Беспроводка, оптоволокно и медная пара в забеге на последней миле

АрхивСети

Насколько соответствуют современные технологии передачи данных постоянно меняющимся задачам, решаемым на базе интернет протоколов.

Хроника текущего момента.
Интернет-протоколы становятся универсальной платформой для объединения самых разных приложений, обмена данными между ними и передачи мультимедийной информации всех видов.

Более того, IP-телефония способна сейчас, по крайней мере в рамках корпоративной или обособленной IP-сети, предоставить даже лучшее качество передачи голосовой и музыкальной информации, чем традиционная — появились кодеки, которые поддерживают передачу голоса в полосе частот 7,5 КГц.

Задачи, решаемые на базе интернет-протоколов, можно разбить на следующие основные группы

Вид приложений	Требуемая скорость передачи на абонента	Допустимая задержка
Традиционный доступ в Интернет, e-mail	50-100 Кбит/с	1-2 с, офлайновые приложения
IP-телефония	16-64 Кбит/с	200 мс
Видеотелефония	128 Кбит/с	200 мс
Мгновенный обмен сообщениями, коллективная работа	16-100 Кбит/с	200-500 мс
Видеотрансляции, передача видеофайлов, корпоративные сети	0,1-10 Мбит/с	200 мс, офлайн
«Джем-сейшн», или интерактивное взаимодействие реального времени	32-128 Кбит/с	100 мс

Для сравнения — за 100 мс звук проходит 30 метров. Эти же 30 метров — максимальное расстояние, на котором музыканты могут слаженно играть без дирижера.

Еще одна тенденция — постоянное снижение стоимости трафика или доступа к среде:
  • оптовые цены провайдеров Интернет не превышают сейчас 2,5 — 5 центов за мегабайт;
  • российский трафик может обойтись еще дешевле или — оказаться вообще бесплатным;
  • загрузка из сети видеофайла в стандарте MPEG-4 через год-другой может оказаться дешевле похода в кинотеатр.

Насколько соответствуют этим, постоянно меняющимся условиям технологии передачи данных?

Итак, по порядку.

Медная пара
Для этой среды всерьез можно рассматривать шесть технологий, перечисленных в таблице.

Дни SDSL сочтены — за отсутствием стандартов и, как следствие, несовместимости оборудования разных производителей. Еще одно следствие отсутствия стандартов — мелкосерийные чипсеты и отсутствие конкуренции между их производителями, увеличивающие сроки разработки и цену конечной продукции.

Вид	Максимальная скорость	Максимальная дальность	Адаптация к среде
ADSL	8,2/2,3 Мбит/с	5-6 км	Да
SHDSL	2,3 Мбит/сили 4,6 (две пары)	8-9 км	Да
VDSL	до 52 Мбит/с	1,5-1,8	Да
HomePNA	1 (HomePNA 1.1) 10 (HomePNA 2.0) 100 (HomePNA 3.0)	100-300 м	Да
Ethernet	10-100 Мбит/с	100-150 м	Нет
EFM, Ethernet on the First Mile	10-100 Мбит/с	2 км (?)	Да

ADSL
ITU определил два стандарта физического уровня передачи данных для ADSL: G.992.1, или G.dmt, и G.992.2, или G.lite.

G.lite обеспечивает существенно меньшую скорость передачи данных — до 1.5 Мбит/с вместо максимальных для G.dmt 8.2 Мбит/c (по направлению к абоненту), но позволял абонентам обойтись без установки частотных разделителей (сплиттеров), связанной в некоторых случаях с необходимостью изменения телефонной проводки и выезда технических специалистов поставщика услуг к абоненту.

В основе обоих стандартов лежит один и тот же метод модуляции, DMT (Discrete Multi-Tone): данные передаются одновременно и параллельно во множестве параллельных каналов. Часть каналов, расположенных в нижней области рабочих частот, используется для передачи данных от абонента, оставшиеся — для приема. В зависимости от шумовых условий, в каждом из каналов могут использоваться и динамически выбираются разные уровни этой модуляции, что позволяет кодировать разное число бит на символ, извлекая из канала максимально возможную при данных условиях пропускную способность.

В отличие от технологий класса SDSL, обеспечивающих гарантированную симметричную скорость передачи данных, ADSL — это технология компромиссов, или «best efforts» — больше битов за единицу мощности на линии.

SHDSL
Использование усовершенствованного способа модуляции данных TC-PAM (Trellis Coded Pulse Amplitude Modulation), являющегося дальнейшим развитием модуляции 2B1Q, с большим числом бит на слово и избыточным помехоустойчивым кодированием, позволило значительно, в сравнении с модуляцией 2B1Q, сузить диапазон используемых частот и уменьшить перекрестные наводки между разными каналами в одном кабеле. Кодирование с исправлением ошибок позволило получить существенный выигрыш по мощности, а использование цифровых фильтров для финишной обработки выходного сигнала — сузить полосу рабочих частот и уменьшить уровень помех вне диапазона рабочих частот.

Рис. 1.

В результате, в сравнении с 2B1Q и SDSL, при той же дальности связи скорость передачи данных, предоставляемая стандартом SHDSL, выше на 35-45 %, а для той же скорости передачи данных дальность может быть увеличена на 12-20 %.

Таким образом, теперь можно говорить о двух устоявшихся технологиях — ADSL и SHDSL, представленных стандартами G.dmt, G.lite и G.shdsl, каждый из которых стал результатом затяжной конкурентной борьбы и учета множества компромиссов. То есть — стандартах, пришедших всерьез и надолго, и достигших степени совместимости, ставшей уже привычной по телефонным модемам. Не исключено, уже в скором времени станет реальностью картина, когда ADSL или SHDSL-модем можно будет взять с собой в дорогу, также как сейчас — обычный  телефонный модем.

ADSL или SHDSL?
ADSL ориентирована в первую очередь на широкополосный доступ в Интернет. Во время работы осуществляется постоянный мониторинг характеристик линии и, в зависимости от отношения сигнал/шум и ряда других факторов, скорость передачи данных может меняться.

SHDSL нацелена, прежде всего, на обеспечение гарантированного качества обслуживания. То есть, при заданной скорости и дальности передачи данных обеспечить уровень ошибок не хуже 10^-7 даже в наихудших шумовых условиях, обеспечивая гарантированную скорость передачи данных и качество обслуживания для ответственных приложений.

Для сравнения — задержка в канале SHDSL, обусловленная помехоустойчивым кодированием, составляет величину порядка 1,2 мс. Использование для коррекции ошибок в ADSL кода Рида-Соломона приводит к задержке в 20 мс, что может сделать эту технологию непригодной для использования в некоторых приложениях реального времени.

Завершая разговор о различиях двух технологий, отметим, что хотя SHDSL и задумывалась как технология для симметричной передачи данных, на малых расстояниях (в пределах 2-3 км.) ADSL может оказаться для ряда приложений вполне разумной альтернативой способной обеспечить прием данных со скоростями до 8 Мбит/с и передачу — со скоростью до 1,2 Мбит/с. Тогда, расположив соответствующим образом узел доступа на базе ADSL-коммутатора, можно обеспечить одним пользователям работу критически важных приложений, а другим — доступ в Интернет.

Рис. 2. Скорость передачи как функция дальности при использовании пары диаметром 0,4 мм и технологий ADSL и SHDSL.

Если обратиться к графикам дальности/скорости передачи данных, можно заметить, что при использовании пары диаметром 0,4 мм расстояние около 3 километров становится критическим для обеих технологий, в особенности — ADSL, и что в случае SHDSL снижение пропускной способности носит более плавный характер.

HomePNA
Следующий шаг — организация коллективного доступа в Интернет для пользователей, находящихся в одном здании. До недавнего времени, по сути, единственной технологией для организации такого доступа и преодоления последних десятков и сотен метров был Ethernet. Сейчас на эту нишу претендуют и HomePNA, и VDSL.

В прошлом году, после формального одобрения ITU рекомендации G.989.1 (Phone line Networking Transceivers Foundation), легализующей стандарт HomePNA на международном рынке, ситуация изменилась.

Технология HomePNA 1.1, способная при минимальных затратах обеспечить подключение одного или нескольких пользователей, удаленных от точки присутствия на 300-600 метров по обыкновенной телефонной проводке и обеспечить при этом скорости 1 Мбит/с, пришлась как нельзя кстати.

Как и Ethernet, HomePNA использует для доступа к среде передачи данных метод доступа с разрешением коллизий CSMA/CD.

Стандарт HomePNA 2.0 обеспечивает скорость до 10 Мбит/с.

Поддержка HomePNA произвольных сетевых топологий позволяет, единожды проложив вдоль стояка общую шину, по мере надобности подключать к ней индивидуальных абонентов, или даже использовать для этой цели существующую проводку радиовещательной сети.

VDSL
Как правило, используется модуляция QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Для совместимости с радиочастотными средствами доступный диапазон частот, в зависимости от национальных особенностей регулирования (еще одно напоминание о том, что VDSL, по сути, радиочастотный метод передачи информации), разбивается на два, три или даже четыре частотных канала. Впрочем, когда VDSL используется для передачи данных внутри зданий, в так называемых MDU/MTU, это не так критично — излучение быстро затухает на железобетонных и других проводящих конструкциях.

Для разделения восходящих и нисходящих потоков информации и обеспечения полного дуплекса, как и в DMT, используется метод частотного разделения каналов — один или несколько диапазонов используется для передачи, оставшиеся — для приема информации. Подстраивая нули АЧХ, можно подавлять нежелательное излучение на критичных частотах.

Рис. 3.  Один из частотных планов QAM VDSL.

Рис. 4.   VDSL и радиочастоты — длинные и короткие. Обратите внимание, до сколь низких частот простирается на этом рисунке спектр VDSL.

Наиболее широко представленные сейчас торговые марки чипсетов и соответствующие им рекламные слоганы — это V-thernet от Broadcom и 10BaseS от Infineon, одной из дочерних компаний Siemens.

Чипсеты Infineon используются, например, в Long Reach Ethernet (или LRE) от Cisco, решившей продвигать их под собственной торговой маркой, и VDSL-решениях, скромно именуемых 10BaseS, — от Optical Access. V-thernet можно встретить в продукции Aviv Infocom и TayLink.

Оба списка, разумеется, даже не претендуют на полноту, а широкие возможности по программированию чипсетов и запас по вычислительной мощности позволяют производителям пускаться, до появлениея общих стандартов, во все тяжкие, продвигая собственные, не совместимые друг с другом решения и заявляя, что в дальнейшем, путем программного апгрейда, можно будет перейти к единому стандарту — как только он будет принят.

Характерный пример — Catalyst 2912 LRE XL обеспечивает подключение до двенадцати абонентских устройств через разъем TELCO, обеспечивая скорость передачи данных до 15 Мбит/с.

По умолчанию используется профиль 10, обеспечивающий максимальную скорость передачи данных, в обоих направлениях, до 12,5 Мбит/с. Для совместимости с ТФОП может использоваться сплиттер (встроенный в абонентские устройства).

Впрочем, проведенные испытания засталяют предположить, что все функции этого сплиттера, в ростейшем случае, могут сводиться к устранению постоянной составляющей, которая в российских линиях может достигать 100 и более вольт. LRE и SDSL могут прекрасно уживаться в одной паре и безо всяких сплиттеров (см. рис. 5).

Рис. 5.   SDSL и LRE в одном флаконе.

Пожалуй, самым существенным (если не сказать — единственным) недостатком LRE является невозможность включать абонентские устройства «лоб в лоб».

К слову, у TayLink и OpticalAccess появились однопортовые модели — по сути, высокоскоростные VDSL-мосты для объединения эзернетовских подсетей.

Ethernet и EFM
Обыкновенный 10-ти мегабитный Ethernet все еще представляет очень серьезную конкуренцию и HomePNA, и VDSL. Как показывает опыт, эта технология позволяет использовать свободные пары обыкновенного телефонного кабель для передачи данных на полнодуплексных 10 Мбит/с в пределах 100-150 метров.

С принятием стандарта EFM,  или  «Ethernet на первой миле», разработкой которого занимается рабочая группа 802.3ah института IEEE, позиции Ethernet как универсальной технологии сетевого доступа только усилятся.

Пока рано говорить о характеристиках оборудования доступа, которые определит этот стандарт. Доклады рабочей группы рассматривают варианты, способные обеспечить скорость до 100 Мбит/с на расстояниях до 800 метров. Общей тенденцией является задействование максимального числа пар — а в кабеле их, как правило, четыре, а используется всего лишь две, использование временного разделения каналов — передача и прием ведутся поочередно по всем парам в разные интервалы времени, что позволяет снизить взаимное влияние каналов приема/передачи, сохранив, пусть и виртуально — полный дуплекс, и гибко варьировать скорости передачи в обоих направлениях.

В конце прошлого года был образован The Ethernet in the First Mile Alliance — EFMA, участниками которого стали Cisco, Ericsson, Extreme Networks, Intel, и другие компании.

Ожидается, что стандарт будет принят в сентябре следующего года.

Тенденциоз
Впрочем, Ethernet уже сейчас стал связующим клеем, позволяющим объединять самые разнообразные технологии удаленного доступа.

Как видно из предыдущего изложения, меднопарные технологии имеют жесткие ограничения по дальности, что вызвало появление еще одной концепции — MDU/MTU, нацелившейся на офисные комплексы и многоэтажки, предполагающей размещение в непосредственной близости от абонентов мини-концентраторов доступа. Общей чертой таких концентраторов становится внешний Ethernet-интерфейс и поддержка в одном конструктиве разнообразных технологий передачи данных, позволяющих оптимизировать соотношение качество/цена для каждого абонента, и минимизировать для операторов начальные инвестиции.

Кстати, в простейшем случае в такой вот мини-концетратор доступа может быть превращен обыкновенный настольный компьютер. Раньше для такой метаморфозы на него приходилось устанавливать один из клонов Unix а потом долго мудрить с настройками. С выпуском Windows XP задача упростилась до предела. Встроенныq в эту ОС MAC mini-bridge и мастер подсказок позволяют набить корзину десктопа SDSL или HomePNA-адаптерами и после простейших манипуляций мышью использовать его как точку доступа для небольшой корпоративной сети.

Беспроводной Ethernet
С концепцией MDU/MTU довольно тесно переплетается еще одна технология — Radio Ethernet. В соответствии со стандартом, вернее, стандартами — IEEE 802.11 a, b, и g, эта технология может использовать для передачи данных два диапазона частот — 2,4 и 5 ГГц, и способна обеспечить — без каких-бы то ни было проводов — скорость до 54 Мбит/с.

Стандарт	802.11a	802.11b	802.11g
Дата принятия	Сентябрь 1999	Сентябрь 1999	2002 (?)
Нелицензируемые рабочие частоты, ГГц	5,15-5 355725-5,825	2,4 – 24835	2,4 – 24835
Число неперекрывающихся поддиапазонов	12	3	4 (?)
Скорость передачи, Мбит/с	6, 9, 12, 18 24, 36, 48, 54	1, 2, 5.5, 11	6, 9, 12, 18 24, 36, 48, 54
Тип модуляции	OFDM	DSSS	OFDM
Дальность, м	~ 70	100	~ 100

Впрочем, 54 Мбит/с относятся все же, скорее, пусть и к близкой, но перспективе. Основная масса выпущенных устройств (около 8 миллионов только в прошлом году) соответствует стандарту 802.11b и обеспечивает скорость передачи до 11 Мбит/с на расстояниях, без специальных антенн и усилителей, в пределах 100 метров.

Реальная же скорость несколько меньше и составляет около 6 Мбит/с.

Сколько-нибудь широкое распространение оборудования стандарта 802.11a следует ожидать не раньше середины или конца года. Примерно тогда же будет принят стандарт 802.11g, и, скорее всего, к середине следующего года на рынке будет представлено оборудование всех трех стандартов.

Или даже сразу всех трех стандартов: в середине марта Atheros анонсировала очередную разработку — набор из трех микросхем AR5001X, обеспечивающий передачу данных по любому из трех протоколов — IEEE 802.11a/g/b.

Согласно заявлениям компании, с появлением этого чипсета данные можно будет передавать по любому из 16 частотных каналов: четырех в диапазоне 2,4 ГГц и 12 — на 5 ГГц. Суммарная пропускная способность эфира, доступная чипсету без переиспользования радиочастот, превыcит 800 Мбит/с, а с использованием дополнительных частотных диапазонов — европейского ERC и индустриально-научно-медицинского ISM (в пятигигагерцовой части) — 1 Гбит/с.

К вопросу о стоимости реализации и, соответственно, цене мультистандартных адаптеров: комбо-чипсет AR5001X отличается от одностандартного собрата AR5001A наличием еще одной микросхемы (соответственно, три и два кристалла), которая добавляет к стоимости набора всего четыре доллара (соответственно, 39 и 35 долларов).

Еще один факт: о поддержке 802.11 заявил комитет по разработке стандарта DSRC — Dedicated Short Range Communications, призванного обеспечить беспроводные коммуникации между движущимися объектами и реализовать концепцию Интеллектуальной Транспортной Системы (ITS, Intellectual Transport System). Стандарту должны будут соответствовать все автомобили Северной Америки. Среди решаемых с его помощью задач:

  • оповещение участников движения о необходимости уступить дорогу аварийным службам, патрульным автомобилям и машинам скорой помощи (в дополнение к мигалкам и сиренам);
  • обмен информацией между автомобилями о пробках и заторах в пути для обеспечения выбора оптимального маршрута;
  • автоматизация расчетов за пользование платными дорогами, автостоянками и т.д.;
  • использование в системах безопасности, для обеспечения, в случае неизбежности столкновения, преднатяжения ремней безопасности, срабатывания подушек и т.д.
  • Наконец, поскольку диапазон частот, выделенный FCC для DSRC (от 5.850 до 5.925 ГГц) лишь незначительно отличается от частот, используемых в базовом стандарте 802.11а, пассажиры смогут получать почту и доступ в Интернет в хот-спотах (коллективных точках беспроводного доступа), встретившихся по дороге.

Потенциальный рынок для этой технологии даже превышает компьютерный: для сравнения, в США сейчас насчитывается более 200 миллионов автомобилей и всего 150 миллионов компьютеров.

Одной из помех на пути повсеместного распространения 802.11 стала относительная дороговизна точек доступа — в среднем от двухсот до 1000 долларов (при том что стоимость беспроводных адаптеров начинается сейчас с отметки 70-100 долларов).

Недавняя инициатива Intel может превратить в беспроводную точку доступа каждый настольный компьютер, подключенный к Сети.

По мнению Дункана Китчина (Duncan Kitchin), ведущего конструктора (lead architect) отделения мобильных коммуникаций Intel, создание ПО, способного разделить вычислительную нагрузку и решаемые задачи между центральным процессором компьютера и микроконтроллером, встроенным в беспроводную карточку, позволит снизить стоимость точек доступа в два с половиной раза — с 250 до 100 долларов. Схожая инициатива Microsoft, к слову, называется Soft Wi-Fi, правда программный гигант пока предпочитает не углубляться в детали.

На новом и весьма перспективном рынке стремятся закрепиться и операторы связи. В апреле о начале развертывания национальной беспроводной сети заявила компания British Telecom, которая планирует в течении года развернуть около 400 хот-спотов, а в течении следующих трех лет — удесятерить это количество.

На начальном этапе точки доступа будут использовать только технологию 802.11b, но уже через год начнется их постепенная модернизация на более скоростной стандарт — 802.11a.

Остаются, правда, проблемы с безопасностью, которые привели к запрету осенью прошлого года, после череды скандалов со взломом протокола WEP, использования Wi-Fi оборудования в Армии США. Однако, уже в конце марта на 80211-Planet.com прошло сообщение о снятии запрета на использование Wi-Fi для передачи данных с грифом ДСП при условии использования системы криптозащиты, разработанной компанией Fortress Technologies и основанной на протоколе шифрования AES с ключами длиной 128 бит. Дополнительной особенностью предлагаемого решения является предварительное сжатие шифруемых данных, что, помимо прочего, позволяет довести пропускную способность сети до реальных 11 Мбит/с (и, скорее всего, дополнительно повышает криптозащиту). Согласно условиям контракта, Fortress поставит Армии США 6000 беспроводных шлюзов со встроенными средствами криптозащиты (стоимостью около 2000 долларов каждый. Здесь приведены коммерческие цены.) и десятки тысяч комплектов клиентского ПО (то есть, в разы больше 6000, по цене около 50 долларов).

И, наконец хотелось бы рассказать еще об одном применении беспроводки, найденном, на этот раз, компанией PricewaterhouseCoopers. Теперь ее сотрудники в набегах на аудируемые компании будут использовать ноутбуки с беспроводными адаптерами, которые на месте самоорганизуются в защищенную беспроводную сеть и позволяют аудиторам на месте оперативно обмениваться собранной информацией.

Оптика
Согласно прогнозам некоторых российских дистрибьюторов, к концу года разница в цене одномодового и многомодового активного оборудования практически исчезнет. С учетом того, что одномодовое волокно дешевле многомодового процентов на 30, а технологии производства одномодового волокна гораздо проще, вслед, скорее всего, исчезнет и многомодовое волокно, а освободившиеся производственные мощности, наверняка будут переведены — по крайней мере там, где это возможно — на выпуск одномода.

Что понятное дело, вызовет рост конкуренции и дальнейшее падение цен. Которые сейчас и так уже не сильно отличаются от цен на медную пару.

Нет, это не будет означать конец медной пары. С волокном все еще работать гораздо сложнее — необходимо, хотя бы, соблюдать чистоту рабочего места. Дороже стоит и разделка оптоволокна — вместе с разъемом, от 15 до 25 долларов. Наконец, его необходимо прокладывать, а приложений, которые бы требовали такой прокладки в каждую квартиру, пока не видно.

Это, скорее, будет означать повсеместную распространенность и доступность инфраструктуры для подключения тех самых мини или даже микро-концентраторов доступа.

Волокно — в каждый curb!