Библиотека Интернет Индустрии I2R.ru

HomePNA -- сеть из "лапши по-домашнему"

Как HomeRun стал HomePNA

В декабре прошлого года наш еженедельник уже затрагивал тему необычных сетей для нестандартных условий эксплуатации. Обзор технологий беспроводного доступа показал один из возможных путей построения коммуникационной системы без утомительной мороки с бухтами кабеля. Ранее были опубликованы материалы по технологиям передачи данных через электросеть, однако эти довольно экзотичные, хотя и многообещающие устройства все еще далеки от широкого внедрения. К сожалению, отечественная проводка и методика построения энергетических сетей значительно отличаются от американской парадигмы -- "один трансформатор на район". Совершенно другое дело -- телефонная "лапша", или обычные телефонные кабели. Несмотря на то что наши АТС более чем отличаются от американских, а качество и тип используемого кабеля для прокладки линий часто оставляют желать лучшего, благодаря солидному запасу прочности технология передачи данных по телефонным линиям имеет все шансы прижиться и принести плоды.

История индустриального стандарта HomePNA началась в 1996 г., когда технологией HomeRun, разработанной компанией Tut Systems, заинтересовалась группа крупных корпораций. В образованный альянс вошли 11 фирм с громкими именами: 3Com, Agere Systems, AMD, AT&T Wireless Services, Broadcom, Compaq, Conexant, Hewlett-Packard, Intel, Motorola и, естественно, сама Tut Systems как держатель патента на стандарт. На данный момент к ним присоединились такие гиганты, как Acer, Alcatel, Nortel, TI, а также множество других менее именитых компаний.

Прежде чем погрузиться в технические детали, определим -- какие цели и задачи ставили перед собой создатели стандарта и какие рамки ограничивали полет их фантазии. Это поможет нам понять причины появления HomePNA именно в том виде, в котором технология существует сегодня.

Итак, вначале была проводка, телефонная пара. Необходимо было как-то задействовать ее для передачи данных с максимально возможной скоростью на относительно небольшие расстояния (скажем, внутри дома или даже квартиры). При этом избранная сетевая технология должна была обеспечивать максимальную совместимость с ныне существующими "офисными" аналогами. Это позволило бы использовать для ее обслуживания стандартное программное обеспечение и упростило стыковку гибрида с обычными сетями. Помимо всего, поскольку приставка "Home" обязывает, не стоит забывать о таких вещах, как интерактивное видео, радиотрансляции, IP-телефония в конце концов. Отсюда вытекает необходимость приоритизации потоков реального времени и, как следствие, введение понятия гарантированной пропускной способности. Также широкополосный доступ к Internet и демонстрация видео предъявляют серьезные требования к производительности соединения.

К сожалению, вышеприведенные утверждения вступают, на первый взгляд, в неразрешимое противоречие с очевидными недостатками избранной среды передачи данных -- неструктурированной телефонной проводки низкого качества. Мало того, что неэкранированная двухпроводная "лапша" не соответствует даже 3-й категории сетевых кабелей, а многократные отражения сигнала в отсутствие каких-либо терминаторов и в силу запутанной топологии, паразитные шумы и наводки, а также постоянная реконфигурация топологии (взять хотя бы обычное поднятие телефонной трубки) являются скорее правилом, чем исключением из правил. Так и количество различных активно работающих устройств, подключенных к кабелю в среднестатистическом доме, не поддается никакому учету. Телефонные аппараты, обычные и DSL-модемы -- все они шумят, а иногда генерируют чрезвычайно сильные электрические импульсы в моменты инициализации. Еще более усложняет ситуацию то, что сеть должна работать не вопреки этому многоголосому "хору", а просто на другом уровне, не вмешиваясь в деятельность своих соседей.

Вдобавок ко всему "погода" в кабеле не просто плохая, она еще и неустойчивая. Люди -- существа весьма непредсказуемые. Ничего не ведая о невероятных затратах серого вещества, которые требуются для реализации концепции Plug-&-Play, они готовы в любой момент без предупреждения выдернуть телефонный шнур из розетки, чтобы тут же подключить устройство в другой комнате и поболтать с любимой подругой. Скучать тут не приходится.

На винтики...

HomePNA основывается на знакомом с детства каждому компьютерщику протоколе Ethernet и, следовательно, при разрешении конфликтов между устройствами использует алгоритм CSMA/CD. Однако инженеры Tut Systems, а затем и специалисты из присоединившихся Broadcom и Lucent добавили "в супчик" немало интересных вещей. Обзор технологии начнем, пожалуй, с физического уровня. Здесь разработчики были вынуждены считаться с множеством устройств-соседей, которые также не прочь попользоваться телефонной проводкой. В частности, необходимо было уйти от интерференции с голосовой связью (до 3,5 kHz), а также разнообразными DSL-модемами (до 1,1 MHz). Именно поэтому в качестве рабочего был выбран диапазон от 4 до 10 MHz. В первой версии HomePNA используется PPM-кодировка (Pulse Position Modulation), которая требует около 6 битов для передачи одного символа.

Результирующая производительность составила 1 Mbps. Не густо, но и отнюдь не пусто. Учитывая невероятную помехоустойчивость и год анонсирования технологии (1998) -- довольно приличное значение. Тем более что основной функцией HomePNA 1.0 было обеспечение доступа в Internet. А здесь основным "тормозом" является скорость на последней миле подключения. В роли топологии была избрана схема звезда со стандартной длиной сегмента 150 м, что вполне логично, так как каждая квартира или офис, как правило, имеют отдельную телефонную линию. А в общей распределительной коробке можно поставить коммутатор сопряжения LAN/WAN, и здесь важную роль сыграла изначальная ориентация на совместимость с сетями Ethernet.

Впоследствии HomePNA 1.0 была немного доработана: повысили мощность передатчиков, чтобы увеличить максимальную длину сегмента до 800 метров. Эта версия технологии получила промежуточный номер 1.1.

Время идет, и популярность домашних сетей выросла. Родилась и приобрела четкие очертания концепция "умных" бытовых приборов, управляемых по сети и, следовательно, нуждающихся в сетевом подключении. Топология точка-точка не соответствует этим требованиям. В 1999 г. на свет появилась вторая версия HomePNA, взявшая на вооружение архитектуру типа шина. Базовая пропускная способность сети выросла до 10 Mbps, в то время как максимальная -- взлетела до заоблачных вершин к ошеломляющим значениям 32 Mbps. Производительность, как вы догадываетесь, зависит только от состояния телефонной проводки и длины сегмента. Стандартная длина составляет 350 м, однако благодаря оригинальной методике варьирования параметров соединения даже на расстоянии километра удается передавать данные со скоростью до 3,5 Mbps. В одном сегменте разрешается размещать до 35 активных устройств.

На физическом уровне кодировку PPM сменила более совершенная QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Согласно "установкам по умолчанию" каждый символ несет информацию о двух битах, что в совокупности с минимальной скоростью передачи символов -- 2 Mbaud -- дает пропускную способность 4 Mbps. Но если шумовая обстановка позволяет, протокол в состоянии "взвинтить темп", доведя количество битов на символ с 2 до 8 и увеличив скорость передачи до 4 Mbaud. Несложно подсчитать, что пиковая производительность достигает 32 Mbps.

Другая хитрость, на которую пошли разработчики HomePNA, -- дублирование потоков данных на разных частотах. Методика, придуманная Эриком Ожардом (Eric Ojard), носит название FDQAM, или Frequency-diverse QAM. Избыточно широкий диапазон 6 MHz поделен на три 2-мегагерцевые полосы, в каждой из которых транслируется копия информационного потока. Таким образом, даже если на какой-то из частот возникает мощный источник помех, то приемник по-прежнему в состоянии считывать сигнал на другой частотной полосе.

Рис. 1

Фактически в основе протокола HomePNA лежат инкапсулированные фреймы Ethernet. Формат пакета приведен на рис. 1. Впрочем, и здесь не обошлось без усовершенствований. Первые 120 бит пакета (как показано на рисунке) всегда передаются на скорости 2 Mbaud/2 бита на символ, что соответствует нижней границе производительности сети. Это дает гарантию правильной интерпретации всех значимых заголовков пакета любым устройством при наиболее неблагоприятной (в определенных пределах, конечно) шумовой обстановке в кабельной системе. Для остальной части пакета используются текущие установки скорости передачи. Изначально все соединения инициируются с минимальными параметрами, затем стек протоколов анализирует количество ошибок в пакетах и принимает решение о том, следует ли перейти на более высокий уровень производительности или нет. О параметрах соединения устройства договариваются с помощью пакетов-запросов RRCF (Rate Request Control Frame).

Рис. 2(а)

Рис. 2(б)

Наряду с механизмом разрешения коллизий HomePNA "расширила" спецификацию IEEE 802.3 оригинальным методом приоритизации трафика. Межфреймовый промежуток, отделяющий кадры HomePNA-Ethernet один от другого, разделили на семь интервалов, отвечающих возможным уровням приоритета (рис. 2, а). В каждый из этих интервалов может "заговорить" только то устройство, чей трафик имеет соответствующий приоритет. Таким образом, коллизии возникают только между пакетами одинакового приоритета, при этом соблюдается строгая очередность обращения к среде передачи -- сначала идет трафик 7-го уровня, потом 6-го и т. д.

Не менее любопытен и алгоритм отката (back-off). Схема, иллюстрирующая методику, приведена на рис. 2, б. После коллизии устройство может выбирать из трех уровней глубины отката (паузы) -- S0, S1 или S2. Первый раз это делается случайным образом, после чего устройства начинают передавать сигнал, в котором зашифрованы сведения о выбранной глубине отката. Таким образом, все участники коллизии информированы о решении, принятом "коллегами". Каждое устройство анализирует полученные данные и пытается оптимизировать свою стратегию. Например, в приведенной иллюстрации узел N0 вначале остановился на уровне S2, но, узнав, что N1 выбрал S0, а уровень S1 остался незанятым, -- принял решение поменять S2 на S1.

Рис. 3

Как утверждают исследователи, принятая для HomePNA стратегия разрешения коллизий эффективнее справляется с поставленными задачами, чем стандартный Ethernet-механизм. К сожалению, нельзя недооценивать влияния импульсных помех, которые бывают пострашнее любых столкновений. Конечно, они отличаются малой длительностью, но потеря как минимум одного пакета гарантирована. Именно для борьбы с импульсными помехами в HomePNA используется протокол LARQ (Limited Automatic Repeat Request). Последним элементом технологии, который мы упомянем, будет механизм обеспечения целостности соединения (Link Integrity Mechanism). Идея заключается в периодическом обмене служебными пакетами между установившими соединение устройствами. Пакеты отсылаются чаще, если загруженность соединения снижается, и реже -- если трафик становится напряженным. Это позволяет собирать сведения о текущем состоянии соединения и потенциальной возможности пересылки данных вне зависимости от активности приложений.

Устройства и архитектура

Одно из главных отличий первой версии HomePNA от второй заключается в более сложной архитектуре сети. Использование топологии звезда открывает простор для фантазии производителей сетевых устройств. В результате их ассортимент блещет небывалым для второй версии разнообразием. Если HomePNA 2.0 может похвастаться только конвертерами HomePNA/Ethernet, то для версий 1.0 и 1.1 выпускается множество моделей коммутаторов, поддерживающих стековое подключение, а значит, имеющих встроенные SNMP-агенты, умеющие выполнять преобразование LAN/WAN и организовывать VLAN. Стандартные схемы подключения домов и офисов к широкополосным коммуникациям с помощью HomePNA 1.0/1.1 показаны на рис. 3. Еще один вариант использования технологии, логически следующий из ее характеристик, -- соединение двух удаленных сетей Ethernet. В особенности это касается версии 1.1. Для реализации такого проекта потребуется два конвертера HomePNA/Ethernet или два компьютера с двумя сетевыми карточками соответственно.

Рис. 4

Пример стека управляемых коммутаторов с одним ведущим устройством, оснащенным встроенным SNMP-агентом, и несколькими подчиненными показан на рис. 4.

Если говорить о программном обеспечении, то здесь поначалу наблюдался значительный перекос. С одной стороны, пользователи Windows, начиная с версии 95, могут наслаждаться Plug-&-Play-поддержкой сетей HomePNA, поскольку благодаря родственным отношениям с Ethernet необходимые драйверы для этой платформы реализованы в рамках архитектуры NDIS. Более того, Windows XP получила, в конце концов, встроенную поддержку технологии. С другой стороны, поклонники Mac и Linux вынуждены объединяться в сообщества, чтобы хоть как-то обеспечить взаимодействие своих операционных систем с HomePNA. Проблема заключалась в нежелании или неспособности специалистов компании Broadcom (фактического монополиста в области производства чипсетов для HomePNA) создать и поддерживать многоплатформенный набор драйверов. Но так не могло продолжаться бесконечно, и чипсеты Broadcom BCM42хх и BCM4413 PCI получили все-таки драйверы для ОС Linux.

И ты, Брут...

Рис. 5

HomePNA еще не встала на ноги, а ножи уже точат. В ряды потенциальных "киллеров" уже записали новые технологии передачи данных через электропроводку и DSL-модемы стандарта G.shdsl. Последние при относительно невысокой стоимости умудряются проталкивать через телефонную линию поток 192 Kbps на расстояние до 6,7 км. Если же длину соединения уменьшить до 2,7 км -- скорость возрастает до 2,3 Mbps. Получается плавное регулирование производительности в зависимости от расстояния, практически это выгодный аналог HomePNA. А учитывая гибкие возможности сдваивания линий и регенерации сигнала, перспективы конкурента при двухточечной схеме обмена выглядят достаточно обнадеживающе.

И все же учредители альянса HomePNA далеки от уныния, тем более что в данный момент их позициям никто реально не угрожает. В разработке находится третья версия стандарта, которая обещает уж совершенно невероятные вещи. В четвертом квартале должна появиться спецификация, создающая фундамент для достижения впечатляющей скорости 100 Mbps на все той же "лапше". Ждем с нетерпением.

Сергей Митилино
itc.ua