Мир телекоммуникаций

Команда, работающая над IMP, назвала себя «IMP Guys».

70-е: взрывной рост интернета

Отдельно скажем несколько слов о первом «дата-центре» в мире. Если пойти на некоторые допущения, первым дата-центром можно считать компьютер ENIAC (электронный числовой интегратор и вычислитель, Electronic Numerical Integrator and Computer) 1945 года, использовавшийся для хранения боевых кодов ядерного оружия, расчетов траекторий полета бомб, прогнозирования погоды на территории СССР.

Всем известные компании Sony и Microsoft уже как несколько лет предлагают аксессуары для VR и соответствующие 3D игры.

Существует инфраструктурный подход к беспилотному вождению, закрепленный в 14-м релизе 3GPP – C-V2X. Аббревиатура C-V2X означает Cellular Vehicle-to-Everything, это концепция передачи информации от транспортного средства любому объекту, который может повлиять на транспортное средство, и наоборот. Данный подход позволяет транспортному средству «общаться» с другими авто (V2V), инфраструктурой (V2I), сетью LTE (V2N), электросетью (V2G), пешеходами (V2P) и даже домами (V2H). 15-й релиз 3GPP так же внес возможность общения авто и с сетью 5G, от чего C-V2X стал более привлекательным благодаря сервису URLLC.

2) На канальном уровне проверяется MAC-адрес назначения (ему ли это адресовано). Если да, то проверяется кадр на целостность и отсутствие ошибок, если все прекрасно и данные целы, он передает их вышестоящему уровню.

Расширение зоны покрытия 5G за счет низких частот LTE (DSS)

В данной топологии каждое устройство подключается к 2-ум соседним. Создавая, таким образом, кольцо. Здесь логика такова, что с одного конца компьютер только принимает, а с другого только отправляет. То есть, получается передача по кольцу и следующий компьютер играет роль ретранслятора сигнала. За счет этого нужда в терминаторах отпала. Соответственно, если где-то кабель повреждался, кольцо размыкалось и сеть становилась не работоспособной. Для повышения отказоустойчивости, применяют двойное кольцо, то есть в каждое устройство приходит два кабеля, а не один. Соответственно, при отказе одного кабеля, остается работать резервный.

А теперь обратим внимание на синюю часть инфограммы – это та область, которая открывается с 5G. Видно, что в целом 5G может как улучшить существующие сферы применения, так и породить новые. Рассмотрим некоторые самые интересные применения отдельно. Они нам помогут понять на сколько важным для нас на самом деле является внедрение сетей 5G. Начнем с простого – потоковое видео.

3) Хранилище: Используя сервер или рабочую станцию, подключенную к сети, создается хранилище доступное для других. Многие люди выкладывают туда свои файлы, видео, картинки и открывают общий доступ к ним для других пользователей. Пример, который на ходу приходит в голову, — это google диск, яндекс диск и тому подобные сервисы.

60-е: предпосылки появления интернета и ARPANET

/ Браузер Mosaic, сыгравший важную роль в популяризации интернета

VR от Sony PlayStation, источник: www.playstation.com

Таким образом транспортные средства, подключенные к системе C-V2X, смогут «видеть» всю картину дорожной обстановки, «знать» о взаимном положении, препятствиях, опасных участках, а искусственный интеллект, расположенный в сети, не просто сформирует для них траекторию движения в отдельности, а сделает это с учетом взаимного влияния на транспортную систему. Такие системы решат проблему транспортировки лучше и безопаснее любого водителя, сократят время в пути каждого участника движения, сделают движение предсказуемым, безопасным и энергоэффективным.

1) На физическом уровне принимаются электрические сигналы и конвертируются в понятную битовую последовательность для канального уровня.

Далее от этапа #3, когда операторы сотовой связи интегрируют ядро 5G NGCN, они могут переходить к целевому и финальному режиму SA (опции #2 и #5), когда используется одна технология радиодоступа – либо E-UTRAN, либо 5G-NR. Ниже представлен финальный вид сети 5G, способной предоставлять услуги URLLC.

3) Топология звезда (англ. Star Topology)

Сферы применения в зависимости от требований к пропускной способности и задержкам в сети мобильной связи

2) Сетевые ресурсы: Это сетевые принтеры, которыми, к примеру, пользуются в офисе или сетевые камеры, которые просматривает охрана, находясь в удаленной местности.

Через океан

О существенной части дальнейшей истории интернета мы уже рассказывали ранее. 6 августа 1991 года свет увидела Всемирная паутина, знаменитая World Wide Web, и интернет официально «встал на крыло», а к 1993 году, появился первый графический браузер Mosaic.

Постепенно VR и AR выйдет за рамки игровой индустрии и неизбежно перекинется на образование, медицину, промышленность – потенциал переоценить сложно. На рисунках 10-13 приведены некоторые примеры применения AR из материалов презентации «Microsoft Hololens 2». Следующим шагом в этой отрасли будет совмещение AR и VR с 5G. Технически это уже осуществимо благодаря новому чипсету Qualcomm Snapdragon XR2, совмещающий в себе 5G модем и специализированный XR (от VR+AR) процессор с поддержкой искусственного интеллекта, реагирующим на мимику «пилота».

Международная консалтинговая компания PricewaterhouseCoopers (PwC) прогнозирует, что первые машины без водителей появятся на дорогах общего пользования уже в 2021 году, а к 2040 году весь транспорт мегаполисов по всему миру станет беспилотным. Однако, первое время такой транспорт будет требовать внимание со стороны водителя при определенных ситуациях по ходу движения. В этот период будут также решаться правовые вопросы, связанные с беспилотным и электротранспортом. В частности, юридические и страховые аспекты. Будет затрачено определенное количество времени на создание сети зарядных станций для электрокаров.

3) На сетевом уровне проверяется IP адрес назначения. И если он верен, данные поднимаются выше. Не стоит сейчас вдаваться в подробности, почему у нас адресация на канальном и сетевом уровне. Это тема требует особого внимания, и я подробно объясню их различие позже. Главное сейчас понять, как данные упаковываются и распаковываются.

Для удовлетворения растущей потребности eMBB можно задействовать средние частоты (2 ГГц-7 ГГц), увеличив таким образом скорости передачи данных, в том числе и за счет агрегации частот. Ниже частота – больше покрытие, но и меньше ширина канала. Однако есть способ увеличить покрытие сохраняя высокую скорость выгрузки при помощи дополнительного канала линии вверх (SUL, Supplementary Uplink). Как это работает? На рисунке ниже показано, как «парному» (UL/DL) радиоресурсу из средних частот для UE назначается дополнительный непарный канал линии «вверх» (SUL) из низких частот. Тогда в одной соте UE получает 1xDL (средние частоты) и 2xUL (низкие и средние частоты) канала, использование которых будет контролироваться сетью. В этом случае, на границе соты в DL-канале используется среднечастотный сигнал с повышенной мощностью из «парного» диапазона, а в UL-канале – низкочастотный сигнал в непарном SUL диапазоне. В итоге базовая станция «видит» UE на более дальних расстояниях, а скорость скачивания сохраняется как с применением средних частот.

2) Кольцевая топология (англ. Ring Topology)

Участниками рынка прогнозируется смещение такого классического приложения как «видеостриминг» вправо, в сторону увеличения скоростей передачи данных без особых требований к задержкам. Главным драйвером для этого станет потребность в высококачественном 8K видео.

1) Приложения: При помощи приложений отправляем разные данные между устройствами, открываем доступ к общим ресурсам. Это могут быть как консольные приложения, так и приложения с графическим интерфейсом.

Инфраструктура C-V2X

Количество подключений FWA с использованием 5G (источник: SNS Telecom)

В 1969 году, 29 октября, состоялся первый успешный сеанс связи между двумя компьютерами. Первый находился в Массачусетсе, второй – в Калифорнии, оба принадлежали местным техническим университетам. Расстояние между компьютерами составляло порядка 640 км.
В 21:00 по местному времени Чарли Клайн попытался подключиться к компьютеру Стэнфорда и передать 5 символов, слово ”LOGIN”, однако сеть оборвалась, и удалось ввести только два первых символа. В 22:30 соединение было восстановлено, и вторая попытка увенчалась успехом. Кстати, успешность передачи фиксировалась в ходе прямого телефонного разговора с Биллом Дюваллем. С третьей попытки все символы слова были получены, и интернет, можно сказать, наконец «родился».

Еще одним изобретением 70-х стал стандарт Ethernet, разработанный для более удобной организации локальной сети и передачи данных между компьютерами на высокой скорости. Этот стандарт в практически неизменном виде используется и сегодня.

4) Резервное копирование: Часто, в крупных компаниях, используют центральный сервер, куда все компьютеры копируют важные файлы для резервной копии. Это нужно для последующего восстановления данных, если оригинал удалился или повредился. Методов копирования огромное количество: с предварительным сжатием, кодированием и так далее.

FTP- это стандартный протокол передачи данных с установлением соединения. Работает по протоколу TCP (этот протокол в дальнейшем будет подробно рассмотрен). Стандартный номер порта 21. Чаще всего используется для загрузки сайта на веб-хостинг и выгрузки его. Самым популярным приложением, работающим по этому протоколу — это Filezilla. Вот так выглядит само приложение:

Скорость скачивания зависит от пропускной способности. Для данного типа приложений это не совсем критично. Если, например, файл будет скачиваться не минуту, а 10, то тут только вопрос времени, и на целостности файла это никак не скажется. Сложности могут возникнуть только когда нам надо за пару часов сделать резервную копию системы, а из-за плохого канала и, соответственно, низкой пропускной способности, это занимает несколько дней. Ниже приведены описания самых популярных протоколов данной группы:

БПЛА (дроны)

CPE внутри дома (Indoor CPE) и настенный (Outdoor CPE)

Поскольку США требовалось построить децентрализованную модель командования, при которой, независимо от степени нанесенного врагом ущерба, ВС не теряли бы контроль над собственным оружием, самолетами и бомбардировщиками и могли продолжать оборону, внедрение технологии коммутации пакетов решало эту задачу.

Именно с помощью телефонного кабеля была впервые налажена связь США и Норвегии со скоростью 2,4 Кбит/с по ARPANET.

На данный момент надо просто понимать отличие. Детальные отличия будут разобраны позже.

TFTP- это упрощенная версия протокола FTP, которая работает без установления соединения, по протоколу UDP. Применяется для загрузки образа бездисковыми рабочими станциями. Особенно широко используется устройствами Cisco для той же загрузки образа и резервных копий.

Интерактивные приложения. Приложения, позволяющие осуществить интерактивный обмен. Например, модель «человек-человек». Когда два человека, при помощи интерактивных приложений, общаются между собой или ведут общую работу. Сюда относится: ICQ, электронная почта, форум, на котором несколько экспертов помогают людям в решении вопросов. Или модель «человек-машина». Когда человек общается непосредственно с компьютером. Это может быть удаленная настройка базы, конфигурация сетевого устройства. Здесь, в отличие от загрузчиков, важно постоянное вмешательство человека. То есть, как минимум, один человек выступает инициатором. Пропускная способность уже более чувствительна к задержкам, чем приложения-загрузчики. Например, при удаленной конфигурации сетевого устройства, будет тяжело его настраивать, если отклик от команды будет в 30 секунд.

NB-IoT и eMTC для mMTC

Телехирургия выставляет высокие требования к задержкам и надежности связи, но есть еще одна сфера требующая ко всему прочему и массовость подключения – БПЛА (Беспилотные Летательные Аппараты или «дроны»). Сегодня никого не удивишь легкими беспилотными дронами самых разных назначений – от развлекательных до специализированных военных дронов. С их помощью снимают эффектные видео, проводят разведку местности, спасают людей, перевозят грузы и т.д. Но почти все они управляется человеком напрямую, имеющим прямой беспроводный надежный контакт на не лицензируемой частоте.

Много было написано про модель OSI. Хотя я постарался быть максимально краток и осветить самое важное. На самом деле про эту модель в Интернете и в книгах написано очень много и подробно, но для новичков и готовящихся к CCNA, этого достаточно. Из вопросов на экзамене по данной модели может быть 2 вопроса. Это правильно расположить уровни и на каком уровне работает определенный протокол.

О том, как получить доступ к сетям NB-IoT при помощи модулей сотовой связи SIMCom Wireless Solutions можно прочитать в наших статьях.

Еще один стек, который стоит упомянуть — это AppleTalk. Как ясно из названия, был придуман компанией Apple. Создан был в том же году, в котором состоялся релиз модели OSI, то есть в 1984 году. Продержался он совсем недолго и Apple решила использовать вместо него TCP/IP.

Идея коммутации пакетов состоит в том, что пакет данных, содержащий в себе информацию как об источнике, так и о конечном пункте «путешествия», может быть отправлен из одного местоположения в другое. Если на каком-то участке пути пакет терялся, отправитель мог с легкостью отправить его снова. Для телефонных сетей того времени это было крайне полезной находкой.

На прикладном, представления и сеансовым уровнях, передаваемая информация обозначается как PDU (Protocol Data Units). На русском еще называют блоки данных, хотя в моем круге их называют просто данные).

Наши проекты

ARPANET был построен на базе четырех миникопьютеров Honeywell DP-516, оснащенных 24 кбайт оперативной памяти и расположенных в университетах Санта-Барбары, Лос-Анджелеса, Стэнфорда и Юты. Данные передавались со скоростью до 56 Кбит/с.

Практически все технологии, которыми мы пользуемся сегодня, проходят сходный путь от хаоса раннего применения до жесткой стандартизации и упорядочивания.

Коммерческие, запланированные и пилотные сети 5G

FWA и проводные/оптоволоконные подключения на «последней миле»

5) VoIP: Телефония, работающая по протоколу IP. Применяется она сейчас повсеместно, так как проще, дешевле традиционной телефонии и с каждым годом вытесняет ее.

5) Сеансовый уровень (Session Layer): Роль этого уровня в установлении, управлении и разрыве соединения между двумя хостами. К примеру, когда открываете страницу на веб-сервере, то Вы не единственный посетитель на нем. И вот для того, чтобы поддерживать сеансы со всеми пользователями, нужен сеансовый уровень.

Начальная модель NSA (#3) направлена на улучшение качества мобильного широкополосного интернета для повышения надёжности и объёма передаваемых данных путём использования подключения в режиме EN-DC (E-UTRAN New Radio — Dual Connectivity). Пользовательские терминалы, поддерживающие EN-DC, могут одновременно подключаться к базовым станциям LTE и 5G, при этом базовая станция LTE является якорной (требуется модернизация до ng-eNb, или new generation eNB). Пользовательский терминал (UE) изначально регистрируется в сети через E-UTRAN на низких частотах (

Обобщенная схема покрытия сетями 2G, LTE и 5G до 2025 года

ПОПУЛЯРНОЕ

/ Один из первых IMP, выполнявших функцию маршрутизаторов и использовавшихся в ARPANET с конца 60-х по 1989 год

Одним из важнейших «упорядочивающих» моментов стало создание системы доменных имен, DNS. Коснемся её истории, чтобы доказать важность этого нововведения.

Теперь, перечислив множество примеров, где 5G будет как никогда кстати, разберемся какое на сегодня состояние сетей 5G и какие барьеры нужно преодолеть на пути к фантастическому будущему.

Возможно, в итоге рынок оптоволоконного/проводного интернета сильно преобразуется, найдет свое специфическое применение, но уже никогда не будет таким массовым как сегодня. И напротив, по прогнозу экспертов SNS Telecom (www.snstelecom.com) к 2030-му году через сервис FWA посредством 5G будет подключено 345 миллионов абонентов, а абонентских устройств CPE будет продано свыше 90 миллионов единиц. В России данный сервис ввиду протяженности территории может быть весьма востребован даже на первоначальной стадии развертывания сетей 5G.

Из всего списка, чаще всего многие работали именно с приложениями. Поэтому разберем их более подробно. Я старательно буду выбирать только те приложения, которые как-то связаны с сетью. Поэтому приложения типа калькулятора или блокнота, во внимание не беру.

6) Уровень представления (Presentation Layer): Он структурирует информацию в читабельный вид для прикладного уровня. Например, многие компьютеры используют таблицу кодировки ASCII для вывода текстовой информации или формат jpeg для вывода графического изображения.

Задержки в сети 4G

Учитывая целесообразность указанных сценариев в мегаполисах, малых городах и поселках, можно составить обобщенную схему покрытия сетями как на рисунке 34. Как известно, в мире от сетей 3G либо уже отказались, либо уже заявили о планах на их отключение. Поэтому на рисунке 3G изображен прерывистой линией. По планам европейских операторов вместо медленного 3G в поселки придет быстрый LTE (сценарий #5) при сохранении 2G для голосового трафика. Покрытие в пригороде будет отличаться более высокими скоростями и низкими задержками, а мегаполисы, кроме того, смогут похвастаться большим числом подключений и сверхскоростным интернетом в местах покрытия частотного диапазона FR2. Как видно, в ближайшие годы 5G сети не заменят 4G сети, а постепенно интегрируется с 4G сетями, значительно улучшив общее положение дел.

Контакты

Эксперимент показал, что компьютеры не только могут быть физически соединены друг с другом, но и способны обмениваться данными и программами. Тем не менее, способ связи с помощью низкоскоростной телефонной сети уже тогда не мог считаться надежным и приемлемым.

Ранее для хранения числовых адресов компьютеров, подключенных к ARPANET и сопоставления их с именами узлов, использовался текстовый файл HOSTS.TXT на компьютере Стэнфордского исследовательского института. Все адреса назначались сугубо вручную, и для того, чтобы запросить имя хоста и адрес, а также добавить компьютер в файл HOSTS, требовалось позвонить по телефону в сетевой информационный центр.

В России данный сервис уже находится на стадии НИР и прототипирования. В 2018 российский оператор Мегафон в партнерстве с КАМАЗом провел моделирование сервиса V2X в пилотной зоне на базе беспилотного электробуса «ШАТЛ».

Как было сказано, 5G смартфоны и планшеты уже поступили в продажу. Компания SIMCom Wireless Solutions (www.simcom.com), с 2002 года специализирующаяся на разработках и производстве модулей сотовой связи для М2М рынка, в 2019 году анонсировала планы расширить продуктовую линейку модулями 5G. Сегодня портфолио модулей пополнено 4 моделями: SIM8200G, SIM8200EA-M2, SIM8300NA (пока версия для Сев.Америки) и SIM8300G-M2.

Теперь, на мой взгляд, главный вопрос: Для чего мы используем сети? Ответов на этот вопрос много, но я освещу самые популярные, которые используются в повседневной жизни:

7) Прикладной уровень (Application Layer): Наверное, это самый понятный для всех уровень. Как раз на этом уроне работают привычные для нас приложения — e-mail, браузеры по протоколу HTTP, FTP и остальное.

Согласно российской программе «Цифровая экономика», устойчивое покрытие сети 5G должно быть обеспечено к 2024 году во всех крупных городах с населением от 1 миллиона человек. В настоящий момент модель развития российских сетей 5G до конца не определена. Проблема, как и в прочих странах, заключается в выборе радиочастотных полос. Операторы считают наиболее привлекательным для 5G диапазон 3,4-3,8 ГГц (n78 и n79), однако он занят другими пользователями, в основном, военными и спецслужбами, и требует работы по высвобождению. Больше ясности с частотными диапазонами появится в 4-м квартале 2020 после открытых торгов, на которых Роскомнадзор должен распределить радиочастоты в формате аукциона.

Из сценариев развертывания сетей 5G и применяемых частотных полос следует логика распределения частотных полос под разные сценарии, как показано в таблице 3. Этой концепции подчиняется, технология Network Slicing определенная спецификацией 3GPP; она позволит операторам сотовой связи разворачивать изолированные друг от друга сети, каждую из них можно будет выделять под определенные нужды (для Интернета вещей, трансляция потокового видео и проч.).

Источники:

https://www.rbc.ru/crypto/news/66fe94869a7947c3b37cb567&rut=9f3ac4c9a5bb805d9f3eedda47a2020dd2645d7e048fac4419c048f28c59185c
https://deal.by/cs/14201&rut=4dc79f1b0cf7c2940ed84f2adfc37b39de4132c224e147ccc49bfe7516b4440f
https://2gis.ru/tyumen/firm/1830116630019132&rut=db9d7a1822cc553cbf5dc13eab799a63cf8660e4f150a2125311c8d449434222
https://habr.com/ru/articles/490404/&rut=ec85e96e0e7e715fa760be3ad371b1ee0c3f38e10c7636baa39c201827a22dd2
https://www.vedomosti.ru/technology/articles/2019/12/02/817681-telekommunikatsii-rossii&rut=014fdec459f0d77a3ba5ad8313326126326ea35e616a625a09ff4a07fef8c28a
https://habr.com/ru/companies/mws/articles/485394/&rut=c0af2d1c9a4e8b2b96c15196aa0dd0c3168fc410d92ad2d90197f08ee3311677
https://habr.com/ru/articles/307252/&rut=db75c5bf67fab4b432613b8bf8762d4bb54610ae3d4c39249d124d9e3c6accf6
https://esj.today/PDF/27ECVN119.pdf&rut=926c41a9814659a260034af0b8f66b26c8cd7a8178a07805f9a70c59a84f3263
https://www.dissercat.com/content/razvitie-mirovogo-rynka-telekommunikatsii-v-usloviyakh-globalizatsii-mirokhozyaistvennykh-sv&rut=70c7fbd09ce93fba98fbb47dd6cca4458d9bfa5a9bf740483f4d90411160eb66