زیرساخت شبکه تلفن همراه

< استفاده از مطالب سایت فراکنش با ذکر منبع مجاز است.>

در اين بخش به معرفي زيرساخت شبكة تلفن همراه به عنوان بستري كه كلية ارتباطات اين شبكه را در خود جاي مي‌‌دهد خواهيم پرداخت. در اين معرفي سعي خواهيم كرد كه مروري بر تاريخچة اين شبكه‌ها از زمان پيدايش تا كنون داشته باشيم و در مورد زيرساخت‌‌هاي مختلف ارائه شده، تا حد ممكن به معرفي اشكالات امنيتي و نفوذ‌‌هاي قابل انجام روي اين زيرساخت‌ها بپردازيم.

شبکه‌های موبايل از سيستم‌های سلولی استفاده مي‌‌کنند که عناصر اصلي يک سيستم سلولی  در شکل زير نشان داده شده است.

تقريبا در مرکز هر سلول يک ايستگاه مبنا (BS) وجود دارد که شامل آنتن، يک کنترلگر و تعدادي فرستنده و گيرنده براي ارتباط برقرار کردن روي کانال‌هايي که به آن سلول  اختصاص داده شده است مي‌‌باشد.

کنترلگر، براي مديريت فرايند مکالمه بين دستگاه تلفن همراه و بقيه شبکه استفاده مي‌‌شود و دستگاه‌های موبايل فعال در يک سلول با BS در تماس هستند. هر BS به يک مرکز سوييچ ارتباطات موبايل (MTSC) وصل مي‌‌باشد. يک MTSO با چند BS در تماس است. عمدتاً ارتباط بين MTSO و BS با استفاده از سيم مي‌‌باشد (هر چند گاهي ارتباط بدون‌سيم هم ممکن است). MTSO ارتباط بين دستگاه‌‌هاي موبايل را برقرار مي‌‌کند، همچنين به شبکه مخابراتي تلفن ثابت هم وصل مي‌‌باشد و مي‌‌تواند ارتباط بين اعضاي ثابت در شبکه عمومي ‌و اعضاي متحرک در شبکه سلولی را برقرار کند.

MTSO به هر تماس تلفنی يک کانال صوتي اختصاص داده، عمل Hand off را انجام می‌دهد، همچنين بر تماس‌های تلفنی براي استخراج اطلاعات صورت حسابشان، نظارت مي‌‌کند.

دو نوع کانال بين دستگاه موبايل و BS وجود دارد: کانال کنترل و کانال ترافيک. کانال‌هاي کنترل براي راه‌اندازی، برقراري و نگهداري تماس‌های تلفنی لازم است. همچنين براي برقراري ارتباط بين يک  دستگاه موبايل و نزديکترين BS استفاده مي‌‌شود. کانال ترافيک يک ارتباط صوتي يا داده را بين کاربران برقرار مي‌‌کند. شکل زیر گام‌‌هاي يک ارتباط نوعي در سيستم سلولی را نشان مي‌‌دهد.

مرحله اول هنگامي‌ ‌است که يک دستگاه موبايل روشن شده و شروع به جستجو مي‌‌کند تا قويترين کانال کنترلي که براي اين سيستم برقرار شده را پيدا مي‌‌کند. تماس‌‌های تلفنی با باند فرکانسي متفاوت مکرراً در کانال‌‌هاي set up مختلف منتشر می‌شوند و دريافت کننده، قويترين کانالset up  را انتخاب کرده و آن را مونيتور مي‌‌کند. تاثير اين عمليات آن است که دستگاه موبايل به طور خودکار، آنتن BS سلولي را که دستگاه در آن حضور دارد انتخاب مي‌‌کند (البته نه همواره). سپس يک handshake  بين دستگاه موبايل و MTSC اي که اين سلول را کنترل مي‌‌کند از طريق BS اين سلول انجام مي‌‌شود که براي شناسايي کاربر و تعيين موقعيتش می‌باشد. تا وقتي که دستگاه موبايل روشن است، اين عمليات جستجو، مکرراً براي تعيين موقعيت و حرکت دستگاه انجام مي‌‌شود. اگر دستگاه به سلول جديدي وارد شود، يک BS جديد انتخاب مي‌‌شود. همچنين دستگاه موبايل براي paging بررسی مي‌‌شود

اين قسمت حالتي را نشان مي‌‌دهد که يک دستگاه موبايل يک تماس تلفنی را با ارسال شماره دستگاه مقصد روي کانالset up  از پيش انتخاب شده آغاز مي‌‌کند. دستگاه موبايل بررسی مي‌‌کند که آيا با اطلاعاتي که از طرف BS ارسال مي‌‌شود، کانال آزادي در دسترس مي‌‌باشد يا خير. وقتي يک کانال آزاد تشخيص داده شد، موبايل مي‌‌تواند روي همان کانال (به سمت BS) انتقال را انجام دهد. BS درخواست را به MTSO مي‌‌فرستد.

سپس MTSO تلاش مي‌‌کند تا ارتباط را با دستگاه مقصد بر قرار کند. MTSO يک پيغام Paging براي BS‌های خاصي (وابسته به شماره تلفن مقصد) ارسال مي‌‌کند. هر BS سيگنال paging را روي کانال set up خودش ارسال مي‌‌کند.

دستگاه موبايل مقصد، شماره‌اش را روي کانال Set up اي که پيدا کرده تشخيص داده، به آن BS پاسخ مي‌‌دهد و BS پاسخ را به MTSO ارسال مي‌‌کند. MTSO يک کانال بين BS‌های تلفن زننده و دريافت کننده برقرار مي‌‌کند و در همان زمان MTSO يک کانال ترافيک در دسترس درون سلول هر BS انتخاب کرده و BS‌ها را مطلع مي‌‌کند و آنها هم به نوبه خود دستگاه‌های موبايل را مطلع مي‌‌کنند و دو دستگاه براي استفاده از کانال‌هاي اختصاص داده شده تنظيم مي‌‌شوند.

در حين برقراري ارتباط دو دستگاه موبايل سيگنال‌‌هاي صوت و داده را از طريق BS‌های مربوطه و MTSO مبادله مي‌‌کنند. اگر يک دستگاه در طي يک ارتباط از محدوده يک سلول به ديگري وارد شود، کانال ترافيک آن بايد به BS ديگري در سلول جديد مقداردهي شود. سيستم بايد اين کار را بدون قطع ارتباط يا اطلاع کاربر انجام دهد.

نسل‌های تلفن همراه

 در جدول زیر فهرستی از استاندارهای تلفنی و داده‌ای شبکه موبایل آمده است. سيستم‌‌هاي موبايل طي نسل‌های مختلفی تکامل يافته، در جهت بهبود سرويس دهي تغيير نموده‌اند:

نسل اول براساس سيگنال‌هاي آنالوگ بوده و در آمريكاي شمالي با عنوان سيستم پيشرفتة تلفن همراه (AMPS) و در اروپا با عنوان TACS پياده سازي شده بود. اساس اين سيستمها circuit-switch بوده و فقط براي انتقال صدا استفاده مي‌‌شد نه داده. اين شبکه‌ها امنيت بسيار پاييني داشتند و در آنها امکان کلاه‌برداري‌‌هاي مختلفي وجود داشت. از جمله آنکه:

محاسبه صورت حسابها به صورت غير برخط انجام مي‌شد. چنين روشي به حمله کنندگان امکان مي‌داد تا با يک شناسه تصادفي مکالمات بسيار طولاني انجام دهند و تنها در هنگام محاسبه صورت حساب مشخص مي‌شد که چنين شمار‌ه‌اي وجود ندارد.

اطلاعات به صورت واضح روي شبکه تلفن همراه مبادله مي­شد. بنابراين علاوه بر امکان گوش کردن به مکالمات، امکان شناسايي اعضاي مجاز شبکه نيز وجود داشت. بنابراين حمله کننندگان به راحتي مي‌توانستند از هويت يک عضو مجاز استفاده کرده و مکالمات را با هزينه آن عضو انجام دهند.

دستگاه‌‌هاي مورد نياز براي شنود يا ارسال مکالمات در دسترس و ارزان بود، حتي آموزش براي استفاده از آنها به راحتي در دسترس بود.

در سال 1995در حدود 5% از مکالمات غير مجاز بودند. بنابراين سيستم آنالوگ نسل اول کاملاً غير امن بود.

نياز به نرخ داده بالاتر و سرويس بهتر، همچنين فراهم کردن امنيت بيشتر براي کاربران موجب شد تا نسل دوم شبکه‌‌هاي تلفن همراه ارائه گردد. نسل دوم از مخابرات ديجيتال استفاده مي­کند. ماکزيمم نرخ ارسال داده در آنها 6/9 کيلو بيت بر ثانيه است.

اين سيستم­ها در اوائل دهه 1990 به بهره برداري رسيدند. مزاياي اين سيستم‌ها چه از نظر فن‌آوري­ و چه از نظر ارائه خدمات عبارتند از ارائه سرويس‌‌هاي داده در کنار سرويس‌‌هاي صوتي مانند دورنما و سرويس پيغام کوتاه، پوشش دهي مناسب در داخل محيط‌‌هاي بسته توسط ميکروسلول‌ها، کوچک بودن و کم وزن بودن گوشي­ها، کاهش ابعاد و وزن تجهيزات، ارزان بودن سرويس‌ها و خدمات در مقايسه با سيستم‌هاي آنالوگ و کدينگ و رمزنگاري مناسب.

نسل دوم بر اساس سيگنال‌‌هاي داده ديجيتال مي‌‌باشد. مهمترين شبكه نسل دوم GSMاست. علاوه بر آن، سيستم مشابهي از نسل دوم با عنوان PDC پياده سازي شد. چندين سيستم ديگر نيز بر اساس  TDMA از نسل دوم پياده سازي شده‌اند. قابليت‌‌هايي مثل پويش در وب و امکانات چندرسانه‌ای در آنها بسيار كم است.

نسل 2G+ به دليل گسترش اينترنت و تقاضاي فزاينده براي دسترسي به اطلاعات آن و اينكه سرعت سيستم‌‌هاي مبتنی برTDMA  براي اين كار بسيار محدود بود، شكل گرفت كه مبتنی بر بستهبوده، سرعت انتقال داده را تا  kbps 384 افزايش داد. سيستم‌‌هاي نسل 2G+ براساس فن‌آوری‌های زير هستند

• High Speed Circuit-Switched Data (HSCSD)
• General Packet Radio Service (GPRS)
• Enhanced Data Rates for Global Evolution (EDGE)

نسل سوم: مزايايي که فن‌آوری نسل سوم اضافه کرد شامل الف) کانال‌هاي ترافيک ديجيتالي ب) استفاده از رمزنگاري  ج) امکان تشخيص و تصحيح خطا که منجر به بهبود کيفيت صدا و وضوح بيشتر آن مي‌‌شد.

گروه‌‌‌هاي مختلفي مانند 3GPPو 3GPP2 روي استاندارد نسل سوم به طور موازي کار مي­کنند. ITU-Rبه دنبال ايجاد يک استاندارد جهاني براي برآوردن نياز اپراتورها و مشتريان مي­باشد.

سرويس‌‌هايي که در نسل سوم پشتيباني مي‌شود شامل تلفن تصويري، شرکت در کنفرانس ويدئويي،

جغرافيايي مشترکان با دقت مطلوب، انتقال اسناد با امنيت بالا و امکان دريافت و مشاهده برنامه‌‌هاي تلوزيوني مي­باشد.

علاوه برآن از خصوصيات اين سيستم‌ها، عملکرد خوب در سيستم‌هاي بلادرنگ و بادرنگ، سازگاري با معماري‌هاي مختلف سلولي مانند درون ساختماني و بيرون ساختماني و نيز ساختار سلولي سلسله مراتبي و ساختار سلولي در ترافيک، انتقال داده به شکل متقارن و نا‌متقارن، امکان انتقال داده به دو روش سوئيچ مداري و سوئيچ بسته‌اي مي‌باشد.

نسل چهارم: شبکه‌‌‌هاي مخابراتي سيار نسل چهارم سعي دارند به طور يکپارچه شبکه‌‌هاي مخابراتي، اينترنت و سرويس‌‌هايشان را ترکيب کنند. معماري شبکه مخابراتي نسل چهارم بر مبناي فناوري بي­سيم  دسترسي با برد کوتاه و سرعت بالا و استاندارد‌هاي اينترنت مي­باشد. اين شبکه‌ها از طريق انواع مختلف ترمينال‌ها و وسائل قابل دسترسي هستند و در آن کليه سرويس‌ها و دستگاه‌ها با IP سازگار هستند.

پراستفاده ترين شبکه موبايل در جهان، شبکه GSM مي‌باشد. 95 درصد ازکشور‌هاي جهان و71 درصد از مشترکان تلفن همراه از اين سيستم استفاده مي‌کنند. سيستم ديجيتال GSM در سال 1373 در ايران و در شهر تهران راه اندازي شده و مورد بهره‌برداري قرار گرفت که ساختار ارتباطي سيار کشور را تشکيل مي‌دهد.

در حال حاضر کشور‌هاي توسعه يافته در حال گذار از نسل دوم به نسل سوم شبکه‌‌‌هاي تلفن همراه هستند. در کشور ما برنامه­ريزي­ها و سرمايه­گذاري­ها تا 10 سال آينده متمرکز بر توسعه و بهينه­سازي شبکه GSM موجود و نهايتاً وارد کردن فناوريGPRS ظرف سال‌های اخیر مي­باشد.  در جدول بالا فهرستی از اسامی استاندارهای مرتبط با شبکه تلفن همراه و شبکه داده در نسل‌های مختلف تلفن همراه معرفی شده است.