Байланыс желісі және коммутация жүйелері

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Абоненттерді жалпы қолданыс аясына қосу

 

 

2.1 Құпиялылық және қолданушы аутентификациясы

 

Бірінші кезеңдік ұялы байланыс жүйесінде құпиялылықты сақтау күрделі мәселе болды. Бұл  кемшілік таралатын сөздік дабылдың аналогты болуымен сипатталды. Кодтау арқылы сақтандырылмаған желі арқылы сөйлесуді қарапайым қабылдағыш құрылғымен тыңдауға болды. Ал сандық байланыс жүйелерінде байланыс құпиялылығын қамтамасыз ету сандық кодтауды және шифрлеуді қолдануға байланысты оңайға соқты. Желі арқыл сөйлесуді басқа біреудің тыңдауынан және ұялы телефония желісіне рұқсатсыз қосылудан қорғау желінің құрылыс принциптерінен туындайды. Ортақ қолданыстағы ұялы байланыс желісінде белгілі бір абонентпен қосылудың байланыс маршруты белгісіз болады. Бұл радиоинтерфейстің ерекшелігімен қоса абоненттің мобильділігімен сипатталады. Керекті абоненттер арасындағы сақтандырылған байланыс орнату үшін желідегі терминалды және қолданушыны идентификациялау керек.

GSM жүйесіндегі деректер берілуін сақтандыру үшін келесі шаралар қолданылады:

• желіге қосылуды қолданушы аутентификациясы арқылы жүзеге асыру;
• шифрлеу арқылы таралатын ақпаратты (сөздік дабыл, деректер, факс және басқару дабылдары) құпияландыру;
• желі ішінде мобильді абонент үшін уақытша номер идентификациясын қолдану арқылы абоненттердің анонимділігін сақтау.

GSM жүйесіндегі құпиялылықты сақтаудың маңызды элементі болып абонент идентификациясының модулі (ағылшынша Subscriber Identity Mobule) саналады, яғни SIM-карта. Бұл жылжымалы станцияның сәйкес ұяшығына орнатылатын микроконтроллері бар пластикалық смарт-карта. Абонент ұялы байланыс операторынан өзіндік SIM-картаны алады. Карта қолданушыға қатысты жеке дара ақпаратты, шифрлеу бағдарламаларын және кілттерді сақтайды. Телефоннан SIM-картаны бөліп алу мүмкіншілігі тағы бір сақтандыру ретінде қызымет атқарады. Ескеретін жайт, жылжымалы ұялы байланыс станциясы екі компоненттен тұрады – мобильді телефон және SIM-карта.

SIM-карта жадысы бірнеше бөліктерден тұрады – ROM, RAM және NVM (ағылшынша Non-Volatile Memory – энергиядан тәуелсіз жады). ROM-жадыда А3 және А8 шифрлеу алгоритмін жүзеге асыратын бағдарламалар қолданылады. Бірінші алгоритм қолданушы аутентификациясы процессі кезінде қолданылса, екіншісі тарлатын деректердің шифрлеу кілтін анықтау үшін қолданылады. ROM-жады көлемі 4-6 кбит болады және ондағы ақпаратың көшірмесін жасауға болады. RAM-жады көлемі салыстырмалы аз – 256 байттан аспайды. NVM-жады 2-3 кбайт көлемге ие және келесідегідей жеке дара параметрлер мен қолданушы туралы деректерге ие:

• K_i – қолданушы идентификациясының кілті;
• IMSI (мобильді абоненттің халықаралық идентификациялық номері), яғни, мемлекет кодынан, желі кодынан және абонент номерінен тұратын 15 биттік  абоненттің индивидуалды идентификациялық номері;
• TMSI (мобильді абоненттің уақытша идентификациялық номері) – жылжымалы станцияның жаңа VLR-дағы әрбір тіркелуінен кейін берілетін уақытша идентификациялық номер;
• LAI (орналасқан аумақ идентификаторы);
• PIN (ағылшынша Personal Identification Number – дара идентификациялық номер) – SIM-картаға қолданушыны тіркеу үшін қолданылатын төрт және сегіз таңбалы номер;
• дербес телефон кітапшасы – қолданушымен енгізілген телефондар тізімі;
• роуминг рұқсат етілген шетелдік ұялы байланыс желілерінің тізімі;
• қабылданған қысқаша хабарламалар.

Желі тіркелу  үрдісін жүргізгеннен кейін абонентті  аутентификациялайды. Жылжымалы станцияға 128 биттік кездейсоқ RAND саны жіберіледі. А3 шифрлеу алгоритмі және қолданушының өзіндік К_і кілтінің көмегімен желі және SIM-карта 32 биттік электронды SRES (ағылшынша singnet response) кодын есептейді.

 

Сурет 1 – Қолданушының аутентификациясын тексеру

 

Жылжымалы станциямен табылған SRES коды желінің фиксирленген бөлігіне беріліп, кодтар салыстырылады. Егер екі код бір-біріне сәйкес келсе, аутентификация үрдісі сәтті аяқталғанды білдіреді. Келесі этапта VLR қолданушыға TMSI және LAI бөледі. Екі сан да жылжымалы станцияға шифрленген күйінде беріліп, SIM-картада сақталады. Абоненттік өзіндік IMSI номері қолданушыға бір-ақ рет беріледі. Бұл құбылыс жылжымалы станция желіде алғаш рет тіркелгенде және VLR регистірінде ол туралы деректер болмаса жүзеге асады.

Айтылып кеткендей, байланыс орнатудың белгілі бір  этапынан бастап қолданушы туралы деректер және басқарушы дабылдар шифрленген түрде беріледі. Шифрлеу үрдісінде  Еуропада стандартталған А5 ашық кілтпен  шифрлеу алгоритмі қолданылады. Бұл алгоритмді тек ұялы телефон шығарушы ғана қолдана алады. Берілетін ақпараттың құпиялылығы тек шифрлеу алгоитміне деген шектеулі қолданыстың болуымен ғана емес, ең алдымен, радиоканал бойынша берілмейтін шифрлеу кілтімен сипатталады.

А5 шифрлеу алгоритмі  мобильді телефонда қолданылады. Бұл алгоритмді желі іске қосады. Идентификация нәтижесінде SIM-карта деректерді шифрлеу алгоритмі үшін жеке К_і және RAND саны негізіндегі кілт алады. Бұл кілт SIM-картада сақталатын А8 алгоритмі бойынша анықталады.

 

 

Сурет 2 – Деректерді шифрлеу үрдісі

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Сымсыз байланыстың жүйелері

 

 

3.1 Оптикалық  сымсыз байланыс негіздері

 

Оптикалық сымсыз байланыстың (Free Space Optics – FSO) принциптері ондаған жылдардан бері белгілі болса да, лазерлерді қолдану арқылы оптикалық дабылдардың сымсыз таралуын қамтамасыз ететін технологиясы мен аппаратурасы тек бертін келе ғана құрылымдық кабельдік жүйелер саласындағы ғалымдардың қызығушылығына ие болып отыр. Қазіргі кезде FSO-ның технологиялық артықшылықтары, қолданыстағы қарапайымдылығы және қаржылық пайымдауларына байланысты бұл жүйелер белсенді қарқынмен дамып келеді.

FSO жүйесі қолданыста өте қарапайым: сыртқы видеобақылау камераларына өте ұқсас екі лазерлік қабылдау-тарату құрылғылары бір-біріне қаратылып белгілі бір жерде орнатылады. Әрбір қабылдау-тарату құрылғысы талшықты-оптикалық желіге қосылады. Екі құрылғы арасындағы толық көрініске ешбір кедергі келтіретін заттардың орналасуы жүйе жұмысына кері әсерін тигізеді. Көптеген жобаларда кәдімгі кабельді қолдану тиімсіз немесе мүлдем мүмкін емес болған жағдайда FSO жүйелерін пайдаланады.

Әдетте, толық  көріністі қамтамасыз ету үшін FSO жүйелерді үйлердің төбелерінде, биік жерлерде орналастырады. Байқағанымыздай, FSO жүйесінің мүлтіксіз жұмысы қоршаған орта жағдайына тәуелді. Солардың ішіндегі жүйенің ең қауіпті жауларының бірі – тұман. Яғни, тұман фотондардың шашырау эффектісіне әкеледі. Бұл эффект таралу қашықтығын қысқартады.

 

3.2 Локалды  сымсыз байланыс желілері

 

Кәдімгі локалды  байланыс желісінде (ЛБЖ) сервер, терминал, принтер және басқа да перифериялық құрылғылар арасындағы байланыс мыс немесе талшықты-оптикалық желілер арқылы жүзеге асады. Желі стационарлы түйіндер, терминалдар және кабельдік инфрақұрылымнан тұрады. Желіні кеңейту немесе конфигурациясына өзгерту жүргізген сайын уақыттық және қаржылай шығындар тудыратын қосымша кабель тарату жұмыстарын жасауға әкеліп соғады. Мұндай жүйенің терминалдары қозғалмайтындығы анық.

Сымсыз локалды  байланыс технологиясы (ағылшынша Wireless Local Area Network – WLAN) ЛБЖ қолданушылары алдында жаңа мүмкіндіктер ашады, яғни терминалдардың мобильділігі және желі конфигурациясын өзгертудің жеңілдеуі. Жалпы алғанда WLAN келесі артықшылықтарға ие:

• иілгіштік – WLAN түйіндері желінің қызмет ету аймағында бір-бірімен шектеусіз байланыса алады. Байланыс орнату үшін терминалдарға тура көріністе болу шарт емес;
• жобалау қарапайымдылығы – желіні жобалау радиожиіліктік құраушыларға байланысты; мұнда желіні конфигурациялау, әсіресе, «ad hoc» типті, қажет емес;
• желінің уақытша конфигурациясын жасау мүмкіншілігі – сымсыз байланыс аз уақытқа қажетті (мысалы, ірі көрмелерде, спорт жарыстарында және т. б.) локалды байланыс орнатуға мүмкіндік береді;
• сыртқы жағдайларға тәуелсіздік – өткізгіштік байланыстардың жоқтығынан және ішкі қорек көзінен қоректенетін портативті компьютерлерге қосылған ішкі терминалдарды қолдануға байланысты WLAN желілері сыртқы жағдайлар әсерінен алшақтатылған.

Сонымен қатар, WLAN желілері біршама кемшіліктерге ие. Олардың көбі дабылдардың радиоканал бойынша таралу қасиеттеріне байланысты. Оларға келесілер жатады:

• деректер берілуінің төмен сапасы, яғни, дабылдардың радиоканал бойынша таралуында қателіктердің пайда болу ықтималдығы 10^-3–10^-4 не одан да көп санды құрайды. Жақсы сапаға ие болу үшін қателіктерді алдын-ала реттеу (FEC) немесе ARQ технологияларын қолдану керек. Салыстыру үшін: талшықты-оптикалық канал бойынша дабыл таралғандағы қателіктің пайда болу ықтималдығы 10^-10 аспайды. Радиоканалдар уақыт бойынша өзгеріске ұшырайды, ал жүйе қарамағында спектральді ресурстар шектеулі. Спектральді шектеулер және басқа жүйелер жағынан туындайтын бөгеттер – WLAN жүйесінің бірден-бір кемшілігі;
• жергілікті реттеу шектеулері – көптеген мемлекеттер жиіліктік ресурстардың бөлуіне шектеулер қояды. Ол, өз кезегінде, WLAN жүйелерінің дүниежүзілік стандарттарына әсерін тигізбей қоймайды;
• сымсыз байланыс аппаратураларының бағасы өткізгіштік байланыс аппаратураларының құнынан біршама қымбат;
• құпялылық пен қауіпсіздік деңгейінің төмендігі – радиоканал бойынша таралатын дабылды ұстап алу сымды желілерден таралатындарға қарағанда оңайырақ.

Сымсыз локалды  байланыс желісі басқа желілерден бөлек құрылмайды. Көбінесе, сымсыз байланыс бойынша деректерді тасымалдау өткізгіштік желілерге қосылу үшін қолданылады.

Локалды сымсыз байланыс станциялары. Локалды сымсыз байланыс желілері бірнеше жұмыс істейтін станциялары бар бір ғана файл-серверден немесе жүздеген жұмыс станциялары бар бірнеше файл-сервер және коммуникационды серверлерден тұрады. Кейбір желілер салыстырмалы қарапайым қызымет көрсету үшін, яғни, қолданбалы бағдарламамен, не принтермен ортақ қолдану үшін жобаланады.

Файл-сервер локалды  байланыс желісінің ядросы болып  табылады. Бұл компьютер (әдетте жоғарғы  өндірушілік қасиетке ие мини-компьютер) операционды жүйені іске қосып, желі бойынша таралатын деректер ағынын басқарады. Жеке жұмыс істеу орталықтары немесе ортақ қолданысқа ие перифериялық құрылғылар (мысалы принтер және т. б.) файл-серверге қосылады.

Әрбір жұмыс  істеу орталығы өзінің операционды  жүйесімен жұмыс істейтін дербес компьютер болып табылады, бірақ  автономды дербес компьютерлермен салыстырғанда жұмыс істеу орталықтары желілі интефейсті платадан және желімен байланыстыратын құрылғылардан тұрады. Сонымен қатар, жұмыс істеу орталығы файл-сервермен, басқа жұмыс істеу орталықтарымен ақпарат алмасу үшін желі қабыршағы деп аталатын арнайы бағдарламаны іске қосады. Желі қабыршағы жұмыс станциясына файл-сервердегі файлдар мен бағдарламаларды қолдануға мүмкіндік береді.

 

3.3 Ұялы  желілер

 

Ұялы байланыс желілері өз аттарын байланыс орнату принципіне байланысты алды. Бұл принципке байланысты ұялы байланыстың қызымет ету  аймағы ұяшықтарға бөлінеді. Әдетте ұяшықтар ара соталарына ұқсас дұрыс алтыбұрыштар болып келеді. Желінің ұялы құрылымы жиілікті қайталап қолданумен тура байланысты. Әрбір сотаның орталарында өзінің аумағындағы барлық қозғалмалы станцияларға қызымет көрсететін базалық станциялар орналасқан. Абоненттің бір ұя аумағынан екінші ұя аумағына орын ауыстыруы кезінде қызмет ету де бір базадан екінші базаға көшеді. Шын табиғи орта жағдайларында ұяшық бұрыштары ешқашан қатаң геометриялық қалыпта болмайды. Оның себебі радиотолқындардың қоршаған ортада таралуы шарты, яғни, жергілікті жердің жер бедері, құрылыс нысандарының тығыз орналасуы және т. б. Табиғи не адам қолымен жасалған факторлар.

Сандық ұялы байланыс желілерінде құрамына базалық станция контроллері (БСК) және бірнеше базалық қабылдау-тарату станциялары (БҚТС) кіретін «базалық станция жүйесі» деген ұғым қолданылады. Бір контроллер бірнеше базалық қабылдау-тарату станцияларын басқарып, келесі функцияларды атқарады: радиоканалдар бөлінуін басқарады; байланысты қадағалап, олардың ретін бақылайды; секіріс жиілігімен жұмыс істеу режимін қамтамасыз етеді, дабылдың модуляциясы мен демодуляциясын, хабарламаны кодтау мен декодтауды орындайды. Бір контроллерге жалғанатын үш БҚТС желінің 120-градустық секторіне, ал бір контроллері бар алты БҚТС желінің 60-градустық секторіне қызымет етді.

 

3.4 Коммутациялау  орталықтары

 

Коммутациялау орталығы (КО) ұялы желінің «миы»  және диспечерлік орталығы болып  табылады. Онда барлық базалық станциялардың ақпарат ағымдары тұйықталады. Коммутация орталығы арқылы басқа да байланыс желілеріне қосылуға болады – жалпы қолданыстағы телефон желісі, байланыстың спутниктік желісі немесе басқа да ұялы байланыс желілері. КО құрамына бірнеше процессорлер (контроллерлер) кіреді және ол кәдімгі көппроцессорлік жүйенің мысалы болып табылады. Сандық ұялы байланыс жүйесінің коммутациялық орталығының блок-сызбасы келесі суретте келтірілген:

 

 

Сурет 3 – Коммутация орталығының блок-сызбасы

 

Коммутатор  сәйкес байланыс желілері арасындағы ақпарат ағымының ауысуын қамтамасыз етеді. Ол ақпарат ағымын бір базалық  станциядан келесі базалық станцияға  немесе базалық станциядан стационарлық байланыс желісіне және керісінше бағыттайды.

Коммутатор байланыс желілеріне аралық өңдеу жүргізетін сәйкес байланыс контроллерлер арқылы қосылады. Коммутация орталығын және барлық жүйені орталық контроллер арқылы басқарады. Коммутация орталығының жұмысы тікелей операторлардың қатысуымен жүзеге асады, сондықтан орталық құрамына сәйкес терминалдар мен көрініс-тіркеу құрылғылары кіреді.