мобильный интернет — связь и проблема качества обслуживания

Сегодня сотни миллионов людей на всем Земном шаре пользуются услугами сети Интернет. Если первоначально Всемирная паутина служила, в основном, как средство передачи данных, то сейчас есть все основания рассматривать Интернет в качестве универсального транспортного средства, используемого в равной степени как для передачи данных, так и для передачи мультимедийного контента. В свое время довольно много говорилось и писалось о «конвергенции» голоса и данных. Как таковая, конвергенция оказалась непростой задачей и потребовала введения нового для интернета понятия «качества обслуживания» (Quality of service, QoS). Первоначально предполагалось ввести четыре различные модели (семейства протоколов) для обеспечения уровня качества обслуживания: «разделение потоков», «дифференциация услуг», «многопротокольная коммутация» (MPLS) и «протокол с резервированием ресурсов» (RSVP). Ясно, что качественная передача голоса и другого мультимедийного контента не допускает характерных для исходных протоколов Интернета потерь и задержек пакетов, а это, в свою очередь, требует тех или иных форм резервирования (выделения каналов).
Положение еще более усложнилось в связи с широким развитием в самые последние годы мобильной связи, сначала голосовой, а вскоре и третьего поколения (иначе - мультимедийной) мобильной связи (3G), и совершенно естественным желанием включить мобильную связь всех видов в число стандартных интернет-услуг.
Перед тем, как переходить непосредственно к проблеме QoS, посмотрим сначала, как в такой существенно стационарной системе, как Интернет, решается проблема обеспечения мобильности.
Если пользоваться стандартными интернет-протоколами, то на этом пути возникают по меньшей мере две существенные трудности.
Пользователь мобильного терминала может достаточно часто менять свое местоположение. Если он к тому же имеет постоянный IP-адрес, то соответствующие адреса и маршруты должны быть прописаны во всех маршрутизаторах, а таковых на сети многие миллионы.
Если пользователь не имеет фиксированного IP-адреса, то в результате каждого его перемещения протокол управления транспортом (ТСР) должен будет прерывать установленные соединения и создавать новые, что, в частности, вносит дополнительные задержки и не совместимо с передачей голоса.
С учетом сказанного Проблемная группа проектирования Интернета (Internet Engineering Task Force, IETF) разработала Мобильный IP-протокол IPv4. По сравнению с предыдущими, этот протокол обладает рядом преимуществ, но, как будет следовать из дальнейшего, он также не решает проблему QoS.
Ключевыми элементами нового протокола являются: так называемый «плавающий», или мобильный узел (MN), домашний агент (НА) в составе домашней подсети (HN), т.е. подсети, к которой нормально приписан рассматриваемый МN, внешний агент (FA) в составе внешней подсети (FN) и, наконец, узел-корреспондент (CN), который может быть либо мобильным, либо стационарным. Основные свойства мобильного IP-протокола сводятся к следующему.
Мобильный IP-протокол обеспечивает прозрачную маршрутизацию дейтаграмм к мобильным узлам. Каждый мобильный узел, независимо от своего географического положения, идентифицируется своим постоянным IP-адресом. Если MN покидает свою подсеть и оказывается в зоне действия подсети FN, он получает уведомление от местного агента, отвечает на это уведомление, получает временный адрес и регистрирует его в НА, чем и определяет свою истинную (на данный момент) приписку в Интернете.
Пусть некий «условно стационарный» корреспондент (CN) вызывает MN, естественно, пользуясь для этого его постоянным адресом. Посылаемые CN дейтаграммы поступают в подсеть HN с помощью обычного интернет-протокола. Домашний агент HA, т.е. маршрутизатор, обладающий свойством поддержки мобильных агентов, перехватывает эти дейтаграммы, инкапсулирует их в новый заголовок и отправляет по временному адресу мобильному агенту. Подобный процесс получил название «туннелирования». Если же мобильный корреспондент хочет ответить стационарному – он осуществляет это, пользуясь обычным интернет-протоколом. Таким образом, и это существенно, диалог корреспондентов осуществляется по различным каналам.
Теперь можно перейти к обсуждению качества обслуживания (QoS). Качество обслуживания, само по себе, характеризуется рядом параметров, такими как: ширина полосы пропускания, задержки, джиттер и потери пакетов. Для мобильной связи были предложены следующие три основных класса QoS:
«Локально гарантированный» (Mobility dependent locally guaranteed, MDLG). Этот класс должен применяться в тех случаях, когда незначительные изменения QoS могут оказать существенное влияние на качество передачи. Важно отметить, что работа в реальном времени и, в частности, Интернет-телефония, возможны только в пределах этого класса.
«Адаптивный» (Mobility dependent adaptive, MDA) –этот класс применим в случаях, когда допустимы отклонения в пределах некоторых ограничений, например, при односторонней передаче голоса или видео.
«По возможности» (Best effort, BE) –применим для сессий, не предъявляющих специальных требований к QoS, например, передача файлов.
Упомянутые ранее четыре модели обеспечения QoS хорошо работают в стационарном Интернете, но, к сожалению, не способны полностью удовлетворять требованиям, предъявляемым в случае использования мобильных терминалов. Как уже отмечалось, наиболее надежной (и в то же время наиболее дорогостоящей) среди упомянутых моделей является модель с резервированием ресурсов (RSVP). Но и эта модель не удовлетворяет всем требованиям со стороны мобильной связи, по меньшей мере по следующим четырем причинам:
- ресурсы не резервируются при туннелировании;
- дейтаграммы корреспондентов следуют по различным каналам, в общем случае могущим обладать различными средствами поддержки QoS;
- положение еще более ухудшается при отказе одного из каналов. Ведь даже включение резервных средств требует определенного времени;
- аналогичная ситуация возникает, когда подвижный абонент переходит из одной подсети в другую и требуется новая регистрация.
Был предложен целый ряд полумер, таких, например, как протокол мобильного Интернета с регистрами локализации (Mobil Internet Protocol with location register, MIP-LR), или протокол мобильного Интернета с оптимизацией маршрутов (Mobil Internet Protocol with route optimization, MIP-RO), также не приведших к удовлетворительному решению проблемы. Потребовались дополнительные исследования, которые к настоящему времени позволили предложить следующие методы.
Предварительное резервирование.Согласно этому методу, резервирование большинства перечисленных выше средств, как-то: каналов, средств обеспечения QoS и т.п. осуществляется заранее в тех географических районах (и одновременно сетях), где потенциально может оказаться пользователь. Перечень таких районов обуславливается контрактом между пользователем и поставщиком услуг. Такой контракт может изменяться динамически.
Преимущества такого метода очевидны, хотя они естественным образом зависят от количества ресурсов, направленных на резервирование. Основным недостатком метода является высокая стоимость. Следует учитывать также, что предварительно зарезервированные ресурсы в случае не использования их абонентом-заказчиком, изымаются из обращения и не могут быть использованы другими узлами сети. В последнем случае, правда, возможен вариант, когда ресурсы резервируются непосредственно перед сессией. Причем, для заказа можно пользоваться каналами более низкого качества (BE или MLA).
Кластеризация FA.Согласно этому методу, в пределах одной подсети размещается несколько агентов FA, составляющих кластер. При перемещении пользователя в пределах кластера от одного агента к другому между подвижным и стационарным абонентами не осуществляется хендовер, а требуется лишь передача данных о новом местоположении.
Туннелирование между старым и новым FA.Чтобы не было опасности потери пакетов при перерегистрации между старым и новым агентами FA, можно соединить эти агенты туннельными каналами.
Дополнительное резервирование ресурсов.Самый радикальный и самый дорогой метод.
Полный перечень методов и возможностей их использования сведены в следующую таблицу.

Таблица 1

заключение

Исключительная важность преобразования Интернета в универсальную транспортную систему, в равной степени пригодную для обслуживания как стационарных, так и мобильных абонентов и обеспечивающую при этом достаточно высокое качество передачи мультимедийной информации, не вызывает сомнений. Собственно, само понятие «конвергенции» и возникло как обозначение необходимости решения подобной задачи и поисков путей к ее решению. Однако подробные исследования, да и сама жизнь, показали, что подобная цель не может быть достигнута простым добавлением нескольких дополнительных функций и протоколов к уже существующей системе.
В этой короткой заметке мы постарались перечислить лишь наиболее очевидные и особо важные именно сегодня препятствия к подобному решению проблемы. Причем, подчеркнем это еще раз, речь шла именно о положении вещей на данный момент. Значительно большие трудности возникнут, а по существу возникли уже теперь, при попытках решить не менее важные проблемы защиты от несанкционированного доступа, организации полноценных конференц-сессий с участием мобильных элементов и т.п.
По-видимому, следует отдавать себе отчет в том, что проблема передачи мультимедийного контента с приемлемым уровнем качества разрешима лишь за счет использования выделенных и существенно резервированных каналов. А это, в свою очередь, означает, что речь должна идти не о «конвергенции голоса и данных», как это мыслилось три года тому назад, а о конвергенции принципов коммутации пакетов и коммутации каналов.
Конечно, при таком подходе основной целью должно быть создание на все время сессии постоянного дуплексного канала (возможно двух каналов), обладающего требуемыми средствами защиты, и отвечающего затребованному пользователем классу QoS. Что же касается всего комплекса действий по созданию и поддержке таких каналов, то большая их часть может решаться существующими стандартными средствами интернет-протоколов.
В заключение можно высказать следующие предположения. В случае мобильной связи задачи организации первичных каналов между терминалом и базовой станцией, а также каналов между базовыми станциями с учетом хендовера и другой специфики, решаются самими базовыми станциями и частично программным обеспечением терминалов. Суть предположения состоит в том, чтобы передать часть описанных выше функций агентов базовым станциям, или, в более общей постановке, осуществить конвергенцию сотовых и транспортных сетей.

А.В.Шилейко, по материалам Bell Labs.