HPNA — широкополосная технология для советской «лапши»
Александр Сериков 
Искусство — в массы…
Люди, занятые в самых разных областях экономики, все чаще испытывают необходимость доступа в Интернет. Сеть им нужна для работы, развлечений, а для некоторых присутствие в ней уже стало стилем жизни. Психологи отмечают повышенное беспокойство некоторых наших сограждан, лишенных доступа к Интернету продолжительное время.
Проблему доступа к Интернету россияне, в зависимости от обстоятельств и финансовой возможности, решают разными путями. Самым распространенным способом можно считать доступ с рабочего места. Недостаток этого способа очевиден: компании научились учитывать трафик, и руководители все чаще стали требовать от системных администраторов отчета — кто, куда и когда зашел в Сеть. Выхода здесь может быть два: либо пользоваться услугами Интернет-кафе, либо иметь доступ с домашнего компьютера.
Однако Интернет-кафе — это дорого, да и не везде есть. Остается вариант подключения к Интернету домашнего компьютера. Здесь, в свою очередь, возможны два варианта. Первый, так называемый Dial-Up-доступ, который для простого пользователя, наряду с техническими неудобствами и финансовыми затратами, характеризуется большим расходом нервной энергии. Тот, кто хоть раз пытался зайти в Сеть по аналоговому модему, представляет, сколько времени требуется на загрузку не самой «навороченной» странички (скорость аналогового модема теоретически не может превышать 56 Kбит/с, в реальности же редко превышает 28 Kбит/с), а также постоянный ручной «дозвон», его срывы плюс «война» с домашними из-за занятого телефона. Добавьте сюда введение повременной оплаты за местную телефонную связь (куда входит доступ по Dial-Up), и станет понятно, что такой доступ можно себе позволить только за неимением лучшего.
При упоминании второго способа — выделенной линии — у тех, кто хоть что-то понимает в доступе, начинают блестеть глаза. Доступность дома такого способа подключения до настоящего времени считалась уделом избранных. Если говорить о Москве, самом благополучном в этом смысле регионе России, то здесь подать выделенную линию в дом по самому дешевому варианту можно путем построения домашней сети по технологии 10Base-T — «тонкий» Ethernet. Причем по вполне доступной среднему москвичу стоимости. Но возможность подобного подключения есть далеко не везде . К тому же имеется целый ряд проблем: куда установить сетевое оборудование в подъезде, как многократно «пройти» вертикальные стояки, которые для витой пары совсем не предназначены, бытовой вандализм и т.п.
Из «экзотических» способов подключения можно еще упомянуть о подключении по ADSL, радио, сетям кабельного телевидения, спутниковому ТВ. Но массовыми подобные технологии на рынке «домашнего Интернета» в России в обозримом будущем не станут из-за их высокой стоимости.
 |
|
…деньги — в кассы!
Несколько лет назад перед ведущими западными производителями телекоммуникационного оборудования встала проблема передачи данных в жилом здании с приемлемыми для массового потребителя затратами. Было ясно, что они будут меньше в случае максимального использования имеющейся инфраструктуры. Ведь практически в каждом жилом здании есть телефонная проводка, выполненная на кабеле типа ТПР (в России он носит название «лапша»). Однако качество этой проводки практически всегда очень низкого уровня (для аналоговой телефонии лучше и не надо), топология такой разводки имеет произвольный (или заранее не известный) характер, и, более того, она постоянно бесконтрольно изменяется. Ведь обычное подключение жильцом параллельного телефона добавляет новую «ветвь», простое снятие телефонной трубки изменяет электрические параметры и т.д. Но какие выгоды можно было бы получить, если бы удалось научиться передавать данные в цифровом формате по телефонным линиям!
В 1996 году был образован альянс, получивший название Home Phoneline Networking Alliance, а в 1998-м появился стандарт передачи данных по телефонным линиям — HPNA.
Первая версия стандарта — HPNA 1.0, позволяющая передавать данные со скоростью 1 Мбит/с, завоевала популярность, и в конце 2000 года была выпущена новая версия — HPNA 2.0, обеспечивающая возможность работы со скоростями 10 Мбит/с при дальности свыше 350 м.
Технология HPNA 1.0 (1 Мбит/с) использует метод IEEE 802.3 CSMA/CD (Ethernet) доступа к среде передачи. Полоса пропускания сигнала расположена в пределах 5,5-9,5 МГц, что исключает возможность влияния на работу ADSL- и VDSL-устройств и телефонов. В HPNA применяется многократная кодировка одиночного битового импульса. Внутри каждого сетевого интерфейса цепь приемника адаптируется к различным уровням помех, которые могут возникнуть в линии. В дополнение к этому передающая цепь может варьировать уровень сигнала. Принимающая и передающая цепи постоянно контролируют условия прохождения сигнала и подстраивают под них свои параметры. Именно эта адаптивность позволила существенно снизить требования к среде передачи. По сути, технология HPNA представляет собой мегабитный Ethernet, работающий по телефонным проводам. Это позволяет использовать большое число Еthernet-совместимых программ, драйверов, приложений и оборудования.
Технология HPNA предусматривает использование той же модели драйвера Windows NDIS, которая используется существующими картами Ethernet. Работа по принципу Plug-and-Play, поддерживаемая операционными системами Microsoft Windows 95/98/2000, полностью освобождает пользователя от необходимости заниматься сложными настройками программного обеспечения.
Большинство существующих абонентских телефонных линий позволяет достичь скорости передачи данных до 100 Мбит/с при использовании для частотного диапазона 2-30 МГц. Благодаря использованию новой, спектрально-эффективной технологии модуляции в HPNA 2.0 обеспечена скорость передачи данных 10 Мбит/с. При этом не только выполняется совместимость оборудования с HPNA 1.0, но и предусмотрена возможность увеличения в будущем скорости передачи до 100 Мбит/с. Новая технология позволяет динамически адаптировать скорость передачи данных и обеспечивает немедленную подстройку в зависимости от изменения электрических характеристик коммуникационного канала.
Обязательное условие подключения жилого дома к Интернету — качественная работа телефона в квартире при одновременной работе в Сети. В технологии HPNA данная задача решена методом частотного мультиплексирования — FDM (Frequency Division Multiplexing). При этом каждому сервису присваивается свой частотный диапазон, и в силу принципа наложения полей они функционируют, «не замечая» друг друга (рис. 1).
|
|
С «лапшой» по жизни
В нашей стране интерес к технологии HomePNA только начинает расти. Так, весной этого года был образован другой альянс — «Русский HPNA», в который помимо «СвязьКомплекта» вошли производитель HPNA 2.0 — тайваньская компания D-Link и московский Интернет-провайдер 2КОМ. Перед его участниками стояла задача опробовать эту технологию и разработать варианты ее применения в российских условиях. Краткие результаты первого этапа работы излагаются ниже.
Прежде чем начать свой рассказ о приложениях, поделимся результатами испытаний самой технологии. Были всесторонне протестированы сетевые адаптеры HPNA 2.0 производства компании D-Link и сетевые адаптеры HPNA 1.0 производства компании City-Netek.
На первом этапе стояла задача проверить работоспособность технологии стандарта HPNA 2.0 по телефонной «лапше» и установление максимальной дальности по топологии «точка–точка».
Были установлены «линки» между двумя машинами, в которых стояли сетевые адаптеры DHN-520 производства D-Link. Расстояние между машинами постепенно наращивалось, причем соединение между кусками кабеля осуществлялось методом скрутки. Между машинами каждый раз передавался тестовый файл объемом 205 Мбайт, и замерялось время передачи. Средой передачи был выбран телефонный кабель ТРП-0,4 с диаметром жилы 0,4 мм. В результате опытов были получены следующие результаты: передавать данные по телефонной «лапше» по технологии HPNA возможно, причем максимальная дальность превышает 1000 метров; на расстоянии 1000 метров наблюдается падение скорости передачи примерно втрое (напомню, что стандарт оговаривает 350 метров). Данных о невозможности передачи на расстоянии более 1050 метров не получено (рис. 2).
На втором этапе тестировались различные среды передачи. Был собран стенд, состоящий из трех компьютеров, в которые были установлены сетевые карты DHN-520. Компьютеры были соединены в локальную сеть, топологией сети была выбрана «звезда». Нагрузка на сеть и измерения параметров сети производились с помощью анализатора протоколов. Были последовательно использованы телефонный кабель ТРП, витая пара UTP категории 5, коаксиальный кабель RG-58 и кабель ГРТС. Было установлено, что передача данных возможна с использованием всех вышеперечисленных сред со сходными параметрами.
На третьем этапе выяснялась максимально возможная скорость передачи по HPNA. Использовался вышеописанный стенд и максимальная скорость, которую удалось зафиксировать, — 9,6 Мбит/с. Кроме того, эта скорость была последовательно достигнута с использованием всех перечисленных выше сред передачи.
На четвертом этапе проверялись возможные топологии работы протокола HPNA и совместимость версий HPNA 1.0 и 2.0. С использованием семи карточек HPNA 2.0 и трех карточек HPNA 1.0 были последовательно построены конфигурации сети «звезда», «шина», «дерево», их комбинации. В каждом случае использовались карточки разных стандартов. Было установлено, что при всех конфигурациях данными могут одновременно обмениваться любые две пары компьютеров, кроме того, была зафиксирована полная совместимость стандартов.
На пятом этапе проверялась устойчивость технологии HPNA к нештатным ситуациям. С использованием лабораторного стенда на витой паре последовательно производился обрыв одного кабеля пары и замыкания кабеля на кабель. Установлено, что данные мероприятия приводят к снижению пропускной способности с 9,6 до 3,5 Мбит/с, но полного отказа работы оборудования выявлено не было. Аналогичный опыт был произведен с использованием «лапши», при этом из телефонного кабеля вырезался 15-сантиметровый кусок одной из двух жил. В итоге контакт не прерывался и наблюдалось падение скорости в 2,5 раза.
Общие выводы:
Установлено, что по протоколу HPNA 2.0 возможно передавать данные на расстояние свыше 1 км по телефонному проводу, что в 3 раза превышает расстояние, оговоренное стандартом; возможно использование различных сред передачи, причем среда не влияет на скорость; максимальная скорость работы близка к заявленной стандартом. HPNA поддерживает произвольную топологию, и стандарты первой и второй версий полностью совместимы. Технология HPNA обладает весомым запасом устойчивости к нештатным ситуациям, например к различным повреждениям кабеля. Фактически данные могут передаваться по одной проволоке (рис. 3).
|
|
Мы учим летать самолеты!
На основании вышесказанного приведем четыре прикладных метода применения данной технологии. Жизнь — штука, как известно, удивительная и непредсказуемая. Поэтому два первых метода — это «классическое применение» HPNA, под которое данная технология, собственно, и придумывалась. А остальные два — это наше российское ноу-хау. Но что самое интересное — есть основания полагать, что на Западе до такого не додумались. Итак…
|
|
Классика № 1
Часто в квартирах жилых домов телефонные розетки находятся в каждой комнате, включая кухню, прихожую и т.д., и к ним подключены параллельные телефонные аппараты. Этой «инфраструктуры» вполне достаточно для построения высокоскоростной одноранговой сети в пределах квартиры без использования коммутаторов и концентраторов или специального оборудования Ethernet, а также без прокладки какой-либо дополнительной проводки.
Для этого нужно лишь установить в компьютер сетевой адаптер HPNA (внешне он очень похож на обычную сетевую карточку Ethernet) и подключить его к телефонной розетке. Аналогичным образом в любую другую телефонную розетку в квартире можно включить другой компьютер. Таким образом, появляется возможность задействования имеющейся в доме телефонной проводки для совместного использования разными компьютерами файлов, принтеров, модемов, жесткого диска или дисковода CD-ROM, при этом возможность эксплуатации традиционной телефонной связи сохраняется. Просто телефонные аппараты, которые раньше были включены непосредственно в телефонные розетки, в данном случае подключаются в сетевой адаптер HPNA. Таким образом, возможно построение одноранговой сети из 25 компьютеров (стандарт HPNA 1.0) или 32 (стандарт HPNA 2.0).
Кроме того, это решение оказалось вполне востребованным в офисных зданиях, где построение традиционной структурированной кабельной системы не представляется возможным, например в домах старинной архитектуры (лепные потолки, отсутствие кабельных каналов и т.д.).
|
|
Классика № 2
Это решение ориентировано на использование существующих телефонных линий в жилом здании или офисном помещении для подключения к широкополосному Интернету. В данном случае используется коммутатор, который имеет несколько портов HPNA и WAN-порт для подключения к сети передачи данных (рис. 4). Коммутатор устанавливается вблизи телефонного кросса здания, подсоединяясь параллельно к телефонным линиям без частотных разделителей. Не требуются разделители и на стороне абонента. В этом случае телефонные розетки в квартире абонента становятся одновременно и сетевым портом. Каждому абоненту выделяется порт коммутатора, то есть происходит организация сети по топологии «звезда». При этом применяется только оборудование стандарта HPNA 1.0, так как обеспечивать на абонентском шлейфе 10 Мбит/с (HPNA 2.0) для доступа в Интернет бессмысленно (все равно скорость упадет на уровне промежуточного провайдера) и в данном решении важны масштабируемость портов коммутаторов (от 8 до 24), возможность набора в стек, поддержка VLAN и встроенные SNMP-агенты. В свою очередь, порт WAN подключается к сети передачи данных оператора любым способом (выделенная линия, xDSL, оптика, радио).
Привлекательность данного решения очевидна: отсутствие необходимости в организации альтернативной телефонной проводки и простота подключения новых абонентов. Как следствие — низкая стоимость подключения. Кроме того, данный способ подключения к Интернету не создает помех в традиционной телефонии.
Однако на надо забывать, что мы живем в России и в части зданий такое решение реализовать сложно. Это связано как с техническими, так и с политическими факторами. Особенность российской телефонной разводки такова, что чаще всего в жилом доме отсутствует одна точка входа телефонии в здание (вход двадцатипарных кабелей в каждый подъезд дома), а также нет кроссовой комнаты (кросс расположен между зданием и телефонной станцией). Кроме того, абонентские шлейфы находятся в собственности оператора местной телефонной связи, (как правило, монополиста, который просто никого к ним не подпускает).
На Западе эта технология для жилых домов создавалась под следующую бизнес-модель: хозяин здания (арендодатель) подводит широкий канал в каждую квартиру, договаривается с провайдером и повышает стоимость сдаваемого жилья. А у нас практически хозяев зданий в жилом секторе нет. Договариваться-то не с кем!
Вышеперечисленные факторы приводят к пониманию, что в части жилых зданий без альтернативной проводки для доступа в Интернет не обойтись. В результате возникло решение на базе технологии HPNA 2.0, которое образно назовем «андерграунд». Итак…
|
|
Андерграунд № 3
В том случае, когда задействовать существующую телефонную проводку для широкополосного подключения нежелательно и приходится прокладывать альтернативную, технология HPNA позволяет создать эффективное и недорогое решение, основанное на том, что она поддерживает технологию «шина».
В подъезде жилого дома по вертикальным кабельным пространствам пробрасывается кабель с последнего этажа на первый (рис. 5). При необходимости подключиться к домовой сети просто делается горизонтальный отвод от вертикального стояка к квартире абонента. Такой сегмент может быть подключен к порту коммутатора или конвертору HPNA/Ethernet. Последний, в свою очередь, подключается к сети передачи данных.
По сравнению с традиционным способом построения домовой сети по Ethernet данное решение обладает следующими преимуществами:
- экономия на проводе и работах (он пробрасывается между этажами один раз);
- отсутствует необходимость установки сетевого оборудования;
- за счет малых размеров конвертора HPNA/Ethernet снижается возможность бытового вандализма (конвертор можно просто забетонировать в стену или укрыть в другом недоступном месте).
Недостаток такого способа традиционен для любой «шины». С помощью этого метода возможно подключение до 32 абонентов, но в таком случае полоса пропускания будет делиться между всеми, поэтому без применения HPNA 2.0 (10 Мбит/с) и ограничения числа абонентов до разумного предела сложно рассчитывать на высокую скорость передачи. Разумное количество абонентов, подключаемых на «шину», зависит от способа доступа в Интернет первичного провайдера и, как правило, колеблется в пределах 15-25 пользователей.
|
|
Андерграунд № 4
Когда стоит задача соединения нескольких сегментов сети Ehernet, расположенных на расстоянии от 300 метров до нескольких километров, в подавляющем большинстве случаев используются либо различные xDSL-решения, либо оптика. Но оба подхода имеют один недостаток — высокую стоимость контакта. HPNA-технология позволяет решить эту задачу с затратами, отличающимися на порядок.
Производители оборудования HPNA 2.0 гарантируют, что на дальности соединения 350 м скорость передачи данных будет 10 Мбит/с. Опыты показали, что передача данных возможна и на расстояние свыше 1 км. Правда, наблюдается снижение скорости примерно в 3 раза. Поэтому просматривается следующий вариант применения данной технологии — дешевое решение для соединения двух локальных сетей Ethernet, расположенных недалеко друг от друга и имеющих любой прямой провод между собой (рис. 6).
Данная реализация соединения возможна двумя способами. В первом случае к выходу сетевого устройства Ethernet подключается конвертор HPNA/Ethernet и происходит передача данных на расстояние свыше 1000 м по технологии HPNA. На другом конце линии передачи просто стоит такой же конвертор, преобразующий технологию HPNA обратно в Ethernet. Подобный способ соединения несколько дороже, но обладает тем достоинством, что работоспособность канала передачи не зависит от качества работы конкретной машины (компьютер дал сбой, выключен и т.д.).
Во втором случае необходимость применения конвертора HPNA/Ethernet отпадает. Требуются две сетевые карточки HPNA, две сетевые карточки Ethernet и два компьютера с любой операционной системой семейства Windows (лучше Windows NT 4.0 или 2000). В свободные слоты компьютеров параллельно вставляются карточки HPNA и Ethernet, и таким образом из компьютера формируется роутер. В HPNA-карточку подсоединяется канал передачи, в Ethernet-карту — локальная сеть. При этом сами компьютеры, используемые в качестве роутеров, можно использовать для клиентских приложений. Недостаток такого способа подключения состоит в том, что передача данных возможна только при включенных и настроенных роутерах.
|
|
Вместо заключения
Технология передачи данных HPNA весьма перспективна. Интерес к ней в России проявлен огромный. Кроме того, инженерная мысль отечественных исследователей не стоит на месте, предлагая все новые и новые варианты применения. Как знать, может, в ближайшем будущем нам предложат новые схемы, например исключающие прокладку кабеля, или решения для соединения двух сетей через проводку городской телефонной сети. Время покажет. Главное, что наконец-то появилась работающая технология, способная развеять миф о невозможности высокоскоростной передачи данных по двухпроводной линии («лапше») произвольной топологии и при этом по стоимости широко распространенного Ethernet.
КомпьютерПресс 5'2001
