Реабилитация медного кабеля

ADSL и родственные технологии высокоскоростной доставки данных по телефонному кабелю предлагают привлекательную альтернативу сервисам ISDN, кабельным и аналоговым модемам.

Порой кажется, что каждый обитатель сетевого мира искренне верит, что скоро доступная конечным пользователям ширина полосы станет практически неограниченной и такой дешевой, что ее потребление дороже будет измерять. Если типичные скорости передачи данных за последние пятнадцать лет отобразить графически и экстраполировать эту тенденцию, то такое заключение выглядит не столь уж безосновательным (см. Рисунок 1 - изображенную на нем диаграмму не стоит путать с реальными исследованиями рынка).

В частности, в Соединенных Штатах, где повременная плата за местные звонки в большей части штатов не взимается, и даже некоторые услуги ISDN предоставляются за фиксированную ежемесячную плату, подобная экстраполяция от настоящей к будущей среде с вполне приемлемой видеоконференц-связью, высококачественными мультимедийными презентациями, распределенными программными объектами для недорогого административного доступа к различному инструментарию и доступа к Internet со временем ожидания не более, чем в современных локальных сетях, не кажется чем-то фантастическим.

Вышеописанное будущее наступит тогда, когда технология физического уровня будет иметь скорость передачи в 10-100 раз большую, чем самая скоростная из распространенных сегодня линий - ISDN. Эта технология должна опираться на широкодоступную среду, так что пока технологии на базе оптического кабеля, а также имеющие жесткие ограничения на расстояния, а именно Ethernet, Token Ring и версии ATM для медного кабеля, в расчет не идут.

Во многих отношениях доступность означает то же, что и цена. Оптический кабель прокладывался бы до всех резиденций и настольных систем, если бы сам кабель, его прокладка и интерфейсное оборудование стоили достаточно дешево. Расходы на весь процесс установки и конфигурации решений в области цифровой связи следующего поколения - в том числе интерфейсное оборудование, администрирование, работу, новый кабель и все, что потребуется, - должны быть снижены до уровня приемлемых месячных затрат, или прогнозируемое будущее никогда не наступит.

ПОСЛЕДНЯЯ МИЛЯ

Какая бы технология не привела к позитивным сдвигам в скорости передачи - ADSL (асимметричная абонентская цифровая линия), технологии на базе кабельного телевидения либо тот или иной вид беспроводной связи, - читателю следует помнить, что мы рассматриваем прежде всего потребительский рынок. Крупным компаниям требуются намного более высокие скорости передачи информации, так что для них применение линий T-1 или T-3 может оказаться вполне оправданным. Кроме того, многие крупные компании располагаются в непосредственной близости от сервис-провайдеров с оптической точкой доступа (Point of Presence, POP).

По требованиям безопасности, помехозащищенности и эксплуатационным характеристикам, а также в силу значительно возросшей доступной пропускной способности оптический кабель более предпочтителен, нежели медный. В конце концов, весьма значительная часть трафика базовой телефонной сети (т. е. связь между АТС различных уровней) представляет собой передаваемые по оптическому кабелю цифровые сигналы.

Главными героями саги о низкокачественной "последней миле" - связи второго сорта между резиденциями и точками доступа поставщиков данных - являются, с точки зрения ненасытных пользователей, местные операторы связи и кабельного телевидения, так как именно им предстоит нести основные (нередко не оправдывающие себя) расходы по прокладке оптоволокна до дома (Fiber To The Home, FTTH) или до мостовой (Fiber To The Curb, FTTC). С технической точки зрения FTTH представляет собой интерфейс распределительной коробки в вашем доме, в то время как FTTC - оптический интерфейс в радиусе 300 м от дома. Кроме того, инфраструктура распространения данных может опираться на гибридную оптическую/коаксиальную сеть доступа - некоторые операторы местной связи и кабельного ТВ не ограничиваются одной оптикой.

Массовый потребитель в США только недавно понял, что ему хотелось бы иметь видео по запросу, магазин на дому и некоторые другие приложения с высокими требованиями к пропускной способности и что он даже готов платить от 50 до 200 долларов ежемесячно за такое соединение, так что операторы просто не имели времени для финансирования крупных проектов по прокладке оптического кабеля на последней миле.

Термин "последняя миля" не следует понимать буквально. В случае ISDN и ADSL резиденция может находиться на расстоянии порядка 5 км от центральной станции или точки доступа (доступная пропускная способность ADSL будет в этом случае ниже). Далее мы рассмотрим некоторые базовые принципы электросвязи, чтобы понять, что нам могут дать ADSL и родственные ей технологии.

ВОЗМОЖНОСТИ МЕДНОГО КАБЕЛЯ

Аналоговая телефонная связь, услуги которой около 700 млн резиденций, таксофонов и других абонентов по всему миру получают по абонентской линии, служит наименьшим общим знаменателем связи. Много лет назад исследованиями было установлено, что человеческая речь может быть воспроизведена в диапазоне частот от 300 до 3400 Гц без значительных потерь в ясности. С учетом допуска на защитный интервал и некоторые сигнальные функции, обычная телефонная линия передает сигналы от 0 Гц (постоянный ток позволяет поддерживать телефон в работоспособном состоянии при отсутствии обычного электропитания) до 4000 Гц. Все более высокие частоты подавляются фильтрами. Однако кабель из витой пары 24WG или 26WG может передавать частоты более высокие, чем 4 кГц.

Теоретический верхний предел емкости линии определяется законом Шеннона: максимальное число бит в секунду = H*log₂(1+S/N), где H - ширина полосы канала в Гц, а S/N - отношение сигнал-шум. Вычислим, например, верхний предел для обычной телефонной линии с шириной полосы 3100 Гц и отношением сигнал-шум 36 дБ (типичная телефонная линия имеет, как правило, худшую характеристику). Значение S/N для 36 дБ равно 3,981. Логарифм по основанию 2 от этого числа равен 11,96. Умножение на 3100 дает 37 076 бит/с.

Поэтому мало кто надеется на заметные улучшения в скорости аналоговых модемов, а некоторые производители объявили модемы на 56 Кбит/с надувательством. Как пишет в своей книге "Компьютерные сети" Эндрю Танненбаум, "контрпримеры (к закону Шеннона) следует отнести к той же категории, что и проекты вечных двигателей".

Проблема передачи высоких частот состоит в том, что чем выше частота, тем сильнее сигнал затухает с расстоянием. Различные методы цифровой модуляции используют различные спектры сигналов, для примера мы рассмотрим линии T-1. Кодирование с чередованием полярности импульсов позволяет передавать данные со скоростью 1,544 Мбит/с на частотах до 1,5 МГц. Из-за быстрого затухания высоких частот линии Т-1 на базе кабеля из витой пары предполагают установку повторителей для восстановления сигнала уже на удалении 1 км от точки окончания линии и через каждые последующие 2 км.

Кроме того, высокие частоты значительно более чувствительны к сигналам в соседних линиях, поэтому правила запрещают телефонным компаниям использовать для канала T-1 более одной пары в 50-парном кабеле и даже в соседних с ним кабелях. Это ограничивает возможность получения резиденциями T-1 для широкополосных сервисов.

ТЕРМИНОЛОГИЧЕСКАЯ ПУТАНИЦА

Очевидно, что абонентская линия - это линия к центральной станции, которую абонент использует для доступа к телефонной сети. Исходя из этого мы могли бы логично заключить, что цифровая абонентская линия (Digital Subcriber Line, DSL) - это неаналоговая абонентская линия. Однако термин "цифровая абонентская линия" используется обычно как популярный синоним ISDN.

ADSL Forum настаивает, что "DSL - это только модем" и что "DSL сама по себе, без учета ее позднейших производных - это модем для Basic Rate ISDN". В любом случае ISDN является предшественницей всех многочисленных современных разновидностей цифровых абонентских линий. Базовый интерфейс ISDN с двумя каналами B емкостью 64 Кбит/с и одним каналом D емкостью 16 Кбит/с позволяет передавать данные в обоих направлениях со скоростью 144 Кбит/с в диапазоне от

0 до 80 Гц. Ввиду того, что диапазон рабочих частот ISDN включает диапазоны, используемые обычными телефонными линиями, ISDN и аналоговые телефонные линии - взаимоисключающие технологии, т. е. они не могут использоваться одновременно на одной и той же линии.

Наиболее зрелой из технологий DSL со скоростью передачи данных выше, чем у ISDN, является высокоскоростная абонентская цифровая линия (High data rate Digital Subscriber Line, HDSL). Две пары HDSL могут заменить линию T-1 при удаленности объекта до 3,5 км, причем без применения каких-либо повторителей. В зависимости от конкретного метода модуляции HDSL использует диапазон частот от 80 до 240 кГц. Модуляция линии опирается на тот же метод 2B1Q, что и в ISDN.

Именно благодаря передовым методам модуляции HDSL имеет преимущества над обычной линией T-1. По всей видимости, основным применением HDSL станет связь удаленных узлов доступа с центральными станциями, а отнюдь не оказание абонентских услуг.

Одиночная цифровая абонентская линия (Single-line Digital Subscriber Line, SDSL; ADSL Forum утверждает, что "s" означает "одиночный", тогда как GlobeSpan расшифровывает ее как "симметричный") вносит небольшие усовершенствования в HDSL. Первая буква аббревиатуры SDSL может расшифровываться и как "симметричная", и это не будет большой ошибкой, так как поток данных по кабелю SDSL действительно симметричен (одинаковая скорость в обоих направлениях). Некоторые комментаторы вообще говорят о синхронной DSL, но это явная ошибка - все технологии DSL являются синхронными.

В случае SDSL одна витая пара может заменить T-1 и предоставлять услуги обычной телефонной связи. Сочетание симметричного потока данных с пропускной способностью T-1 делает SDSL полезной для видеоконференций и некоторых видов серверов.

ПРЕИМУЩЕСТВА ADSL

Буква "A" в аббревиатуре ADSL означает "асимметричная" (а никак не "асинхронная"). ADSL поддерживает скорости передачи данных до 9 Мбит/с от центральной станции и до 640 Кбит/с к центральной станции при удалении от нее порядка 2,5 км. При удалении 3,5 км ADSL поддерживает скорость доставки данных 6,3 Мбит/с, при 4,8 км - 2,048 Мбит/с или E-1, а при 5,5 км - 1,544 Мбит/с или T-1.

Если сравнить эту скорость доставки с той, что требуется приложениям, то мы увидим, что она вполне достаточна для сжатых по стандарту MPEG видеопотоков (1,5 Мбит/с), а невысокая скорость доступа вполне достаточна для контроля за видеопотоком по типу контроля за видеомагнитофоном. Пользователи браузеров Web на мощных машинах по достоинству оценят быструю загрузку информации, а передают они, как правило, на порядок меньше, чем загружают.

Если абоненты проживают в непосредственной близости от центральной станции (или другого удаленного узла доступа в виде платформы с мультиплексором доступа DSL, DSLAM), то одна линия ADSL может доставлять видеопотоки или обеспечивать высокоскоростной доступ в Internet для нескольких пользователей одновременно. Кроме того, ADSL позволяет без проблем передавать обычный аналоговый телефонный трафик по той же линии; поэтому абонент сможет позвонить по телефону, даже если сеть высокоскоростного доступа по каким-либо причинам выйдет из строя.

В Соединенных Штатах около 80% абонентов расположены на расстоянии менее 5 км от телефонной станции. Многие операторы телефонной связи находятся в процессе установки удаленных узлов доступа - обычно DSLAM - для сокращения расстояния до 1,5-2 км. Однако в сельской местности и даже в малозаселенных пригородах местные операторы связи (и конкурирующие провайдеры доступа, если они сочтут это интересным) могут посчитать экономически нецелесообразным обеспечение наивысшего возможного уровня производительности.

Пока никакого технического стандарта на сверхвысокоскоростную цифровую абонентскую линию (Very high data rate Digital Subscriber Line, VDSL) не существует, но по крайней мере терминология стандартизована. VDSL ранее называлась VADSL, так как она является асимметричной, как и ADSL. GTE называла ее также широкополосной DSL (Broadband DSL, BDSL), но, к счастью, этот термин практически никем не употребляется. VDSL может поддерживать скорости доставки до 13 Мбит/с на расстояниях до 1,5 км, 26 Мбит/с до 1 км и 51,84 Мбит/с до 300 м. Скорость доступа для VDSL колеблется в диапазоне от 2,3 Мбит/с до 1,6 Мбит/с. NEC Technologies и Amati Communications представили версию VDSL с переменными скоростями доставки и доступа, в сумме составляющими 60 Мбит/с. VDSL предназначена главным образом для поддержки сетей ATM, при этом она позволяет осуществлять аналоговую телефонную связь или ISDN по той же линии.

Из всех разновидностей DSL, ADSL привлекает наибольшее внимание, и вполне заслуженно. Ее возможности хорошо соответствуют требованиям быстро развивающегося рынка, а ее реализация не имеет серьезных технических недостатков. Более того, она может предоставляться на индивидуальной основе, так что операторам связи не нужно создавать огромную инфраструктуру в надежде, что если она будет, то и потребители объявятся.

VDSL может обрести широкий спрос, когда FTTC станет доступен повсеместно, в то время как HDSL и SDSL полезны главным образом только для некоторых специальных приложений. Но если имеющиеся медные абонентские линии будут по-прежнему играть основополагающую роль в предоставлении пользователям широкополосных ресурсов, то свою задачу они будут выполнять с помощью ADSL - по крайней мере до конца тысячелетия.

КАК ADSL РАБОТАЕТ

ADSL предполагает установку модема с обоих концов телефонной линии из витой пары - на станции оператора связи и у заказчика. Модемы создают несколько каналов, используя доступный диапазон частот линии, с помощью частотного мультиплексирования (Frequency Divison Multiplexing, FDM) или эхо-подавителей. FDM разделяет диапазон на два: один - для доставки, а другой - для доступа.

Канал доставки разделяется на несколько низко- и высокоскоростных каналов посредством временного мультиплексирования. Путь доступа мультиплексируется в низкоскоростные каналы, накладываясь на каналы доставки. Локальные эхо-подавители используются для отделения прямого от обратного трафика во многом аналогично тому, как это делается в случае аналоговых модемов.

Что касается методов модуляции, линии ADSL предусматривают несколько вариантов, хотя это и усложняет ее поддержку. После "олимпийских состязаний" 1993 года ANSI выбрал схему под названием "дискретная многотональная модуляция" (Discrete Multitone, DMT) в качестве стандартной для ADSL.

Главным конкурентом DMT является модуляция амплитуды/фазы без несущей (Carrierless Amplitude/Phase, CAP), разновидность широко используемой в аналоговых модемах квадратурной амплитудной модуляции (Quadrature Amplitude Modulation, QAM). DMT была запатентована Amati Communications, а лицензия на нее приобретена многими другими компаниями, в том числе Motorola и PairGain Technologies. CAP была разработана подразделением Paradyne (теперь известным как GlobeSpan Technologies), приобретенным затем AT&T. PairGain разрабатывает также продукты на базе CAP.

Paradyne характеризует CAP как фактический стандарт, так как ее инсталлированная база шире, чем у продуктов на базе DMT. Однако консорциум региональных компаний Bell подписал недавно крупный контракт с Alcatel Telecom на поставку ADSL-модемов на базе DMT - так что CAP может скоро утратить свое превосходство по числу реализаций.

В проведенных ANSI испытаниях DMT превзошла CAP в максимальной протяженности, производительности и адаптации к шуму на линии. С другой стороны, благодаря большему числу реализаций модемы на базе CAP стоят заметно дешевле - хотя и это свое преимущество они могут вскоре утратить.

ADSL использует частоты в диапазоне от 0 до 1,1 МГц. Диапазон от 0 до 4 кГц зарезервирован для аналоговых телефонных линий. Если трафик передается только от станции к абоненту, то DMT разделяет диапазон между 26 кГц и

1,1 МГц на 249 каналов по 4 кГц, каждый из которых можно рассматривать как эквивалент модема. DMT выделяет также 25 дуплексных каналов для трафика в обоих направлениях. Рисунок 2 демонстрирует, как шумы влияют на общую пропускную способность ADSL.

(1x1)

Возможно, что конфликты между сторонниками DMT и CAP (не говоря уже об альянсе между Broadcom и Northern Telecom, применяющих собственную схему QAM в ADSL-модемах) приведут к неприятию технологии рынком - слишком высока вероятность, что какая-либо из схем в скором времени выйдет из употребления.

С другой стороны, ADSL-модемы вряд ли в обозримом будущем станут переносными устройствами: если оператор телефонной связи приобретает их и включает их стоимость в расчет оплаты за свои услуги, то вам, вообще говоря, нет никакого дела, как кодируется линия - с помощью DMT или CAP, точно так же, как мало кого интересует, что собой представляет местный коммутатор - AT&T 5ESS или Nortel DMS-100. Возможно, ADSL-модемы принадлежат к той категории продуктов, для которых интероперабельность и стандартизация не имеют особого значения, хотя все же ставка на нестандартное решение может оказаться губительной для конкретного оператора.

КОМУ НУЖНА ADSL?

Спрос на быструю доставку данных уже начинает формироваться. Многие пользователи Internet регулярно сталкиваются с тем, что им приходится долго ждать загрузки обычного текста и графики. В то же время не вполне ясно, в какой мере увеличение пропускной способности последней мили способно облегчить их страдания. Если скорость 28,8 Кбит/с адекватна разве что для передачи текста, то ISDN позволяет загружать обычную графику с приемлемой быстротой. Однако заполнить два канала B может только не очень загруженный сервер, а успевать обрабатывать получаемый трафик способна только достаточно мощная клиентская машина.

Предпосылкой разработки ADSL была идея конкуренции операторов связи с кабельными компаниями за доставку видео по запросу. Когда стало ясно, что рынок еще не готов пока платить такую цену за видео по запросу, сторонники ADSL обратили внимание на подвернувшуюся как нельзя кстати Internet. Так что, может быть, абоненты будут получать видео по запросу, хотят они того, или нет.

Другим пока неопределенным фактором, способным повлиять на спрос на ADSL, является ожидаемый взрывообразный рост предоставляемого через Internet программного обеспечения на базе Java или ActiveX. Загрузка программ или объектов хорошо соответствует асимметричной модели, а будущее программного обеспечения с предоставлением объектов по запросу напрямую зависит от появления каналов более быстрых, чем 28,8 Кбит/с.

ADSL не вполне подходит для подключения серверов и видеоконференций, впрочем, как и для любых приложений с регулярными массивными симметричными потоками данных. Для решения первой проблемы серверы можно расположить в узлах операторов связи или провайдеров Internet, но спрос на видеоконференции вряд ли будет способствовать популяризации ADSL. Представляется маловероятным, что он появится раньше, чем оптоволокно будет проложено до мостовой, но любые предсказания - дело неблагодарное.

ADSL И КОНКУРЕНТЫ

Одна из причин, почему местным операторам связи следует взять ADSL на вооружение, состоит в том, что им надо что-то противопоставить созданной операторами кабельного ТВ шумихи вокруг кабельных модемов. Пока популярностью пользуется только сама идея - кабельных модемов установлено не более, чем модемов ADSL.

Чем же отличаются эти две технологии? Если ADSL имеет коммутируемую топологию с прямыми соединениями, то кабельная сеть используется абонентами совместно. Пользователи ADSL могут пострадать от перегрузок где-либо в Internet, но по крайней мере они получают выделенный высокоскоростной канал до центральной станции, если оператор связи установил адекватные DSLAM и другие компоненты доступа.

Первый пользователь кабельных модемов в своей округе получит сервис великолепного качества со скоростью Ethernet или даже большей. Однако каждый работающий одновременно с ним пользователь пропорционально уменьшит реальную пропускную способность сети. Кроме того, по своей природе разделяемые сети менее надежны с точки зрения защиты, чем коммутируемые. Протокольный анализатор может видеть весь трафик в разделяемой сети, если он не шифруется.

Если ADSL обеспечивает ограниченную скорость доступа, то сети кабельного телевидения налагают куда более жесткие ограничения. Линии кабельного телевидения проложены к

90 млн из 100 млн домов в Соединенных Штатов, причем 60 млн домов являются абонентами кабельного ТВ. Однако только от 10 до 20% этих абонентов подключены по гибридной оптическо-коаксиальной сети, модернизированной для двунаправленной передачи трафика. Если кабельная сеть не передает трафик в обратном направлении, то абоненты все же будут иметь возможность получать высокоскоростной трафик, но им придется пользоваться телефонной линией для выполнения любых интерактивных действий.

С одной стороны, кабельные модемы опережают в своем развитии ADSL-модемы, и им не требуется поддерживать столь много уровней производительности, так как коаксиальный кабель может передавать больший диапазон частот без такого сильного затухания, какое характерно для витой пары. Кроме того, по всей видимости, кабельные модемы будут дешевле, причем это преимущество в цене, хотя, возможно, и не столь значительное, будет сохраняться достаточно долгое время. С другой стороны, противоречия производителей кабельных модемов по поводу стандартов на руку сторонникам DSL. Помимо того, стандарты на кабельное телевидение по всему миру различны.

Стоит также упомянуть о том, что телефонные компании имеют иные стандарты на потребительские услуги и управление сетью, нежели кабельные компании. Вполне вероятно, что первый из заказчиков, кому потребуется высокоскоростной доступ к Internet или к его офису, будет держать в уме оперативную телефонную службу, а не досужее кабельное ТВ.

Учитывая перспективы развития компьютерных сетей, аналоговые линии и модемы должны со временем исчезнуть. Более скоростные технологии обойдут ISDN, прежде чем она станет универсальной. Однако сегодня ISDN остается единственным широко доступным, стандартизованным и сравнительно недорогим решением на тот случай, когда аналоговая линия не в состоянии удовлетворить ваши требования. В то же время разве только любители всего нового из мира высоких технологий рискуют пока устанавливать кабельные или ADSL-модемы. Однако способность ADSL извлечь новые мощные возможности из обычного медного кабеля делает эту технологию заслуживающей пристального внимания.