Асимметричные мегабиты

Где-то в начале 1990-х нас уверяли, что больше 28 кбит/с из обычного модема выжать теоретически невозможно.

Где-то в начале 1990-х нас уверяли, что больше 28 кбит/с из обычного модема выжать теоретически невозможно. Впрочем, и эта величина тогда казалась "райским наслаждением", по сравнению с имевшимися в продаже девайсами на 2400 бит/с (bit per second, bps)[Иногда биты в секунду называют бодами (по имени изобретателя телеграфного аппарата Эмиля Бодо), что, как вы увидите далее, не всегда корректно.]. Ближе к концу десятилетия, однако, появились модемы на 33,6 кбит/c, потом - на 56, и на этом, кажется, все действительно остановилось. Но параллельно пошли слухи о некоей буржуйской технологии xDSL, которая якобы позволяет по обычной телефонной линии передавать чуть ли не телевидение. Это казалось совсем уж ненаучной фантастикой: телевидение твердо ассоциируется с коаксиальными кабелями и высокочастотными блоками, а отечественная телефонная "лапша" к тому времени воспринималась чуть ли не символом технического отставания рухнувшего советского строя.

Тогда считалось, что для получения широкополосного Интернета есть только один путь - тащить в каждую квартиру/офис выделенную линию. Но не прошло и пяти лет, как в одном отдельно взятом городе (догадались в каком?) под маркой "Стрим" настал если и не интернет-коммунизм, то уж социализм с человеческим лицом точно. И одновременно выяснилось, что эти самые фантастические технологии xDSL (а точнее, одна их них, под названием ADSL) как раз и есть самый дешевый способ интернетизации всей страны. Ну, по крайней мере, ее телефонизированной части, потому что глобальный этап интернет-революции будет связан, несомненно, с беспроводными сетями, и о них мы еще поговорим.

Чтобы понять, почему отечественная "лапша" оказалась вовсе не так и плоха, и как удалось, почти ничего не трогая в существующей инфраструктуре, организовать широкополосную передачу данных через обычную телефонную розетку, сначала нужно понять - а что, собственно, мешало сделать это раньше?

Передача данных в викторианском стиле

Первая трансатлантическая телеграфная линия, проложенная Сайрусом Филдом в 1857 году, проработала всего пару недель. Но за это время по ней было передано около четырехсот телеграмм (в том числе знаменитое поздравление от английской королевы Виктории президенту США Бъюкенену), и в процессе опытной эксплуатации обнаружилась одна вещь, которая оказала огромное влияние на всю последующую историю передачи сигналов по проводам. Выяснилось, что скорость передачи двоичных посылок (а телеграф оперировал именно двоичными данными: "есть ток" - "нет тока") по длинному кабелю ограничена. Когда операторы пытались ускорить процесс, то принимаемые сигналы "наезжали" друг на друга, и различить их было невозможно. Для того самого первого трансатлантического кабеля промежуток между двумя сигналами должен был, как подсчитали позднее, составлять величину не менее нескольких секунд, и рядовую телеграмму в пятьсот точек-тире приходилось передавать около часа. В современных единицах мы бы определили скорость передачи по такому кабелю примерно в 0,1 бит/с.

Заслуга в объяснении неожиданного для инженеров того времени явления принадлежит Уильяму Томпсону, лорду Кельвину (собственно, титул лорда он и получил за разработку теории передачи сигналов по длинным линиям). Сейчас бы мы выразили это несколькими словами: любая проводная линия есть фильтр низкой частоты. Что сие означает? Два параллельных провода образуют конденсатор, и, кроме того, они обладают собственным сопротивлением. Конденсатор через сопротивление заряжается конечное время - тем большее, чем больше сопротивление и чем больше емкость конденсатора. В результате низкочастотные сигналы проходят почти без изменений (конденсатор успевает и зарядиться, и разрядиться), а высокочастотные - пропадают по дороге. Когда Томпсон-Кельвин это выяснил, стал очевидным и путь усовершенствования линии передачи: увеличить расстояние между "жилами", сделав сам кабель толще (тем самым снизив емкость конденсатора) и из проводников большего диаметра (уменьшив их сопротивление). Потому во второй трансатлантической линии, проложенной в 1865 году, неожиданностей уже не наблюдалось, и одна из ее ниток без особых проблем проработала сорок лет.

Но ясно, что утолщать кабель можно только до определенных пределов. Развитие телефонии потребовало передавать сигналы с частотами до нескольких килогерц (обычная речь вполне укладывается в диапазон 300-3400 Гц), и простые кабели, где вторым проводом служит морская вода, для этой цели решительно не годились. В конце XIX века Оливер Хевисайд, гениальный и во многом недооцененный современниками английский физик, вывел уравнения, из которых следовал неожиданный вывод: чтобы высокочастотные сигналы затухали меньше, надо увеличивать еще одну характеристику проводной линии - индуктивность.

Хевисайда и его последователя, американского инженера Михаила Пупина (серба по происхождению) подняли на смех. На первый взгляд это выглядело, как если бы для улучшения скоростных качеств спортсмена предложили связать ему ноги. Дело в том, что индуктивность, которой, как показал еще Майкл Фарадей, обладает абсолютно любой проводник, вместе с его сопротивлением создает такой же фильтр низкой частоты, как и емкость. И увеличение индуктивности, казалось бы, столь же нежелательно. Но это только на первый взгляд: на самом деле для токов высокой частоты емкость и индуктивность - взаимодополняющие параметры. И можно найти такое их соотношение, когда они компенсируют друг друга и потери на определенных частотах резко снижаются.

Собственно, это положение и лежит в основе конструкций современных длинных линий. Всем известные по телевизионным антеннам коаксиальные кабели обладают и еще одним достоинством: они теоретически невосприимчивы к помехам (и сами не создают, и в себя не пропускают). Потом нашли компромисс в виде гораздо более дешевых скрученных пар - два провода в скрутке (примерно один виток на сантиметр) при небольшой длине ведут себя похоже на коаксиальный кабель.

Модемы и телефоны

Устройства под названием модемы придумали давным-давно, в 1930-х годах, когда еще ни о каких интернетах и речи не было. С появлением коаксиальных кабелей стало возможным передавать по одному кабелю сигнал с полосой в несколько мегагерц, а то и десятков мегагерц. В такую полосу влезет несколько тысяч телефонных каналов для передачи обычной речи. Метод их разделения был уже хорошо освоен в радиотехнике - надо просто передавать каждый звуковой канал в своем частотном диапазоне и выделять для каждого канала свою частоту - несущую, которая модулируется звуковым сигналом. Например, если несущая равна 12 кГц, то ее сумма с сигналом 300-3400 Гц (верхняя боковая частота) займет полосу от 12300 до 15400 Гц (возникает при этом и разностный сигнал - нижняя боковая частота, но ее можно попросту отфильтровать). Выбирая несущие с нужным шагом (с некоторым запасом - например, по 4 кГц), мы можем передать по кабелю с полосой 10 МГц около двух с половиной тысяч телефонных каналов. На приемном конце эти частоты разделяются и несущие отфильтровываются и демодулируются. Устройство, которое может работать и как модулятор для передачи в линию, и как демодулятор для приема из линии, получило название модулятора-демодулятора, или, сокращенно, модема.

Обычная - аналоговая - телефонная связь в многоквартирном доме организована иерархически. От абонента тянется та самая "лапша" (то есть всем знакомый тонкий двухжильный провод с промежутком между жилами, в который так удобно вбивать гвоздики) до распределительной коробки в подъезде. От коробки отходят уже многожильные кабели (обычно по десять пар), которые где-то в подвале объединяются в распределительном шкафу в магистральные кабели по одной-две тысячи пар, идущие непосредственно к АТС. Вплоть до АТС каждому абоненту присвоена своя индивидуальная пара проводов - ее-то обычно и подразумевают, когда говорят о "последней миле". Хитрости с частотным разделением каналов, использованием оптоволокна и прочими современными штучками начинаются только на уровне соединения АТС друг с другом. На каждого абонента в городе приходится в среднем два-четыре километра пар медных проводов, из которых не меньше 80-90% - провода "последней мили".

Когда встал вопрос о передаче данных через такую систему, то прежде всего ее надо было сделать совместимой с существовавшими телефонными стандартами. А стандарт, как мы знаем, гарантировал лишь передачу полосы частот от 300 Гц до 3,4 кГц. Передавать двоичные сигналы в привычном виде ("есть напряжение" - "нет напряжения") по такой системе очень трудно; можно показать, что скорость передачи составит максимум несколько сотен бод. Потому конструкторская мысль устремилась в сторону модемов - в самом деле, почему бы не передавать нули-единицы, например, двумя разными частотами, каждая из которых укладывалась бы в гарантированный диапазон? Определить частоту сигнала можно с гораздо большей достоверностью, нежели разделить уровни напряжения на конце линии с помехами и непредсказуемым затуханием.

Дай лапу…

Собственно, так и работали первые модемы коммутируемого доступа - дайлапа (от dial-up). Самый первый протокол передачи данных через модем под названием CCITT V.21[Протоколы, начинающиеся с буквы V, стандартизированы Международным Союзом связи (International Telecommunications Union, ITU), ранее носившим название Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии (Comite Consultatif Internationale de Telegraphie et Telephonie, CCITT).] использовал амплитудную модуляцию, такую же, как при передаче телефонных разговоров по одному кабелю. Для надежного определения частоты этим способом требуется несколько периодов сигнала, потому стандартизированная протоколом V.21 скорость передачи составила всего 300 бит/с. Усложнением методов модуляции (фазовый, квадратурный) удалось довести скорость передачи до 2400 бит/с (протокол CCITT V.22bis).

Кроме усовершенствования методов модуляции, в протоколах стали использовать первый простейший прием сжатия данных, устраняя из передачи лишние биты. Дело в том, что с точки зрения компьютера модем представляет собой СОМ-порт, работающий по протоколу RS-232, в котором на передаваемый байт отводится 10 бит - к восьми составляющим собственно байт добавляются стартовый и стоповый. В протоколах V.22 и далее было предложено эти биты на стадии модуляции убирать, повысив таким образом скорость передачи на 20%.

Но главное, что с помощью упомянутых сложных методов модуляции удалось передавать более чем по одному биту в каждой посылке. Например, квадратурная модуляция в протоколе V.22bis позволяет передавать по четыре бита на каждую посылку модулированного сигнала (как говорят инженеры - "за одну модуляцию"), отчего при скорости модулированного сигнала всего шестьсот посылок в секунду (бод) скорость передачи данных составила 2400 бит/с.

Чтобы не путаться в бодах и битах, проектировщики решили называть элементарные посылки "символами". В разных протоколах "символы" могут нести разное количество бит. Скорость передачи 33600 бит/с, например, предполагает, что элементарная посылка несет аж десять бит. При этом условие невыхода за полосу частот, которую может пропустить канал, почти не нарушается: чтобы получить 33600 бит/с, нужно иметь несущую с частотой 3429 Гц (в стандарте V.34+), лишь чуть-чуть превышающей возможности стандартной линии с диапазоном 300-3400 Гц. Из этих расчетов и взялась популярная в свое время цифра 28800 бит/с как теоретический предел обычной линии передачи - действительно, 33600 бит/с достигаются лишь на очень хороших линиях, возможности которых при этом исчерпываются практически до конца.

Пресловутые модемы 56 К (протокол V.90[Этому стандарту предшествовали протоколы x2 (фирмы USRobotics/3COM) и k56flex (Rockwell/Lucent).]) не стоит принимать в расчет. "Обмануть природу" тут не удалось, и уловки инженеров срабатывают только при определенных условиях. Во-первых, V.90 используется только с соответствующим модемом со стороны провайдера, передающим сигнал в "полуцифровом" виде. Во-вторых, это несимметричный протокол (в обратную сторону - к провайдеру - он может работать только со скоростью, не превышающей 33,6 К). Реально на скоростях до 56 кбит/с модемы работают при небольших расстояниях до провайдерского модемного пула, и к тому же даже в идеальных условиях скорость обычно не превышает 45-53 кбит/с.

Легче перепрыгнуть, чем обойти

Так как же все-таки удалось использовать телефонную линию для передачи данных со скоростями вплоть до 7,5 Мбит/с, а то и поболе? Да просто разработчики в конце концов отказались идти на поводу у связистов и ограничивать себя диетической полосой частот в три с небольшим килогерца.

В самом деле, кто постановил, что именно такую полосу надо использовать? Мы знаем, что это требование принято для совместимости оборудования - если мы передадим в Америку по телефону симфонию Бетховена, то ни низких, ни высоких частот абонент не услышит - они обрежутся на каком-то этапе. На каком? Ясно, что не на "последней миле", где никакого оборудования нет, кроме пары проводов, которая пропустит столько, сколько сможет. И если поймать сигнал на другом конце этой пары, как можно ближе к абоненту, вдруг удастся значительно увеличить скорости передачи?

Так оно и вышло - в среднем полоса пропускания пары проводов в реальных условиях превышает 1 МГц. Правда, это уже не совсем телефонная линия - дозвониться до провайдера с другого телефона и даже из другого города, как можно было бы сделать с дайлапом, тут не выйдет. Вы оказываетесь привязаны к конкретной линии, и ничего тут не попишешь.

На самом деле скорости передачи в абонентских линиях лимитированы даже не плохими характеристиками линий, а в основном взаимными помехами[ Именно повышенным влиянием помех отечественная "лапша" и отличается в худшую сторону от импортной витой пары, за что первую неоднократно ругали. Но в реальности "лапша" занимает лишь небольшую часть "последней мили", потому не она оказывается главным лимитирующим фактором.]. Если вдруг всем вашим соседям приспичит одновременно начать закачивать какое-нибудь кино или послушать интернет-радио, черта с два вы увидите свои кровные 7,5 Мбит/с, за которые, как говорится, уплочено. В реальности, конечно, так не происходит, потому и "Стрим-ТВ" работает относительно неплохо. Но все же качество соединения по ADSL сильно зависит и от качества линии, и от расстояния до АТС (рис. 1). Подсоединиться таким образом из какой-нибудь деревни Гадюкино, когда до телефонной станции километров двадцать, не удастся никакими силами: "Потому что, - как говорил Александр Галич, - у природы есть такой закон природы". Законы передачи по длинным линиям ничуть не изменились со времен лорда Кельвина и Сайруса Филда.

Как это работает?

Семейство технологий под общим названием DSL (Digital Subscriber Line, цифровая абонентская линия) включает в себя несколько разновидностей, отличающихся и характеристиками, и требованиями к линии, то есть они, как правило, не могут быть использованы в одних и тех же условиях. Например, одна из самых старых (и потому известных) технологий, HDSL (High speed Digital Subscriber Line, высокоскоростная цифровая абонентская линия), позволяет построить линию с гарантированными и одинаковыми в обе стороны скоростями 1-2 Мбит/с, но по двум парам проводов. VDSL (Very high speed), декларирующая скорости до 52 Мбит/с, вероятно, вообще никогда не будет широко распространена в РФ из-за чувствительности к качеству линий, тем более что ее опережают более удобные проводные и беспроводные сети со сравнимыми скоростями[Тут следует добавить, что VDSL успешно используется в корпоративном сегменте, в режиме точка-точка, для связи объектов, находящихся на расстоянии 200-1000 метров друг от друга. - Здесь и далее прим ред.].

Нас больше всего интересует ADSL, так как именно эта технология пришла в наши дома. Первая буква означает "асимметричная" - это свойство и позволяет использовать ADSL на стандартных телефонных линиях без особых усилий. Пары на телефонной станции, находящиеся в тесной близости друг от друга в больших жгутах кабелей, в значительно большей степени подвержены взаимным помехам, чем "лапша" в вашем доме, где линии пространственно разнесены. Именно этим и обусловлена асимметрия скоростей приема и передачи[Еще тем, что нужно было разделять существующий канал между приемом и передачей. Обычный домашний пользователь больше загружает, чем передает. Кроме того, распределение тонов между upstream и downstream постоянно, а с увеличением протяженности линии высокие частоты перестают проходить. Таким образом, если бы разделение тонов было поровну где-то посередине частотного спектра, то, начиная с определенной дистанции, у нас бы еще отлично проходил трафик от абонента, но уже совсем не проходил бы к нему]. На обычной АТС ставится специально обученный модем - для каждого пользователя свой. Конечно, это грубое представление того, как на самом деле устроено станционное оборудование ADSL, но наглядное. В таком выделенном приемнике заключается первое отличие ADSL от дайлапа, где модем со стороны провайдера обезличен - там ваш компьютер просто подсоединялся к первому свободному устройству из модемного пула, отсюда пресловутые "дозвоны", когда модемов попросту не хватает на всех желающих. В частности, поэтому ADSL-доступа без абонентской платы (с выставлением счетов только за трафик, как в сотовой связи, или за время, как при дайлапе) не бывает - оборудование надо окупать[Дело не только в этом. Провайдерам, предоставляющим услуги по Ethernet, тоже надо окупать оборудование, но некоторые из них еще дают доступ без абонентской платы. В случае с ADSL дело нередко в том, что провайдер не является владельцем медной линии и должен арендовать ее у владельца за плату.]. Зато и безлимитку организовать гораздо проще (и выгоднее для провайдера), ограничив только скорости в зависимости от тарифа.

Другая важная особенность ADSL - свободный телефон, то есть голосовой трафик передается отдельно от цифрового. Для этого ваш телефон подключается через так называемый сплиттер (и на станции - тоже). Признаюсь, что этот термин я впервые услышал только через год пользования "Стримом" - так как ничего в этом устройстве особенного нет, я и не подозревал, что у него есть какое-то особое название. На самом деле абонентский сплиттер - просто маленькая коробочка-фильтр, разделяющая голосовой и цифровой каналы, в которой даже нет ни одной микросхемы, лишь катушки да конденсаторы. В наличии этого самого сплиттера заключается один из недостатков ADSL - подключить квартирную и пожарную сигнализацию, как делалось ранее, так просто уже не получится. Впрочем, эта проблема легко решается.

Максимальная скорость обычного ADSL - 8 Мбит/с от провайдера и примерно 1 Мбит/с к провайдеру. Сама передача данных по ADSL организована довольно остроумно. Существующая полоса пропускания, независимо от ее реальной ширины, "шинкуется" на мелкие полоски по 4,3125 кГц (максимум 256 штук, то есть для полного ADSL требуется полоса 1,1 МГц), каждая из которых образует отдельный канал передачи. На приемном конце информация снова собирается воедино. Благодаря такой организации, можно гибко настраивать скорости передачи в зависимости от ширины канала и пользовательских настроек. Использование специальных методов модуляции (позволяющих передать от 2 до 4 и более бит на "символ") расширяет частотный канал так же, как это происходит в протоколах обычных модемов. Сейчас распространяется ADSL2+, которая использует полосу 2,2 МГц, и за счет усовершенствованных методов модуляции "нисходящие" скорости достигают 24 Мбит/с. Причем некоторые старые модемы ADSL можно превратить в ADSL2+ элементарной перепрошивкой - лишь бы ваш провайдер такие скорости поддерживал. Ну а большинство имеющихся в продаже моделей (за исключением USB-версий) поддерживают ADSL2+ изначально.

Возвращаясь к началу, еще раз отметим, что будущее в области абонентского доступа, видимо, все же за беспроводными сетями. Буквально месяц назад в нашей деревне в Тверской области во исполнение обещаний уволенного ныне министра Леонида Реймана насчет поголовной телефонизации всея Руси установили телефон-автомат общего пользования. И хотя аппарат беспроводной (видимо, на основе обычной радиотелефонии), но опоздал он как минимум года на четыре: даже самые нищие жители давно обзавелись мобильниками. И скорее всего следующий этап будет связан с технологиями WiMax, которые обещают молочные реки с кисельными берегами. А уж насколько эти обещания будут выполнены - покажет время[По секретным данным, ближайшее будущее - это оптика до подвала дома, а дальше либо ADSL2+ (так будет делать "Стрим"), либо VDSL2 (такая схема применяется в Европе). Не исключены варианты с Ethernet (уже повсеместно применяется; возможно, дойдет и до гигабитного) или оптикой прямо в квартиру, как в Японии. Беспроводной доступ будет, безусловно, популярнее, чем сейчас, особенно если появится повсеместное покрытие, но в любом случае за ним останется лишь часть рынка.].