Домашние сети на электропроводах

В США и странах Западной Европы операторов телекоммуникационных услуг заинтересовали обширные возможности цифровых сетей передачи данных. Для удовлетворения растущих запросов пользователей была модернизирована сеть доступа к этим услугам. В развивающихся странах, к которым по праву можно отнести и Россию, запросы и потребности операторов связи несколько отличаются от общемировых. Нельзя сказать, что в этих странах отсутствует спрос на новые виды услуг. Он есть. И спрос, даже, растет. Но по отношению к существующим аналоговым способам связи цифровые услуги составляют всего лишь несколько процентов. И то за счет столицы - Москвы. На пороге XXI век, а, тем не менее, основной задачей в области обеспечения коммуникационных услуг в России является обычная телефонизация населения посредством аналоговой связи.

Операторы связи при строительстве новых зданий изначально закладывают в архитектурный проект возможность прокладки широкополосных волоконно-оптических линий связи. Эта норма повсеместно применяется в странах Юго-Восточной Азии и континентальной Америки. Изначально эти сети используются для предоставления обычного аналогового доступа. По мере возникновения потребности у абонентов производится их переключение на цифровые стандарты передачи данных (ISDN).

Обычно подключение к Интернету осуществляется с помощью телефонной линии или через выделенное соединение. Для использования выделенного соединения необходимо проложить кабель, что является довольно таки дорогостоящим и трудоемким мероприятием. Также во многих случаях отсутствует возможность постоянного использования телефонной линии для доступа в Интернет. Сейчас многие компании занимаются разработкой технологии, которая позволит подключаться к всемирной Сети через обыкновенную бытовую электрическую розетку.

Уже разработан и обнародован промышленный стандарт передачи данных по бытовой сети. Его разработкой занималась некоммерческая ассоциация HomePlug Powerline Alliance, которая объединяет более 90 крупных компаний производящих вычислительную технику и различную бытовую электронику. Среди членов альянса, который появился в апреле 2000 года, такие известные и уважаемые компании, как Intel, Motorola, Philips и Panasonic. Кроме подключения к Интернету, стандарт позволяет создавать домашние локальные сети, в которые можно подключать компьютеры, принтеры и различную бытовую технику, поддерживающую протокол передачи данных по электрической сети. Для организации этой сети не потребуется никаких дополнительных устройств, кроме обычной домашней электрической розетки. Скорость работы подобной локальной сети будет составлять до 14 Мб в секунду.

Крупные производители бытовой техники уже заняты разработкой устройств "умеющих общаться" через электрическую розетку. Появление таких приборов ожидается уже осенью этого года. Этим разработкам предшествовал полугодовой период тестирования нового стандарта передачи данных. Специалисты занимались изучением влияния различных приборов на устойчивость работы сети и на качество передачи данных.

Большое внимание новому средству коммуникации уделяет "Германский энергетический концерн". Система, позволяющая соединять различные устройства с помощью обыкновенной электрической сети, существует уже в двух городах - Эссене и Мюльхайме. Для подключения к Интернету жителям этих городов достаточно приобрести специальный модем, который подключается к электрической сети. Стоимость доступа в Интернет составляет от 49 до 249 марок, в зависимости от используемого тарифного плана.

Не отстает от немецкого концерна и "Австрийская электротехническая компания EVN". Недавно она получила разрешение на использование нового стандарта передачи данных по электрическим сетям на территории Австрии. Компания заявляет, что имеет уже около 15 тысяч клиентов.

Проведенные маркетинговые исследования дали ошеломляющие результаты. В результате опросов населения выяснилось, что более 12 миллионов американцев готовы приобрести устройства, работающие с использованием нового стандарта. Эксперты считают, что в регионах, где недостаточно развита телефонная связь, спрос на подключение к Интернету через электрическую сеть будет огромным. Не так уж и много мест на земле осталось, где отсутствует электричество. А при использовании нового стандарта для подключения к Интернету больше ничего и не надо.

Адаптеры Edimax

Сегодня везде, где есть больше одного компьютера, уже нельзя обойтись без сети. Традиционным способом соединения компьютеров пока является традиционная проводная сеть, но ряд неудобств заставляет разработчиков создавать новые более прогрессивные системы коммуникации, лишённые недостатков Ethernet. К ним можно отнести как известные многим и уже достаточно широко распространённые сегодня беспроводные сети стандартов 802.11, так и сети практически неизвестных стандартов HomePHA (по телефонной линии) и HomePlug (по электропроводке). Именно об оборудовании последнего стандарта и пойдёт речь в нашем материале.

Однако, перед тем, как переходить непосредственно к оборудованию, думаем, стоит познакомиться с теоретическими аспектами работы сетей на основе электропроводки, HomePlug или PLC.

На самом деле попытки передачи данных по электропроводке осуществлялись уже достаточно давно - ещё в начале прошлого века. Так в 1922 году в СССР впервые была организована передача данных по ЛЭП на высокой частоте. Естественно скорость канала была по сегодняшним меркам просто никакой. Сегодня в России примерно половина всех высоковольтных линий используется для высокочастотной передачи данных, скорость передачи данных составляет 2,4 Кбит/с, так что говорить о высокоскоростных сетях передачи данных по ЛЭП не приходится.

Подобная ситуация до недавнего времени существовала и в отношении передачи данных по обычной домашней электропроводке. С первого взгляда среда передачи может показаться достаточно благоприятной для распространения сигналов, однако, множество помех, существующих в электросетях, вносят свои коррективы. Помехи возникают постоянно, например, при включении оборудования, работе устройств. Кроме всего прочего, постоянно меняется физическая структура сети: стоит подключить удлинитель, как сеть поменяет свои характеристики. Именно из-за помех и непостоянства долгое время и не было реализации такого оборудования, которое должно было обеспечивать достаточно надёжную передачу. Для решения этой проблемы нужно было использовать методы модуляции, позволяющие обеспечить качественную передачу и приём данных на узлах.

26 июня 2001 года был принят стандарт HomePlug 1.0, в котором была определена скорость передачи данных до 14 Мбит/с. технология основана на частотном разделении одного высокоскоростного потока на несколько более медленных потоков. Основой технологии Powerline является использование частотного разделения сигнала, при котором высокоскоростной поток данных разбивается на несколько относительно низкоскоростных потоков, каждый из которых передается на отдельной поднесущей частоте с последующим их объединением в один сигнал.

При использовании частотного мультиплексирования (FDM - Frequency-Division Multiplexing) спектр используется не очень эффективно, поскольку интервалы между поднесущими слишком велики.

Ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM), которое используется в стандартах беспроводной передачи данных 802.11a и 802.11g позволяет более эффективно использовать спектр. Достигается это тем, что поднесущие пересекаются друг с другом, пик сигнала совпадает с нулевым значением другого сигнала. Модуляция реализована в виде DQPSK. Множественный доступ к среде регламентируется методом CSMA/CA, также, как в беспроводных сетях 802.11.

В технологии Powerline используются 84 поднесущие частоты в диапазоне 4-21 МГц.

От теории обратимся к практике. Итак, на тестирование попали две модели адаптеров HomePlug от компании Edimax.

Устройства совместимы со стандартом HomePlug 1.0. Обеспечивают скорость соединения до 14 Мбит/с (интерфейc USB 1.1). Имеют встроенную поддержку QoS и функции коррекции ошибок. Данные по сети не передаются в открытом виде, используется 56-битное шифрование DES.

На лицевой стороне адаптеров расположены индикаторы отображения состояния устройства. Сверху вниз: Коллизия/Col, Передача/Act и Соединение/Link. Кроме того, у адаптера с сетевым интерфейсом имеется ещё один индикатор, который показывает состояние сетевого подключения.

Рис. 2.5 Внешний вид HР-1001

Устройство

Кроме внешних отличий, устройства имеют разные интерфейсы. Модель HP-1001 использует интерфейс USB 1.1, HP-1002 - Ethernet 10/100. Внешне, устройства сильно похожи на блоки питания различной электроники. Отметим, что модель с интерфейсом USB оказалась существенно легче и компактнее модели с сетевым интерфейсом. В первой модели питание осуществляется от порта USB, во второй - от встроенного источника. HP-1001 кроме всего прочего имеет поворотную вилку, что может оказаться весьма кстати при подключении к удлинителю.

Устройства основаны на чипе Intellon INT51X1, производитель которого внёс огромный вклад в развитие стандарта. Чип интересен тем, что в нём интегрированы все функции, документированные в стандарте HomePlug 1.0.1, как цифровые, так и аналоговые. Как видно на снимках, HP-1001 не использует никаких других чипов кроме этого, в отличие от модели HP-1002, на которой также установлен чип Realtek RTL8201BL для реализации сетевого интерфейса.

Тестирование

Для тестирования использовался настольный компьютер на базе процессора AMD Athlon XP 2500+, материнская плата EPoX 8RDA3I Pro на чипсете nForce2 Ultra, 512Mb ОЗУ. Тестирование проводилось под управлением ОС Windows XP Professional SP2. Вторым клиентом выступал ноутбук Fujitsu-Siemens B2130, работающий также под управлением ОС Windows XP Professional SP2. К настольному компьютеру подключали адаптер с интерфейсом USB, второй - соответственно, к ноутбуку.

Для тестирования скорости передачи использовалась системой NetIQ Chariot 5.0. В нашем случае наибольший интерес представляет тестирование пропускной способности канала, поэтому мы остановились на соответствующем сценарии. Размер файла был установлен в 100 000 байт, время работы теста - одна минута.

Первый тест проходил при наилучших условиях - адаптеры подключены к расположенным в непосредственной близости розеткам. Отметим, что в этом случае результат оказался вполне предсказуемым. Средняя скорость соединения 5,4 Мбит/с.

Во втором тесте немного усложнили условия - подключили адаптеры к разным розеткам на расстоянии примерно пять метров друг от друга. Отметим, что хотя скорость снизилась, но это снижение оказалось незначительным. В этом случае получен результат чуть меньше 5 Мбит/с.

Третий тест проводился в ещё более сложных для адаптеров условиях - они были подключены к разным розеткам, расстояние между которыми было около 25 метров. На таком расстоянии адаптеры смогли передавать данные со скоростью 3,1 Мбит/с.

Результаты тестов позволяют говорить о том, что использование адаптеров PowerLine позволяет решить проблему создания компьютерной сети там, где нет необходимости в высокоскоростной передаче данных, где нужно создать временную сеть или там, где создавать кабельную инфраструктуру нецелесообразно.

Как показало тестирование, устройства позволяют достаточно просто организовать компьютерную сеть там, где есть обычная электропроводка. Соответственно, отпадает необходимость в прокладывании сетевого кабеля. Конечно, стоимость такого решения окажется выше, чем при использовании традиционной проводной сети, и сопоставима со стоимостью беспроводной, в отличие от которой, вам не помешают ни бетонные стены, ни перекрытия. Создать сеть поверх электропроводки очень просто, поскольку где бы вы ни решили создать компьютерную сеть, там будет и электрическая сеть. А зачем прокладывать рядом две сети, по каждой из которых можно передавать данные? Однако, при всех преимуществах нельзя не упомянуть о том, что традиционные сети не уступят своего места там, где необходима высокоскоростная сеть передачи данных.

UltraNet

Думаю, немногим представится возможность встретить эту технологию "живьем". Она используется для работы с вычислительными системами класса суперкомпьютеров и "большими" машинами. UltraNet представляет собой аппаратно-программный комплекс, способный обеспечить скорость обмена информацией между устройствами, подключенными к нему, до 1 Гбит/с. Эта технология использует топологию "звезда" с концентратором в центральной точке сети. UltraNet отличается достаточно сложной физической реализацией и совершенно нескромными ценами на оборудование – под стать ценам на суперкомпьютеры. Для инициализации и управления сетью UltraNet даже используются компьютеры класса Intel 386, которые подключаются к концентратору. Другими элементами сети UltraNet являются сетевые процессоры и канальные адаптеры. Также в состав сети могут входить мосты и роутеры для соединения ее с сетями, построенными по другим технологиям (Ethernet, Token Ring). В качестве среды передачи могут использоваться коаксиальный кабель и оптоволокно. Хосты, подключаемые к UltraNet, могут находится друг от друга на расстоянии до 30 км. Возможны также соединения и на большие расстояния путем подключения через высокоскоростные каналы WAN.

2.5. Сеть по телефонной проводке: стандарт HomePNA 2.0

Если вы желаете проложить дома компьютерную сеть, то, конечно, вы можете протянуть кабель и настроить сеть Ethernet. Но если у вас уже существует телефонная проводка, и вы не желаете утруждать себя прокладкой еще одного провода, то вы можете использовать для сети и телефонный кабель благодаря стандарту HomePNA. Этот стандарт быстрее, дешевле и безопаснее домашних беспроводных систем, он будет работать практически в любом доме в мире, если там есть аналоговая телефонная проводка.

Конечно, у HomePNA нет такой свободы и мобильности, как у беспроводной связи, да и здесь мы не чувствуем связанного с беспроводными продуктами ажиотажа. Однако это достойная альтернатива домашним Ethernet сетям. HomePNA позволяет реализовать совместное использование файлов, служб и Интернета.

Доминирующий на настоящее время стандарт для домашних сетей, это второй стандарт альянса Phoneline Networking Alliance, так и называющийся – HomePNA 2.0. Как заявлено, он обеспечивает связь до 10 Мбит/с, но при этом следует учитывать следующий факт. На самом деле, скорость передачи данных в сети HomePNA 2.0 не будет равна 10 Мбит/с, такая цифра была взята для прямого сравнения со стандартом Ethernet IEEE 802.3 10 Мбит/с. Технически сеть работает на сигнальной скорости от 2 Мбод до 4 Мбод и использует переменную амплитудную модуляцию 4-256 QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Говоря другими словами, сеть может работать на любой скорости в диапазоне от 4 Мбит/с до 32 Мбит/с. Если судить по нескольким источникам, при обычных условиях сеть HomePNA 2.0 работает примерно на 16 Мбит/с.

Как видим, производительность HomePNA 2.0 заметно выше, чем производительность беспроводного 11 Мбит/с стандарта IEEE 802.11b, и даже выше 10 Мбит/с Ethernet в большинстве ситуаций. HomePNA 2.0 обратно совместима с HomePNA 1.0 и она будет поддерживаться и будущим стандартом "100 Мбит/с" HomePNA 3.0. Еще раз отметим, что стандарт на самом деле работает не на 10 Мбит/с.

Для того, чтобы нам разобраться в строении сети, давайте рассмотрим пакеты HomePNA 2.0. Для тех, кто не знаком с пакетами, напомним, что пакет – это некоторый, относительно самостоятельный объем информации, передающийся в сети. Пакеты, как правило, рассматривают применительно к протоколу IP. В стандарте HomePNA 2.0 пакет IP упаковывается в кадр, который уже передается по локальной сети. В заголовок кадра включается информация о физическом адресе отправителя и получателя и т.д. Кадр также может использоваться для сетевой синхронизации и регулирования скоростей передачи, что видно по следующей иллюстрации.

Рис. 2.6 Пакет данных сети HomePNA 2.0.

Самое важное, что следует отметить на иллюстрации – только часть пакета передается на максимальной скорости. Как уже было сказано выше, стандарт может работать на скорости передачи данных до 32 Мбит/с. Однако эта скорость относится лишь к определенной части кадра. Заголовок и концевик передаются на минимальной скорости 4 Мбит/с, чтобы все станции в сети обработали заголовок без ошибок. В заголовке также указывается и скорость передачи данных.

Если учитывать тот факт, что размер кадров Ethernet ограничен 1518 битами, мы можем примерно сосчитать максимальную теоретическую пропускную способность сети HomePNA 2.0. Как видим, 84 бита передаются на минимальной скорости 4 Мбит/с. Некоторая же служебная часть кадра, включающая 18 байтовый концевик и два байта контрольной суммы CRC, передается на полной скорости.

Можно сказать, что кроме полезной информации, в кадре будет передаваться и служебная информация, эквивалентная 716 байтам на 32 Мбит/с. То есть время, затраченной на передачу служебной информации на низкой скорости равно времени, затраченному на передачу 716 байт на 32 Мбит/с. Учитывая 1476 байт полезной информации в каждом кадре, нам нужно будет передать 2172 байт (учитывая "эквивалентный заголовок") на максимальной скорости.

Если соотнести полезную информацию и общий "эквивалентный" размер кадра, то мы можем сосчитать эффективность (своего рода КПД). Итак, в HomePNA 2.0 эффективность составляет всего 68%. Это намного ниже эффективности Ethernet, которая близка к 97%. Конечно, это всего лишь теоретические значение, поскольку в сетях Ethernet существуют еще задержки между кадрами и коллизии, которые уменьшают эффективность примерно до 75-85%.

Однако даже теоретическое значение эффективности HomePNA 2.0 составляет только лишь 68% на максимальной скорости 32 Мбит/с и 78,5% на 16 Мбит/с. Поскольку домашние сети обычно работают только на 16 Мбит/с, теоретическая максимальная пропускная способность равняется 12,5 Мбит/с. Так как служебная информация здесь несколько больше, чем в Ethernet, мы можем понять, почему HomePNA 2.0 работает на скоростях "примерно соответствующих 10 Мбит/с". Однако, если сеть будет работать на максимальной скорости 32 Мбит/с, теоретическая пропускная способность будет соответствовать 21 Мбит/с.

По ценовым соображениям, многие производители не используют связь на скорости 4 Мбод, реализуя только 2 Мбод, что снижает пропускную способность вдвое. Конечно, сей факт звучит как серьезное ограничение, но как считают производители, большинство сетей в обычных условиях способны работать только на 16 Мбит/с.

Сетевые карты HomePNA 2.0 вышли на рынок весной 2000. Они представляли собой обычные PCI карты и продавались примерно по одинаковой цене. С увеличением числа домашних сетей, в которых реализовано совместное использование доступа в Интернет, среди HomePNA 2.0 устройств появились домашние шлюзы и мосты Ethernet-HPNA. Поскольку сейчас производители усиленно ищут свои ниши на рынке, мы можем наблюдать большой разброс как функций, так и цены среди доступных устройств.