Як працює xDSL модем

Юрій Кученко, 12 квітня 2005 р.

Почнемо розмову з відповіді на питання, яке задають практично всі, хто має певне уявлення про системи передачі даних, але вперше стикається з xDSL: «Чому ADSL-з’єднання значно швидше по швидкості мого модему, хоча використовує ту саму телефонну лінію?»

Справа в тому, що «мідний дріт», що приходить у квартиру, підключений до телефонної станції, яка налаштована на обробку сигналів з частотою близько 4 kHz, цілком достатньою для передачі голосу. Звичайний модем просто підлаштовується під можливості телефонної мережі, а тому в кращому випадку не може мати швидкість обміну понад 56 Kbps.

Однак технічні можливості самій «мідної пари» нерідко набагато ширше, її смуга пропускання перевищує 1 MHz, і тому через неї найчастіше (див. врізку про параметри лінії) виявляється можливим «ганяти» дані на мегабітних швидкостях. Певні різновиди xDSL дозволили подолати найбільш прикру (окрім низької швидкості з’єднання, звичайно) ваду комутованого доступу – вічно «зайнятий» телефон.

Відразу заспокоїмо і тих, хто звик шукати в кожному нововведенні підступ, – це аж ніяк не «безкоштовний сир», послуга доступу обійдеться дорожче звичайного dial-up, та й вартість устаткування, незважаючи на певне зниження цін абонентських комплектів, ще не зрівнялася з вартістю зовнішнього аналогового модему. По суті, ніякого чуда немає. На новий щабель розвитку вдалося перейти завдяки технологіям, заснованим на сучасних методах цифрової обробки сигналів, розроблених спеціально для витих пар проводів. Якщо при використанні стандартної аналогової телефонної служби абонент набирає номер, який дозволяє устаткування телефонної мережі встановити з’єднання з іншим абонентом або модемом, і у випадку обриву зв’язку для установки з’єднання абонент повинен знову набрати номер, то з’єднання xDSL є постійно включеним, безперервно зв’язує абонентське обладнання з мультиплексором доступу.

Ох вже ці лінії

Використання існуючих мідних абонентських ліній не тільки для надання традиційного телефонного зв’язку в дуже вузькій, хоча і цілком достатньою для якісної передачі голосу смузі звукових частот, але і для високошвидкісного обміну даними є одним з основних і очевидних переваг технологій xDSL. У той же час існуюча кабельна телефонна мережа, м’яко кажучи, не є ідеальною базою для розгортання високошвидкісних систем передачі. Здатність кручених пар мідних проводів (так звана «локшина» – прерогатива квартирної проводки), зібраних в кабель, передавати інформацію залежить від фізичних параметрів цих проводів, зокрема від перерізу і довжини телефонної лінії. Чим менше перетин проводів і чим довша лінія, тим більше загасання зазнає передається по ній електричний сигнал. Загасання зростає і з підвищенням його частоти. Граничну довжину використовуваної лінії визначає максимально допустиме загасання сигналу, який передається. Гармонійні спотворення з’являються в разі обмеження сигналу або його нелінійного перетворення. Так як сигнали з різними частотами передаються по телефонній лінії з різною швидкістю, виникають спотворення, пов’язані з фазовою затримкою. У тому випадку якщо характеристичний імпеданс абонентської лінії нерівномірний по всій її довжині (що може статися, наприклад, внаслідок використання вставок кабелю з проводами різного перетину і при різноманітних кабельних ушкодженнях), може статися відображення переданого сигналу (так звані втрати на відбиття), надають негативний вплив на складні схеми модуляції.

Але і це не все. Для запобігання проникнення в лінію перешкод від зовнішніх джерел, появи шумів і перехресних перешкод «пара» повинна мати гарну симетрію між дротами, а також між кожним з них і «землею». Погана симетрія може викликати не тільки спотворення, але і шуми і перехресні перешкоди. Причому проблеми останньої групи стають все більш серйозними по мірі збільшення частоти.

Лінії схильні шумів і перешкод декількох видів. До них відносять: «білий шум», перехресні завади на ближньому і дальньому кінці лінії, радіочастотні перешкоди і імпульсні шуми.

«Білий шум» зазвичай стає проблемою, коли до телефонної лінії підключено різне електронне обладнання, наприклад кодери-декодери, мультиплексори і т. п. Технічні параметри такого обладнання повинні бути такими, щоб підтримувати відношення сигнал/шум в допустимих межах. Перехресні перешкоди з’являються, коли сигнали, що передаються по одній парі проводів, наводяться в сусідній. Ця проблема стає важливою при значній швидкості передачі даних, і особливо в тому випадку, коли з великої кількості абонентських ліній в межах одного кабелю організована високошвидкісна передача даних. Ступінь впливу перехресних перешкод на хDSL-систему залежить від якості кабелю, кількості використовуваних у ньому пар і частотного діапазону, в якому передається сигнал. І нарешті, імпульсні перешкоди, що вносяться різними електромагнітними пристроями, наприклад лініями живлення, трансформаторами і т. п. Очевидно, що чим довша лінія, тим більшою мірою вона піддається впливу перешкод. Причому досвід роботи з dial-up на вітчизняних лініях підказує, що імпульсні перешкоди можуть призвести до появи проблем не тільки з високошвидкісною, але і з малою швидкістю передачі даних і телефонії.

У межах статті ми не маємо можливості всі зазначені фактори «розкласти по поличках», оцінити ступінь їх заважаючого впливу і прокоментувати результати на прикладі аудиту декількох реальних ліній. Крім того, користувач може ніколи і не зіткнутися з проблемами, пов’язаними з якістю лінії, – в більшості випадків їх вирішить оператор за час від отримання заявки абонента до підтвердження ним готовність надати послугу.

Так що ж являють собою технології xDSL?

Пополняемое сімейство технологій DSL (Digital Subscriber Line-цифрова абонентська лінія) є досить новим і дозволяє ефективно утилізувати смугу пропускання мідних телефонних ліній. Завдяки різноманіттю xDSL користувач може вибрати для себе підходящий варіант по швидкості прийому/передавання даних – від 32 Kbps до більш ніж 50 Mbps. І в першу чергу вибір буде грунтуватися на тип і кількість наявних у користувача пар, їх якості і протяжності. При цьому слід визначитися з необхідністю одночасного використання і аналогового телефонного зв’язку і цифрової високошвидкісної передачі даних по одним і тим же лініях, що з’єднують телефонні станції з абонентами.

Спробуємо класифікувати представників даного сімейства і визначити, що корисного для нас ховається за «іксом» з точки зору займаного технологією діапазону частот в кабелі і забезпечуваного максимальної відстані.

На даний момент все різноманіття пристроїв можна розділити на два класи: симетричні і несиметричні. Перші, як правило, потрібні великим компаніям для налагодження рівноправного обміну. Наприклад, SHDSL-обладнання спочатку націлена на вирішення завдань, що вимагають високої надійності передачі даних з гарантованою якістю обслуговування. Передачі симетричних потоків даних в обидві сторони необхідні, наприклад, при багатоканальному голосовому обміні і для відеоконференц-зв’язку. Другі відображають суть роботи з IT-технологіями дрібних компаній, філій, віддалених офісів і приватних користувачів – велика частина трафіку завантажується з Мережі, від клієнта найчастіше виходять лише запити на отримання інформації та надсилаються квитанції-підтвердження. Тому цілком закономірно, що за кількістю підключених клієнтів ADSL стала найбільш популярною і масовою технологією широкосмугового віддаленого доступу в світі.

ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line, асиметрична цифрова абонентська лінія) є технологією, що дозволяє перетворити виту пару телефонних проводів на тракт високошвидкісної передачі даних.

Схема підключення за технологією ADSL досить проста. На закінченнях діючої телефонної лінії встановлюються спеціальні пристрої (сплітери) – на АТС і в офісі, квартирі абонента. На дальньому кінці абонентського закінчення повинен розташовуватися так званий мультиплексор доступу ADSL – DSLAM. Цей мультиплексор виділяє подканалы загального і відправляє голосової подканал на АТС, а високошвидкісні канали даних – на маршрутизатор під’єднаний до мультиплексору.

До абонентського спліттера підключають звичайний аналоговий телефон і клієнтський ADSL-модем, який може виконувати функції маршрутизатора (router) або моста (bridge) між локальною мережею абонента і прикордонним маршрутизатором провайдера.

Одне з головних переваг технології ADSL порівняно з аналоговими модемами та протоколами ISDN, HDSL і SHDSL – те, що підтримка голоси ніяк не відбивається на паралельній передачі даних по двох швидким каналах. Це пов’язано з тим, що ADSL заснована на принципах поділу частот, завдяки чому голосовий канал надійно відокремлюється від двох інших каналів передачі даних.

Обладнання ADSL, розміщене на АТС, і абонентського ADSL-модем, підключені до обох кінцях телефонної лінії, утворюють три групи каналів (три піддіапазони) передачі даних і телефонії: високошвидкісну з мережі в комп’ютер (швидкість – від 32 Kbps до 8 Mbps); швидкісну з комп’ютера в мережу (швидкість – від 32 Kbps до 1 Mbps) і простий канал телефонного зв’язку, за яким передаються звичайні телефонні розмови.

У рамках перших двох груп для передачі даних використовується стійка до вузькосмуговим перешкод і шумів технологія DMT (див. вище), згідно з якою вся вільна від телефонії смуга (від 26 кгц до 1,1 Мгц для базової технології і до 2,2 MHz для ADSL2+) поділяється на елементарні канали шириною трохи більше 4 kHz, і різні несучі одночасно переносять різні частини переданих даних. Величина максимально досяжної швидкості передачі/прийому даних при цьому, повторимося, залежить від довжини і якості телефонної лінії.

Алгоритми, алгоритми…

Основні положення методу модуляції DMT (Discrete Multi Tone) були сформульовані і запатентовані фахівцями Amati Communications ще на початку 1990-х рр. З 1993 р. технологія стандартизована ANSI як методу лінійного кодування для систем передачі даних. Складності технічної реалізації цього методу на початковому етапі розвитку DSL-технологій обмежували сферу його можливого застосування. Однак на даний момент DMT є однією з основних схем модуляції для технологій ADSL і VDSL.

DМТ використовує не одну, а групу частот несучих коливань. Весь розрахунковий частотний діапазон лінії ділиться на кілька ділянок шириною по 4,3125 кгц. Кожен з них використовується для організації незалежного каналу передачі даних. На етапі перевірки якості лінії передавач, виходячи з рівня перешкод в частотному діапазоні ділянки, для кожного з цих каналів вибирає підходящу модуляционную схему. На «чистих» каналах з малим рівнем шумів можуть бути використані сучасні методи модуляції з високим рівнем, наприклад 64 QAM, на більш зашумлених ділянках – простіше, типу QPSK. Такий принцип регулювання швидкості обміну дозволяє найбільш точно узгоджувати параметри модульованого сигналу з параметрами лінії, по якій він буде передаватися. При передачі даних інформація розподіляється між незалежними каналами пропорційно їх пропускної здатності, приймача залишається виконати операцію демультиплексування і відновити вихідний інформаційний потік.

Модеми і шлюзи доступу, перші враження

Базові моделі модемів, взяті нами як «хардверной» ілюстрації до теми широкосмугового доступу, виявилися вельми схожими з основного набору реалізованих функцій. Їх головне завдання – забезпечити організацію взаємодії між обладнанням провайдера і внутрішньою мережею як в режимі моста, так і в режимі маршрутизатора. Їх «старші брати», кілька більш просунуті пристрої тих же лінійок, були зібрані з тією метою, щоб продемонструвати, як у рамках однієї «коробочки» можна вирішити завдання не тільки «останньої милі», але і «останніх футів», – підключити до них все різноманіття типових пристроїв з різними інтерфейсами. Забігаючи вперед, слід визнати, що і при апробації модемів на тестовій ADSL-лінії з фіксованою смугою спадного/висхідного трафіку (256/128 Kbps), обраної нами серед запропонованих тарифних планів, що були отримані практично однакові результати по швидкості і затримок при доступі до різних серверів Мережі. Цей факт зайвий раз підкреслити: швидкість доступу повинна відповідати завданням, що розв’язуються з його допомогою.

З точки зору ADSL-параметрів модемами як мінімум забезпечувалася підтримка протоколів зв’язку G. DMT (8/1 Mbps), G. Lite (1,5 Mbps/512 Kbps) та алгоритму автоматичного узгодження протоколу і швидкості відповідно до G. Hs. Не дуже відрізнялися один від одного і списки базових установок ATM-параметрів. У внутрішній LAN всі модеми дозволяли скористатися механізмами статичної або динамічної адресації пристроїв.

Дещо більше відмінностей виявилося в переліку налаштувань системи забезпечення безпеки. В даному випадку «обов’язкова програма» включала в себе можливості по організації трансляції адрес/портів (NAT/PAT) і контролю за доступом на основі елементарних правил фільтрації трафіку.

Для всіх пристроїв передбачено як мінімум два основних варіанти адміністрування: по HTTP-протоколу і з використанням Telnet. Зазначимо, що процес конфігурування за допомогою Web-браузера представляється нам більш легким з-за присутності в меню пункту «майстер налаштування», що дозволяє пройти всі основні етапи за кілька хвилин. Фактично зі сторони телефонної лінії було потрібно правильно вибрати режим роботи (Router/Bridge), інкапсуляцію (PPPoE), значення VPI (Virtual Path Identifier, ідентифікатора віртуального шляху) і VCI (Virtual Channel Identifier, ідентифікатора віртуального каналу), визначити вимоги до підтримки ATM QoS, вказати мультиплексування на базі LLC і для доступу до провайдера без помилок ввести записані в договорі на послуги логін і пароль. Хоча, як це вже було відмічено в одній з попередніх статей, на даний момент в більшості випадків користувачеві не доведеться повторювати наш шлях – абонентське обладнання, як правило, налаштовується провайдером, перевіряється і видається вже в готовому для підключення до лінії вигляді. Тому нам залишається лише звернути увагу читачів на деякі особливості представлених моделей та відзначити найбільш яскраві моменти їх експлуатації.

Крім забезпечення захисту мереж SOHO-користувачів від атак з Інтернету з допомогою NAT, D-Link DSL-500T підтримує VPN в режимі pass-through. Віртуальний сервер застосовується для перенаправлення сервісів на кілька серверів. Маршрутизатор може бути налаштований таким чином, що окремі FTP, Web ігрові сервери будуть спільно використовувати один видимий ззовні, IP-адресу і в той же час залишаться захищені. У ряді випадків, наприклад для потреб електронної комерції, знадобиться перенаправляти вхідні пакети з Мережі на певний сервер або робочу станцію. Організувати цей процес можна за допомогою режиму DMZ, який при грамотній настройці не знижує безпеку внутрішньої локальної мережі. На відміну від власне модему D-Link DSL-G604T додатково оснащений 4-портовим комутатором і безпровідним інтерфейсом стандарту 802.11 g, для якого забезпечується три методи організації безпеки бездротової мережі WEP, 802.1 X і WPA. Настроювання пристрою не викликала проблем: так, що входять до складу меню пункти виконані за стандартними для цього вендора логічним схемам, неодноразово описані на сторінках нашого журналу для маршрутизаторів і точок доступу.

Лінійка ADSL-пристроїв під торговою маркою Dynamix починається молодшої і найбільш простою моделлю Dynamix UM-A, що дозволяє організувати доступ в Мережу як будучи підключеною по Ethernet до внутрішньої LAN, так і безпосередньо до порту USB 1.1 комп’ютера. Працюючи з цим пристроєм, ми звернули увагу на досить оригінальне, зведене в табличну форму подання інформації про результати аналізу стану модема та про проходження діагностичних тестів, причому поряд з кожної відміткою знаходився пункт виклику контекстної довідки з рекомендаціями по усуненню можливих помилок. На відміну від інших розглянутих нами пристроїв докладні дані журналу роботи модему можна зберегти у вигляді текстового файлу. Оригінальність логіки адміністрування проявилася і в досить нетривіальною ситуації: після всіх налаштувань модеми настійно рекомендується перезавантажити, і якщо в моделях від D-Link і ZyXEL для цього існують окремі пункти меню, то в пристроях Dynamix без перезавантаження з режиму, наприклад, «майстер установок» до пунктів розширеного меню перейти просто не вдасться.

Хоча перед нами не ставилося завдання відстежити все різноманіття лінійок всіх вендорів, присутніх на ADSL-ринку України, незайвим буде відзначити, що в лінійці продуктів Dynamix нещодавно з’явився досить оригінальний продукт – ADSL-маршрутизатор DYNAMIX UM-A4/PL з 4-портовим комутатором і підтримкою не вимагає дозволу від органів радіочастотного нагляду технології передачі даних по мережах живлення – PowerLine, що дозволяє уникнути прокладки додаткових провідних комунікацій, наприклад, у тимчасовому офісі.

Сімейство пристроїв від ZyXEL було представлено моделлю ADSL-to-LAN початкового рівня ZyXEL OMNI ADSL LAN EE і рішенням класу «все в одному» – шлюзом ZyXEL P-662HW, орієнтованим на створення базової мережевої інфраструктури офісів і філій компаній. Зважаючи на те, що з боку АТС у провайдера, як нам стало відомо, встановлений DSLAM від цього ж виробника, ми мимоволі прийняли роботу OMNI ADSL LAN EE за зразок, а інші пристрої стали порівнювати з ним, чекаючи прояву «межвендорского антагонізму». До честі всіх учасників огляду, ні в одному з випадків подібного помітити не вдалося, що є додатковим підтвердженням того, що розробниками цих компаній дотримувалися вимоги, викладені в основних стандартах і рекомендаціях на ADSL.

ZyXEL Prestige-662HW являє собою поєднання модему ADSL2+ з 4-портовим комутатором і бездротовою точкою доступу IEEE 802.11 g+; його особливість – посилені функції безпеки. До них, крім звичних засобів, слід віднести міжмережевий екран з контролем стану SPI (Stateful Packet Inspection), засоби для організації VPN-тунелів (функції IPSec VPN, до 20 тунелів з можливістю ручного управління ключами/IKE, апаратної підтримки DES/3DES/AES і механізмів аутентифікації SHA-1/MD5 з апаратним шифруванням даних по протоколах DES і 3DES). Додатково до всього в мікропрограму інтегрований антивірусний фільтр з невеликою пошуковою базою.

Модем підтримує режим автоматичної настройки на провайдера і локальну мережу (Zero Configuration). Крім звичного способу установки шлюзу через LAN, отримати доступ до пристрою виявилося можливим через гніздо CON/AUX, причому в іншому режимі перемикача з його допомогою, за твердженням розробника, можна організувати резервування ADSL-з’єднання. При використанні «рідних» бездротових адаптерів ZyXEL G-360 EE і G-162 EE, що працюють по протоколу 802.11 g+, гарантується взаємодія на швидкостях до 100 Mbps, з пристроями інших вендорів – «звичайні» 54/11 Mbps. З’єднання захищаються за WEP/WPA з можливістю організації аутентифікації відповідно до IEEE 802.1 x, RADIUS.

Цікаво, що для підключення до широкосмугового доступу приміщень, підключених до пульта позавідомчої охорони, ZyXEL випускає модеми з розширенням Annex B, допускають безперешкодну роботу одночасно голосового, широкосмугового цифрового доступу та охоронного (або ISDN) каналів.

Висновки

Отже, прийняти рішення про те, чи варто довіряти «телефонного міді», не така вже складна задача. C технологічної точки зору основними аргументами «за» для переходу на широкосмуговий хDSL – і, зокрема, на ADSL-доступ стануть наступні.

По-перше, можливість використання для ADSL вже існуючої лінії. Після встановлення модемів ADSL ви отримуєте постійне з’єднання, готове до роботи у будь-який момент.

І по-друге, висока швидкість передачі даних. У найближчі роки можна очікувати збільшення швидкості низхідного потоку до 48-52 Mbps, а висхідного – до 3-4 Mbps. Вже сьогодні базова технологія ADSL дозволяє провайдерам надавати своїм користувачам послуги, швидкість передачі даних яких більш ніж в 100 разів перевищує швидкість аналогового модему. На відміну від цифрових кабельних мереж, в середовищі яких відбувається поділ доступної смуги пропускання між усіма споживачами, технологія ADSL передбачає, що лінія задіяна тільки одним користувачем.

Крім прийдешнього зміни функціональності персонального доступу в Мережу, попит на broadband будуть формувати і численні онлайн-сервіси, кількість яких за останній рік збільшилося в кілька разів. Серед них насамперед цифрове телемовлення, Video-on-Demand, а також доступ до видеотекам з якісним контентом великого об’єму. Навіть незважаючи на неповну затребуваність швидкостей широкосмугових з’єднань, яка спостерігається сьогодні, попит на хDSL-продукцію продовжує зростати. І якщо поки для приватних користувачів її основне призначення – копіювання файлів з одного комп’ютера на інший або звернення до ігрових і медиасерверам провайдера, то з поширенням побутової техніки нових поколінь швидко з’являться нові сфери застосування. Зростання продажів домашньої аудіо – і відеоелектроніки, здатної відтворювати контент в потоковому режимі, неминуче посилить вимоги до пропускної здатності мережних з’єднань.

У підсумку, за оцінками JupiterResearch, до 2009 р. переважній більшості користувачів домашніх мереж буде необхідна пропускна здатність не менше ніж 57 Mbps, а Yankee Group стверджує, що до 2008 р. обсяги продажів сервісів, побудованих на базі broadband, досягнуть позначки 475 млрд дол. (itc.ua/19633). Цікаво, яка ж частка у цьому належатиме Україні?

Редакція дякує представництва D-Link і ZyXEL, компанію «Вектор» за допомогу в підготовці матеріалу, а також компанію «Інтер-Телеком» за наданий тестовий ADSL-доступ 256/128 Kbps