются для образования подсетей внутри автономной системы, называются внутренними шлюзами (interior gateways), а шлюзы, с помощью которых автономные системы присоединяются к магистрали сети, называются внешними шлюзами (exterior gateways). Непосредственно друг с другом автономные системы не соединяются. Соответственно, протоколы маршрутизации, используемые внутри автономных систем, называются протоколами внутренних шлюзов (interior gateway protocol, IGP), а протоколы, определяющие обмен маршрутной информацией между внешними шлюзами и шлюзами магистральной сети - протоколами внешних шлюзов (exterior gateway protocol, EGP). Внутри магистральной сети также может использоваться любой собственный внутренний протокол IGP.
Смысл разделения всей сети Internet на автономные системы в ее многоуровневом представлении, что необходимо для любой крупной системы, способной к расширению в больших масштабах. Внутренние шлюзы могут использовать для внутренней маршрутизации достаточно подробные графы связей между собой, чтобы выбрать наиболее рациональный маршрут. Однако, если информация такой степени детализации будет храниться во всех маршрутизаторах сети, то топологические базы данных так разрастутся, что потребуют наличия памяти гигантских размеров, а время принятия решений о маршрутизации непременно возрастет.
Поэтому детальная топологическая информация остается внутри автономной системы, а автономную систему как единое целое для остальной части Internet представляют внешние шлюзы, которые сообщают о внутреннем составе автономной системы минимально необходимые сведения - количество IP-сетей, их адреса и внутреннее расстояние до этих сетей от данного внешнего шлюза.
При инициализации внешний шлюз узнает уникальный идентификатор обслуживаемой им автономной системы, а также таблицу достижимости (reachability table), которая позволяет ему взаимодействовать с другими внешними шлюзами через магистральную сеть.
Затем внешний шлюз начинает взаимодействовать по протоколу EGP с другими внешними шлюзами и обмениваться с ними маршрутной информацией, состав которой описан выше. В результате, при отправке пакета из одной автономной системы в другую, внешний шлюз данной системы на основании маршрутной информации, полученной от всех внешних шлюзов, с которыми он общается по протоколу EGP, выбирает наиболее подходящий внешний шлюз и отправляет ему пакет.
Каждая функция работает на основе обмена сообщениями запрос-ответ.
Так как каждая автономная система работает под контролем своего административного штата, то перед началом обмена маршрутной информацией внешние шлюзы должны согласиться на такой обмен. Сначала один из шлюзов посылает запрос на установление соседских отношений (acquisition request) другому шлюзу. Если тот согласен на это, то он отвечает сообщением подтверждение установления соседских отношений (acquisition confirm), а если нет - то сообщением отказ от установления соседских отношений (acquisition refuse), которое содержит также причину отказа.
После установления соседских отношений шлюзы начинают периодически проверять состояние достижимости друг друга. Это делается либо с помощью специальных сообщений (привет (hello) и Я-услышал-тебя (I-heard-you)), либо встраиванием подтверждающей информации непосредственно в заголовок обычного маршрутного сообщения.
Обмен маршрутной информацией начинается с посылки одним из шлюзов другому сообщения запрос данных (poll request) о номерах сетей, обслуживаемых другим шлюзом и расстояниях до них от него. Ответом на это сообщение служит сообщение обновленная маршрутная информация (routing ). Если же запрос оказался некорректным, то в ответ на него отсылается сообщение об ошибке.
Все сообщения протокола EGP передаются в поле данных IP-пакетов. Сообщения EGP имеют заголовок фиксированного формата.
Поля Тип и Код совместно определяют тип сообщения, а поле Статус - информацию, зависящую от типа сообщения. Поле Номер автономной системы - это номер, назначенный той автономной системе, к которой присоединен данный внешний шлюз. Поле Номер последовательности служит для синхронизации процесса запросов и ответов.
[pagebreak]
Поле IP-адрес исходной сети в сообщениях запроса и обновления маршрутной информации обозначает сеть, соединяющую два внешних шлюза.
Сообщение об обновленной маршрутной информации содержит список адресов сетей, которые достижимы в данной автономной системе. Этот список упорядочен по внутренним шлюзам, которые подключены к исходной сети и через которые достижимы данные сети, а для каждого шлюза он упорядочен по расстоянию до каждой достижимой сети от исходной сети, а не от данного внутреннего шлюза. Для примера внешний шлюз R2 в своем сообщении указывает, что сеть 4 достижима с помощью шлюза R3 и расстояние ее равно 2, а сеть 2 достижима через шлюз R2 и ее расстояние равно 1 (а не 0, как если бы шлюз измерял ее расстояние от себя, как в протоколе RIP).
Протокол EGP имеет достаточно много ограничений, связанных с тем, что он рассматривает магистральную сеть как одну неделимую магистраль.
Развитием протокола EGP является протокол BGP (Border Gateway Protocol), имеющий много общего с EGP и используемый наряду с ним в магистрали сети Internet.
Протокол состояния связей OSPF
Протокол OSPF (Open Shortest Path Firs) является достаточно современной реализацией алгоритма состояния связей (он принят в 1991 году) и обладает многими особенностями, ориентированными на применение в больших гетерогенных сетях.
Протокол OSPF вычисляет маршруты в IP-сетях, сохраняя при этом другие протоколы обмена маршрутной информацией.
Непосредственно связанные (то есть достижимые без использования промежуточных маршрутизаторов) маршрутизаторы называются "соседями". Каждый маршрутизатор хранит информацию о том, в каком состоянии по его мнению находится сосед. Маршрутизатор полагается на соседние маршрутизаторы и передает им пакеты данных только в том случае, если он уверен, что они полностью работоспособны. Для выяснения состояния связей маршрутизаторы-соседи достаточно часто обмениваются короткими сообщениями HELLO.
Для распространения по сети данных о состоянии связей маршрутизаторы обмениваются сообщениями другого типа. Эти сообщения называются router links advertisement - объявление о связях маршрутизатора (точнее, о состоянии связей). OSPF-маршрутизаторы обмениваются не только своими, но и чужими объявлениями о связях, получая в конце-концов информацию о состоянии всех связей сети. Эта информация и образует граф связей сети, который, естественно, один и тот же для всех маршрутизаторов сети.
Кроме информации о соседях, маршрутизатор в своем объявлении перечисляет IP-подсети, с которыми он связан непосредственно, поэтому после получения информации о графе связей сети, вычисление маршрута до каждой сети производится непосредственно по этому графу по алгоритму Дэйкстры. Более точно, маршрутизатор вычисляет путь не до конкретной сети, а до маршрутизатора, к которому эта сеть подключена. Каждый маршрутизатор имеет уникальный идентификатор, который передается в объявлении о состояниях связей. Такой подход дает возможность не тратить IP-адреса на связи типа "точка-точка" между маршрутизаторами, к которым не подключены рабочие станции.
Маршрутизатор вычисляет оптимальный маршрут до каждой адресуемой сети, но запоминает только первый промежуточный маршрутизатор из каждого маршрута. Таким образом, результатом вычислений оптимальных маршрутов является список строк, в которых указывается номер сети и идентификатор маршрутизатора, которому нужно переслать пакет для этой сети. Указанный список маршрутов и является маршрутной таблицей, но вычислен он на основании полной информации о графе связей сети, а не частичной информации, как в протоколе RIP.
Описанный подход приводит к результату, который не может быть достигнут при использовании протокола RIP или других дистанционно-векторных алгоритмов. RIP предполагает, что все подсети определенной IP-сети имеют один и тот же размер, то есть, что все они могут потенциально иметь одинаковое число IP-узлов, адреса которых не перекрываются. Более того, классическая реализация RIP требует, чтобы выделенные линии "точка-точка" имели IP-адрес, что приводит к дополнительным затратам IP-адресов.
В OSPF такие требования отсутствуют: сети могут иметь различное число хостов и могут перекрываться. Под перекрытием понимается наличие нескольких маршрутов к одной и той же сети. В этом случае адрес сети в пришедшем пакете может совпасть с адресом сети, присвоенным нескольким портам.
Если адрес принадлежит нескольким подсетям в базе данных маршрутов, то продвигающий пакет маршрутизатор использует наиболее специфический маршрут, то есть адрес подсети, имеющей более длинную маску.
Например, если рабочая группа ответвляется от главной сети, то она имеет адрес главной сети наряду с более специфическим адресом, определяемым маской подсети. При выборе маршрута к хосту в подсети этой рабочей группы маршрутизатор найдет два пути, один для главной сети и один для рабочей группы. Так как последний более специфичен, то он и будет выбран. Этот механизм является обобщением понятия "маршрут по умолчанию", используемого во многих сетях.
Использование подсетей с различным количеством хостов является вполне естественным. Например, если в здании или кампусе на каждом этаже имеются локальные сети, и на некоторых этажах компьютеров больше, чем на других, то администратор может выбрать размеры подсетей, отражающие ожидаемые требования каждого этажа, а не соответствующие размеру наибольшей подсети.
В протоколе OSPF подсети делятся на три категории:
* "хост-сеть", представляющая собой подсеть из одного адреса,
* "тупиковая сеть", которая представляет собой подсеть, подключенную только к одному маршрутизатору,
* "транзитная сеть", которая представляет собой подсеть, подключенную к более чем одному маршрутизатору.
Транзитная сеть является для протокола OSPF особым случаем. В транзитной сети несколько маршрутизаторов являются взаимно и одновременно достижимыми. В широковещательных локальных сетях, таких как Ethernet или Token Ring, маршрутизатор может послать одно сообщение, которое получат все его соседи. Это уменьшает нагрузку на маршрутизатор, когда он посылает сообщения для определения существования связи или обновленные объявления о соседях.
Однако, если каждый маршрутизатор будет перечислять всех своих соседей в своих объявлениях о соседях, то объявления займут много места в памяти маршрутизатора. При определении пути по адресам транзитной подсети может обнаружиться много избыточных маршрутов к различным маршрутизаторам. На вычисление, проверку и отбраковку этих маршрутов уйдет много времени.
Когда маршрутизатор начинает работать в первый раз (то есть инсталлируется), он пытается синхронизировать свою базу данных со всеми маршрутизаторами транзитной локальной сети, которые по определению имеют идентичные базы данных. Для упрощения и оптимизации этого процесса в протоколе OSPF используется понятие "выделенного" маршрутизатора, который выполняет две функции.
Во-первых, выделенный маршрутизатор и его резервный "напарник" являются единственными маршрутизаторами, с которыми новый маршрутизатор будет синхронизировать свою базу. Синхронизировав базу с выделенным маршрутизатором, новый маршрутизатор будет синхронизирован со всеми маршрутизаторами данной локальной сети.
Во-вторых, выделенный маршрутизатор делает объявление о сетевых связях, перечисляя своих соседей по подсети. Другие маршрутизаторы просто объявляют о своей связи с выделенным маршрутизатором. Это делает объявления о связях (которых много) более краткими, размером с объявление о связях отдельной сети.
Для начала работы маршрутизатора OSPF нужен минимум информации - IP-конфигурация (IP-адреса и маски подсетей), некоторая информация по умолчанию (default) и команда на включение. Для многих сетей информация по умолчанию весьма похожа. В то же время протокол OSPF предусматривает высокую степень программируемости.
Интерфейс OSPF (порт маршрутизатора, поддерживающего протокол OSPF) является обобщением подсети IP. Подобно подсети IP, интерфейс OSPF имеет IP-адрес и маску подсети. Если один порт OSPF поддерживает более, чем одну подсеть, протокол OSPF рассматривает эти подсети так, как если бы они были на разных физических интерфейсах, и вычисляет маршруты соответственно.
Интерфейсы, к которым подключены локальные сети, называются широковещательными (broadcast) интерфейсами, так как они могут использовать широковещательные возможности локальных сетей для обмена сигнальной информацией между маршрутизаторами. Интерфейсы, к которым подключены глобальные сети, не поддерживающие широковещание, но обеспечивающие доступ ко многим узлам через одну точку входа, например сети Х.25 или frame relay, называются нешироковещательными интерфейсами с множественным доступом или NBMA (non-broadcast multi-access).
Они рассматриваются аналогично широковещательным интерфейсам за исключением того, что широковещательная рассылка эмулируется путем посылки сообщения каждому соседу. Так как обнаружение соседей не является автоматическим, как в широковещательных сетях, NBMA-соседи должны задаваться при конфигурировании вручную. Как на широковещательных, так и на NBMA-интерфейсах могут быть заданы приоритеты маршрутизаторов для того, чтобы они могли выбрать выделенный маршрутизатор.
Интерфейсы "точка-точка", подобные PPP, несколько отличаются от традиционной IP-модели. Хотя они и могут иметь IP-адреса и подмаски, но необходимости в этом нет.
В простых сетях достаточно определить, что пункт назначения достижим и найти маршрут, который будет удовлетворительным. В сложных сетях обычно имеется несколько возможных маршрутов. Иногда хотелось бы иметь возможности по установлению дополнительных критериев для выбора пути: например, наименьшая задержка, максимальная пропускная способность или наименьшая стоимость (в сетях с оплатой за пакет). По этим причинам протокол OSPF позволяет сетевому администратору назначать каждому интерфейсу определенное число, называемое метрикой, чтобы оказать нужное влияние на выбор маршрута.
Число, используемое в качестве метрики пути, может быть назначено произвольным образом по желанию администратора. Но по умолчанию в качестве метрики используется время передачи бита в 10-ти наносекундных единицах (10 Мб/с Ethernet'у назначается значение 10, а линии 56 Кб/с - число 1785). Вычисляемая протоколом OSPF метрика пути представляет собой сумму метрик всех проходимых в пути связей; это очень грубая оценка задержки пути. Если маршрутизатор обнаруживает более, чем один путь к удаленной подсети, то он использует путь с наименьшей стоимостью пути.
В протоколе OSPF используется несколько временных параметров, и среди них наиболее важными являются интервал сообщения HELLO и интервал отказа маршрутизатора (router dead interval).
HELLO - это сообщение, которым обмениваются соседние, то есть непосредственно связанные маршрутизаторы подсети, с целью установить состояние линии связи и состояние маршрутизатора-соседа. В сообщении HELLO маршрутизатор передает свои рабочие параметры и говорит о том, кого он рассматривает в качестве своих ближайших соседей. Маршрутизаторы с разными рабочими параметрами игнорируют сообщения HELLO друг друга, поэтому неверно сконфигурированные маршрутизаторы не будут влиять на работу сети.
Каждый маршрутизатор шлет сообщение HELLO каждому своему соседу по крайней мере один раз на протяжении интервала HELLO. Если интервал отказа маршрутизатора истекает без получения сообщения HELLO от соседа, то считается, что сосед неработоспособен, и распространяется новое объявление о сетевых связях, чтобы в сети произошел пересчет маршрутов.
Пример маршрутизации по алгоритму OSPF
Представим себе один день из жизни транзитной локальной сети. Пусть у нас имеется сеть Ethernet, в которой есть три маршрутизатора - Джон, Фред и Роб (имена членов рабочей группы Internet, разработавшей протокол OSPF). Эти маршрутизаторы связаны с сетями в других городах с помощью выделенных линий.
Пусть произошло восстановление сетевого питания после сбоя. Маршрутизаторы и компьютеры перезагружаются и начинают работать по сети Ethernet. После того, как маршрутизаторы обнаруживают, что порты Ethernet работают нормально, они начинают генерировать сообщения HELLO, которые говорят о их присутствии в сети и их конфигурации. Однако маршрутизация пакетов начинает осуществляться не сразу - сначала маршрутизаторы должны синхронизировать свои маршрутные базы.
На протяжении интервала отказа маршрутизаторы продолжают посылать сообщения HELLO. Когда какой-либо маршрутизатор посылает такое сообщение, другие его получают и отмечают, что в локальной сети есть другой маршрутизатор. Когда они посылают следующее HELLO, они перечисляют там и своего нового соседа.
Когда период отказа маршрутизатора истекает, то маршрутизатор с наивысшим приоритетом и наибольшим идентификатором объявляет себя выделенным (а следующий за ним по приоритету маршрутизатор объявляет себя резервным выделенным маршрутизатором) и начинает синхронизировать свою базу данных с другими маршрутизаторами.
[pagebreak]
С этого момента времени база данных маршрутных объявлений каждого маршрутизатора может содержать информацию, полученную от маршрутизаторов других локальных сетей или из выделенных линий. Роб, например, вероятно получил информацию от Мило и Робина об их сетях, и он может передавать туда пакеты данных. Они содержат информацию о собственных связях маршрутизатора и объявления о связях сети.
Базы данных теперь синхронизированы с выделенным маршрутизатором, которым является Джон. Джон суммирует свою базу данных с каждой базой данных своих соседей - базами Фреда, Роба и Джеффа - индивидуально. В каждой синхронизирующейся паре объявления, найденные только в какой-либо одной базе, копируются в другую. Выделенный маршрутизатор, Джон, распространяет новые объявления среди других маршрутизаторов своей локальной сети.
Например, объявления Мило и Робина передаются Джону Робом, а Джон в свою очередь передает их Фреду и Джеффри. Обмен информацией между базами продолжается некоторое время, и пока он не завершится, маршрутизаторы не будут считать себя работоспособными. После этого они себя таковыми считают, потому что имеют всю доступную информацию о сети.
Посмотрим теперь, как Робин вычисляет маршрут через сеть. Две из связей, присоединенных к его портам, представляют линии T-1, а одна - линию 56 Кб/c. Робин сначала обнаруживает двух соседей - Роба с метрикой 65 и Мило с метрикой 1785. Из объявления о связях Роба Робин обнаружил наилучший путь к Мило со стоимостью 130, поэтому он отверг непосредственный путь к Мило, поскольку он связан с большей задержкой, так как проходит через линии с меньшей пропускной способностью. Робин также обнаруживает транзитную локальную сеть с выделенным маршрутизатором Джоном. Из объявлений о связях Джона Робин узнает о пути к Фреду и, наконец, узнает о пути к маршрутизаторам Келли и Джеффу и к их тупиковым сетям.
После того, как маршрутизаторы полностью входят в рабочий режим, интенсивность обмена сообщениями резко падает. Обычно они посылают сообщение HELLO по своим подсетям каждые 10 секунд и делают объявления о состоянии связей каждые 30 минут (если обнаруживаются изменения в состоянии связей, то объявление передается, естественно, немедленно). Обновленные объявления о связях служат гарантией того, что маршрутизатор работает в сети. Старые объявления удаляются из базы через определенное время.
Представим, однако, что какая-либо выделенная линия сети отказала. Присоединенные к ней маршрутизаторы распространяют свои объявления, в которых они уже не упоминают друг друга. Эта информация распространяется по сети, включая маршрутизаторы транзитной локальной сети. Каждый маршрутизатор в сети пересчитывает свои маршруты, находя, может быть, новые пути для восстановления утраченного взаимодействия.
Сравнение протоколов RIP и OSPF по затратам на широковещательный трафик
В сетях, где используется протокол RIP, накладные расходы на обмен маршрутной информацией строго фиксированы. Если в сети имеется определенное число маршрутизаторов, то трафик, создаваемый передаваемой маршрутной информацией, описываются формулой (1):
(1) F = (число объявляемых маршрутов/25) x 528 (байтов в сообщении) x
(число копий в единицу времени) x 8 (битов в байте)
В сети с протоколом OSPF загрузка при неизменном состоянии линий связи создается сообщениями HELLO и обновленными объявлениями о состоянии связей, что описывается формулой (2):
(2) F = { [ 20 + 24 + 20 + (4 x число соседей)] x
(число копий HELLO в единицу времени) }x 8 +
[(число объявлений x средний размер объявления) x
(число копий объявлений в единицу времени)] x 8,
где 20 - размер заголовка IP-пакета,
24 - заголовок пакета OSPF,
20 - размер заголовка сообщения HELLO,
4 - данные на каждого соседа.
Интенсивность посылки сообщений HELLO - каждые 10 секунд, объявлений о состоянии связей - каждые полчаса. По связям "точка-точка" или по широковещательным локальным сетям в единицу времени посылается только одна копия сообщения, по NBMA сетям типа frame relay каждому соседу посылается своя копия сообщения. В сети frame relay с 10 соседними маршрутизаторами и 100 маршрутами в сети (подразумевается, что каждый маршрут представляет собой отдельное OSPF-обобщение о сетевых связях и что RIP распространяет информацию о всех этих маршрутах) трафик маршрутной информации определяется соотношениями (3) и (4):
(3) RIP: (100 маршрутов / 25 маршрутов в объявлении) x 528 x
(10 копий / 30 сек) = 5 632 б/с
(4) OSPF: {[20 + 24 + 20 + (4 x 10) x (10 копий / 10 сек)] +
[100 маршрутов x (32 + 24 + 20) + (10 копий / 30 x 60 сек]} x 8 = 1 170 б/с
Как видно из полученных результатов, для нашего гипотетического примера трафик, создаваемый протоколом RIP, почти в пять раз интенсивней трафика, создаваемого протоколом OSPF.
Использование других протоколов маршрутизации
Случай использования в сети только протокола маршрутизации OSPF представляется маловероятным. Если сеть присоединена к Internet'у, то могут использоваться такие протоколы, как EGP (Exterior Gateway protocol), BGP (Border Gateway Protocol, протокол пограничного маршрутизатора), старый протокол маршрутизации RIP или собственные протоколы производителей.
Когда в сети начинает применяться протокол OSPF, то существующие протоколы маршрутизации могут продолжать использоваться до тех пор, пока не будут полностью заменены. В некоторых случаях необходимо будет объявлять о статических маршрутах, сконфигурированных вручную.
В OSPF существует понятие автономных систем маршрутизаторов (autonomous systems), которые представляют собой домены маршрутизации, находящиеся под общим административным управлением и использующие единый протокол маршрутизации. OSPF называет маршрутизатор, который соединяет автономную систему с другой автономной системой, использующей другой протокол маршрутизации, пограничным маршрутизатором автономной системы (autonomous system boundary router, ASBR).
В OSPF маршруты (именно маршруты, то есть номера сетей и расстояния до них во внешней метрике, а не топологическая информация) из одной автономной системы импортируются в другую автономную систему и распространяются с использованием специальных внешних объявлений о связях.
Внешние маршруты обрабатываются за два этапа. Маршрутизатор выбирает среди внешних маршрутов маршрут с наименьшей внешней метрикой. Если таковых оказывается больше, чем 2, то выбирается путь с меньшей стоимостью внутреннего пути до ASBR.
Область OSPF - это набор смежных интерфейсов (территориальных линий или каналов локальных сетей). Введение понятия "область" служит двум целям - управлению информацией и определению доменов маршрутизации.
Для понимания принципа управления информацией рассмотрим сеть, имеющую следующую структуру: центральная локальная сеть связана с помощью 50 маршрутизаторов с большим количеством соседей через сети X.25 или frame relay. Эти соседи представляют собой большое количество небольших удаленных подразделений, например, отделов продаж или филиалов банка.
Из-за большого размера сети каждый маршрутизатор должен хранить огромное количество маршрутной информации, которая должна передаваться по каждой из линий, и каждое из этих обстоятельств удорожает сеть. Так как топология сети проста, то большая часть этой информации и создаваемого ею трафика не имеют смысла.
Для каждого из удаленных филиалов нет необходимости иметь детальную маршрутную информацию о всех других удаленных офисах, в особенности, если они взаимодействуют в основном с центральными компьютерами, связанными с центральными маршрутизаторами. Аналогично, центральным маршрутизаторам нет необходимости иметь детальную информацию о топологии связей с удаленными офисами, соединенными с другими центральными маршрутизаторами.
В то же время центральные маршрутизаторы нуждаются в информации, необходимой для передачи пакетов следующему центральному маршрутизатору. Администратор мог бы без труда разделить эту сеть на более мелкие домены маршрутизации для того, чтобы ограничить объемы хранения и передачи по линиям связи не являющейся необходимой информации. Обобщение маршрутной информации является главной целью введения областей в OSPF.
В протоколе OSPF определяется также пограничный маршрутизатор области (ABR, area border router). ABR - это маршрутизатор с интерфейсами в двух или более областях, одна из которых является специальной областью, называемой магистральной (backbone area). Каждая область работает с отдельной базой маршрутной информации и независимо вычисляет маршруты по алгоритму OSPF.
Пограничные маршрутизаторы передают данные о топологии области в соседние области в обобщенной форме - в виде вычисленных маршрутов с их весами. Поэтому в сети, разбитой на области, уже не действует утверждение о том, что все маршрутизаторы оперируют с идентичными топологическими базами данных.
Маршрутизатор ABR берет информацию о маршрутах OSPF, вычисленную в одной области, и транслирует ее в другую область путем включения этой информации в обобщенное суммарное объявление (summary) для базы данных другой области. Суммарная информация описывает каждую подсеть области и дает для нее метрику. Суммарная информация может быть использована тремя способами: для объявления об отдельном маршруте, для обобщения нескольких маршрутов или же служить маршрутом по умолчанию.
Дальнейшее уменьшение требований к ресурсам маршрутизаторов происходит в том случае, когда область представляет собой тупиковую область (stub area). Этот атрибут администратор сети может применить к любой области, за исключением магистральной. ABR в тупиковой области не распространяет внешние объявления или суммарные объявления из других областей. Вместо этого он делает одно суммарное объявление, которое будет удовлетворять любой IP-адрес, имеющий номер сети, отличный от номеров сетей тупиковой области. Это объявление называется маршрутом по умолчанию.
Маршрутизаторы тупиковой области имеют информацию, необходимую только для вычисления маршрутов между собой плюс указания о том, что все остальные маршруты должны проходить через ABR. Такой подход позволяет уменьшить в нашей гипотетической сети количество маршрутной информации в удаленных офисах без уменьшения способности маршрутизаторов корректно передавать пакеты.
Рассмотрим пример работы с графикой в среде программирования Delphi
1. Как поместить изображение (картинку) в базу данных.
Приведу сразу пример:
.
.
.
.
. А теперь пояснения:
Класс TBlobField служит для работы с полями базы данных, представленных в виде большого количества бинарных данных (binary large object - BLOB).
Связь с таблицей базы данных осуществляется с помощью объекта Table1, для добавление новой записи служит команда . В поля таблицы my_pic1 и my_pic2, которые имеют тип BLOB (или binary для таблицы Paradox), загружаем изображения двумя способами: из файла (с помощью объекта OpenDialog1) и из объекта Image1.
2. Как считать картинку из базы данных.
Считать картинку из базы данных также не составляет труда. Это можно осуществить с помощью объекта TDBImage или нижеследующей командой:
Поиск
