TPLINK TLPA551 — передача данных через силовую сеть
Дизайн и технические характеристики TP-LINK TL-PA551
На страницах нашего журнала не раз рассматривались устройства для передачи данных по силовым сетям. Несмотря на не слишком широкое распространение таких устройств, технологии продолжают развиваться, и мы не можем обойти вниманием новые решения, поднимающие планку максимальной теоретической скорости передачи данных по электропроводке до 500 Мбит/с. Ранее мы тестировали устройства, в которых используется стандарт HomePlug AV, подразумевающий передачу данных с теоретической скоростью 200 Мбит/с. Напомним, что эта технология способна превратить стандартную электропроводку здания в настоящую компьютерную сеть без каких-либо побочных эффектов и последствий для бытовых электроприборов, питающихся от данной электросети. В настоящей статье речь пойдет о новом устройстве компании TP-LINK — TL-PA551, основанном на одной из последних спецификаций HomePlug AV2. Для того чтобы протестировать новые модели, мы использовали два устройства TP-LINK TL-PA551, которые также могут поставляться единым комплектом под названием TL-PA551KIT. Но прежде чем описывать новую модель и рассматривать результаты тестирования, расскажем о нововведениях в последней спецификации стандарта HomePlug AV2, а также о самом стандарте, который теперь имеет официальное название IEEE 1901.
Сети PowerLine
По сути, стандарт HomePlug является разновидностью технологии PLC (Power Line Communication), которая использует линии электропередач для передачи данных или голосовой информации. Впервые такие системы стали применять более века назад, как только появились сами линии электропередач. В то время по проводам между подстанциями передавали телеграфный сигнал, а уже затем, в связи с ростом числа высоковольтных линий электропередач, количества подстанций и других элементов электрической проводки, начали внедрять системы высокочастотной связи для телефонии и телеметрии. Данные в этом случае передавались путем наложения аналогового сигнала с другой частотой, отличной от частоты переменного тока. Стоит отметить, что долгое время существовала проблема затухания сигнала, вызванного помехами на линии, так как любая электропроводка характеризуется высоким уровнем шумов и быстрым затуханием высокочастотного сигнала. Решить проблему затухания сигнала позволило применение алгоритмов широкополосной модуляции сигнала, что, в свою очередь, повысило стоимость такого оборудования, поэтому долгое время данные технологии не получали широкого распространения. Сейчас технология PLC используется для передачи информационнотехнических данных в энергосистемах и на железных дорогах.
Принцип работы технологии PLC для компьютерных сетей схож с работой DSL-оборудования. Главным преимуществом этих устройств является возможность работы с уже существующей проводной инфраструктурой и отсутствие необходимости в прокладке дополнительных кабелей. В обоих случаях различные типы данных физически передаются по одному и тому же проводу, но на разных частотах, а оборудование, подключенное к данному проводу, фильтрует полученные сигналы в зависимости от заданной частоты и далее работает только с этим сигналом. Сети HomePlug в основном относятся к стандартам домашних сетей типа Wi-Fi и HomePNA. При этом качество связи по сравнению с беспроводными технологиями Wi-Fi несколько выше. Однако для качественной связи по технологии PLC необходимо надежное проводное соединение, а именно наличие хорошего медного кабеля без всевозможных скруток и переходов от одного типа кабеля к другому (например, с алюминия на медь). Увы, качество прокладки электрического кабеля в большинстве российских домов является притчей во языцех, во многих квартирах в качестве проводки используются алюминиевые провода.
Нельзя обойти вниманием и особенность работы этой технологии при наличии нескольких адаптеров, работающих в одной электросети. В первых устройствах на базе этого стандарта пропускная способность канала делилась между участниками сети поровну, что значительно уменьшало скорость передачи данных каждого клиента, когда в такой сети находятся не два, а пять или десять активных адаптеров. Качество сигнала может варьироваться в зависимости от количества активных бытовых приборов, подключенных к электросети. Для устройств сети PowerLine критичным также является подключение прожорливых приборов типа обогревателя или сварочного аппарата. Изза особенностей прохождения высокочастотного сигнала сеть PowerLine не будет работать, если один из адаптеров подключен через сетевой фильтр, источник бесперебойного питания или стабилизатор.
Рассматриваемые в этой статье устройства TP-LINK TL-PA551 поддерживают спецификации HomePlug AV2, официально утвержденные как стандарт под названием IEEE 1901 в конце 2010 года. Несмотря на то что стандарту уже более двух лет, новые устройства на его базе стали предлагать относительно недавно, поскольку чипы, поддерживающие данный стандарт, появились на рынке не сразу. Вообще, раньше сети HomePlug имели несколько различных спецификаций, каждая из которых направлена на решение той или иной задачи. К примеру, HomePlug и его последующие модификации — HomePlug AV и HomePlug AV2 — ориентированы на использование в домашних условиях или небольших офисах и предназначены для передачи данных между различными сетевыми устройствами. Решения HomePlug Green PHY хотя и совместимы с основным стандартом HomePlug AV, но нацелены на другой способ применения, так как не предполагают высокой скорости передачи данных и ориентированы на создание сетей Smart Grid в рамках концепции «умного дома» (Smart Home). Такие устройства предназначены для управления и мониторинга состояния электротехнического оборудования, учета энергоресурсов, создания систем автоматизации и многого другого, что не требует скоростной передачи данных, но при этом использует цифровые сигналы для связи отдельных элементов. Еще одно ответвление HomePlug под названием HomePlug Access BPL создано в первую очередь для провайдеров последней мили, так как предполагает передачу данных по высоковольтным сетям от магистральных провайдеров к конечным пользователям или офисам. Устройства HomePlug, исключая первые спецификации HomePlug 1.0, совместимы друг с другом и, скорее всего, будут работать в единой сети. Но вернемся к новому стандарту HomePlug AV2.
Исходя из спецификации этого стандарта, на физическом уровне скорость передачи данных между адаптерами HomePlug AV2 может достигать 500 Мбит/с. Однако на MAC-уровне скорость существенно ниже — порядка 200-250 Мбит/с. Это объясняется как применением шифрования, так и достаточно большим количеством вторичной служебной информации. Для передачи данных используются частоты в пределах от 2 до 100 МГц. Тут стоит отметить тот факт, что стандарт IEEE 1901 подразумевает две реализации на физическом уровне — IEEE 1901 FFT и IEEE 1901 Wavelet. Обе они применяют для передачи данных частоты от 2 до 30 МГц, но есть и различия. Первая реализация является производной от спецификаций технологий HomePlug AV и используется в устройствах на базе HomePlug. Она предполагает применение OFDM-модуляции и опциональное использование двух дополнительных диапазонов частот — 30-50 и 50-68 МГц. Вторая реализация — IEEE 1901 Wavelet — базируется на технологиях HD-PLC, активно продвигается такими компаниями, как Panasonic, и ориентирована в большей степени на сети Smart Grid и операторов последней мили. IEEE 1901 Wavelet подразумевает использование для коррекции ошибок кода Рида — Соломона, а в качестве опциональной возможности — кода LDPC. В конечном счете разработка стандарта IEEE 1901 привела к тому, что технологии и спецификации HomePlug Access BPL были перенесены в реализацию IEEE 1901 Wavelet, а HomePlug Green PHY осталась в составе стандарта IEEE 1901 FFT и спецификаций HomePlug AV/AV2.
Соединение между клиентами сетей HomePlug AV2 шифруется с помощью 128-битного ключа по алгоритму AES. Как и большинство современных технологий передачи данных, HomePlug AV2 позволяет применять правила QoS (Quality of Service) для приоритезации передаваемого трафика, тем самым улучшая качество связи для всех сервисов. Устройства, использующие спецификацию HomePlug AV2, предусматривают преобразование данных, поступающих через порт Ethernet, в высокочастотный сигнал по распространенной схеме цифровой модуляции OFDM с применением технологий MIMO. Добавление MIMO в HomePlug AV2 позволило получить прирост скорости при передаче данных в несколько потоков. Стоит отметить, что мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM) применяется в беспроводных сетях Wi-Fi, WiMAX и LTE, а также в проводных кабельных телевизионных сетях и сетях ADSL/VDSL. Основой этого алгоритма является разделение доступного спектра частот на несколько узких зон, по которым передаются сигналы с относительно низкой скоростью, но при этом в сумме удается получить более высокую скорость. Каждая из частотных зон спектра может модулироваться для передачи данных различными способами с разным частотным диапазоном. Поскольку данные кодируются в высокочастотном диапазоне, основными помехами для их передачи является обрезание или гашение полезного сигнала в сетевых фильтрах, преобразователях и стабилизаторах напряжения. Нельзя также не упомянуть о наличии шумов и помех в линии, создаваемых бытовой техникой, лампами и другими электроприборами. В результате сигнал может сильно искажаться и ослабляться, что приводит к снижению скорости передачи данных. Для борьбы с шумами и искажениями сигнала применяются алгоритмы канальной адаптации и коррекции ошибок (Forward Error Correction, FEC) на базе параллельного каскадного блокового систематического кода, способного исправлять ошибки, возникающие при передаче цифровой информации по каналу связи с шумами. Поскольку амплитуда передаваемого сигнала не превышает нескольких вольт, обычные электроприборы не реагируют на включение подобных адаптеров в розетку, так как их влияние сравнимо с естественными помехами и колебаниями напряжения в домашней электрической сети.
Дизайн и технические характеристики TP-LINK TL-PA551
Адаптер TP-LINK TL-PA551 поставляется в небольшой картонной коробке, оформленной в типичном для SOHO-устройств TP-LINK светло-зеленом цвете. На упаковке приведены изображения устройства, его название, технические характеристики и особенности на разных языках. Кроме того, на тыльной стороне коробки имеется сводная таблица устройств TP-LINK PowerLine, в которой они сравниваются между собой по функциональным возможностям. Отметим, что среди всех устройств серии PowerLine модель TP-LINK TL-PA551 является наиболее функциональной и может считаться флагманом этой линейки. Помимо адаптера TP-LINK TL-PA551 в коробке находятся кабель категории UTP длиной 3 м, miniCD-диск с программным обеспечением, небольшая инструкция по подключению на английском языке и гарантийный талон.
Корпус устройства выполнен в стиле «иньян». Нижняя часть адаптера изготовлена из темного матового пластика, а передняя лицевая — из белого с глянцевым покрытием. Между нижней и верхней частями происходит плавный переход от одного цвета к другому за счет скругления верхнего края. На передней панели, помимо вытесненных логотипа компании и значения максимальной скорости передачи данных, находятся три индикатора активности устройства. Левый индикатор показывает наличие питания в розетке и текущий статус работы. Средний индикатор (может иметь разный цвет в зависимости от ситуации) отображает текущее состояние сети PowerLine, а нижний сигнализирует о наличии подключения к локальной сети или сетевому адаптеру.
Внизу на боку устройства находятся порт RJ-45 для подключения к локальной сети и специальная кнопка для быстрого создания зашифрованной сети между двумя адаптерами. Остальные боковые стороны адаптера имеют небольшие прорези, которые выполняют функцию решетки пассивной вентиляции, поскольку при работе адаптер заметно греется. Тыльная часть устройства плавно переходит в европейскую вилку стандарта CEE 7/4. Под ней размещена информационная наклейка, на которой указаны серийный номер, MAC-адрес, модель и название устройства. Помимо этого здесь приведен заводской пароль для работы устройства в сети PowerLine. Над вилкой, на лицевой стороне устройства, расположена розетка этого же типа, что позволяет устанавливать адаптер в разрыв между подключенным оборудованием и электрической сетью. Размеры TP-Link TL-PA551 составляют 126×64×42 мм, а весит он 240 г.
Внутри адаптера установлены две небольшие печатные платы, соединенные между собой несколькими контактными группами. На основной плате находится чип Atheros AR7400-AC2C, относящийся к четвертому поколению и обеспечивающий поддержку PowerLine-части устройства. Чип на аппаратном уровне поддерживает модуляции OFDM 4096/1024/256/64/16/8 QAM, QPSK, BPSK и ROBO. В качестве вспомогательного чипа используется микросхема Atheros AR1500. Поскольку новый стандарт предполагает передачу данных на скорости 500 Мбит/с, в этом адаптере установлен гигабитный сетевой контроллер на базе микросхемы Atheros AR8021. Оперативная память представлена микросхемой Zentel A3S28D40FTP объемом 16 Мбайт. Помимо этих основных элементов, на платах расположены вспомогательные фильтры и другие компоненты.
Настройка адаптера
Модели TP-Link TL-PA551, как и все устройства PowerLine, относятся к классу PnP, так как подключаются к компьютеру через локальную сеть и не требуют какойлибо специальной настройки перед работой. Если сеть PowerLine изолирована от внешнего мира, то в дополнительные настройки адаптеров можно и не заходить. Однако для более эффективной работы с ними можно установить специализированную утилиту управления. Программа TP-LINK Powerline Utility (рис. 1), которая поставляется на диске вместе с адаптерами, как раз служит для настройки, диагностики и управления сетью из нескольких устройств стандарта HomePlug AV2. Для ее работы необходимо инсталлировать на компьютер библиотеки WinPCAP и саму утилиту управления, процесс установки которых полностью прозрачен для пользователя. Нельзя не отметить тот факт, что на текущий момент библиотека WinPCAP, поставляемая в комплекте с утилитой, не предполагает установку на операционную систему Windows 8 — поддерживается только ОС Windows XP/Vista/7.
Рис. 1. Программа управления. Вкладка Status
Утилита управления позволяет работать сразу с несколькими адаптерами сети PowerLine. Для того чтобы управлять адаптерами, необходимо ввести пароль каждого из установленных адаптеров и таким образом пройти аутентификацию. Отметим, что по сравнению с элементарными паролями, которые устанавливаются по умолчанию в домашних роутерах, в PowerLine-адаптерах используются длинные цифробуквенные пароли DAK (Device Access Key), уникальные для каждого из устройств. Благодаря этому осуществляется надежная защита сети, ведь такие адаптеры могут быть установлены в офисных зданиях, где применяется единая проводка и невозможно отследить наличие еще одного устройства PowerLine.
В основном окне (см. рис. 1) отображаются MAC-адрес локального адаптера, имя текущей сети, к которой принадлежит адаптер, пароль адаптера, а также текущая версия прошивки устройства. Название используемой сети можно изменить в этом же окне, через которое компьютер выходит в сеть PowerLine. Программой поддерживается создание приватной сети (private), поскольку по умолчанию все адаптеры настроены на работу в общей небезопасной сети и другие устройства будут видеть только что подключенный адаптер. Для перехода от общей сети к приватной необходимо просто сменить название сети с HomePlugAV на любое другое. После этого адаптер автоматически выходит из общей сети и не будет доступен другим участникам сети PowerLine.
Хотя существует функция смены сети для всех видимых устройств, пароли при этом всё равно придется задавать вручную для каждого адаптера. Также отметим, что в безопасной сети каждый адаптер должен иметь один и тот же пароль.
В данном окне (рис. 2) управляющая программа пытается соединиться с другими устройствами сети, для чего начинает периодически сканировать сеть PowerLine на наличие в пределах досягаемости других устройств HomePlug AV. Можно отключить автоматическое сканирование сети и осуществлять поиск новых устройств вручную с помощью кнопки Rescan. Затем, если известен пароль на найденное устройство, ему можно присвоить любое имя, чтобы, например, ориентироваться, где оно установлено, с помощью опции modify. Отметим, что при вводе пароля необходимо вводить дефисы между символами, как это указано на этикетке. Для найденных адаптеров отображаются их MAC-адрес, текущая скорость соединения, качество принимаемого сигнала и пароль устройства. Для добавления адаптеров в безопасную сеть необходимо поочередно подключать их к компьютеру и менять им название сети.
Рис. 2. Программа управления. Вкладка Network
Как уже упоминалось, устройства TP-LINK TL-PA551 поддерживают функцию приоритезации трафика в зависимости от используемых приложений. Во вкладке утилиты управления QoS пользователь может задать один из четырех пресетов поведения этой функции (рис. 3). Первая опция, которая выбрана по умолчанию, — Internet — оптимизирует правила QoS для работы в Интернете. Вторая опция — Online Gaming — предназначена для онлайновых игр, для которых критична задержка при обмене с сервером. Третья опция — Audio/Video — предполагает выделение приоритета для потокового видео и звука, то есть для просмотра онлайн-телевещания. Название последней опции — VoIP — говорит само за себя — это настройка правил QoS, когда приоритет отдается IP-телефонии. Все изменения наступают примерно через минуту после подтверждения выбора. Там же можно вручную указать дополнительные опции для VLAN, однако документация по настройке данных параметров в комплекте с устройством не идет.
Рис. 3. Программа управления. Вкладка Advanced
Последняя вкладка — System — отображает диагностическую и общую информацию об адаптере и позволяет загружать новую версию прошивки на устройство (устройства) сети. В целом интерфейс программы прост и понятен.
Методика тестирования
Для тестирования адаптеров TP-LINK TL-PA551 мы использовали электропроводку нашего офиса, которая идет по кабель-каналам, а также несколько удлинителей. В качестве двух устройств, между которыми происходил обмен данными, были задействованы два компьютера с гигабитными сетевыми адаптерами Intel 10/100/1000 Pro. С помощью двух адаптеров эти два стационарных ПК соединялись между собой по проводам электросети здания в нескольких точках.
Для тестирования применялся тестовый пакет Ixia Chariot, который позволяет измерять сетевой трафик между многочисленными точками с помощью специальных утилит, устанавливаемых на компьютеры-клиенты. Для измерения скорости использовались три пресета, которые отправляли трафик в противоположных направлениях между клиентами. Графики скорости и общей пропускной способности сети PowerLine приведены ниже, а сейчас рассмотрим точки замера, при которых запускался тестовый пакет.
Точки замера скорости были разделены на две группы: офисная сеть с подключенными работающими устройствами и отдельная электрическая сеть, состоящая из удлинителей. Для обеих групп первой точкой замера являлись две отдельно стоящие розетки с медной проводкой между ними без подключенных в них других бытовых приборов.
Для первой группы замеров, когда использовалась офисная сеть, вторая точка предполагала разнесение двух адаптеров на расстояние 3,5 м, третья точка замера — 6,3 м, четвертая точка — 8,8 м. В пятой точке замера расстояние между адаптерами составляло 13,5, а в шестой — чуть больше 16 м. Во время теста этой группы в электрическую сеть было включено около десяти компьютеров, один лазерный принтер, работающий электрочайник и другие приборы.
Для второй группы применялись типовые удлинители с медной проводкой. Во второй точке замера расстояние между адаптерами составляло 5 м, потом был подсоединен еще один 5-метровый удлинитель для третьей точки замера. Четвертая точка замера отстояла на 13 м, а пятая — на 18 м. В последней, шестой точке замера расстояние составляло 23 м.
Отметим, что эти адаптеры также были протестированы в обычной двухкомнатной квартире общей площадью 55 м2. Результаты в данном случае были незначительно выше, чем при стрессовом тестировании в офисе, поэтому мы не будем приводить график, а лишь отметим, что в домашних условиях скорость передачи данных в среднем составляла более 120 Мбит/с.
При тестировании выявилась интересная проблема, которую можно охарактеризовать как создание паразитирующих сигналов в электропроводку при подключении или отключении адаптера питания от IP-камеры, а также включении люминесцентных ламп. Сигнал между адаптерами TP-LINK в этом случае прекращался на некоторое время, что приводило к потере пакетов на протяжении одной минуты. При этом включение и отключение чайника мощностью 1,5 кВт не влияло на качество и скорость прохождения сигналов, как это происходило с адаптерами на базе предыдущего стандарта HomePlug AV. Также нельзя не отметить, что сигнал между адаптерами полностью терялся, когда провода между ними имели длину более 60 м, что, впрочем, неудивительно, ведь даже в спецификации к стандарту IEEE 1901 заявлено расстояние не более 100 м.
На рис. 4 показаны два графика: синий график относится ко второй группе замеров, а красный — к замерам скорости при использовании офисной сети. Как видите, скорость в первой точке на обоих графиках практически одинакова и является максимальной при применении двух таких адаптеров. Напомним, что она была получена при обмене трафиком между двумя адаптерами TP-LINK TL-PA551, когда они подключены в соседние розетки и других работающих электроприборов рядом с ними не установлено, что в реальности исключено. Усредненная максимальная скорость передачи данных составляет практически половину от максимальной теоретической скорости. На графике явно видно резкое падение скорости с увеличением расстояния между адаптерами всего на 5 м. В этом случае скорость уменьшилась в среднем на 60 и 80 Мбит/с соответственно. Причем падение скорости передачи данных при использовании офисной сети с подключенными и активными приборами выражено сильнее, чем в условиях применения «чистой» сети, без подключенных приборов. Более того, разница в скорости между двумя группами замеров отчетливо видна при увеличении расстояния между адаптерами на 10 и более метров. Исходя из спецификации стандарта HomePlug AV, это является высоким показателем, поскольку теоретическая скорость с включенным шифрованием в этом стандарте может достигать 500 Мбит/с, так как доля служебного трафика составляет более 50%.
Рис. 4. Падение скорости с увеличением расстояния
Включение адаптеров через сетевые фильтры и источники бесперебойного питания даже с наименьшим расстоянием между ними приводило к потере сигнала между адаптерами. Подключение адаптеров к старому, неоднократно переделанному удлинителю значительно уменьшало скорость передачи данных, поэтому мы не рекомендуем использовать старые удлинители для такого типа устройств. Необходимо отметить, что то, какой режим QoS был выбран, практически не сказывалось на скорости передачи данных на малых расстояниях. При увеличении расстояния между адаптерами до 15 м выбор опции приоритезации трафика VoIP увеличивал скорость примерно на 10-25 Мбит/с.
Выводы
Исходя из результатов тестирования, можно отметить, что устройства TP-LINK TL-PA551 являются весьма интересным решением для пользователей. Скорость передачи данных между двумя точками сети может достигать 150 Мбит/с, что выше показателей обычной локальной сети Ethernet 10/100 Base-TX и реальной скорости передачи данных по беспроводному соединению стандарта 802.11n. Рассмотренные устройства обеспечивают простое и удобное подключение компьютеров в любой точке дома или небольшого офиса к локальной сети, при этом позволяя избежать прокладки дополнительных сетевых кабелей. Важной особенностью является меньшее количество возможных помех в PowerLine-сети по сравнению с беспроводной, которая критична к наличию других беспроводных устройств в зоне работы. Ориентировочная розничная цена адаптера TP-LINK TL-PA551 составляет 1700 руб.
 |
|
