1.1.Анализ поставленной задачи и исходных данных, выявление  особенностей работы системы. Цель – проработка идеи создания сети как целостной системы. В контексте решаемой задачи: определение источников и получателей информационных сообщений, оценка характера трафика и формулирование требований к способу доставки сообщений. Определение списка основных и дополнительных услуг системы. Предоставляемых пользователям.  

Целью данного курсового проекта является разработка компактной системы радиотелефонной связи, которая предназначается для объединения в единую радиосеть персональных компьютеров или других электронных устройств. Каждый участник сети должен получать в реальном масштабе времени информацию о других активных абонентах и иметь возможность соединения с любым из них.

Основные требования к системе:

- минимально возможная мощность излучения абонентской станции;

- минимальный диапазон используемых частот;

- возможность адаптивного изменения мощности передачи.

Исходными  данными являются:

Количество абонентов в сети: 65

Радиус зоны обслуживания: 500 м

Модель предсказания потерь: В соответствии с рекомендациями МСЭ

Тип местности: городская застройка

Вероятность отказа обслуживания: 7%

Вероятность ошибки на бит Pb: 5*10E-6

Система предназначается для обеспечения беспроводной связи небольшого числа абонентов в пределах ограниченной территории.

В качестве примера разрабатываемой сети, рассмотрим небольшое предприятие, в котором сотрудники могут связываться между собой. В основном на проектируемую систему ложится задача обеспечение радиотелефонной связи, передачи документации из отдела в отдел в электронном виде.

Для проектирования  необходимо выбрать конфигурацию сети, так как она определяет требования к оборудованию, возможные и наиболее удобные методы управления обменом, надежность работы, возможности расширения сети.

Реализовать систему, заданную в ТЗ, можно с помощью структурированной сети или сети типа Ad Hoc.

Структурированная сеть - обладает стационарными проводными или беспроводными инфраструктурами, объединяет выделенные узлы сети и соединяет её с другими сетями. В качестве выделенных узлов сети выступают базовые станции или точки доступа.

Сеть Ad Hoc – это динамически изменяющаяся сеть произвольной типологии, состоящая из беспроводных терминалов. Функции выделенных узлов выполняют сами терминалы. 

Рассмотрим преимущества и недостатки каждой из них.

Структурированная сеть.

Точки доступа обеспечивают взаимодействие беспроводных терминалов с проводной инфраструктурой сети. В большинстве случаев радиообмен осуществляется только между точками доступа и беспроводными терминалами, т.е. два сетевых терминала взаимодействуют друг с другом только через соответствующую точку доступа. Точка доступа реализует большинство процедур, связанных с управлением передачей данных, оставляя терминалам только простую обработку сигналов. Такой способ организации сети позволяет упростить управлением доступом к сети.

Но при этом необходимо учитывать, что при расширении сети и увеличении количества пользователей скорость связи будет падать (пропорционально числу пользователей).

Структурированные сети не обладают полной гибкостью по причине наличия фиксированной проводной части. Этот недостаток отсутствует в сетях типа Ad Hoc.

Сеть Ad Hoc 

В режиме Ad Hoc  терминалы устанавливают связь непосредственно друг с другом. Устанавливается одноранговое взаимодействие по типу
"точка-точка", и компьютеры взаимодействуют напрямую без применения точек доступа. При этом создается только одна зона обслуживания, не имеющая интерфейса для подключения к проводной локальной сети.

Основное достоинство данного режима - простота организации: он не требует дополнительного оборудования (точки доступа). Но режим Ad Hoc позволяет устанавливать соединение на скорости не более 11 Мбит/с, независимо от используемого оборудования. Реальная скорость обмена данными будет ниже и составит не более 11/N Мбит/с, где N - число устройств в сети. Дальность связи составляет не более ста метров, а скорость передачи данных быстро падает с увеличением расстояния.

Учитывая количество абонентов сети и радиус зоны обслуживания, система будет построена на основе структурированной сети. 

Рис.1. Функциональная схема структурированной  сети.

Сеть будет предоставлять следующие виды услуг:

- Передача речевого трафика;

- Передача сообщений;

- Доставка голосовых сообщений.

Обеспечение радиотелефонной связи и передача сообщений является основной услугой проектируемой сети. Эта услуга подразумевает соединение любых активных абонентов сети, для обмена данными. В случае, если абонент недоступен, ему можно оставить голосовое сообщение. 

1.2. Проработка обобщенной функциональной схемы системы: выявление основных ее компонент и описание функциональных связей. Краткое описание концепции функционирования сети в виде анализа доставки информационных/служебных сообщений системы по схеме: сообщения для передачи – инициатор сеанса связи – доставка сообщения (сеть) – получатель сообщения. Обоснование наличия выделенных узлов сети и аргументированное  пояснение их задач. Обоснование и выбор интерфейсов взаимодействия разрабатываемой сети с внешними компонентами ( при необходимости).

Так как при увеличении количества пользователей скорость связи в сети будет падать, то наиболее разумное количество терминалов обычно составляет не более 20. Помимо этого скорость и качество связи зависят и от расстояния между клиентом и точкой. Поэтому я считаю, что для нашей сети будет оптимально использовать 3 точки доступа (т.к. в соответствии с заданием, максимальное количество абонентов в сети равно 65), которые будут соединены между собой с помощью кабелей. 

Рис.2. Функциональная схема разрабатываемой сети.

Абонентский терминал представляет собой персональный компьютер, ноутбук или другое электронное устройство. Эти устройства должны иметь необходимое для работы ПО, и способность подключения к радиотелефонной сети.

Терминал должен выполнять следующие функции:

-         Формирование запроса на предоставление определенных услуг связи;

-         Формирование сообщений для передачи, прием сообщений;

-         Формирование отчета о доставке сообщения;

-         Проведение измерений;

-         Переход в режим энергосбережения.

Формирование терминалом запроса на предоставление определенных услуг связи точке доступа необходимо для получения обслуживания в данной радиотелефонной сети. Для этого терминалу соответственно необходимо войти в сеть, пройти процедуру аутентификации и получить доступ к физическому каналу связи.

Формирование и прием сообщений является основной функцией терминала данной сети.  Формирование отчета о доставке сообщения,  переданного точкой доступа,  является необходимой гарантией успешной работы сети. Так как после получения данного отчета, точка доступа удаляет эти данные из своего регистра безвозвратно.

Проведение измерений необходимо для поддержания функционирования сети на должном уровне. Проводить измерения необходимо для измерения уровня мощности сигнала и количества ошибок и выбора соответствующей точки доступа. Данные измерения  играют важную роль в выборе пути развития сценария текущего соединения. Полученные результаты анализируются информационной подсистемой терминала, и затем выбирается необходимый профиль работы в данной ситуации. Измерения проводятся с целью улучшения качества передачи данных.

Передача по широковещательному каналу информации о себе и данной сети необходима для терминалов для оповещения сети, что данный терминал доступен.

Переход в режим энергосбережения является обязательным. В данном режиме терминалы проводят большую часть времени. Для его организации терминалу необходимо перейти в пассивный режим и работать с широковещательными пакетами.

Точку доступа можно рассматривать как устройство реализации и управления каналом связи. Точка доступа организует прием и обработку любых запросов от терминалов и предоставляет возможность получения обслуживания.

 Вокруг точки доступа формируется территория, на которой можно пользоваться беспроводной сетью. Зоны покрытия всех трех точек доступа должны перекрываться. Таким образом, будет обеспечен необходимый радиус зоны обслуживания.

Если абоненты входят в зону действия одной точки доступа, то соединение будет происходить по заданному сценарию. Если абонент одной точки доступа хочет соединиться с абонентом другой точки доступа, то первая точка доступа передаст соединение через кабель на точку доступа вызываемого абонента. Вторая точка доступа дальше будет действовать по заданному сценарию соединения.

Для того чтобы получить от точки доступа предоставление услуг, терминалу необходимо войти в сеть, пройти аутентификацию в данной сети, получить доступ к общему физическому каналу связи и сформировать запрос для точки доступа о предоставлении необходимой услуги.   

Аутентификация пользователей является необходимой мерой, обеспечивающей безопасность сети от несанкционированного доступа.  Для входа в сеть терминалу необходимо ввести свои логин и пароль. Процедура аутентификации состоит в сравнении введенных пользователем логина и пароля с теми, которые хранятся в журнале абонентов точки доступа.

Рассылка широковещательных информационных сообщений и сообщений сигнализации является обязательной и предназначена для оповещения активных терминалов о новоприбывших и вышедших из сети терминалов, а также для управления соединениями в данной сети. Благодаря периодической передаче данной информации по широковещательному каналу, терминал осуществляет выбор необходимой для подключения сети  из списка найденных сетей, считывая информацию с необходимой несущей ВССН, а также осуществлять выбор точки доступа, в зависимости от уровня мощности сигнала.

Информационные сообщения содержат в себе идентификаторы абонентов с соответствующими статусами, а также управляющие сообщения, команды, корректирующие сценарии взаимодействия точек доступа и терминалов.

Сбор статистических данных по работе сети необходим для управления сетью и ее адаптации к малейшим изменениям. Ведение журнала абонентов необходимо для сбора статистики их активности и предоставляемых им услуг. Точки доступа собирают и передают общую информацию о сети (идентификатор сети, свой ID, распределение каналов доступа, основные параметры доступа и количество попыток).

Также в сети необходимо проведение измерений для поддержания функционирования сети на должном уровне. Проводить измерения необходимо для измерения уровня качества сигнала от терминалов. Данные измерения  играют важную роль в выборе пути развития сценария текущего соединения.

Хранение принятой или передаваемой информации до получения отчета о доставке/приеме от необходимого терминала является обязательным для  сети. Это необходимо для надежности передачи/приема сообщений в локальной сети, а также в случае, если необходимый терминал недоступен, то имеется возможность доставить сообщение после того, как абонент появится в сети. Сообщение не будет удалено из регистра точки доступа, пока она не получит отчет о доставке/приеме данного сообщения от терминала. А формирование собственного отчета терминалам также является необходимой гарантией успешного приема/передачи сообщения.

Рис.3. Сценарий соединения между двумя абонентами.

1.3. Определение и обоснование структуры информационной подсистемы сети. Выявление важнейших модулей информационной подсистемы выделенного узла сети и терминалов, описание их назначения и пояснение необходимых связей между модулями.

Информационная подсистема сети необходима для хранения информации об абонентах, предоставляемых услугах, сведения о сети.

Информационная подсистема точки доступа должна включать в себя:

- журнал абонентов, который содержит в себе всю необходимую информацию об абонентах локальной сети (их идентификаторы, пароли, их активность и время предоставления канального ресурса). 

- таблица маршрутизации, которая необходима для адресации сообщения нужному абоненту.

- журнал предоставляемых услуг, где прописан весь перечень услуг, которые может предоставить проектируемая локальная сеть.

- регистр хранения сообщений, который содержит в себе данные, передаваемые терминалами. Эти сообщения хранятся в данном регистре до получения отчета о приеме от терминалов, а затем удаляются безвозвратно,  чтобы не перегружать память.

- Регистр сетевых настроек – включает в себя настройки, которые необходимые для обеспечения услуг данной сети.

- регистр, в котором хранятся все сценарии обслуживания.

-модуль управления, который собирает статистические сведения о работе сети и на их основании выбирает необходимый сценарий работы сети в данной ситуации. Также происходит дальнейшее управление и адаптация к изменениям условий сети (например, адаптивное изменение мощности передаваемого сигнала).

Информационная система терминала схожа с информационной системой точки доступа, но более простая. Она содержит собственную информацию терминала  (персональный идентификатор терминала, данные пользователя, индивидуальный ключ идентификации пользователя (логин и пароль), сетевой адрес), а также перечень услуг, доступных данному абоненту, и сетевые настройки, необходимые для обеспечения этих услуг.

1.4. Описание иерархических моделей выделенных узлов сети и терминалов в соответствии с рекомендациями OSI. Краткий анализ функциональности необходимых уровней моделей выделенного узла и терминалов - формулируемые задачи каждого уровня должны непосредственно следовать из проработанного в п.1.1-1.3материала. В моделях должны быть обязательно отражены объекты, являющиеся источником и/или получателем сообщений (как служебных, та и информационных).

Модель OSI описывает правила и процедуры передачи данных в различных сетевых средах при организации сеанса связи. Основными элементами модели являются уровни, прикладные процессы и физические средства соединения.

Каждый уровень модели OSI выполняет определенную задачу в процессе передачи данных по сети. Базовая модель является основой для разработки сетевых протоколов. OSI разделяет коммуникационные функции в сети на семь уровней, каждый из которых обслуживает различные части процесса области взаимодействия открытых систем.

Модель OSI описывает только системные средства взаимодействия, не касаясь приложений конечных пользователей. Приложения реализуют свои собственные протоколы взаимодействия, обращаясь к системным средствам.

Рис.4. Модель OSI.

Модель OSI можно разделить на две различных модели:

-  горизонтальную модель на базе протоколов, обеспечивающую механизм взаимодействия программ и процессов на различных терминалах;

-  вертикальную модель на основе услуг, обеспечиваемых соседними уровнями друг другу на одном терминале.

Каждый уровень терминала-отправителя взаимодействует с таким же уровнем терминала-получателя, как будто он связан напрямую.

Информация на терминале-отправителе должна пройти через все уровни. Затем она передается по физической среде до терминала-получателя и опять проходит сквозь все слои, пока не доходит до того же уровня, с которого она была послана на терминале-отправителе.

В горизонтальной модели двум программам требуется общий протокол для обмена данными. В вертикальной модели соседние уровни обмениваются данными с использованием интерфейсов прикладных программ API (Application Programming Interface).

Перед подачей в сеть данные разбиваются на пакеты. Пакет – это единица информации, передаваемая между станциями сети.

При отправке данных пакет проходит последовательно через все уровни программного обеспечения. На каждом уровне к пакету добавляется управляющая информация данного уровня (заголовок), которая необходима для успешной передачи данных по сети.

На принимающей стороне пакет проходит через все уровни в обратном порядке. На каждом уровне протокол этого уровня читает информацию пакета, затем удаляет информацию, добавленную к пакету на этом же уровне отправляющей стороной, и передает пакет следующему уровню. Когда пакет дойдет до Прикладного уровня, вся управляющая информация будет удалена из пакета, и данные примут свой первоначальный вид.

Каждый уровень модели выполняет свою функцию. Чем выше уровень, тем более сложную задачу он решает.

Каждый уровень обеспечивает сервис для вышестоящего уровня, запрашивая в свою очередь сервис у нижестоящего уровня. 

     Прикладной уровень – представляет набор интерфейсов, позволяющих получить доступ к сетевым службам.

     Уровень представления – преобразует данные в общий формат для передачи по сети.

     Сеансовый уровень – поддерживает взаимодействие (сеанс) между удаленными процессами.

     Транспортный уровень – управляет передачей данных по сети, обеспечивает подтверждение передачи.

  Сетевой – маршрутизация, управление потоками данных по сети, адресация сообщений для доставки; преобразование логические сетевые адреса и имена в соответствующие им физические. 

    Канальный уровень – контроль логической связи LLC (Logical Link Control): формирование кадров; контроль доступа к среде MAC (Media Access Control): управлением доступа к среде.

    Физический уровень – обеспечивает битовые протоколы передачи информации.

Основными уровнями, отвечающими за передачу сообщения являются физический и канальный.

Физический уровень.

   Физический уровень предназначен для сопряжения с физическими средствами соединения. Физические средства соединения – это совокупность физической среды, аппаратных и программных средств, обеспечивающая передачу сигналов между системами.

    Физический уровень обеспечивает физический интерфейс с каналом передачи данных, а также описывает процедуры передачи сигналов в канал и получения их из канала. На этом уровне определяются электрические, механические, функциональные и процедурные параметры для физической связи в системах. Физический уровень получает пакеты данных от вышележащего канального уровня и преобразует их в оптические или электрические сигналы, соответствующие 0 и 1 бинарного потока. Эти сигналы посылаются через среду передачи на приемный узел.

Физический уровень выполняет следующие функции:

1.  Установление и разъединение физических соединений.

2.  Передача сигналов в последовательном коде и прием.

3.  Прослушивание, в нужных случаях, каналов.

4.  Идентификация каналов.

5.  Оповещение о появлении неисправностей и отказов.

   Оповещение о появлении неисправностей и отказов связано с тем, что на физическом уровне происходит обнаружение определенного класса событий, мешающих нормальной работе сети (столкновение кадров, посланных сразу несколькими системами, обрыв канала, отключение питания, потеря механического контакта и т.д.). Виды сервиса, предоставляемого канальному уровню, определяются протоколами физического уровня. Прослушивание канала необходимо в тех случаях, когда к одному каналу подключается группа систем, но одновременно передавать сигналы разрешается только одной из них. Поэтому прослушивание канала позволяет определить, свободен ли он для передачи.

   Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, подключенных к сети. На Физическом уровне должна быть определена схема кодирования для представления двоичных значений с целью их передачи по каналу связи. 

Канальный уровень.

   Единицей информации канального уровня являются кадры (frame). Кадры – это логически организованная структура, в которую можно помещать данные. Задача канального уровня – передавать кадры от сетевого уровня к физическому уровню.

   На физическом уровне просто пересылаются биты. При этом не учитывается, что в некоторых сетях, в которых линии связи используются попеременно несколькими парами взаимодействующих терминалов, физическая среда передачи может быть занята. Поэтому одной из задач канального уровня является проверка доступности среды передачи. Другой задачей канального уровня является реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок.

 Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра, помещая специальную последовательность бит, в начало и конец каждого кадра, чтобы отметить его, а также вычисляет контрольную сумму, суммируя все байты кадра определенным способом и добавляя контрольную сумму к кадру. Когда кадр приходит, получатель снова вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой из кадра. Если они совпадают, кадр считается правильным и принимается. Если же контрольные суммы не совпадают, то фиксируется ошибка.

   Задача канального уровня – брать пакеты, поступающие с сетевого уровня и готовить их к передаче, укладывая в кадр соответствующего размера. Этот уровень обязан определить, где начинается и где заканчивается блок, а также обнаруживать ошибки передачи.

Рис.5.  Пакет канального уровня.

На этом же уровне определяются правила использования физического уровня узлами сети. Электрическое представление данных в ЛВС (биты данных, методы кодирования данных и маркеры) распознаются на этом и только на этом уровне. Здесь обнаруживаются и исправляются (путем требований повторной передачи данных) ошибки.

   Канальный уровень обеспечивает создание, передачу и прием кадров данных. Этот уровень обслуживает запросы сетевого уровня и использует сервис физического уровня для приема и передачи пакетов. Спецификации IEEE 802.Х делят канальный уровень на два подуровня:

-  LLC (Logical Link Control) управление логическим каналом осуществляет логический контроль связи. Подуровень LLC обеспечивает обслуживание сетевого уровня и связан с передачей и приемом пользовательских сообщений.

-  MAC (Media Assess Control) контроль доступа к среде. Подуровень MAC регулирует доступ к разделяемой физической среде (передача маркера или обнаружение коллизий или столкновений) и управляет доступом к каналу связи. Подуровень LLC находится выше подуровня МАC.

   Канальный уровень определяет доступ к среде и управление передачей посредством процедуры передачи данных по каналу.

   При больших размерах передаваемых блоков данных канальный уровень делит их на кадры и передает кадры в виде последовательностей.

   При получении кадров уровень формирует из них переданные блоки данных. Размер блока данных зависит от способа передачи, качества канала, по которому он передается.

Канальный уровень может выполнять следующие виды функций:

1.    Организация (установление, управление, расторжение) канальных соединений и идентификация их портов.

2.    Организация и передача кадров.

3.    Обнаружение и исправление ошибок.

4.    Управление потоками данных.

5.    Обеспечение прозрачности логических каналов (передачи по ним данных, закодированных любым способом).

Список используемой литературы.

1.  А.В. Бакке. «Лекции по курсу ССПО»
2.    Б. Скляр «Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение». - М.: Вильямс, 2003 г. 
3.     А.Н. Берлин «Сотовые системы связи».- М.: Бином, 2012 г.
4.     http://omoled.ru/publications/view/292
5.   http://omoled.ru/publications/view/291
6.    http://citforum.ru/nets/