3 Fyzická vrstva

    3.1 Sériové linky

    Sériový a paralelní přenos dat

    Sériový přenos znamená, že pro přenos informace od odesilatele k příjemci je jen jedna dvojice vodičů (resp. u asymetrických rozhraní jeden vodič a společná zem), takže jednotlivé bity každého znaku se přenáší postupně za sebou - tj. sériově.

    Paralelní přenos používá najednou osm vodičů (nebo násobek osmi), tj. všechny bity přenášeného znaku se mohou přenést najednou - tj. paralelně. Paralelní přenos se používá zejména uvnitř počítače na jeho sběrnicích, ale i třeba pro komunikaci s paralelní tiskárnou. Existují i modemy využívající paralelní rozhraní.

    Symetrický a asymetrický signál

    U sériových rozhraní bývají alespoň dva signály: příjem dat a vysílání dat. Pokud každý signál je realizován dvěma vodiči, pak hovoříme o symetrickém nebo diferenciálním signálu. Symetrické signály pro přenos dat používá např. rozhraní V.35 a X.21.
     

    Synchronní nebo asynchronní přenos

    3.3 Digitální okruhy

Obr. 3.10 euroISDN2 a euroISDN30

    euroISDN2


    euroISDN2 využívá stávající telefonní rozvody kroucenou dvoulinkou.

      Obr. 3.11 euroISDN2
           
           
      Obr. 3.12 Připojování zařízení na rozhraní S/T
           
      euroISDN2 používá přenos rychlostí 192 kb/s, který je rozdělen do slotů pro jednotlivé kanály jak je znázorněno na obr 3.13.


      Obr. 3.13 Rozdělení euroISDN2 na jednotlivé sloty

    Protokoly vyšších vrstev a signalizace

    Kanály B lze použít k telefonnímu hovoru, pak jeden slot příslušného kanálu B obsahuje jeden vzorek hovoru (zvukového signálu).

    Při přenosu dat jsou do kanálů B vkládány rámce protokolu LAPB a do kanálu D jsou vkládány rámce protokolu LABD.


    Obr. 3.14 Schématické znázornění rámce linkových protokolů LAPB a LAPD

Rozeznáváme dvě úrovně signalizace. Pomocí signalizace DSS1 vyžaduje uživatel zřízeni okruhu a další služby. Na straně poskytovatele se požadavky v signalizaci DSS1 zabalí do signalizace SS7 (slouží i pro signalizaci klasických analogových hovorů) a přenese se na stranu volaného. Na straně volaného se opět pomocí signalizace DSS1 signalizuje příchozí hovor.


Obr. 3.15 Signalizace DSS1 a SS7

Signalizace DSS1 je specifikována doporučeními ITU Q.931 a Q.932. Protokol Q.931 poskytuje základní služby jako vytvoření okruhu a z hlediska síťového modelu ISO OSI je síťovým protokolem. Protokol Q.931 poskytuje další služby jako je např. přidržení hovoru, z hlediska síťového modelu ISO OSI pokrývá protokol Q.932 transportní až aplikační vrstvu.


Obr. 3.16 DSS1 z hlediska modelu ISO OSI

    Linky E

         
        Linka
        Přenosová rychlost
        kb/s
        (E0)
        64
        E1
        2 048
        E2
        8 448
        E3
        34 368
        E4
        139 264

    Obr. 3.17 Super-rámec E1 rozdělen na 32 slotů po 64 kb/s

    3.4 LAN

    Lokální sítě jsou určeny pro propojení počítačů na kratší vzdálenosti (stovky metrů až kilometry). U lokálních sítí závisí volba fyzického rozhraní na volbě linkového protokolu. V dnešní době přicházejí v úvahu zejména čtyři typy linkových protokolů: Ethernet, Fast Ethernet, Gigabitový Ethernet a FDDI. Protokoly Arcnet a Token Ring jsou v praxi málo běžné.
     

    Strukturovaná kabeláž



    Obr. 3.18 Rozvody v budově
Kategorie:

    Měděné rozvody

      Měděné rozvody se provádí pomocí svazků kroucených dvojlinek. Jednotlivé místnosti se opatřují zásuvkami pro konektor RJ 45 (viz obr. 3.19).

      Obr. 3.19 Konektor RJ 45

      Konektor RJ 45 (“kostka cukru”) obsahuje 8 vývodů pro 4 páry. Nejčastěji se používá zapojení dle EIA 568B (viz obr. 3.20). Toto zapojení umožňuje např. pár číslo 1 použít pro telefon (analogový) a páry 2 a 3 např. pro ethernet (pár 4 zůstává v tomto případě volný).

      Obr. 3.20 EIA 568B – zapojení jednotlivých párů
       

    Optická vlákna


    Optická vlákna jsou tvořena dvěmi vrstvami skla. Jeden typ skla je použit pro jádro vlákna a jiný typ skla pro obal vlákna. V jádře vlákna je veden optický paprsek, který se postupně odráží od rozhraní mezi dvěma druhy skla (viz obr. 3.21).

    Sklo má nízký optický odpor pouze pro tři vlnové délky skla: 850 nm, 1300 nm a 1500 nm, pro se vždy k buzení optického signálu používá jedna z těchto vlnových délek.

    Optické vlákno je vždy simplexní spoj, tj. na jedné straně je vysílač a na druhé straně přijímač. Pro duplexní spoje (což je téměř vždy) je nutná dvojice vláken – pro každý směr jedno vlákno.

Obr. 3.21 Optické vlákno

I když vlákno má zpravidla průměr 125m m, tak jádro vlákna máme dvojího průměru jádra:


Obr. 3.22 Vícevidové a jednovidové vlákno
 
Na obr. 3.22 je znázorněna ochrana optických vláken. Optická vlákna jsou nejprve obalena tzv. primární ochranou, která zajišťuje pružnost vlákna. Bez primární ochrany je vlákno velice křehké. Sekundární ochrana, pak zvyšuje ochranu vlákna. S odstraněnou sekundární ochranou se již setkáváme u optických propojovacích kabelů.

S optickými kabely, které mají odstraněnu sekundární ochranu se v běžných firemních podmínkách obtížně pracuje. V této sféře jsou populární optická vlákna s tzv. těsnou sekundární ochranou (průměr 900 mm = 0,9 mm), která integruje primární i sekundární ochranu. Takové kabely jsou o něco dražší (proto se nehodí na propojování velkých vzdáleností), ale na druhou stranu je možné na tyto kabely přímo nasadit optické konektory.

Pokud se použijí kabely s primární ochranou, tak se musí používat továrně připravené optické konektory nasazené na kus optického vlákna, tzv. prasečí ocásky (pig tail). Prasečí ocásek se pak navařuje na vlákno.


Obr. 3.23 Prasečí ocásek
 


Obr. 3.24 Chybný svár optického vlákna způsobí neprostupnou překážku světelnému paprsku.


Obr. 3.25 Správně provedený svár netvoří procházejícímu paprsku překážku

.

Obr. 3.26 Optický konektor (bez mechanizmu uchycení)
 

Princip optického konektoru je znázorněn na obr. 3.26. Na tomto obrázku není znázorněn mechanismus, kterým je vlákno přitlačováno do dutinky.

    Ethernet (10 Mb/s)

        AUI (označované též jako 10BASE-5) je rozhraní (konektor CANNON 15), na které se připojuje šňůra propojující počítač s tzv. transceiverem.

        Obr. 3.27 Zapojení rozhraní AUI
         
        Vývod
        		 Funkce
        Vývod
        		 Funkce
        1
        		 Kolize – stínění
        9
        		 Kolize -
        2
        		 Kolize +
        10
        		 Vysílání - 
        3
        		 Vysílání +
        11
        		 Vysílání – stínění
        4
        		 Příjem – stínění
        12
        		 Příjem -
        5
        		 Příjem +
        13
        		 Napájení +12 V
        6
        		 Napájení -
        14
        		 Napájení – stínění
        7
        		 -
        15
        		 -
        8
        		 -    

         

        BNC (označované též jako 10BASE-2) je rozhraní pro připojení na tenký koaxiální kabel.

        Kroucená dvojlinka (zkratkou TP, označovaná též jako 10BASE-T) se připojuje konektorem RJ45 ("kostka cukru")

        TP používá dva páry v konektoru RJ45 jak je znázorněno na obr. 3.28. (Všimněte si, že vývody 4 a 5 zůstávají volné, takže je lze použít pro telefon (analogový).


        Obr. 3.28 Zapojení vývodů pro 10BASE-T (resp. 100BASE-TX)

        V konektoru RJ45 se používají pro Ethernet dva páry. Jeden pár pro vysílání, druhý pár pro příjem. V případě, že ethernetový segment sdílejí pouze dvě stanice, které jsou propojeny přímo propojovacím kabelem, pak musí být páry překříženy (tj. překřížen příjem s vysíláním) – viz obr. 3.29.

        Obr. 3.29 Propojovací kabely pro TP

        Segment tvořený pouze dvěma stanicemi je velice zajímavým segmentem. Síťová rozhraní se na takovémto segmentu přepínají do plně duplexního provozu (Full Duplex), kdy se zcela oddělí vysílání od příjmu. Na takovémto segmentu nemůže dojít ke kolizím (vysílání je přímo napojeno na příjem a nikdo třetí do toho nemůže vstoupit), proto zde lze dosáhnout přenosových rychlostí blížících se teoretickému maximu (10 Mb/s pro Ethernet a 100 Mb/s pro Fast Ethernet) a to samostatně v každém směru! Na tomto principu je založen tzv. přepínaný Ethernet.

        Ethernet na optických vláknech se označuje též jako 10BASE-F. Zasadně se vždy používá pár optických vláken – pro každý směr komunikace jedno vlákno.

    Fast Ethernet (100 Mb/s)

        Fast Ethernet se připojuje kroucenou dvojlinkou (označení 100BASE-TX) nebo optickým spojem (označení 100BASE-FX). Rozdíl oproti klasickému ethernetu je pouze v kvalitě vedení. Současné rozvody se většinou staví minimálně kategorie 5, takže nasazení Fast Ethernetu jim nečiní potíží.

    Gigabitový Etherent (1 Gb/s)

        Gigabitový Etherent je standardizován pro optické spoje a pro kroucenou dvojlinku (4 páry).

        Pro jednovidová vlákna je určen standard pod označením 1000BASE-LX buzený laserem o frekvenci 1300 nm s maximální délkou segmentu do 2 km (jednovidová vlákna na plně duplexních segmentech až do 40 km). Pro vícevidová vlákna může týž stadard (1000BASE-LX) pracovat až do vzdíálenosti 450 m.

        Pouze pro vícevidová vlákna je určen standard 1000BASE-SX, který je buzen laserem o frekvenci 850 nm a je určen pro vzdálenosti do 250m.

        Standard pro metalické spoje 1000BASE-CX bude využívat současných rozvodů kategorie 5+ (100 MHz), avšak využije všechny čtyři páry kroucené dvojlinky (tj. všech 8 vývodu konektoru RJ45).

    FDDI

        FDDI existují dvě varianty: na optickém vlákně (FDDI) nebo na kroucené dvoulince (CDDI). Na jedné LAN je možné obě eventuality i kombinovat. Přednost se dává kroucené dvojlince a pro připojení vzdálenějších uzlů se použije světelné vlákno. Vývody opět zpravidla vedou distribuční box optiky v případě optických rozvodu a v na propojovací panel v případě měděných rozvodů.

 

3.5 GSM

Dnes je již více uživatelů sítě GSM než uživatelů Internetu. Uživatelé GSM se často  v souvislosti s Internetem ptají na dvě otázky:


Odpovědím na tyto otázky je věnována tato kapitola.

Normy pro GSM vydává ETSI (the European Telecommunications Standards Institute). Bližší informace jak zakoupit tyto normy např. na CD lze nalézt na http://www.etsi.org.

Systém GSM pokrývá území. Území je tak rozděleno do řady buněk. Každá buňka je obsluhována jedním zařízením BTS (Base Transceiver Station). Jednotlivé buňky se vzájemně překrývají jak je znázorněno na obr. 3.30. Pokud se uživatel se svým mobilním telefonem pohybuje, pak si jej jednotlivé BTS postupně předávají.
 


Obr. 3.30 Pokrytí území vzájemně překrývajícími se buňkami
Nadále si však budeme rozdělení území na jednotlivé buňky představovat zjednodušeně jak je znázorněno na obr. 3.31.


Obr.  3.31 Zjednodušené schéma pokrytí znázorňující oblasti a buňky
Z hlediska řízení sítě je nutné udržovat informaci o tom, kde se konkrétní uživatel nachází. Z tohoto pohledu je vždy několik buněk začleněno do oblasti. Síť si udržuje informaci ve které oblasti se uživatel nachází. Je-li třeba vyhledat uživatele v síti (např. pro příchozí hovor), pak je vyhledáván ve všech buňkách dané oblasti.

Základním problémem pro takovéhoto množství vysílačů je počet přidělených vysílacích frekvencí. Díky omezenému rozsahu je možné po určité vzdálenosti opět použít stejné frekvence. Jestliže pro celou síť je alokováno N frekvencí, pak  je možné stejné frekvence používat ve vzdálených buňkách. Cca N/9 frekvencí je možné použít v jedné buňce.

GSM používá dvě frekvence:

Rozsah je pak rozdělen po 200 kHz které se používají pro vysílače v BTS i v mobilních telefonech. Primární frekvence tak teoreticky obsahuje 124 frekvencí. Jelikož se krajní frekvence zpravidla nepoužívají, tak obsahuje reálně 122 frekvencí.

V jedné buňce je tedy možné použít 122/9 frekvencí, což je 13. V praxi se tak používají BTS s jedním, čtyřmi či maximálně 12  vysílači (frekvencemi).
 
Infrastruktura GSM znázorněna na obr. 3.32 se skládá z:


Obr. 3.32 Infrastuktura GSM
Pro komunikaci  mezi mobilním telefonem a BTS se používají komunikační kanály. Základnám kanálem, který používá uživatel pro komunikaci  je kanál TCH (Traffic Chanell). Rozeznáváme tři typy kanálu TCH:
  1. Kanál TCH/F (F znamená full rate pro "plnou rychlost").
  2. Kanál TCH/H (H znamená half rate pro "poloviční rychlost").
  3. Kanál TCH/8  (1/8 rychlosti).


Kanálu TCH/F i kanálům TCH/H a TCH/8  je vždy ještě přiřazen pomalý kanál SACCH. Tímto pomalým kanálem mohou být přenášeny cca 2 zprávy za vteřinu nezávisle na kanálu TCH/F (resp. TCH/H).

Každá vysílací frekvence je časově rozdělena do osmi slotů (tj. jedna vysílací frekvence může být rozdělena mezi 8 uživatelů - např. mezi 8 kanálu TCH/F). Každý slot  může přenášet jeden kanál TCH/F, tj. hlas frekvencí 13 kb/s či data rychlostí do 12,6 kb/s.  Jak je uvedeno v kap. 3.3.1.1 do synchronních 12,6 kb/s se kóduje standardních 9,6 Kb/s asynchronních.

Do příslušného slotu pro kanál TCH/F se "vejde" ještě kanál SACCH. Oba kanály tak tvoří jeden spojený (asociovaný) kanál, který se označuje TACH/F. Obdobná situace je i u kanálu TCH/H, kde vznikne spojený kanál TACH/H.

Pokud by se (teoreticky) nepoužívaly žádné služební kanály, tak by bylo možné, aby se o jednu frekvenci dělilo až 8 uživatelů, tj. frekvence byla rozdělena mezi 8 hovorů.

Kromě kanálů TACH/F, TACH/H  sloužících pro přenos uživatelských informací používá GSM několik služebních kanálů:

  1. Synchronizační kanál SCH a kanál frekvenční korekce FCCH. Oba kanály zajišťují pomocí oběžníků  synchronizaci v rámci buňky (nezapomínejme, že GSM používá synchronní komunikaci).
  2. Kanál BCCH (Broadcast Control Channel)  signalizuje buňku. Každá buňka se indikuje kanálem BCCH. Uživatel, který se pohybuje tak může zjišťovat informace pro volbu buňky (uživatel tak může zjisti i přítomnost buňky cizí sítě). Tento kanál je zpracováván mobilním telefonem i když je mobilní telefon nečinný.
  3. Kanálem PAGCH (Paging and Access Channel) signalizuje síť příchozí hovor pro mobilní telefon v oblasti. Signalizace se provádí oběžníky v rámci oblasti. Součástí této signalizace je i přiřazení kanálu pro komunikaci.
  4. Kanál RACH (Random Access Channel) slouží pro komunikaci z mobilního telefonu do sítě (všechny předchozí kanály odesílaly oběžníky směrem od BTS k mobilnímu telefonu). Tento kanál se používá např. v případě, že uživatel z mobilního telefonu chce vytvořit okruh ("chce telefonovat"). Kanál RACH je kanál s náhodným přístupem což s sebou přináší potenciální možnost kolizí.
  5. Kanál CBCH (Cell Broadcast Chanell) používá mobilní telefon když je nečinný. V takovém případě musí mobilní telefon odeslat zprávu dlouhou cca 80 bajtů kanálem CBCH každé dvě minuty aby síť věděla, že je telefon k dispozici.


Služební kanály FCCH, SCH, BCCH a PAGCH lze zkombinovat tak, že zaberou  část jednoho slotu ve směru od BTS k mobilnímu telefonu, tj. zaberou část pásma jako jeden kanál TACH/F.

Jak již bylo zmíněno buňka GSM je obsluhována BTS, která může obsahovat 1, 4 nebo 12 transceiverů. Zpravidla se používá následující organizace kanálů v buňce:
 

3.5.1  Připojení počítače k Internetu přes datový okruh GSM

Dnes se používají pro připojení počítače k Internetu přes síť GSM datové služby GSM. Tj. Kanálem TCH/F se přenášejí data.
Počítač je s mobilním telefonem propojen pomocí zařízení RA-0, které je buď součástí mobilního telefonu nebo  součástí počítače.  Zařízení RA-0 převádí asynchronní signál rychlosti až 9,6 Kb/s na synchronní signál 12,6 kb/s, který je vložen do kanálu TCH/F.
Jelikož NSS přepojuje okruhy o rychlosti 64 kb/s ("ISDN okruhy"), tak je třeba zařízením TRAU (Transcoder/Rate Adapter Unit) doplnit signál 12,6 kb/s  výplní na signál 64 kb/s (viz kap. 3.3.1.1). Zařízení TRAU se vkládá před BSC, za BSC nebo může být i součástí zařízení BSC (jak je znázorněno na obr. 3.33).
Signál z NSS přichází jako jeden ISDN B kanál na směrovač poskytovatele Internetu. Poskytovatel Internetu je zpravidla propojen s NSS více kanály B, tj. např. linkou E1 či E3, aby mohlo velké množství uživatelů  současně přistupovat do Internetu. Pro sestavení virtuálního okruhu na směrovač poskytovatele Internetu je nutné aby  směrovač měl přiděleno své telefonní číslo, protože v telefonní síti jsou účastníci adresováni telefonním číslem (v tomto případě je účastníkem  směrovač poskytovatele).


Obr. 3.33 Využití datových služeb mobilního telefonu pro připojení PC k Interentu
Pokud se chce počítač připojit k Internetu, tak je nutné, aby  předal mobilnímu telefonu telefonní číslo směrovače. Telefon pak požádá GSM síť o vytvoření datového okruhu se směrovačem poskytovatele Internetu. V takto vytvořeném virtuálním okruhu je možné aby počítač komunikoval se směrovačem linkovým protokolem. Zpravidla se zde používá protokol PPP, kterým se uživatel i autentizuje poskytovateli Internetu.
 

3.5.2  SMS

Komunikace pomocí krátkých textových zpráv (SMS zpráv) mezi uživateli sítě GSM je služba připomínající e-mail v Internetu. Z hlediska uživatele je zásadním rozdílem mezi SMS zprávou a e-mailem skutečnost, že SMS zpráva může být maximálně 160 znaků dlouhá. (Uvažuje se i o rozšířených SMS zprávách, kde jednu delší logickou zprávu bude možné přenášet pomocí několika fyzických zpráv dlouhých 160 znaků.)

Další rozdílnou vlastností SMS zpráv je, že u SMS zpráv je možná tzv. notifikace přijetí zprávy, tj. je možné označit zprávu tak, aby ji síť GSM sledovala, zda-li byla zpráva doručena adresátovi nebo nikoliv.

Zmínili jsme se o vlastnostech, kterými se SMS zprávy liší od e-mailu. Nyní je třeba naopak objasnit vzájemnou podobnost.  U elektronické pošty není nutné, aby byli odesilatel i adresát současně připojení k Internetu. Odesilatel odešle e-mail, který Internetem doputuje až na poštovní server adresáta, zde se uloží a čeká až se adresát připojí k Internetu a e-mail si vyzvedne.
SMS zprávy putují od adresáta na tzv. SMS centrum (obdoba poštovního serveru).  SMS centrum se snaží doručit SMS zprávu adresátovi, pokud není možné navázat spojení s adresátem, tak SMS zpráva zůstává uložena v SMS centru (obdobně jako e-mail na poštovním serveru).


Obr. 3.34 Odeslaná SMS zpráva se uloží v SMS centru (1); SMS centrum se pokouší doručit zprávu adresátovi (2), pokud se doručení nepodaří, tak zpráva zůstává v SMS centru; Při dalším pokusu (3) se zprávu podařilo doručit.

Obdobná je i adresa adresáta SMS zprávy. Např. v Internetu má adresát e-mailovou adresu novak@firma.cz, kde   firma.cz určuje poštovní server. A řetězec novak určuje konkrétního uživatele v rámci tohoto poštovního serveru. U SMS zpráv máme místo názvu poštovního serveru telefonní číslo SMS centra a místo jména uživatele se používá  číslo uživatele.

Mnozí operátoři GSM  poskytují pro nekomerční použití SMS bránu  do Internetu (viz obr. 3.35). Použití této brány je jednoduché. Např.  do sítě Paegas se z Internetu odešle e-mail na adresu tel.číslo@sms.paegas.cz (uživatel si přes WWW server operátora může tuto složbu povolit či zakázat).  Tento e-mail je Internetem dopraven na SMS bránu, která jej transformuje na SMS zprávu a odešle do SMS centra, které se pokouší SMS zprávu doručit adresátovi. Není třeba asi zdůrazňovat, že při transformaci e-mailu na SMS zprávu lze z e-mailu vzít pouze 160 bajtů. Je možná komunikace i v opačném směru, tj. SMS zpráva se doplní o Internetovou adresu příjemce a odešle se do SMS centra, které zajistí předání zprávy SMS bráně.


Obr. 3.35 SMS brána  a komunikace SMS centra s komerčními aplikacemi.
Pokud je třeba odesílat  velké množství SMS zpráv z počítače do sítě GSM (zejména pokud se jedná o komerční aplikace), pak se využije skutečnosti, že SMS server je také počítač. Mezi oběma počítači se vybuduje spojení a aplikace předává/přebírá SMS zprávy přímo do/z SMS centra. Jelikož se jedná o propojení intranetu firmy s intranetem operátora GSM, tak se kladou velké nároky na bezpečnost tohoto propojení.

Důležitou vlastností SMS komunikace je skutečnost, že SMS zprávy mohou být přenášeny nezávisle na hlasové/datové komunikaci uživatele mobilního telefonu, tj. uživatel může současně telefonovat a nezávisle na tom přenášet SMS zprávy.
Pro  SMS komunikaci se nesestavuje virtuální okruh. SMS zpráva se předá GSM síti, která ji samostatně dopravuje adresátovi.

3.5.3 GPRS

Datový okruh má dvě zásadní nevýhody:  
Tyto nevýhody odstraňuje GPRS (General Packet Radio Service). GPRS nesestavuje virtuální okruhy, ale používá paketový přenos podobně jako Internet. Mobilní telefon se tak jeví jako by byl neustále připojen k síti.  GPRS by se tak dalo přirovnat k připojení počítače k LAN  (naopak využití datového okruhu lze přirovnat k připojení počítače přes modem).

GPRS teoreticky může k přenosu dat využít až všech 8 slotů a dosáhnout teoretické přenosové rychlosti až 171,2 kb/s. V praxi se však předpokládá, že budou využity maximálně 4 sloty. Předpokládá se, že se nejprve bude používat rychlost cca 28 kb/s, později rychlost cca 56 kb/s a v budoucnu  rychlost 112 kb/s (viz http://www.gsmworld.com).

Obr. 3.36 GPRS tvoří  datovou síť uvnitř sítě GSM
Jak je znázorněno na obr. 3.36, tak GPRS tvoří datovou síť uvnitř sítě GSM. Tato síť je pomocí Gateway GPRS Service Node (GGSN) propojena s ostatními sítěmi - např. Internetem nebo GPRS jiných operátorů.

Pro komunikaci v Internetu může mít mobilní telefon přiřazenou IP-adresu. Mobilní telefon pak vkládá IP-datagramy do GPRS. Uzel GGSN pak pracuje jako směrovač.
 

3.5.4 SIM

GSM je založen na myšlence, že každý mobilní telefon se skládá ze dvou částí:


SIM karta obsahuje  osobní údaje klienta (telefonní seznam, seznam posledních volání atd.); SIM karta neobsahuje osobní údaje o klientovi (např. jméno uživatele) - ty jsou uloženy v databázi HLR.

Po zapnutí mobilního telefonu  je uživatel autentizován pomocí PIN. Po zadání správného PIN jsou uživateli zpřístupněny informace na SIM kartě a mobilní telefon se pokusí vyhledat příslušnou síť GSM.

Každá SIM karta má svou devatenáctimístnou identifikaci ICCID (je nejenom uložena v SIM kartě, ale bývá i na kartě vytištěna). Tato identifikace je přístupovým klíčem do databáze HLR. Zajímavé je, že na SIM kartě není trvale uloženo telefonní číslo uživatele či seznam poskytovaných služeb, to se získá až z HLR. Toto zdánlivě komplikované řešení přináší uživatelům velké výhody. Např. pokud si chce uživatel nechat změnit telefonní číslo či přikoupit další služby, pak se to udělá pouze změnou v HLR. Prakticky to znamená, že pokud chce uživatel změnit telefonní číslo, tak nemusí nikam chodit se SIM kartou, ale mnohdy stačí zavolat na Call Cntrum operátora, kde mu tuto změnu provedou telefonicky (uživatel musí pouze svůj mobilní telefon vypnout a znovu zapnout, aby se z HLR načetlo nové číslo).
 


Obr. 3.37 SIM karta se vkládá do mobilního telefonu
Software na SIM kartě je zodpovědný nejenom za identifikaci uživatele, přihlášení uživatele k síti, ale např. i za zobrazovaná menu na displeji mobilního telefonu. Škála menu mobilního telefonu nám dává škálu poskytovaných služeb. Právě menu mobilního telefonu by bylo praktické moci modifikovat.  Jenže modifikace menu mobilního telefonu znamená modifikaci software uloženého na SIM kartě, protože za jednotlivými položkami menu se ukrývají jednotlivé funkčnosti, které jsou realizované software uloženém v SIM kartě.
Pro modifikaci některých datových oblasti (např. oblasti s telefonním seznamem, nebo  programů realizujících některá menu) slouží systém OTA (Over The Air). Jak je znázorněno na obr. 3.38 v GSM v síti operátora GSM je umístěn OTA server, na kterém jsou uloženy tzv. OTA soubory, které je možné nahrávat do SIM karet.

Celý mechanismus je zabezpečen, aby nebylo útočníkům umožněno nahrávat software do cizích SIM karet.

Jelikož při nahrávání do SIM karty slouží mobilní telefon pouze jako čtečka čipových karet. Tak je možné protokol OTA využít lokálně na PC s čtečkou čipových karet. Uživatel přinese svou SIM kartu k PC se čtečkou čipových karet. Na PC se spustí program, který nahraje protokolem OTA soubor z lokálního disku do SIM karty.  I tento zjednodušený postup využívá zabezpečení protokolu OTA. Na SIM kartu je možné data nahrát až poté, co uživatel zadá svůj PIN (zadáním PIN dává uživatel svolení k nahrání dat). Dalším typem zabezpečením je, že nahrávaná data musí být "digitálně podepsána" operátorem GSM - jiná data SIM karta neakceptuje.
 
 


Obr. 3.38 Download doftware z OTA serveru do SIM karty

Nyní už víme, jak software na SIM kartu nahrát. Ale otázkou je jak takový software vyvinout. K tomuto účelu lze využít SIM toolkit, což je aplikační programové rozhraní pomocí kterého lze využívat (upravovat) některé funkčnosti mobilního telefonu.
Nejlepší jak si představit funkčnost SIM toolkitu je představit si jej jako černou skříňku mezi displejem (s klávesnicí)  mobilního telefonu a zbytkem mobilního telefonu jak je znázorněno na obr. 4.39.
 


Obr. 4.39 SIM toolkit
Klasickou aplikací na které lze velice pěkně objasnit funkci SIM toolkitu je populární úloha IPB GSMbanking. Klient chce odeslat platební příkaz ze svého mobilního telefonu do banky. Jako nosič  použije SMS zprávu jejíž délka tomuto účelu postačuje. SMS zpráva přenáší textový řetězec. Pokud by uživatel pořizoval platební příkaz jako běžnou textovou zprávu, pak by musel na přesná místa v přenášeném řetězci uvést čísla účtu, kódy bank, částku a další informace které se uvádějí v platebním příkazu. To by bylo velice nepohodlné, takže se využije funkčnost SIM toolkitu, která umožňuje vybudovat soustavu menu tak, že uživatel je postupně dotazován na číslo účtu příkazce, číslo účtu příjemce, částku atd. SIM toolkit následně sám uloží tyto údaje do SMS zprávy na správné pozice.

To však není vše. SIM toolkit datovou část SMS zprávy před odesláním zašifruje (zašifrování bychom bez SIM toolkitu těžko prováděli). Šifrovací klíč   je uložen na SIM kartě a pochopitelně ve Vaší Bance, takže nikdo se k obsahu zprávy běhen jejího přenosu GSM sítí nedostane (ani zaměstnanci operátora GSM). Přístup k šifrovacímu klíči na SIM kartě chráně dalším PINem, tzv. bankovním PINem (nebo BPINem).
Obr. 3.40 Zabezpečení komunikace za využití SIM toolkit
Obdobný systém se používá i pro jiné aplikace jako je např. prodej letenek. Na tomto systému je oceňovaná zejména bezpečnost, která využívá zabezpečení mezi SIM kartou a koncovou aplikací. Takovéto zabezpečení např. neposkytuje ani dnes aktuální verze 1.1 protokolu WAP.

Jiným typem aplikace je platba v telefonickém virtuálním obchodním domě pomocí elektronické peněženky realizované na čipové kartě. Tento systém je určen pro mobilní telefony vybavené druhým slotem pro čtení čipových karet, tzv. dual slot. zatímco do prvního slotu mobilního telefonu se vkládá SIM karta, tak do druhého slotu lze vložit jinou čipovou kartu např. právě elektronickou peněženku. (Je vcelku škoda, že dnes nelze do mobilního telefonu vložit platební kartu (např. VISA či MasterCard/EuroCard), protože tyto karty jsou realizovány na magnetickém proužku a jejich přechod na čipovou kartu (resp. hybridní kartu, tj. kartu obsahující jak magnetický proužek, tak i čip) se teprve plánuje.)

Uživatelská představa je taková, že uživatel jede autem a vzpomene si, že chce koupit nějaké zboží. Zatelefonuje do telefonického virtuálního obchodního domu, kde si zboží vybere. V zápětí zboží zaplatí z elektronické peněženky vložené do druhého slotu mobilního telefonu. Zboží je pak již jen dodáno na určené místo.

Důležitý je systém platby. Z telefonického virtuálního obchodního domu přijde požadavek na platbu elektronickou peněženkou (viz obr. 3.41). Aplikační programové rozhraní umožňuje vyvinout a na SIM kartu nahrát software, který umí komunikovat s vloženou čipovou kartou (elektronickou peněženkou) tak, že elektronická peněženka vygeneruje ve vhodném okamžiku příslušnou platbu. Tato platba je zašifrována a vložena do SMS zprávy. SMS zpráva s platbou doputuje přes SMS centrum do platebního systému, který zpravidla provozuje vydavatel elektronických peněženek. Nakonec platební systém potvrdí platbu telefonnímu virtuálnímu domu a jeho operátorka může uživateli poděkovat za projevený zájem.
 
 
 


Obr. 3.41 Platba elektronickou peněženkou
 

3.5.5 WAP

V předchozím příkladu jsme nakupovali v telefonickém virtuálním obchodním domě. Podstatně zajímavější je brouzdat po Internetu s případnou možností nákupu v internetovém obchodním domě.

Protokol WAP (Wireless Application Protocol) umožňuje  uživatelům mobilních telefonů přistupovat k informacím a službám umístěným na Internetu (resp. intranetu) aniž by k tomu potřebovali počítač - místo počítače použijí mobilní telefon. WAP je pro mobilní telefony to co WWW pro počítače. Takže pokud máte k dispozici mobilní telefon podporující WAP, tak se již při brouzdání po Internetu  můžete obejít bez PC. V mobilním telefonu je implementován tzv. WAP microbrowser, který je analogií WEB prohlížeče pro PC. Vzhledem k omezeným zobrazovacím možnostem mobilního telefonu má microbrowser pouze omezené možnosti oproti browseru na PC.

Vývojem standardu pro WAP se zabývá WAP Forum (viz http://www.wapforum.org).

WAP používaný v sítích GSM může použít jako přenosové médium:
? SMS pouze teoreticky, protože SMS je pomalou komunikaci, která je pro tento účel poměrně drahá. WAP přes SMS lze přirovnat k WEBmailu, tj. stahování WEB stránek přes e-mail.
? Datový okruh GSM, který lze přirovnat k připojení PC přes modem k Internetu. Datový okruh je v NSS vždy převeden do tvaru ISDN, proto se o tomto typu připojení někdy říká, že se jedná o připojení typu ISDN.
? GPRS, který lze přirovnat k připojení PC k Internetu pomocí pevné linky.

Základem WAP komunikace je WAP gateway (viz obr. 3.42). Uživatel balí informace ve WAP protokolu do SMS zprávy resp. datového okruhu resp. paketů GPRS a odesílá je na WAP gateway. WAP gateway tyto informace vybalí a na aplikační vrstvě je transformuje do HTTP protokolu. Pakety HTTP protokolu vkládá do TCP spojení v Internetu, které je navázáno s příslušným WEB serverem.  WEB server pak vrací příslušné WEB stránky zpět přes WAP gateway do microbrowseru mobilního telefonu. Microbrowser pak informace interpretuje na displeji mobilního telefonu.
 

Obr. 3.42 Komunikace s HTTP serverem
Na HTTP serveru se vystavují stránky v jazyce WML, který je jakýmsi zjednodušením jazyka HTML. Můžeme také prohlížet stránky v HTML jazyce neboť WAP gateway zpravidla umí i konverzi z HTML do WML, avšak to není příliš praktické, proto většina firem má kromě http://www.firma.cz i http://wap.firma.cz. Nepraktičnost spočívá v tom, že firmy mají  http://www.firma.cz vyšperkované mnohými  velkými obrázky a jinými komplikovanými konstrukcemi, které jsou sice pěkné v nejposlednější verzi prohlížeče na PC, ale v microbrowseru nepůsobí nikterak úchvatně.
 
Celková architektura protokolu WAP se skládá z pěti vrstev a vrstvy nosičů  jak je znázorněno na obr 3.43. Jako nosiče mohou složit protokoly GSM, ale WAP obecně není omezen jen pro GSM, ale může být použit nad téměř  libovolnou sítí.

Obr. 3.43  Vrstvy protokolu WAP
Transportní vrstva WDP (Wireless Datagram Protoclol) je obecným datagramovým protokolem. Jehož datagramy mohou být vkládány do téměř libovolného nosiče.

Transakční vrstva WTP (Wireless Transaction Protokol) zabezpečuje spojení (je spojovanou službou), tj. zabezpečuje doručování dat.

Relační vrstva WSP (Wireless Session Protocol) zabezpečuje funkčnost na úrovni protokolu HTTP verze 1.1. Relační vrstva dokáže pracovat nejen nad vrstvou WTP, ale dokonce i pouze nad vrstvou WDP.

Aplikační vrstva  WAE (Wireless Application Envirnoment)  definuje:


Bezpečnostní vrstva WTLS (Wireless Transport Layer Security) je vcelku nešťastně vložena mezi transportní a transakční vrstvu. Bezpečnostní vrstva WTLS je odvozena od protokolu TLS. Protokol TLS je obdobou v Internetu populárního protokolu SSL. I když  protokoly TLS a SSL jsou velice podobné, tak jsou vzájemně nekompatibilní (tj. např. čistý klient TLS nedokáže komunikovat se serverem SSL). Když se k tomu připočte ještě vložení bezpečnostní vrstvy mezi transportní a transakční vrstvu (nikoliv až pod aplikační vrstvu jak je tomu v případě SSL), tak z toho vyplývá, že WAP gateway nemůže pracovat obdobně jako SSL proxy jak jsme zvyklí u protokolu HTTPS. Jinými slovy: pokud se použije protokol WTLS, tak je možné  zabezpečení pouze mezi mobilním telefonem a WAP gateway. Na WAP gateway se vše musí dešifrovat. Případné zabezpečení mezi WAP gateway a WWW serverem (aplikací) je možné např. protokolem SSL, ale jako klient v tomto zabezpečení nevystupuje mobilní telefon, ale celá WAP gateway, která použije jeden společný klíč pro všechny své uživatele.

 Jediným bezpečným řešením je aplikaci umístit přímo na WAP gateway nikoliv do Interentu. Nehovoříme pak o WAP gateway, ale o WTA serveru (Wireless Telephony Application), který je umístěn přímo v GSM síti (resp. jiné telefonní síti, která je se sítí GSM propojena).

V dnes aktuální verzi 1.1 protokolu WAP není navíc WAP realizován na SIM kartě, ale přímo v hardware mobilního telefonu.

Připravovaná verze 1.2 protokolu WAP bude obsahovat modul WIM (Wireless Identity Module), který zajistí autentizaci klienta, uchování privátního klíče, ochranu PINem a digitální podpis. Předpokládá se, že bude využit internetový bezpečnostní standard PKI  (Private Key Infrastructure), tj. práci s certifikáty vydanými pro WAP server  a případně i pro WAP klienta.

Modul WIM bude implementován již na čipové kartě. Implementace modulu WIM  je možná dvojím způsobem:
? Implementace WIM na  samostatné čipové kartě, což je možné pouze u mobilních telefonů, které mají druhý slot.
? Implementace WIM přímo na SIM kartě. Takovéto karty se označují jako SWIM (SIM+WIM=SWIM). V současné době však SIM karty nemají dostatečnou kapacitu paměti RAM pro tuto implementaci.

Komerční aplikace může v budoucnu pracovat jak je znázorněno na obr. 3.44. Uživatel brouzdá po Internetu přes WAM gateway. V případě, že chce zaplatit nějaké zboží, tak pomocí elektronické peněženky provede platbu. Tato platba je zabezpečena  mezi SWIM kartou a platebním systémem. Již dnes existují microbrowsery, které umí integrovat menu z WAP stránky s položkami generujícími platbu s příslušným zabezpečením.

Obr. 3.44 Aplikace se SWIM kartou

Vytváření WAP aplikací

WAP aplikace jsou velmi podobné WWW aplikacím. Pro vytváření stránek je definován jazyk WML. Zdrojové informace jsou uloženy v jednotlivých kartách (card), tyto karty jsou sdružovány do balíčků (deck).
WAP podporuje obrázky ve formátu WBMP. WAP podporuje i  scriptování na straně mobilního telefonu. Pro scriptování se používá jazyk WMLS, jedná se o analogii java scriptů na WWW. Funkčnosti WMLS scriptů jsou omezenější oproti
Java scriptům, vzhledem k omezené velikosti paměti na telefonu. Z WTLS scriptu lze využít v aplikaci vlastnosti koncového zařízení např. vytáčení telefonních čísel, práci s telefonním seznamem na SIM kartě, odesílání textových zpráv, apod.

Podobně jako u WWW není potřeba žádný zvláštní nástroj na tvorbu zdrojového textu WAP stránek. Existují však  i speciální editory WML stránek.

Pokud chce autor obohatit svou WAP aplikaci obrázkem, může použít některý editor obrázků pro WAP, který umožňuje vytvoření obrázku, nebo konverzi existujícího obrázku do formátu WBMP.

Pro kontrolu, nebo prohlížení WAP aplikací bez použití mobilního telefonu existují WAP prohlížeče pro PC.
 
 

Příklad zobrazení WAP stránek na display mobilního telefonu:
 

Příklad zdrojového WML kódu, který odpovídá předchozím dvěma obrazovkám:

<?xml version="1.0"?>
<!DOCTYPE wml PUBLIC "-//WAPFORUM//DTD WML 1.1//EN" "http://www.wapforum.org/DTD/wml_1.1.xml">

<wml>
<card id="index" ontimer="#home" title="WAP PVT a.s">
<timer value="20"/>
<p>

<br/>
<img src="logo.wbmp" alt="WAP server PVT"/>
</p>
</card>

<card id="home" title="WAP PVT a.s.">
<!-- uvodni stana -->
<p align="center">
<anchor title="Produkty PVT">Produkty PVT
  <go href="#produkty"/>
</anchor>
<anchor title="Informace">Informace
  <go href="#prvni"/><br/>
</anchor>
<anchor title="Kontrola site">Kontrola site
  <go href="input.wml"/><br/>
</anchor>
<anchor title="WAP servery">WAP servery
  <go href="#servery"/>
</anchor>
</p>
</card>

<card id="produkty" title="Produkty PVT">
<do type="prev" label="Back">
<go href="#home"/>
</do>
<p>
Bankovni produkty:<br/>
------------------<br/>
IPB GSMB<br/>
IPB HB<br/>
Ostatni produkty:<br/>
-----------------<br/>
RMS<br/>
SCP<br/>
CNZP<br/>
GSM<br/>
ATEC<br/>
Regioninfo<br/>
Skoleni<br/>
</p>
</card>
 

  <card id="prvni" newcontext="true">
 
<do type="prev" label="Back">
<go href="#home"/>
</do>
    <p align="center">
         <anchor title="Pocasi">Pocasi
      <go href="#pocasi"/>
    </anchor>
 <anchor title="Kurzy">
      <go href="#kurzy"/>
    </anchor>
    </p>
  </card>

<card id="pocasi">
 <do type="prev" label="Back">
      <go href="#prvni"/>
    </do>
<p>
    Ve dne svetlo v noci tma<br/>
<b>-10 az +20 stupnu C</b>
<i>dalsi informace na tel: 0603 001001</i>
</p>
 </card>
<card id="kurzy">
 <do type="prev" label="Back">
      <go href="#prvni"/>
    </do>
<p>
    <b>US$$</b> 15 Kc<br/>
    <b>DM</b>  5 Kc
</p>
 </card>
<card id="servery" title="WAP servery">
<p>
<anchor title="atlas">WAP.ALTLAS.CZ
<go href="http://wap.atlas.cz"/>
</anchor>
<anchor title="uzdroje">WAP.UZDROJE.CZ
<go href="http://wap.uzdroje.cz"/>
</anchor>
</p>
</card>

</wml>