Волновое сопротивление

 
      Многие, наверное, задумывались: а что означает такая часто указываемая характеристика соединительных кабелей или выходов-входов некоего устройства — 50 Ом, 75 Ом, 300 Ом? Это так называемое волновое сопротивление, которое зависит от используемого диэлектрика и геометрических соотношений между оплеткой и центральной жилой кабеля. Зачем его нужно знать? А вот зачем. Энергия источника сигнала будет использоваться с максимальной эффективностью, если сопротивления источника сигнала и приемника равны. В технике высоких частот мы не в силах соорудить источник "бесконечной" мощности, каковым является, например, бытовая электросеть для включенных в нее приборов. Потому мощности (а значит, и сопротивления) источников и приемников приходится согласовывать, иначе не только дефицитная энергия сигнала будет расходоваться впустую, но и неизбежны такие явления, как переотражения сигналов внутри линии и увеличение влияния наводок. Отметим, что от одного лишь внешнего диаметра кабеля его волновое сопротивление не зависит — от размеров зависит только затухание сигнала. Есть 75-омные кабели диаметром 2 мм, а есть — 20 мм, в первом случае они будут работать без дополнительного усиления на несколько метров, во втором — на многие километры, но линия останется согласованной в обоих случаях.
 

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.
 

Букварик ADSL

 
      Наиболее популярные стандарты ADSL: G.992.1, он же ADSL, он же g.dmt. Позволяет получить скорость до 8 Мбит/с к абоненту и до 1 Мбит/с от абонента. Дает 255 тонов частотного спектра.
      G.992.3, он же ADSL2. Использует тот же частотный спектр, что и ADSL, но позволяет достичь скорости до 12 Мбит/с к абоненту и до 1 Мбит/с от абонента.
      G992.5, он же ADSL2+. Использует более широкий частотный спектр, 512 тонов. На малых расстояниях позволяет получить скорости до 24 Мбит/с к абоненту и до 1 Мбит/с от абонента.
      Подстандарты, называемые также аннексами, определяют распределение частотного спектра между передающим и принимающим каналом: Annex A. Cамый распространенный стандарт, используется поверх обычных телефонных линий. Тоны 1-5 не используются (там работает обычный телефон), тоны 6-31 — для обратного канала, 32-512 (или 32-255 для обычного ADSL) — для прямого.
      Annex B. Изначально разработан для применения поверх линий ISDN, тоны 1-31 зарезервированы, 32-64 — обратный канал, 65-512 — прямой. В России применяется для работы вместе с охраннопожарной сигнализацией.
      Annex M. Имеет расширенный диапазон обратного канала, за счет чего позволяет передавать данные в Интернет со скоростью до 3,5 Мбит/с вместо обычных 1 Мбит/с. Применяется некоторыми провайдерами, полезен при спользовании файлообменных сетей. Тоны 1-5 не используются, 6-64 — обратный канал, 65-512 — прямой.
      Annex L. Разработан специально для плохих линий, использует меньше тонов, чем Annex A, но дает более высокую мощность в используемые тоны, за счет чего более помехоустойчив и работает на более далекие расстояния.
      Приобретая то или иное оборудования для подключения к Интернету по ADSL, важно учитывать два момента. Первое — что модемы ADSL2/ADSL2+ обратно совместимы с ADSL. Второе — что ADSL-модемы обычно выпускаются либо для линий Annex A (тут же поддерживаются L и M), либо для Annex B. Если ваш модем Annex A полностью вас устраивает, но вы собираетесь устанавливать охранную или пожарную сигнализацию, то в общем случае вам придется купить второй модем — грубо говоря, такой же, только для Annex B. Исключение составляют двухдиапазонные модемы (или интернет-центры с такими модемами), например от ZyXEL:ничего покупать не придется, абоненту нужно лишь запустить настроечную утилиту, переключить в ней Annex-режим и изменить положение переключателя на двухдиапазонном сплиттере.
 

По ту сторону последней мили

 
      При предоставлении ADSL-доступа на телефонной линии должно стоять провайдерское оборудование, а именно DSL коммутатор, или DSLAM. По сути, он представляет собой набор "ответных" модемов, собранных в едином корпусе и подключенных к сети провайдера. Технология ADSL не предполагает коммутирующего оборудования между абонентским ADSL-модемом и DSLAM, поэтому чаще всего последние ставят на АТС. Каждый абонент физически подключается к отдельному порту DSLAM, и поэтому нехватка портов на всех, как в случае с dial-up, исключена. Собственно, подготовка абонентской линии к тому, чтобы на ней смог заработать ADSL-модем, в том и состоит, что ее на АТС включают в DSLAM (то есть жестко привязывают к оборудованию провайдера, и, в отличие от коммутируемого доступа, выйти в Интернет через данного провайдера откудалибо, кроме как с этой линии, уже не удастся). Делается это при помощи сплиттера, играющего ту же роль, что и сплиттер у вас дома, — то есть разделяющего модемный и телефонный сигналы; первый идет на DSLAM, второй — дальше на АТС. В зависимости от модели DSLAM может иметь от десятка до тысячи портов ADSL. Чаще всего DSLAM построены по модульному типу: шасси, управляющая карта и линейные карты. Линейные карты служат для подключения абонентов. В общем случае они могут быть не только ADSL-типа, но и SHDSL, VDSL, оптические. Управляющая карта служит для управления линейными картами и для подключения к сети провайдера по Ethernet, оптике или другими способами.
 

В сундуке — заяц, в зайце — утка, в утке — яйцо, в яйцо — IPTV

 
      В качестве транспортного средства в ADSL используется технология ATM, позволяющая выделить в общем канале передачи несколько "виртуальных каналов". Деление общего канала на части позволяет предоставлять отдельные сервисы с гарантированным качеством. Например, критичный к потерям и задержкам трафик IP-телевидения передается в отдельном виртуальном канале с более высоким приоритетом, нежели интернет-трафик. Таким образом, если вы полностью занимаете интернет-канал, например, скачиванием файлов и в этот момент включаете канал IP-телевидения, то скорость скачивания моментально снизится, а на телевизоре будет качественное изображение, без задержек и артефактов.
      Артем Балыбин, менеджер по продукции компании zyxel Россия
 

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.].
 

Ты помнишь, как все начиналось?

 
      В споминает Петр Павлов, директор службы поддержки продукции компании ZyXEL Россия с 1998 года:"В 1999 году компания ZyXEL выпустила свое первое абонентское ADSL-устройство — маршрутизатор RADSL Prestige 641. Он поддерживал протоколы T1.413 (до 8 Мбит/с) и обещал поддержку ITU-T G.Lite в недалеком будущем. Это устройство, корпус которого имел размер журнального листа, уже выполняло большинство функций современных ADSL-маршрутизаторов, таких как трансляция IP-адресов и проброс портов, встроенный PPPoE-клиент, маршрутизация на основе политики, фильтры и многое другое.
      В 2000 году вышла серия Prestige 642 в корпусе уменьшенного размера. При этом произошло разделение на модемы Prestige 642M, то есть работающие только в режиме моста и поднимающие соединение при помощи компьютера, и маршрутизаторы Prestige 642R, способные выходить в Интернет самостоятельно.
      В 2001 году появились прадедушка нынешних интернетцентров ADSL-маршрутизатор Prestige 643 со встроенным 4-портовым коммутатором и серия модемов Prestige 645, размеры которых уменьшились еще на 20% за счет отказа от консольного порта RS-232. В них впервые была установлена кнопка reset, позволяющая легко вернуть модем к настройкам поумолчанию. Тогда же увидела свет первая модель серии P-630, подключавшаяся к компьютеру по USB, — дань моде на интерфейс и реверанс в сторону домашних пользователей.
      В 2002 году цены на ADSL-устройства упали настолько, что разница между мостом и маршрутизатором с портом Ethernet стала чисто символической. Очередное устройство OMNI ADSL LAN могло заменить оба этих устройства. В 2003 году, несколько опередив текущие потребности ADSL-рынка в России, появилось устройство Prestige 652HW — уже почти интернет-центр с коммутатором, межсетевым экраном, точкой доступа WiFi и даже поддержкой VPN.
      Наконец, в 2004 году началось массовое производство ADSL модемов серии P-660, поддерживающих высокоскоростные стандарты ADS2/ADSL2+ и открывших пользователям дорогу не только в Интернет, но и в мир интерактивного IP-телевидения.
      В том же году появились модели серии P-2602, в которые был встроен адаптер IP-телефонии стандарта SIP. Спустя два года для упрощения настройки ADSL-подключения к известным провайдерам была разработана технология NetFriend. В 2007 году вышла линейка уникальных двухдиапазонных устройств P600RT2/RU2/HT2/HTW2, поддерживающих одновременно Annex A и B, а в 2008 году появился интернет-центр со встроенным адаптером HomePlug AV, позволяющим расширить домашнюю сеть через бытовую электропроводку и передавать поток IPTV в любую точку дома. Продолжение следует".

Свежая струя