Мухин С.В.

Сегодня, в наш быстро движущийся мир, никого не удивишь наличием дома персонального компьютера. Любой, даже совершенно незнакомый с вычислительной техникой, человек знает в общих чертах из каких компонентов состоит этот самый ПК. И вот, впервые приобретя его и наигравшись в игры человек решает попользоваться и сетью интернет, о которой тоже все наслышаны, о том что там все есть, а также и о том, что там…, но об этом не сейчас. Так вот, у человека есть компьютер, а также различные провайдера этой самой сети, предлагающие свой товар. Предложений много, а выбрать надо что-то одно! Чтобы немного облегчить выбор и написана эта статья, в которой делается обзор существующих способов подключения для домашнего пользователя, а также рассматривается и "новая" технология, позволяющая использовать для этой цели обычную электрическую розетку.

Интернет через электрическую розетку

Интернетализация населения в России идет полным ходом и этому способствует ряд объективных причин, связанных со всем не с повышением доходов населения, а во-первых, со снижением цен на коммуникационное оборудование, да и вообще на технику в целом, во-вторых, увеличение количества интернет-провайдеров, либо укрупнение существующих, а значит здоровая конкуренция и борьба за существующих клиентов, в-третьих, снижение цен на подключение к Интернет за счет захвата еще не охваченных слоев населения, которые стали появляться благодаря первой причине, и, наконец, в-четвертых, принятие нового закона "О связи", также способствует распространению Интернета в России.

Говоря сегодня о доступе во всемирную сеть для частных лиц многие представляют себе следующие технологии: КТВ (кабельное телевидение), домовая локальная сеть (ЛС), ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line - асимметричная цифровая абонентская линия) и многое другое, технологий существует множество и большинство из них приведены на рис. 1.

Рис. 1 Виды доступа в Интернет

Как видно из этого рисунка, одни из технологий доступа к всемирной сети не требуют прокладки дополнительных коммуникаций, а другие наоборот, обойтись без них не могут.

Доступ со стационарного или мобильного телефона

До недавнего времени основным средством доступа в Интернет был коммутируемый доступ (здесь и далее разговор идет о московском регионе, в котором присутствует все это многообразие технологий). Преимущества данного доступа очевидны: стоимость модема, который включается в обычную телефонную розетку опустилась и колеблется от 20 до 100 $ в зависимости от модели, подключение зависит только от того, включен абонент в телефонную сеть общего пользования (ТфОП) или нет, повсеместная цифролизация телефонных коммуникаций позволяет сегодня работать на скоростях до 56 кбит/с, а с учетом сжатия и того больше (протоколы V.92, V.44), что достаточно для просмотра HTML страничек, игр, скачивания небольших файлов (до 10 Мбайт), чтения почты. Но это же простота является и причиной многих проблем, связанных, во-первых, с недоступностью абонента для входящих звонков, во-вторых, в связи с особенностью построения ТфОП скорость у обычных коммутируемых модемов (Мы не говорим об абонентских устройствах ISDN, в России сеть, работающая по этой технологии, слабо развита, да и домашние пользователи Интернет вряд ли позволят ее себе, несмотря на многие преимущества.) не сможет превысить порог в 64 Кбит/с, даже при наличии идеального канала, то есть при отсутствии каких-либо мешающих факторов, что ограничивает возможности пользователей в части получения полноценного доступа к мультимедийной информации, в-третьих, абонент обладает услугой доступа во всемирную сеть только сеансово, что также не всегда удобно как для него, так и для других пытающихся получить связь с необходимым абонентов в режиме реального времени.

Говоря о коммутируемом доступе во всемирную сеть нельзя не упомянуть сотовые сети связи, которые стали настолько популярны из-за своей дешевизны и широких возможностей, что в 2004 году превзошли по количеству абонентов традиционную ТфОП. Зоны покрытия охватывают значительную территорию России, не говоря уже о рассматриваемой нами Москвы, где практически не осталось белых пятен. Так вот, в отличии от традиционной телефонии сотовая связь активно развивается, в плане появления новых стандартов, позволяющих увеличивать скорость доступа, и уже сегодня позволяет получить доступ в Интернет на скорости до 171,2 Кбит/с (GPRS - General Packet Radio Service). Суть этой технологии заключается в автоматическом выделении неиспользуемых в данный момент времени каналов, что позволяет оптимизировать загрузку сети. Но скорость передачи по этой технологии не сможет оставаться всегда высокой и будет достаточно сильно варьировать в зависимости от загруженности сети, так как телефонные переговоры имеют приоритет над передачей данных. Следующее поколение сотовых сетей – 3G позволяет передавать информацию с огромнейшей скоростью — до 2 Мбит/с (для абонентов, находящихся в помещении), а это уже видео в реальном времени. Для некоторых стран, в частности Японии, это уже вчерашний день, так как на очереди уже есть стандарты 4G, разработки которого ведутся с 1998 года. Максимальная скорость, которую удалось достичь, используя сеть 4G, составила 1Гбит/с, коммерческий же запуск этой сети планируется в 2010 году.

Домовые сети

Проблемы, связанные с коммутируемым доступом понятны, и поэтому в Москве стали появляться сообщества продвинутых пользователей, которые пытались совместно решить проблемы надежной и высокоскоростной связи с Интернетом, и итогом решением этой задачи послужило создание так называемых домовых сетей, которые объединяли домашних пользователей в локальную сеть на основе технологии Ethernet, далее подключая всю сеть по выделенному высокоскоростному каналу к провайдеру (например, при помощи xDSL модемов), предоставляющему доступ в Интернет. Такое решение было оправдано по той причине, что, во-первых, стоимость выделенного канала была не по карману отдельно взятому пользователю, во-вторых, пользователи одной сети, в этом случае, могут обмениваться на высоких скоростях без выхода во вне (игры, обмен файлами, чат), что удешевляет общие затраты, и в-третьих, позволяет загрузить внешний канал доступа в Интернет. Локальные сети обычно строятся на таких технологиях, как Ethernet, HPNA, Wi-Fi. Эти технологии имеют свои недостатки, связанные, прежде всего, с их низкой надежностью, а также с невозможностью работать на расстояниях превышающих несколько сот метров (здесь не рассматривается построение локальной сети на оптике). Если для первой из перечисленных технологий необходима прокладка отдельного кабеля, что порой сопряжено с чисто организационными трудностями, а также с дальнейшей эксплуатацией, то для последней главным условием является прямая видимость, а также зависимость от атмосферных явлений. Но эти недостатки все же окупаются, как было сказано выше, большими скоростями внутри сети, а также небольшими материальными затратами.

Традиционный способ построения домовой сети – это использования Ethernet (протокол IEEE 802.3). Для ее строительства обычно используется витая пара, которая заводится в каждую квартиру, где есть желающие подключиться к этой сети. Соответственно для подключения пользователю необходима сетевая карта и, в принципе, все. Подключившись подобным образом, пользователь получает доступ в локальную сеть, обычно без учета трафика, а также при желании может получить и выход в интернет, входящий трафик которого ему необходимо оплачивать. Этот вид сети дает явные преимущества ее пользователям, а именно, телефон не занимается и используется только для разговора, скорость работы внутри локальной сети измеряется многими Мбит/с, а скорость выхода во вне зависит от количества пользователей, одновременно работающих с интернетом, и, конечно же, от того канала, к которому подключена локальная сеть. Крупным недостатком в данном случае можно считать один – прокладка дополнительного кабеля, но существует способ, позволяющий оставив все преимущества избавиться от него, и это способ называется HPNA.

Существует несколько версий этой технологии – это HPNA 1.0 (используется топология "звезда") и HPNA 2.0 (используется топология "общая шина"). Первая позволяет передавать данные со скоростью до 1 Мбит/с, а вторая до 10 Мбит/с. Оборудование стандарта HPNA 1.0 подключается параллельно телефонному аппарату. Эта технология разрабатывалась для работы по обыкновенной телефонной "лапше" и совершенно не оказывает влияния на телефонные переговоры, а также не влиять на работу xDSL устройств, так как полоса пропускания этой технологии располагается между 5,5 и 9,5 МГц (для HPNA 1.0). Также как и в случае подключения к Интернету по xDSL технологии, пользователь способен использовать независимо телефонный аппарат и услуги по передачи данных через домовую сеть. Для HPNA 2.0 полоса пропускания находится между 2 и 30 МГц. Способ подключения по второму стандарту несколько отличается. Обычно по стояку подъезда снизу до верху протягивается кабель, к которому и происходит подключение желающих включиться в домовую сеть. В этом случае скорость 10 Мбит/с распределяется на всех подключенных к "общей шине". Сегмент подъезда может быть подключен к конвертору HPNA/Ethernet, который уже и подключаются к сети передачи данных. Расстояние, на котором способны эксплуатироваться устройства, работающие по данным технологиям, составляет 150 и 350 м соответственно, однако возможна работа и на более длинной линии (до 1 км), но со скоростью в несколько раз меньше. Это достигается путем адаптации приемника к различным уровням помех, также в зависимости от характеристик линии возможно изменение уровня сигнала. Согласование между приемником и передатчиком происходит постоянно в процессе работы, что позволяет снизить требования к среде передачи. В HPNA 2.0 использует также подстройка оптимальной скорости передачи данных в зависимости от изменяющихся в процессе работы характеристик кабеля. Одновременно к одной абонентской линии может быть подключено до 32 компьютеров (HPNA 2.0).

Еще одна технология, не требующая дополнительной проводки для конечного пользователя при организации домовой сети – так называемая Wi-Fi (Wireless Fidelity), строящаяся на ряде протоколов семейства IEEE 802.11, работающая на частоте 2,4 ГГц и позволяющая передавать данные на скорости до 11 Мбит/с. Сеть строиться следующим образом: у оператора организуется точка доступа, в которой устанавливается оборудование, отвечающее за передачу радиосигнала, а у абонента такой сети ставится антенна, которая подключается через стандартные интерфейсы к компьютеру. Стоимость ее не превышает 150$. Расстояние, на котором будет работать подобное оборудование, составляет от 100 до 1000 м. Но все же присутствует один существенный недостаток – это требование прямой видимости, так как на этой частоте нет отражения, и происходит рассеивание радиосигнала, которое дают и кроны деревьев. Для борьбы с этим можно бороться только одним, усилить передающий сигнал, а лучше обеспечить прямую видимость.

Спутниковый интернет

Известно, что входящий интернетовский трафик обычно значительно превышает исходящий от пользователя, на этом строились последние модемные протоколы V.90 и V.92. Пользователь во время своей работы с всемирной сетью отправляет туда короткие управляющие посылки, в ответ на которые получает значительные объемы информации, в частности, видео и аудио файлы, телевизионное вещание. Поэтому появилось решение, связанное с использованием гибридного соединения с интернет, в котором модем используется для передачи исходящего трафика, а принимаемый идет через спутниковый канал. Благодаря этому скорость входящих данных многократно возрастает и может достичь 0,5 – 2,5 Мбит/с. Принцип работы в данном случае следующий: пользователь через модем выход на пул провайдера подобного вида услуг и работает с интернетом через определенный прокси-сервер, который принимает запросы пользователя, а ответы направляет через спутник. Затраты по подключению не такие большие, как может показаться. Для получения подобной услуги необходимо следующее: модем, антенна, конвертер, DVB-карта. Преимущество подобного способа подключения рекомендовано прежде всего тем, кто достаточно удален от операторов предоставляющих доступ к сети интернет, но все же обладает и крупным недостатком – телефонная линия продолжает оставаться занятой. Ниже мы рассмотрим виды решений этой проблемы.

Эфирный интернет

Аналогично доступу в интернет через спутник, существует и стандарт для телевидения (DVB-T (Digital Video Broadcasting Terrestrial)). Это стало возможным благодаря приходу в нашу страну цифрового телевидения. Используя стандарт DVB-T возможно осуществлять одновременный прием телевизионных программ и данных в условиях многолучевого приема. Передача сигнала идет с использованием модуляции OFDM. Кроме того, обеспечивается защищенность передаваемой информации, а также возможность выбора скорости приема. Максимально она может составить 31 Мбит/с для полного потока, а реально для одного пользователя устанавливается от 128 кБит/с до 1,5 Мбит/с, в зависимости от тарифа. Обратный канал может организовываться с помощью любого другого вида доступа, например, обычного модема или GPRS. В случае использования последнего пользователь получает мобильность и может использовать подключение к интернет, например, на даче или даже в движущейся машине, так как из оборудования необходима обычная дециметровая телевизионная антенна и DVB-T плата.

Стандарт этот достаточно нов, поэтому его использование возможно пока только в Москве и ближайшем подмосковье.

Сети кабельного телевидения

Существует еще один способ подключения к сети интернет – использование для передачи данных сеть кабельного телевидения (КТВ). Организация его может осуществляться двумя способами. Первый наиболее простой в реализации, очень похожий на доступ с использованием спутника, то есть пользователь осуществляет звонок по коммутируемой сети на модемный пул провайдера, предоставляющего доступ к подобной услуге и в дальнейшем запросы посылаются по коммутируемой сети, а ответы на них идут по сети КТВ со скоростью до 56 Мбит/с на кабельный модем пользователя. Второй способ подразумевает двустороннюю работу по телевизионной сети с помощью кабельного модема. В этом случае исходящая скорость возрастает многократно до 36 Мбит/с, а телефон остается свободным.

Выделенный канал

И, наконец, рассмотрим последний существующий в Москве способ подключения к сети, который не требует прокладки дополнительных коммуникаций, а также уход от проблемы занятого домашнего телефона – это организация выделенного высокоскоростного соединения между вами и вашим интернет-провайдером (ИП) по существующей телефонной проводке с использованием технологии ADSL или VDSL (ADSL оборудование дешевле, поэтому эта технология более популярна).

Отделение телефонных разговоров от передачи данных осуществляется с помощью специального устройства под названием сплитер (частотный фильтр), в который втыкается телефонный аппарат и ADSL-модем, со стороны ИП также ставится подобное оборудование, которое разделяет телефонный разговор от канала передачи данных со стороны АТС. ADSL модем включается в ваш компьютер через порт USB, либо через сетевую карту (порт Ethernet). Описанный выше модем позволяет передавать данные к абоненту со скоростью до 24 Мбит/с, а от него до 2 Мбит/с (хотя подобные скорости являются лишь стандартами G.992.3, G.992.4, G.992.5, а в жизни используется G.992.1 со скоростями 8/1 Мбит/с), то есть асимметрично (ADSL), так как в реальности в большинстве случаев от пользователя идут управляющие команды, а к пользователю реакция на них: интернет страницы, с графикой; аудио и видео информация и симметрично (VDSL). Подобное подключение позволяет работать на достаточно большом расстоянии (более 1 км на максимальной скорости), что обычно удовлетворяет всех существующих абонентов. Как уже было сказано выше этот вид подключения к Интернет так же позволяет держать свободным телефонный аппарат. В последнее время наметилась тенденция по снижению стоимости подобной услуги, поэтому она становится достаточно привлекательной для конечного пользователя. Однако есть и сдерживание, связанное, прежде всего, с малой распространенностью в России такого вида подключений, поэтому рассмотрим ниже подключение к так называемым домовым сетям, которые позволяют объединить квартирных пользователей в локальную сеть, имеющую выход в интернет. Эта дает ряд преимуществ, связанных с возможностью соседей по домам общаться в сети при минимальной абонентской плате, иметь свободный телефон, а также обладать выходом в интернет.

Доступ в интернет через электрическую проводку

Для подключения домашнего пользователя к Интернет на сегодня уже задействованы практически все возможные способы, используя, существующие коммуникации, радиотехнологии, прокладка новых коммуникаций. Кажется, уже не существует чего-то принципиально нового, кроме того, как совершенствовать используемые технологии, однако 09 декабря 2004 года прошла информация о том, что компания "Электро-ком" планирует задействовать последнюю из оставшихся существующих коммуникаций – электросеть для обеспечения широкополосного доступа в Интернет, используя технологию PLC (Power Line Communications). Инвестиции для этого грандиозного дела были предоставлены инвестиционным фондом "Русские Технологии" и Intel Capital, подразделение корпорации Intel, и составили $4 млн. Строительство домовых сетей, используя эту технологию, затронет не только Москву, но некоторые регионы России.

Эта технология появилась не вдруг и не сейчас, а имеет свою интересную предысторию, которая затрагивает не одно десятилетие. Однако, не будем заглядывать столь далеко, а остановимся на такой насущной для энергетиков проблеме, как технологическая связь. Как известно, Россия обладает значительной территорией которая опутана электрическими проводами, идущими от электростанций в города, на предприятия…, и для оперативного управления всей этой сетью необходима связь. Поэтому предпринимались попытки организовать передачу данных по высоковольтным проводам. Были успехи, но скорость была мала.

И вот, основной прорыв был совершен в период 1997-2000 гг. Этому способствовал, прежде всего, накопленный опыт, а также возросшие неоднократно возможности микропроцессорной техники, а именно появление высокоскоростных и дешевых DSP (Digital Signal Processor). И в апреле 2000 года был создан альянс HomePlug Powerline Alliance из большого числа компаний, в состав которых вошли также, в качестве спонсоров, не безызвестные всем: 3Com, AMD, Cisco Systems, Compaq, Conexant, Diamond Multimedia, Enikia, Intel, Intellon, Motorola, Panasonic, Tandy/RadioShack и Texas Instruments, которые создали возможность дальнейшего развития и стандартизации передачи данных и голоса по электропроводам. Так как, начало века совпало с массовыми подключениями к Интернет, было принято решение о развитии технологии именно для этого сегмента рынка.

И уже в июне 2001 года появился первый стандарт HomePlug 1.0, позволяющий использовать электросеть в качестве локальной и подключать в нее различные устройства. Работа в этой сети могла осуществляться на скорости до 14 Мбит/с, а через специальные шлюзы иметь возможность выхода в интернет, ТфОП.

Электрический кабель представляет из себя среду, которая изначально не была предназначена для высокоскоростной передачи данных (если речь идет о скоростях, составляющих десятки Мбит/с, то и полоса частот, в этом случае должна быть соответствующей). На рис. 2 показана зависимость затухания сигнала в кабеле от его частоты и длины.

На практике, значения, показанные на графике могут значительно отличаться по ряду причин, в частности, используется медный или алюминиевый кабель, как качественно сделано соединение, переход с одного диаметра жилы на другой. Но это не все, даже если у вас все сделано идеально, остается еще один важный мешающий фактор – это различные помехи, создаваемые как бытовыми приборами электроинструментов (пылесос, дрель, люминесцентные лампы и многое другое), так и промышленные (электросварка), а так как электрический кабель не экранирован, то свою лепту в увеличение помех вносят и различные радиостанции.

Рис. 2. Зависимость затухания сигнала в электрическом кабеле

Выбор стандарта для высокоскоростной передачи данных была достаточно сложная задача, но все же из множества разнообразных технологий для HomePlug 1.0 был использован метод Power Packet фирмы Intellon, который базируется на модифицированном методе модуляции OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) – ортогональное частотное разделение каналов с одновременной передачей сигналов на разных несущих.

Метод передачи данных с использованием OFDM по своей сути очень похож на протокол PEP, используемый некоторое время назад в модемах, работающих по ТфОП. Весь частотный спектр (от 4,3 до 20,9 МГц) разделяется на 84 диапазона, в каждом из которых используется своя несущая, что позволяет осуществлять демодуляцию даже в случае, когда в канале появляется узкочастотная помеха или при сильном затухании. В этом случае, пораженный участок временно блокируется, а передача не прекращается. Эта технология передачи, также позволяет подстраиваться под те условия, которые диктуются службами радионадзора за использованием радиочастот, так как неэкранированный электрический кабель может создавать помехи, как для радиостанций, так и для специального оборудования, которое может начать неправильно функционировать из-за наводимых помех.

Для борьбы с межсимвольной интерференцией, которая имеет место при изменении среды передачи (например, при включении какого-нибудь устройства (лампочки или другого), изменяется ее структура, не только у вас в квартире, но и у соседей, так как они также подключены к вашей фазе) было решено увеличить длину посылки вызова, и ввести дополнительную микросекундную преамбулу, а также постоянно отслеживать состояние среды перед непосредственной передачей информации.

В качестве метода доступа в канал используется множественный доступ с контролем несущей/предотвращением коллизий CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance), так как при подключении к сети компьютеров (используется технология "общая шина"), необходимо решить вопрос разделения среды передачи.

Рис. 3. Структурная схема организации сети по электропроводке

Что же дает данная технология? Эта технология известна довольно таки давно и активно внедрялась в Европе. В некоторых городах Западной Европы (Германия, Австрия, Испания…) эта технология практически вытеснила все остальные способы построения локальных сетей, а вместе с ними и выхода в Интернет. И это было оправдано, так как в отличие от перечисленных выше решений абсолютно нет никакой необходимости прокладывать дополнительные коммуникации, так как обычно, я не встречал еще домов, в которых были бы установлены стационарные компьютеры и не было бы электропроводки, подобное уже присутствует. Кроме предоставления доступа в интернет пользователь подобной услуги при желании мог подключиться к местной домовой сети, или же к ТфОП. И все это через туже самую электропроводку. От пользователя лишь требуется приобрести небольшое устройство, которое станет связующим звеном Ваших компьютера и телефона с интернетом и ТфОП. Данные по сети идут по протоколу TCP/IP, соответственно для передачи голоса используется технология VoIP, скорость кодирования которого обычно в подобных сетях составляет 32 Кбит/с. А вообще скорость передачи по подобной сети может достигать скорости 14 Мбит/с на расстояние до 200 м. Еще одно ограничение, накладываемое на организацию сети, связано с тем, что подобные устройства должны подключаться лишь к одинаковым фазам, так как трансформаторы на подстанциях не пропускают высокочастотных сигналов. По этой причине необходимо ставить дополнительные устройства перехода между фазами, но это уже вопрос оператора, предоставляющего подобный сервис. Такая ситуация типична не только для соседних домов, но даже и для отдельных подъездов, в которых на квартиры заведены разные фазы (рис. 3).

Пределы изменения величины напряжения в сети, при которой сохраняется работоспособность, достаточно велики и находятся примерно между 90 и 270 В. Стоимость абонентского устройства находится в пределах 100 $ и имеет тенденцию к уменьшению. Использование подобного решения достаточно интересно, но при этом мало развито в России. Область применения достаточно широка и охватывает тех пользователе и те условия развертывания подобной сети, для которых критичной является скорость подключения, отсутствия другой кабельной инфраструктуры, кроме электропроводки и, думаю, в общем, все.

Однако, как мне думается, та доступность о которой можно решить, читая о данной технологии – мнимая, так как несколько лет назад я имел возможность познакомится с ней. Прежде всего, возникает проблема с дальностью, на которой работает PLC, а она не превышает 300 м, что больше всего подходит для небольших офисов или межквартирной связи в пределах одного подъезда. Это значит, что необходимо будет устанавливать дополнительные регенераторы, что в итоге увеличит стоимость вложений. Кроме того, оборудование, работающее по данной технологии, еще не прошло сертификацию, позволяющую операторам предоставлять подобную услугу населению, и рынок достаточно насыщен предоставлением доступа в Интернет, используя другие способы. Единственно, где можно встретить использование подобного оборудования – это небольшие офисы. Поэтому еще остаются вопросы, которые необходимо будет решать в дальнейшем.

Однако прогресс не стоит на месте. И спустя три года, вслед за HomePlug 1.0 был утвержден новый стандарт - HomePlug AV (завершена разработка в октябре 2004, а принят 18 августа 2005), позволяющий передавать по той же электропроводке смешанный вид данных: голос, видео, видео с высокой четкостью (HDTV) (несколько потоков), данные со скоростью до 200 Мбит/с. Подобное обеспечивается служба качества обслуживания (QoS (Quality of Service)). Чтобы суметь передать данные на такой скорости по электросети был изменен частотный диапазон, который вырос и находится в пределах от 2 до 28 МГц. Для повышения безопасности передаваемых данных был изменен стандарт с DES до AES, а также увеличена длина ключа с 56 до 128 бит. Но, тем не менее, новый стандарт обеспечивает совместимость с оконечными устройствами стандарта HomePlug 1.0. HomePlug AV использует модуляцию OFDM с расширенным FEC (Forward Error Control) позволяющей оценивать канал и адаптироваться к нему. Как и в предыдущей спецификации в качестве метода доступа выбран множественный доступ с контролем несущей CSMA. Новый стандарт также поддерживает TDMA и FDMA с целью сосуществования с Broadband Over Powerline (BPL). Продажа оборудования поддерживающего новый стандарт уже идет, и будем надеяться, что внедрение подобной технологии найдет в России своих пользователей.

Таблица. 1

Выше представлен первоначальный вариант статьи опубликованной в:

"Мир ПК", # 12, - 2005

Назад