Мобильная internet

Юрий Горностаев

Мобильная Internet  -  это компьютерная сеть, отвечающая всем принципам и стандартам сети Internet, в которой отдельные узлы (хосты, пользовательские компьютеры) являются мобильными, т. е. могут перемещаться без потери связи между собой и доступа к другим узлам сети. Мобильность узлов  -  необходимое условие для реализации в среде Internet мобильных приложений. Например, пользователь, передвигаясь в автомобиле или поезде, может взаимодействовать с WWW-сервером и просматривать необходимую информацию. WWW-серверы при этом могут быть и мобильными, и стационарными. Мобильным пользователям должно быть предоставлено обслуживание на том же уровне, что и пользователям стационарных компьютеров, подключенных к Internet по фиксированной проводной связи. Однако здесь возникает ряд серьезных технических проблем, связанных с ограниченной пропускной способностью и невысокой надежностью радиоканалов.    

Радиоканал обычно совместно используется всеми пользователями данной базовой станции (БС). В типичных современных системах сотовой связи стандартов GSM, NMT-450, D-AMPS передача данных между абонентом и базовой станцией ведется на скорости 2,4 - 9,6 кбит/с. Из-за помех в радиоканале, межсотовых перемещений абонентов, различных задержек в передаче радиосигналов фактическая скорость уменьшается, так как протоколы верхних уровней (транспортный, сеансовый) для коррекции ошибок интенсивно вызывают повторные передачи пакетов данных.    

Разрабатываемые в настоящее время новые технологии Internet смогут существенно повысить эффективность мобильных приложений. Во-первых, большие надежды связываются с новой версией протокола Internet, получившего название IPv6. Адресная часть в IPv6 увеличивается с 4 до 16 байт, а базовый заголовок IP  -  с 20 до 40 байт. Во-вторых, в завершающей стадии находится протокол Mobile IPv6, который обеспечивает мобильность хостов и многие важные функции, необходимые для поддержки мобильных применений. В-третьих, в цифровых сотовых сетях начинают внедрять новые технологии передачи данных, позволяющие вести обмен данными на скорости до 64 кбит/с.    

Однако полную функциональность Internet в мобильных приложениях следует ожидать с приходом мобильных систем третьего поколения, когда будут реализованы стандарты высокоскоростной связи и передачи мультимедийной информации.    

Развитие мобильной Internet будет происходить поэтапно в соответствии с развитием мобильной связи (табл. 1).    

 Таблица 1. Этапы развития мобильной Internet

СТАНДАРТЫ МОБИЛЬНЫХ СИСТЕМ ТРЕТЬЕГО ПОКОЛЕНИЯ И INTERNET

К стандартам третьего поколения, обеспечивающим реализацию UMTS и связь с Internet, предъявляется ряд важных требований:    

- скорость передачи данных 144 кбит/с для мобильных применений;    

- скорость передачи данных 384 кбит/с для переносимых (низкомобильных) применений;    

- скорость передачи данных 2 Мбит/с для внутриофисных применений с ограниченной мобильностью;    

- реализация протокола Mobile IPv6 в мобильных терминалах;    

- реализация усовершенствованных версий протокола HTTP и стандарта HTML, адаптированных к условиям мобильной связи;    

- реализация нового стандарта представления мультимедийной информации MPEG-4, отвечающего требованиям мобильных приложений.    

Беспроводные пользовательские терминалы, отвечающие этим требованиям, будут активно использоваться для доступа к мультимедиа- и Internet-ресурсам. Службы масс-медиа, бизнес-новостей и персональной связи получат новые и очень широкие рынки деловой коммуникации. Например, беспроводной приемник новостей, подключенный к радиоканалу Internet, сможет в ночное время загружать из различных WWW-серверов новую информацию в любом месте, где это будет удобно пользователю: дома, в деловой поездке или офисе. В утреннее время пользователь просматривает на экране мобильного терминала (по дороге в офис, дома или в офисе) полученные новости, отбирает наиболее важные и сбрасывает их на офисный/домашний ПК для дальнейшей обработки.    

Разработка соответствующих стандартов UMTS и их сопряжение со стандартами IETF (мобильный протокол Mobile IPv6), ITU-T (мультимедийный протокол MPEG-4), стандартами мультимедийных терминалов ITU-T (стандарт Vemmi) ведется в рамках общеевропейской программы исследований и разработок ACTS (Advanced Communication Technologies and Services).    

Развитие GSM для мобильных Internet -применений

Действующие сотовые сети GSM позволяют передавать данные на скорости 9,6 кбит/с. Развитие GSM позволяет достичь уровня 64 кбит/с, используя следующие методы:    

-  в GSM вводится новый протокол высокоскоростной передачи данных HSCSD;    

- протокол HSCSD встраивается в действующие GSM-сети, не изменяя протокол TDMA на физическом уровне, но модифицируя доступ к радиоканалу таким образом, что при высокоскоростной передаче пользовательские данные занимают все восемь интервалов в одной полосе 200 кГц.    

Другой более общий подход к высокоскоростной передаче данных в GSM-сетях получил название “универсальные пакетные радиоуслуги GPRS” (General Packet Radio Services). Данный протокол появится на рынке в 1998 - 1999 гг. Он будет использоваться для электронной почты, доступа к базам данных и передачи мультимедийной информации. Основные функциональные преимущества GPRS связаны с обеспечением быстрого подключения терминала пользователя к базовой станции, прямого интерфейса с Х.25 и TCP/IP протоколами.    

GPRS требует введения в стандартную архитектуру GSM-сети новых элементов: шлюзовых узлов и сервисных узлов, передающих пакеты данных между мобильными станциями и терминалами общедоступной сети передачи данных. Фактически в GSM-сети появляются маршрутизаторы пакетов, которые в дополнение к функциям обычных маршрутизаторов регистрируют местоположение мобильных станций. Также модифицируется физическая структура радиоинтерфейса (модуляция, частотное разделение, формат радиоданных) с тем, чтобы обеспечить разделяемый доступ к радиоканалу, надежную передачу и преобразование протоколов GPRS в протоколы общедоступной сети. Новая структура радиоинтерфейса позволяет на логическом уровне организовать услуги множественных субканалов и повысить скорость передачи данных до 75 - 115 кбит/с.    

Рассмотренные выше модификации GSM войдут в состав протоколов GSM 2+ и будут реализованы в 1998 - 1999 гг. Следующий принципиально новый этап в развитии GSM наступит после 2000 г. и будет связан с использованием гибридных протоколов TDMA/CDMA, объединяемых в новом стандарте мобильной связи FRAMES 1B. Именно вокруг выбора широкополосной технологии CDMA развернулись сражения главных конкурентов на рынке мобильных систем связи.

Интегрированная технология DECT/GSM

Стандарт DECT, принятый ETSI в 1992 г. (2-я редакция в 1996 г.) первоначально предназначался для офисных/домашних беспроводных телефонов и беспроводных УАТС. Одна из наиболее интересных особенностей DECT  -  возможность широкого выбора функциональных параметров (профилей) радиоинтерфейса. Например, DSP (Data Service Profiles) определяют стандартные услуги передачи данных: А  -  передача типа frame relay, 24 кбит/с; В  -  однонаправленная передача до 552 кбит/с или двунаправленная до 288 кбит/с; F  -  услуги мобильного доступа к сетям пакетной передачи данных, поддерживаемые протоколом MMS (Multimedia Messaging Service). Технологии DECT и GSM имеют многие общие характеристики, что значительно упрощает интеграцию соответствующих сетей (табл. 2).

Сеть DECT можно рассматривать как подсеть более широкой сотовой сети связи. Шлюзовые станции (ШС) обеспечивают взаимосоединение DECT и  других сетей, реализуя функции преобразования протоколов, кодирования данных и их форматов. На базе ШС, выбирая и настраивая профили DECT, можно подключить сеть DECT к различным территориально-распределенным сетям (GSM, ТФОП, ISDN) или локальным сетям связи. Мобильный терминал (радиотелефон) DECT также может содержать такой преобразователь, обеспечивая передачу данных, например, в протоколе электронной почты SMTP Internet. Это означает, что шлюзы DECT обеспечивают интеграцию различных сетей на двух нижних уровнях семиуровневой модели протоколов, а протоколы более высоких уровней (X.25, TCP/IP) должны быть программно надстроены над каналами передачи пакетов данных.    

Шлюз DECT/GSM позволяет мобильным терминалам (двухрежимным DECT/GSM-радиотелефонам) обращаться по сети GSM к услугам общедоступной сети передачи данных на относительно низких скоростях. В то же время офисные DECT-терминалы, работающие в сети DECT, могут иметь через шлюз DECT/Internet доступ к высокоскоростным Web-услугам.    

Таблица 2. Сравнение GSM и DECT

Поддержка мобильности в протоколе Mobile IPv6

Новый протокол Mobile IPv6 позволяет мобильным узлам обмениваться информацией с другими узлами Internet (стационарными или мобильными). При этом мобильный узел всегда адресуется по своему домашнему адресу и пакеты данных маршрутизируются к этому узлу независимо от того, в какой подсети Internet в данный момент находится этот узел. Фактически такая свобода перемещения мобильного узла достигается ценой избыточной адресности, т. е. каждому мобильному узлу в режиме роуминга назначаются три IPv6 адреса:     

- домашний адрес (home address) приписывается постоянно мобильному узлу, так же как обычному IP-узлу фиксированной сети Internet;    

- локальный адрес (link-local address), добавляемый в новом протоколе IPv6, используется в качестве гарантированного уникального адреса в локальной сети. Этот адрес не маршрутизируется, а узлы в одной и той же локальной сети могут взаимодействовать по локальным адресам без маршрутизаторов;    

- текущий адрес (care-of address) мобильного узла, который приписывается узлу только тогда, когда этот узел перемещается в другую подсеть Internet. Сетевой префикс текущего адреса приравнивается к префиксу той внешней подсети, в которую перемещается мобильный узел. Поэтому пакеты данных, адресуемые по текущему адресу мобильного узла, будут маршрутизироваться обычными механизмами маршрутизации Internet в ту подсеть, где находится мобильный узел.    

Архитектура интеграции мобильной сети и Internet

Мобильный узел использует несколько механизмов Mobile IPv6 для привязки текущего адреса при перемещении данного узла из одной IP-подсети в другую. В частности, мобильный узел периодически посылает сообщения маршрутизаторам, чтобы динамически детектировать те маршрутизаторы (старые и новые), с которыми поддерживается связь.    

Управление мобильностью

Протокол Mobile IPv6 может управлять как локальными, так и распределенными перемещениями в различных сетях (беспроводных и фиксированных). Однако нагрузка на сеть резко возрастает из-за необходимости при каждом перемещении узла извещать о своем местонахождении хосты (маршрутизаторы), с которыми этот узел поддерживает активную связь. Корректировки локальных адресов приводят к “замиранию” на короткое время узлов-путешественников и их пропаданию из поля “видимости” маршрутизаторов.     

Проблема управления большим трафиком мобильности хорошо известна по опыту эксплуатации сотовых сетей. Установлено, что трафик сигнализации в сотовой телефонии может превышать в 4 - 10 раз аналогичный по клиентским параметрам трафик в фиксированных телефонных сетях. Были предложены иерархические схемы управления мобильности, например, в GSM используются регистрационные базы HLR (Home Location Registers) и VLR (Visitor Location Registers).    

В ходе исследований мобильности пользователей установлено, что существенно различаются три класса мобильности.    

1. Локальная мобильность  -  пользователи и узлы сети перемещаются внутри одной подсети между несколькими базовыми станциями (например, внутри офисной сети).    

2. Мобильность в пределах одной административной структуры  -  пользователи и узлы перемещаются между несколькими подсетями, но в пределах одного домена нижнего уровня Internet.    

3. Глобальная мобильность  -  перемещение между доменами.    

Глобальная мобильность требует разработки достаточно сложных алгоритмов управления мобильностью, исследования которых активно проводятся в настоящее время.    

Мобильный доступ к WWW

Основной протокол HTTP для работы с Web-серверами имеет ряд существенных недостатков в мобильных приложениях. Эти недостатки фактически незаметны для пользователей, работающих на фиксированных высокоскоростных и надежных линиях связи. Однако типичный мобильный пользователь сегодня ограничен: 1) низкой скоростью передачи данных (4,8 - 19,2 кбит/с); 2) большими задержками времени (до 15 с) из-за установки TCP/IP соединений и обмена управляющими пакетами; 3) высокой стоимостью вывода HTML-страниц (передача страницы 10 Кб стоит 1 - 2 долл.). Протокол HTTP для мобильных пользователей непригоден по следующим причинам:    

- протокол HTTP относится к классу протоколов без установления  соединения. В результате каждый запрос клиент-программы на HTML-страницу или графический объект (GIF, JPEG) требует открытия TCP/IP-порта и обмена управляющими пакетами данных;    

- протокол HTTP не сохраняет свои состояния (в смысле конечного автомата); браузер при каждом обращении к серверу повторно посылает свои управляющие данные (примерно 300 - 400 байт);    

- протокол HTTP кодирует свои управляющие и гипертекстовые данные в стандартных дескрипторах и текстовом ASСII представлении. В результате этого при каждом обмене с мобильным терминалом передается большой объем избыточной информации.    

Для решения названных проблем разработано несколько подходов. Рассмотрим два наиболее успешных проекта.

Оптимизированное взаимодействие “браузер -сервер”

Оптимизатор работает как перехватчик HTTP/HTML протокольных сообщений. Анализируя эти сообщения (на двух сторонах  -  браузера и сервера), программа-перехватчик оптимизирует обменный трафик за счет: 1) сохранения в кэш-памяти общих объектов; 2) обмена только неповторяющимися элементами; 3) минимизации управляющей информации TCP/IP; 4) уменьшения объема заголовочных данных. Результаты экспериментов показали, что в типичных Web-сеансах объем мобильного трафика может быть уменьшен на 61 - 99%, а время реакции сервера  -  на 37 - 39%.    

Адаптированные Internet-протоколы

Фирмой Unwired Planet (США) разработаны упрощенные и приспособленные к ограничениям мобильных терминалов протоколы HDML (Hanheld Device Markup Language) и HDTP (Hanheld Device Transport Protocol). HDML аналогичен по своим функциям HTML и реализует в отличие от концепции “страниц” более простые базовые элементы  -  “карты”  -  для представления данных на дисплее мобильного терминала. HDML адаптирован к таким характеристикам радиотелефонов как малый размер дисплея, ограниченные ресурсы памяти, процессорной мощности, клавиатуры и т. п. HDTP оптимизирован к параметрам беспроводных каналов связи и обеспечивает эффективную передачу коротких сообщений, компактные управляющие блоки для организации транспорта данных в мобильном терминале.    

Стандартные протоколы мобильных Internet-приложений

Интеграция сетей мобильной связи с Internet наиболее эффективно реализуется на базе шлюзовых станций, обеспечивающих сопряжение каналов связи и протоколов передачи данных. Шлюзы могут выполнять также важные функции преобразования протоколов верхних уровней типа HTTP и HTML в специализированные протоколы, адаптированные к ограничениям радиоканалов и мобильных терминалов. Архитектура такой интегрированной сети показана на рисунке 1.    

Протоколы WML (Wireless Markup Language) и WTP (Wireless Transport Protocol)  -  стандартные версии протоколов HTML и HTTP, разработанные международными организациями применительно к сетям мобильной связи (стандарты GSM, WCDMA и др.). Шлюзы I-M реализуют межсетевые преобразования протоколов и обеспечивают через базовые станции или напрямую услуги связи для мобильных терминалов. Мобильный Web-сервер обслуживает мобильных пользователей в интерактивном режиме на основе своих Web-ресурсов или через шлюзы I-M обращается к ресурсам других Web-узлов.    

В настоящее время протоколы типа WML и WTP объединены в набор протоколов WAP (Wireless Application Protocol), разрабатываемых как открытые стандарты для интерактивных мобильных применений. Фирмы Ericsson, Motorola, Nokia и Unwired Planet объявили в конце 1997 г. о совместной разработке стандартов WAP и выпуске в 1998 г. первых WAP-продуктов. Вначале будут реализованы WAP-продукты для сетей GSM, а в дальнейшем планируется расширить применение WAP для сетей CDMA, TDMA и др.    

Таким образом, мобильная Internet получает новые сильные импульсы для своего развития в ближайшие годы. Быстрыми темпами (на уровне 30 - 70% в год) растет число пользователей услуг передачи данных мобильной связи, в том числе потребителей услуг Internet. На рынке мобильных терминалов уже появились персональные коммуникаторы типа Nokia 9000, обладающие встроенными браузерами Internet. Новое поколение мобильных коммуникаторов уже оснащается Windows CE и мощными средствами разработки приложений. Протоколы высокоскоростной радиосвязи GSM 2+ совместно с эффективными протоколами WAP позволят создать новую транспортную среду мобильной связи, отвечающую требованиям интерактивных Web-применений. Мобильная Internet, благодаря своим преимуществам в таких сферах, как бизнес, медицина, охрана правопорядка, строительство и т. п., становится исключительно перспективной областью, где конвергенция связи, компьютеров и мультимедийной информации приведет к появлению качественно новых структур сетевой экономики.    

Дополнительную информацию можно получить по телефону: (095) 198-7691 или по адресу: enir@icsti.su.