Технология ADSL
Широкое распространение DSL (Digital Subscriber Line), что в буквальном переводе означает «цифровая абонентская линия», обусловлено тем обстоятельством, что в данном случае, так же, как и в случае традиционных пользовательских модемов, используется обычная телефонная линия. Однако, в отличие от традиционных коммутируемых соединений, DSL-соединение является широкополосным и не упирается в ограничение по ширине спектра сигнала в 3400 Гц, характерное для коммутируемых линий связи. Кроме того, DSL-модемы передают данные в цифровой форме, а не используют цифроаналоговое преобразование при передаче и аналого-цифровое преобразование при приеме данных, что характерно для традиционных аналоговых модемов.
Широкополосный доступ
Понятие широкополосный доступ означает, что канал предоставляет расширенную полосу частот для передачи информации. Высокая скорость передачи информации достигается благодаря тому, что с использованием широкой полосы частот информация может быть мультиплексирована и отправлена на нескольких различных частотах, позволяя, таким образом, передавать за единицу времени большее количество информации.
Как известно, мультиплексирование — это передача нескольких сигналов по одному физическому каналу путем разделения его на подканалы. Говоря о частотном мультиплексировании, имеют в виду частотное разделение на подканалы.
Здесь можно провести аналогию с пропускной способностью автомагистрали: чем больше полос на автостраде, тем большее количество машин может проезжать по ней за единицу времени.
Под термином узкополосный доступ обычно подразумевается канал, достаточный для передачи голоса. Иногда встречается также термин неширокополосный доступ — он означает, что скорость передачи данных по каналу не более 64 Кбит/с. Различные источники дают разные определения широкополосному доступу, например словарь Jupiter Communications определяет его, как канал со скоростью передачи не менее 256 Кбит/с. Обычно широкополосный доступ позволяет передавать в одном канале различные сигналы и одновременно пользоваться телефоном, телевизором и Интернетом.
Технология DSL позволяет значительно расширить полосу пропускания старых медных телефонных линий, соединяющих телефонные станции с индивидуальными абонентами. Любой абонент имеет возможность значительно увеличить с помощью технологии DSL скорость своего соединения. Помимо того, что использование DSL-coединения обеспечивает вам круглосуточный доступ в Интернет, сохраняется также возможность нормальной работы обычной телефонной связи.
Когда говорят о DSL-технологиях, обычно имеют в виду целый спектр технологий, которые иногда называют xDSL. Различные технологии отличаются друг от друга своим предназначением, скоростью «нисходящего» (от сети к пользователю) и «восходящего» (от пользователя в сеть) трафика и максимальным расстоянием.
ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) - это асимметричное DSL-соединение, при котором скорость нисходящего трафика выше, чем скорость восходящего трафика.
При работе в Интернете основной поток информации идет из сети к пользователю, а в сеть передается гораздо меньший объем данных. Действительно, когда вы просматриваете Web-страницы, вы посылаете небольшой запрос, а из Сети получаете не только текст, но и изображения. Таким образом, информационный обмен является асимметричным.
Такая асимметрия делает технологию ADSL идеальной для организации доступа в Интернет, когда пользователи получают гораздо больший объем информации, чем передают. Технология ADSL обеспечивает скорость нисходящего трафика в пределах от 1,5 до 8,192 Мбит/с и скорость восходящего трафика от 640 Кбит/с до 1,54 Мбит/с на расстояние
Рис.1 Принципиальная схема ADSL подключения.
до 5,5 км по одной витой паре проводов. Скорость передачи порядка 6-8 Мбит/с может быть достигнута при передаче данных на расстояние не более 3,5 км.
Достоинством ADSL является легкость установки: используются уже имеющиеся провода телефонного кабеля, соединяющие дом пользователя и офис телефонной компании. ADSL предоставляет постоянный доступ в Интернет, при этом пользователи ADSL не разделяют полосу пропускания с другими абонентами. По данной технологии может быть подключен не только отдельный компьютер, но и локальная сеть.
Однако ADSL имеет и свои недостатки, прежде всего — ограничения по дальности. При использовании ADSL-технологии скорость передачи потока данных в обратном направлении существенно зависит от расстояния. Если при расстоянии 3 км можно получить скорость около 8 Мбит/с, то на расстоянии 5 км — только 1,5 Мбит/с.
Принципиальная схема ADSL-подключения показана на рис. 1.
Как работает ADSL
Имея ADSL-модем, вы можете одновременно говорить по телефону или передавать факс и находиться в Интернете. Помимо очень высокой скорости передачи данных ADSL-модемы имеют еще одно важное преимущество по сравнению с аналоговыми. В отличие от аналоговых модемов, для нормальной работы которых требуется набор номера модема адресата, линия ADSL подключена постоянно, поскольку при отсутствии информации она не занимает ресурсы сети, (сеть работает в режиме Always On). Это означает отсутствие необходимости ввода специального пароля, отсутствие сигнала занятости, отсутствие необходимости ожидания соединения и т.п. К тому же по сравнению с домовыми сетями и кабельным телевидением ADSL-соединение, как правило, индивидуально, а скорость передачи данных не снижается из-за конкуренции между пользователями по использованию каналов данных. А что касается простоты инсталляции на стороне абонента, то здесь ADSL может поспорить и с Dial-Up. ADSL-модем (внутренний или внешний), по виду похожий на аналоговый, просто вставляется в телефонную розетку, затем настраивается доступ в Интернет — и всё работает.
При работе ADSL полоса пропускания телефонной линии разделяется на два потока. Это позволяет одновременно использовать телефонную линию как для телефонных разговоров, так и для передачи данных. Цифровая линия в этом случае называется асимметричной, поскольку для приема данных выделяется более широкая полоса частот, чем для их передачи.
Первый поток предназначен для передачи голоса, и находится в диапазоне 0,3-3,4 КГц. Второй поток для передачи данных лежит в пределах от 4 Кгц до 1,1 Мгц. Физические параметры большинства линий не позволяют передавать данные с частотой свыше 1 МГц. К сожалению не все существующие телефонные линии (особенно большой протяженности), имеют даже такие характеристики, поэтому приходится уменьшать полосу пропускания, что влечет за собой уменьшение скорости передачи.
Скорость зависит от многих факторов — от качества телефонного кабеля, АТС пользователя, соответствующего оборудования и тарифного плана провайдера. Подобная асимметрия на самом деле довольно удобна, поскольку большинство пользователей Интернета получают из Сети значительно больший объем данных, нежели передают сами, и объясняется это тем, что сигнал от пользователя в Сеть передается на более низких частотах, чем сигнал от Сети к пользователю (рис.2).
Рис.2
Для создания этих потоков используются два метода: метод с частотным разделением каналов и метод эхо компенсации (рис.3). Метод с частотным разделением состоит в том, что каждому из потоков выделяется своя полоса пропускания частот. Передача этих потоков осуществляется методом " дискретной многотональной модуляции " (DMT).
Метод эхо компенсации состоит в том, что диапазоны высокоскоростного и служебного потоков накладываются друг на друга. Разделение потоков осуществляется с помощью дифференциальной системы, встроенной в модем. Этот способ используется в работе современных модемов стандарта V.32 и V.34. При передаче множества потоков происходит разделение каждого из них на блоки. Каждый блок снабжается кодом исправления ошибок (ECC).
Рис.3
Далее весь скоростной поток разбивается на большое число более мелких потоков, которые на концах линии вновь собираются в единое целое. Система управления построена таким образом, что непрерывно производится мониторинг состояния каждого канала и информация направляется в те из них, которые обладают наилучшими характеристиками.
ADSL-модем подключается к частотному разделителю (сплиттеру). Частотный разделитель представляет собой фильтр низких частот, разделяющий низкочастотный сигнал обычной телефонной связи (спектр голосовых сигналов) и высокочастотный ADSL-сигнал. Конструктивно частотный разделитель выполняется в виде блока, имеющего три гнезда: одно — для подключения ADSL-модема, другое — для подключения телефонного оборудования, а третье —для подключения к линии ADSL. Частотный разделитель позволяет подключить к одной линии и компьютер, и телефон. Таким образом, по одной линии могут передаваться и компьютерные сигналы, и аналоговые сигналы телефонной связи. Такой же частотный разделитель на телефонной станции позволяет разделить низкочастотные и высокочастотные сигналы на другом конце абонентской линии. Голосовой (аналоговый) сигнал направляется в телефонную сеть общего доступа, а цифровой сигнал — на мультиплексор доступа DSLAM, откуда через сеть провайдера попадает в Интернет. Мультиплексор доступа, или DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer), - это оборудование, установленное в телефонной компании, которое осуществляет подключение всех DSL-абонентов к одной высокоскоростной линии.
Не вдаваясь в технические подробности, можно сказать, что принцип действия ADSL-модема заключается в том, что диапазон частот в интервале от 4 КГц до 1,1 МГц разбивается на 4-килогерцевые полосы, на каждую из которых назначается виртуальный модем. Таким образом, каждый из этих 256 виртуальных модемов работает со своим диапазоном. В результате вся полоса пропускания медной пары разбивается на 256 отдельных каналов, с пропускной способностью 4 кГц каждый. Если отвлечься от технических деталей, то это выглядит так, будто между абонентом и зданием АТС проложено 256 независимых телефонных линий. Чтобы не мешать использованию телефонной сети по её прямому назначению, в ADSL нижняя граница диапазона частот находится на уровне 26 кГц. Верхняя же граница, исходя из требований к скорости передачи данных и возможностей телефонного кабеля, составляет 1,1 МГц. Эта полоса пропускания делится на две части — частоты от 26 кГц до 138 кГц отведены исходящему потоку данных, а частоты от 138 кГц до 1,1 МГц — входящему. Полоса частот от 26 кГц до 1,1 МГц была выбрана не случайно. Начиная с частоты 20кГц и выше, затухание имеет линейную зависимость от частоты.
Введение в технологию АТМ
В качестве транспортного протокола в настоящее время при ADSL-подключении используется технология ATM (Asynchronous Transfer Mode, асинхронный режим передачи), завоевавшая в последние годы большую популярность благодаря гибкости, высокой эффективности и при этом – сравнительной простоте реализации.
Изначально технология ATM разрабатывалась как эффективный транспортный механизм для нужд бурно развивающегося рынка телекоммуникаций. Фактически можно выделить два крайних варианта организации сетей передачи данных – сеть с коммутацией каналов (circuit switching) и сеть с коммутацией пакетов (packet switching).
Первую технологию отлично иллюстрирует всем знакомая телефонная сеть – на все время разговора вам предоставляется собственный физический канал передачи данных (то есть голоса) с некоторой пропускной способностью. С одной стороны, это гарантирует вам, что для ваших нужд канала хватит при любых условиях – ведь занимаете его вы и только вы; но, с другой стороны, когда вы делаете в разговоре паузы – канал фактически простаивает, поэтому в среднем по времени его пропускная способность используется сравнительно мало. Такой взрывообразный характер трафика характерен для абсолютного большинства сетей передачи мультимедийных данных, да и для многих других тоже.
Во втором варианте – в сети с коммутацией пакетов – нескольким клиентам предоставляется один и тот же канал. На клиентском конце этого канала стоит мультиплексирующее оборудование, принимающее от клиентов пакеты данных, выстраивающее их в очередь и последовательно передающее эту очередь по имеющемуся каналу. Такой подход обеспечивает высокую эффективность использования канала – он практически не простаивает, но, с другой стороны, он не может обеспечить вам гарантированное время задержки – если перед вашим пакетом в очереди окажется пакет большого размера от другого клиента, то отправка вашего пакета задержится на время, необходимое для передачи предыдущего. А так как размер стоящих в очереди пакетов может быть самым различным – то задержка не только велика, но еще и непредсказуема, что приводит к фактической невозможности передавать по каналам с коммутацией пакетов мультимедийные потоки в реальном времени (например, видеоконференции или даже обычный голос).
Технология ATM представляет собой золотую середину между коммутацией каналов и пакетов. В первую очередь, в ATM вводится понятие ячейки – пакета фиксированной длины. В современном стандарте длина ячейки составляет 53 байта, из которых 5 байт приходится на адрес и 48 байт – собственно на передаваемую информацию. Пришедшие от клиента пакеты разбиваются на так называемом адаптационном уровне ATM на ячейки, каждая ячейка снабжается адресной информацией и ставится в очередь. Казалось бы, здесь мы приходим к той же проблеме, что и с коммутацией пакетов – к непредсказуемым задержкам из-за наличия очереди; однако фиксированный размер ячейки, да еще и столь малый, в ATM был выбран не случайно – ячейки, содержащие 48-байтные куски пакетов разных пользователей, в очереди перемешиваются, поэтому задержки столь малы, что в абсолютном большинстве случаев можно ими пренебречь. К тому же в ATM введено понятие качества обслуживания (QoS, Quality of Service) – ячейки могут иметь разный приоритет: например, ячейки, в которых передается видеопоток, будут иметь приоритет выше, чем ячейки, в которых передаются некритичные к времени задержки данные. Технология эта совершенно аналогична реализации многозадачности в современных компьютерах – на самом деле в каждый момент времени выполняется только один процесс, но время переключения между процессами настолько мало, что с точки зрения человека они все выполняются одновременно.
Адаптационных уровней ATM (AAL – ATM Adaptation Level) всего пять, в зависимости от типа службы. Всего же в ATM принято выделять три уровня – физический (это непосредственно среда передачи данных, то есть в нашем случае ADSL; вообще же технология ATM не привязана к какой-либо конкретной среде передачи, поэтому позволяет легко объединять в единое целое разнородные сети), уровень ATM (он занимается непосредственной передачей и приемом ячеек) и описанный выше адаптационный уровень, приспосабливающий протоколы верхнего уровня к ячейкам ATM.
В технологии ATM также широко используется понятие виртуального соединения. В отличие от технологий, оперирующих физическими каналами связи, в ATM привязка к таковым (то есть указание адреса получателя пакета) осуществляется только на этапе установки соединения. После этого между двумя участвующими в обмене данными узлами устанавливается виртуальный канал, однозначно обозначенный двумя числами – идентификаторами виртуального пути (Virtual Path Identifier, VPI) и виртуального канала (Virtual Channel Identifier, VCI).
· VPI Virtual path identifier — идентификатор виртуального пути.
· VCI Virtual call identifier — идентификатор виртуального канала.
На DSL-модеме абонента и на абонентском порту на DSLAM'е эти значения должны совпадать. До абонента может идти несколько виртуальных каналов (несколько пар vpi/vci).
Такое решение позволяет, во-первых, сильно сократить размер заголовка ячейки и, соответственно, время ее обработки, не указывая в нем полный адрес получателя, а, во-вторых, легко строить многосвязные сети (сети, в которых все узлы соединены попарно друг с другом), тем самым избавляясь от транзитных узлов, лишь вносящих дополнительные задержки в передачу данных. Для каждого виртуального пути можно создать несколько виртуальных каналов, что позволяет, например, при работе видеоконференции по одному каналу передавать изображение, по другому – звук, а по третьему – прочую сопутствующую информацию.