HomePNA: сеть передачи данных в каждой квартире

©2000 EMAG All Rights Reserved.
Оригинальная версия статьи находится на сайте xDSL.ru

Совсем недавно появившаяся на телекоммуникационном рынке технология HomePNA привлекает к себе все больше внимания. Ознакомившись с этим материалом можно получить представление о побудительных мотивах создания этой технологии и ее первоначальном назначении.

Почему?

В настоящее время значительное развитие получил совершенно новый сегмент сетевого рынка: организация домашних сетей. Персональный компьютер стал действительно мощным домашним инструментом, который используется не только для развлечения, но и для работы, образования и обеспечения связи. Сеть Интернет становится исключительным средством доступа к разнообразнейшей информации. Поэтому, существует очень настоятельная потребность увеличения скорости доступа к информационным и развлекательным источникам вне дома. Но также быстро растет и потребность в увеличении скорости передачи цифровых данных между устройствами, находящимися в пределах одной квартиры или офиса. В случае достаточно крупного офиса данная проблема решается путем организации ЛВС. Однако развертывание сети в каждой квартире обычно невозможно, как по причине стоимости, так и из-за сложностей технического характера, например, из-за прокладки новой проводки, необходимой для организации традиционной ЛВС.

С целью быстрого создания действенного стандарта и технического решения, обеспечивающего широкое распространение технологии домашней сети, базирующейся на использовании существующей телефонной линии, был организован Альянс HomePNA (Home Phoneline Networking Alliance). Изначально главной целью HomePNA было создание доступной технологии домашней сети, работающей на скорости передачи данных 1 Мбит/с (забегая вперед отметим, что следующая версия стандарта обеспечивает скорость уже 10 Мбит/с), которая отвечала бы определенным критериям, оставляла бы полную свободу для повышения технических характеристик и роста производительности, сохраняя при этом совместимость с базовой технологией. Использование технологии HomePNA позволяет организовать простую, высокоскоростную и относительно недорогую домашнюю сеть, используя для этого существующую телефонную линию любого пользователя.

Основной побуждающей силой, которая вынуждает разрабатывать технологии создания домашних сетей, является не столько рост числа квартир, подключенных к сети Интернет, сколько рост тех квартир, в которых имеется два или более персональных компьютера. Благодаря тому, что персональные компьютеры все шире используются в образовательных целях, а также взрывному развитию сети Интернет, большая часть приобретаемых в мире компьютеров являются вторыми (третьими и т.д.) компьютерами, а не простой заменой старого (и единственного) компьютера на новый. Фактически число квартир, в которых стоят два и более компьютера, растет быстрее, чем число квартир, в которых установлен один компьютер (разумеется, в это число необходимо включить и небольшие квартирные офисы, используемые для профессиональной деятельности). Большая часть таких пользователей имеет выход в сеть Интернет. Рост квартир, имеющих доступ в сеть Интернет и несколько персональных компьютеров, создает привлекательный рынок для создания оборудования, объединяющего эти компьютеры в домашнюю (т.е. квартирную) сеть.

Для чего?

Основные требования, выдвигаемые к оборудованию организации домашних сетей, возникают из следующих ключевых направлений их использования.

Совместное использование выхода в сеть Интернет.

Обеспечение совместного использования выхода в сеть Интернет является основным побуждающим фактором организации домашней сети. В настоящее время для того, чтобы отдельные пользователи в пределах одной квартиры могли получить одновременный доступ в сеть Интернет, необходимо использовать отдельные телефонные линии и отдельные договоры с провайдером. Так как такое удовольствие является очень дорогостоящим (а в наших условиях практически невозможным - попробуйте провести в свою квартиру вторую телефонную линию с отдельным телефонным номером), использование сети Интернет обычно ограничивается поочередным подключением к ней всех желающих. Домашние сети могут обеспечить совместное использование одного доступа в сеть Интернет для всех пользователей одной домашней сети. А это, согласитесь, не только гораздо проще, но и экономнее. Необходимость в совместном использовании доступа в сеть Интернет растет по мере того, как соединения с помощью аналоговых модемов (со скоростью до 56 Кбит/с) заменяются на высокоскоростные "постоянно установленные" соединения, например, ADSL.

Совместное использование периферийного оборудования.

В настоящее время, даже если в одной квартире установлено несколько персональных компьютеров, для каждого компьютера должен быть свой комплект периферийных устройств, таких как принтер или сканер (если конечно вы не хотите таскать принтер от одного компьютера к другому каждый раз, когда вам нужно распечатать какой-либо текст). При организации домашней сети можно будет вместо нескольких одинаковых периферийных устройств приобрести одно периферийное устройство, боле дорогое, а значит и более качественное. Периферийное оборудование может разрабатываться уже с учетом стандарта домашней сети, что позволит подключать такое оборудование прямо к домашней сети, не прибегая к сложным процедурам установки и настройки.

Совместное использование файлов и прикладных программ.

Несколько пользователей домашней сети могут легко совместно использовать прикладные программы или передавать файлы между компьютерами.

Домашние сети могут также использоваться и для развлечения, передачи голоса и видео, и даже для подключения систем автоматизации дома. Легкие в эксплуатации домашние сети позволяют играть в популярные сетевые игры, как в пределах домашней сети, так и по сети Интернет. Новые службы цифровой передачи голоса и видео приходят прямо в дом. Доступ ко всем этим цифровым службам - передача голоса, данных или видео - может быть получен с любого устройства, подключенного к домашней сети. Все цифровые устройства, включая персональные компьютеры, цифровые телевизоры и цифровые телефоны требуют именно высокоскоростного соединения с домашней сетью. Легкие в установке домашние сети также способствуют и развитию средств автоматизации, которые используются, например, для контроля окружающей среды или в системах обеспечения безопасности.

Что сделано?

Для того, чтобы технология организации домашней сети имела успех на потребительском рынке, необходимо, чтобы она была недорогой, а также легкой в установке и эксплуатации. Эффективность и востребованность пользователями домашних сетей базируется на их исключительных особенностях.

Возможность использования существующей проводки.

При использовании технологии HomePNA все решается предельно просто. Используется телефонная проводка, которая имеется внутри квартиры. Каждая телефонная розетка в доме может использоваться не только для подключения телефонного аппарата, но также становится сетевым портом.

Домашняя сеть проста в установке и использовании.

Технология HomePNA предусматривает использование той же модели драйвера Windows NDIS, который используется существующими картами Ethernet. Работа по принципу Plug-and-Play, поддерживаемая операционными системами Microsoft Windows 95 и Windows 98, полностью освобождает пользователя от необходимости заниматься сложными настройками программного обеспечения.

Домашние сети имеют относительно низкую стоимость, что позволяет продвигать их на массовый рынок.

Благодаря использованию новейшей высоко интегрированной полупроводниковой технологии карты сетевого интерфейса HomePNA имеют невысокую стоимость; они могут быть интегрированы в персональный компьютер, принтер или другое устройство.

Расстояния, предусмотренные технологией, соответствуют нормальной работе сети в пределах квартиры или обычного дома.

Технология HomePNA обеспечивает работу сети с расстоянием между узлами не менее 150 м (для HomePNA 1.0). Обычно это соответствует телефонной проводке дома площадью до 1000 м2. Следующая версия стандарта (HomePNA 2.0) обеспечивает дальность еще большую дальность - не менее 350 м.

Сеть поддерживает высокую скорость передачи данных.

Скорость передачи 1 Мбит/с была реализована уже в первой спецификация стандарта (HomePNA 1.0). Спецификация HomePNA следующего поколения (HomePNA 2.0) обеспечила скорость передачи данных 10 Мбит/с при совместимости с оборудованием предыдущей версии.

Возможности сети могут быть увеличены с ростом потребностей пользователя без необходимости замены существующего оборудования.

Технология HomePNA позволяет повышать скорость передачи данных и расширять функциональные возможности сети, сохраняя при этом ее совместимость с предыдущими спецификациями технологии.

Кроме того, использование в качестве основы для домашней сети существующей абонентской телефонной линии предусматривает совместное использования одной телефонной линии как оборудованием домашней сети, так и уже существующим и подключенным к данной линии телефонным оборудованием. Из этого логически вытекают еще два ключевых свойства домашней сети.

Технология практически невосприимчива к помехам, возникающим в телефонной линии. В доме может быть установлено несколько телефонных аппаратов, автоответчики и другие устройства, которые могут создавать электрические помехи.

Частотный диапазон, в котором работают устройства домашней сети HomePNA, подобран таким образом, чтобы избежать воздействия различных источников помех, которые имеются в квартире.

Домашняя сеть, базирующаяся на использовании существующей телефонной проводки, не оказывает влияние на другие телефонные службы, т.е. на ведение телефонных разговоров или передачу факсов, работу ISDN или xDSL.

Используемые технологии не оказывают никакого влияния и не препятствуют работе существующей телефонной связи, ISDN или xDSL. Для одновременного использования одной телефонной линии и для существующих телефонных служб, и для передачи сетевого трафика используется принцип частотного разделения - каждой службе выделяется свой частотный спектр, который не пересекается со спектрами других служб. Благодаря использованию частотно-избирательных фильтров устройства, относящиеся к одной службе, могут обмениваться информацией, не оказывая никакого влияния на устройства, работающие в другом частотном диапазоне. В результате в одной паре телефонных проводов организуется три частотно разделенных канала, используемых для одновременной передачи голоса, работы xDSL устройств и передачи трафика домашней сети (рис. 1).

Рисунок 1. Сигналы HomePNA не мешают ни чему.

Как именно?

Разумеется, при создании технологии, которая позволила бы организовать сеть высокоскоростной передачи данных на базе обыкновенной телефонной линии, не обошлось без определенных трудностей. Например, при использовании технологии Ethernet со скоростью передачи данных 10 Мбит/с в корпоративных сетях для передачи данных необходимо использовать кабели типа "витая пара". В квартирах же уже имеется готовая телефонная проводка, но по своему первоначальному назначению она не должна использоваться для передачи данных. Создание недорогой технологии высокоскоростной передачи данных по абонентской телефонной линии, имеющей разнообразную и случайную топологию, является достаточно сложной инженерной задачей, которую удалось решить только на базе современной интегральной техники, используемой для высокоскоростной обработки сигнала.

Среди основных особенностей технологии организации домашних сетей, альянс HomePNA отметил следующие.

• Возможность использования совершенно случайных и нестандартных топологий проводки (рис. 2). Структура телефонной проводки внутри каждой квартиры или дома не только не может быть известна заранее, но и изменяется день ото дня. Например, такое простое действие, как подключение дополнительного телефонного или факсимильного аппарата создает новую "ветвь" на "дереве" телефонной проводки внутри квартиры.

Рисунок 2. HomePNA работает на сетях с любой топологией

• Работа в условиях сильного затухания сигнала и его отражений, которые характерны для разветвленных топологий проводки. Передаваемый по такой проводке электрический импульс в значительной мере теряет свою энергию, "путешествуя" по проводам. Чем дольше импульс перемещается по внутриквартирной сети, тем больше он ослабляется и его энергия рассеивается. Это происходит из-за несогласования импеданса линий и несогласования нагрузки (например, когда в телефонную розетку ничего не подключено).
• Высокий уровень защиты от шумов изменяющегося уровня. Бытовые приборы, кондиционеры воздуха, и другие электрические приборы создают в телефонной проводке случайные помехи высокого и изменяющегося уровня.
• Невосприимчивость к динамическому изменению характеристик линии передачи. Телефонные аппараты и другие устройства, подключаемые к телефонной линии, имеют рабочие характеристики, динамически изменяющиеся в широких пределах. Поэтому, если сеть неправильно сконфигурирована, это может повлиять на передачу данных. Простое поднятие трубки телефонного аппарата может в значительной мере изменить характеристики передачи данных по телефонной линии. И наоборот, передача данных может повлиять на правильную работу телефонных и факсимильных аппаратов.

Технология HomePNA 1.0 обеспечивает скорость передачи 1 Мбит/с при совместимости с другими службами, которыми может пользоваться абонент - обычной телефонной связью, ISDN или xDSL. В данной технологии для передачи данных домашней сети используется диапазон частот 5,5 - 9,5 МГц. Полосовые фильтры имеют сильный спад характеристики на частотах ниже 5,5 МГц, что исключает воздействие на линию DSL и традиционную телефонную связь.

В HomePNA 1.0 используется методика IEEE 802.3 CSMA/CD; другими словами, технология обеспечивает создание локальной сети Ethernet со скоростью передачи данных 1 Мбит/с на базе абонентской телефонной линии. Данная конструктивная особенность очень важна, так как позволяет сети HomePNA взаимодействовать с огромным количеством совместимого с Ethernet программного обеспечения и оборудования.

Необходимость точной передачи данных по телефонной линии, имеющей случайную топологию, является только частью проблемы. Для достижения высокой скорости передачи данных каждый импульс сигнала должен использоваться для кодирования как можно большего объема данных (вместо одного бита на импульс). Для этого используется уникальная запатентованная технология компании Tut Systems.

Стержнем данной технологии является методика линейного кодирования с временной модуляцией, которая также разработана компанией Tut Systems. Данный механизм линейного кодирования включает в себя адаптивную схему, позволяющую системе адаптироваться к различному уровню шумов. Каждый сетевой интерфейс имеет схему приемника, адаптирующегося к различному уровню шумов на линии. Кроме того, схема передатчика имеет возможность изменять уровень выходного сигнала. Схемы передачи и приема постоянно контролируют состояние линии и изменяют свои настройки в соответствии с изменением этого состояния.

Большинство существующих абонентских телефонных линий позволяет достичь скорости передачи данных до 100 Мбит/с, при использовании для этого частотного диапазона 2 - 30 МГц. Благодаря использованию спектрально эффективной технологии модуляции, компания Epigram создала технологию HomePNA 2.0 следующего поколения, которая обеспечивает скорость передачи данных 10 Мбит/с.

Запатентованная технология компании Epigram позволяет создать недорогую и допускающую дальнейшее развитие домашнюю сеть Home Ethernet, которая обеспечивает скорость передачи данных в 10 Мбит/с с возможностью увеличения в будущем этой скорости до 100 Мбит/с. Технология Home Ethernet позволяет динамически адаптировать скорость передачи данных и обеспечивает немедленную подстройку в зависимости от изменения электрических характеристик коммуникационного канала, организованного на базе абонентской телефонной линии. При этом обеспечивается поддержка оборудования, совместимого с технологией HomePNA предыдущих поколений, включая технологию HomePNA со скоростью передачи данных 1 Мбит/с.

Оборудование HomePNA прочно заняло свое место на рынке. Эта технология, использующая в качестве среды передачи абонентскую телефонную проводку, не только наилучшим образом подходит для организации домашней сети, но и пригодна в качестве основы для построения недорогих систем коллективного доступа в Интернет - продолжение следует.