Домашняя сеть по телефону

Технология HomePNA для построения сети передачи данных в квартире или малом офисе на базе имеющейся телефонной проводки.

Идея СКС родилась после того, как компьютер стал неотъемлемой частью рабочего места, а сами компьютеры начали объединяться в локальные сети. Передача данных для СКС главное, все прочее — только дополнительные возможности (например, использование двух из четырех пар кабеля Категории 5 для аналоговой телефонной линии) и достоинства (универсальность и простота коммутации).

Число домашних компьютеров растет на глазах. Конечно, России еще далеко до США, где у 15 млн частных домовладельцев насчитывается более одного компьютера, а у 60% тех, кто покупает новые компьютеры, уже стоит дома как минимум один ПК. Фактически число квартир, где установлены два и более компьютеров, растет быстрее, по сравнению с теми, где имеется лишь один ПК (включая небольшие квартирные офисы, владельцы которых занимаются профессиональной деятельностью). Но и наша страна постепенно движется по пути всеобщей компьютеризации. Персональный компьютер стал действительно мощным домашним инструментом, которым пользуются не только для развлечения, но и для работы, образования и обеспечения связи. Internet становится универсальным средством доступа к разнообразнейшей информации, вследствие чего возникает потребность в увеличении скорости доступа к внешним информационным и развлекательным источникам. Но столь же быстрыми темпами растет и потребность в увеличении скорости передачи цифровых данных между устройствами, находящимися в пределах одной квартиры или офиса. И речь идет не только о компьютерной периферии. Так, цифровому телевидению на базе MPEG-2 требуется пропускная способность в 3 Мбит/с, а DVD — от 3 до 8 Мбит/с.

Итак, увеличение числа компьютеров делает актуальной проблему обеспечения их взаимодействия между собой, подключения к ним периферийных устройств, организации совместного доступа во внешний мир — в Internet. Эта задача не стоит остро в малых или домашних офисах, но ее приходится уже решать в коттеджах и многоквартирных домах. И рынок отвечает на эти требования — появившиеся решения обеспечивают объединение домашних компьютеров в локальную сеть, с использованием новой проводки на базе кабеля Категории 5, имеющейся телефонной проводки (какой она категории не знает никто), линий электропитания и радиодоступа.

ЭФИР, ТОК И КАБЕЛЬ

В области радиодоступа используются несколько технологий: Ethernet IEEE 802.11, HomeRF и Bluetooth. Каждая из них по-своему хороша и признается весьма перспективной, несмотря на ряд недостатков. Однако практика показывает, что легальное применение беспроводных решений в России всегда связано с целым набором серьезных трудностей. Это и высокая стоимость сертификации, и несовпадение частотных диапазонов с принятыми за рубежом, и проблемы с получением разрешения на использование частот и т. п.

По этой причине весьма перспективной представляется передача сигналов по линиям электропитания (рядом с любым устройством всегда имеется электророзетка). Однако в данной области пока не принято никаких стандартов, и, поскольку конкретная информация отсутствует, невозможно сказать, насколько такие устройства соответствуют российским нормам электромагнитной совместимости. Да и качество электроэнергии у нас такое, что высокий уровень всевозможных помех заставляет сомневаться в возможности устойчивой работы систем передачи данных. И, хотя еще на прошлогодней выставке CeBIT прототипные решения были представлены целым рядом производителей элементной базы, рассчитывать на быстрое внедрение этой технологии не приходится. В США очень популярна система низкоскоростного обмена данными по сети электропитания Х10, но она имеет узкоспециализированное применение — домашняя автоматизация.

Таким образом, доминирующее положение (особенно в России) занимают проводные решения на основе выделенной кабельной проводки. Как уже упоминалось, в области проводных решений конкурируют два варианта. Первый подразумевает полную замену низковольтной проводки в здании, второй — использование уже имеющейся.

Новая проводка реализуется в соответствии с унифицированным подходом. В англоязычной литературе эта особая, ориентированная на жилой сектор и домашний офис разновидность СКС (см. Рисунок 1) фигурирует под названием «residential wiring». Домашний вариант СКС строится на основе трех сред: витой пары, коаксиального кабеля и оптического волокна. Нормы проектирования и монтажа домашней СКС описаны в стандарте ANSI/TIA/EIA570A (Residential Tele-communications Cabling Standard), принятом около двух лет назад. Данная СКС имеет общепринятую для подобных систем архитектуру «звезда», в центре которой находится домашний коммутационный центр.

ПО МИНИМУМУ И ПО МАКСИМУМУ

Стандартом описываются два класса СКС. Первый рассчитан на удовлетворение сегодняшних минимальных потребностей — он обеспечивает распределение по дому телефонии, данных, а также сигналов спутникового ТВ и коллективной антенны. Кабельная система имеет топологию «звезда», лучи которой выполнены одним четырехпарным кабелем Категории 3 и одним коаксиальным кабелем RG-59/RG-6. За рубежом такая проводка есть в большинстве зданий, в новых проектах она не используется.

Рисунок 2. Кабель для домашней СКС класса 2.

А вот второй класс отвечает требованиям не только сегодняшнего, но и завтрашнего дня. Лучи СКС выполняются кабельной сборкой (см. Рисунок 2) из двух четырехпарных неэкранированных кабелей Категории 5 (соответственно, для телефонии и данных) и двух коаксиальных кабелей RG-6 (спутниковое ТВ, коллективная антенна, внутреннее вещание от системы видеокамер наблюдения). Сборка может дополняться двойным многомодовым оптическим волокном с диаметром 62,5 мкм (для данных, DVD-аудио и видео, домашнего театра). Пока оптическое волокно используется только в домах богатых клиентов, но, как ожидается, с появлением дешевой пластиковой оптики соответствующего качества она станет неотъемлемой частью любого луча СКС.

Рисунок 3. Домашний коммутационный центр на основе типовых компонентов (дополнительные функции: распределение звукового сигнала, цифровое управление звуком).

Ряд производителей дополняют СКС весьма полезными в быту подсистемами, такими, как распределение усиленного звукового сигнала по стереофоническим акустическим системам, цифровое управление громкостью этого сигнала, прием и ретрансляция по всем помещениям сигналов инфракрасных пультов дистанционного управления, управление камерами видеонаблюдения, сбор сигналов от датчиков охранно-пожарной сигнализации и т. п. Очевидно, что, хотя они и не описаны стандартом, некоторые из перечисленных усовершенствований настолько полезны, что могут служить решающим аргументом в пользу приобретения такой системы.

Все системы СКС сосредоточены в домашнем коммутационном центре. Последний располагается рядом со вводом телекоммуникаций около точки демаркации (разделения ответственности между оператором и владельцем жилья) и позволяет полностью отключать домашние коммуникации от кабельных вводов в целях тестирования и тех, и других. Поскольку требования к конструкции центра и его оборудованию не заложены в стандарты, производители предлагают самые разнообразные решения. На американском рынке представлено свыше десятка разновидностей домашних коммутационных центров самого различного вида и самой различной конструкции. Тут и обычные монтажные шкафы, где установлены все компоненты, большая часть из которых универсальна (см. Рисунок 3), и специально разработанные модульные системы (см. Рисунок 4).

Рисунок 4. Модульный домашний коммутационный центр (с дополнительными функциями распределения звукового сигнала и модулятора для камер видеонаблюдения).

Стоит отметить, что организацией по стандартизации видеоэлектроники (Video Electronics Standards Associa-tions, VESA) на базе стандарта IEEE1394, известного также как FireWire, предложен альтернативный вариант IEEE1394b. В соответствии с данным стандартом проводка выполняется витой парой и оптическим волокном. После модернизации этот, изначально ориентированный на передачу аудио- и видеосигналов стандарт может использоваться для любых приложений — компьютерных сетей, домашней автоматизации и т. п.

Сегодня, в силу своей экономичности и близости к стандартам «больших» СКС, в схватке за клиента побеждает TIA570A. Еще одной причиной является универсальность СКС TIA570A. Если понадобится в будущем, с помощью переходных коммутационных шнуров ее всегда можно использовать для соединения устройств со стыками IEEE1394b, а на ее основе легко развертываются сети домашней автоматизации CEBus и LonWorks. По тем же причинам можно утверждать, что эта СКС станет лидером продаж на российском рынке новых проектов для строящихся элитных коттеджей. А вот для жилья в многоквартирных зданиях данная система не очень подходит — и набор функций чрезмерен, и стоимость высоковата. И уж совсем нереальным с точки зрения затрат представляется монтаж СКС в уже функционирующем жилье.

Именно поэтому на рынке появился продукт для имеющейся телефонной проводки, где поддерживается большинство основных функций телефонии и передачи данных. Речь идет о домашних сетях передачи данных HomePNA. Разработчиком этого стандарта является Альянс HomePNA (Home Phoneline Networking Alliance). Изначально главной целью HomePNA было создание доступной технологии домашней сети со скоростью передачи данных свыше 1 Мбит/с в соответствии с определенными критериями, чтобы она оставляла полную свободу для повышения технических характеристик и роста производительности сохраняя при этом совместимость с базовой технологией. Использование технологии HomePNA дает возможность организовать простую, высокоскоростную и относительно недорогую домашнюю сеть, задействуя для этого существующую телефонную линию любого пользователя.

БАЗИС...

Первой спецификацией HomePNA предусматривалось использование технологии HomeRUN компании Tut Systems (в основе которой лежит IEEE 802.3 CSMA/CD), которая обеспечивает скорость передачи данных до 1 Мбит/с (HomePNA v1.0). Узлы сети могут быть разнесены на расстояние до 150 м, что соответствует телефонной проводке дома площадью до 1000 м².

Целью спецификации HomePNA следующего поколения было обеспечение скорости передачи данных 10 Мбит/с и выше (HomePNA v2.0) на расстояние до 450 м. Новый вариант технологии базируется на предложенной компанией Epigram технологии Home Ethernet и позволяет динамически адаптировать скорость передачи данных. Кроме того, она обеспечивает немедленную подстройку в зависимости от изменения электрических характеристик коммуникационного канала, организованного на базе абонентской телефонной линии. При этом новое оборудование обратно совместимо с технологией HomePNA предыдущих поколений, включая ее первоначальный вариант со скоростью передачи данных 1 Мбит/с.

Следует отметить, что уже сегодня часть производимого оборудования отвечает спецификации HomePNA v1.0, но при этом обеспечивает рабочую дальность до 450 м. Причем 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.

В соответствии с технологией HomePNA абонентская телефонная линия может совместно использоваться 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 квартире могут быть установлены несколько телефонных аппаратов, автоответчики и другие устройства, способные создавать электрические помехи. Частотный диапазон, в котором работают устройства домашней сети HomePNA, подобран таким образом, чтобы избежать помех от различной бытовой техники.
• Домашняя сеть HomePNA не оказывает влияния на другие телефонные службы, т. е. на ведение телефонных разговоров или передачу факсов, работу ISDN или xDSL. Чтобы одна телефонная линия могла одновременно использоваться и для существующих телефонных служб, и для передачи сетевого трафика, в сети реализуется принцип частотного разделения (см. Рисунок 5). В соответствии с данным принципом каждой службе выделяется свой частотный спектр, который не пересекается со спектрами других служб. Благодаря применению частотно-избирательных фильтров устройства, относящиеся к одной службе, могут обмениваться информацией, не оказывая никакого влияния на оборудование, работающее в другом частотном диапазоне.

Кроме перечисленных технология HomePNA имеет ряд других, не менее важных особенностей.

• Применимость даже в случае совершенно случайных и нестандартных топологий проводки. Структура телефонной проводки внутри каждой квартиры или дома не только может быть неизвестна заранее, но и изменяться день ото дня. Даже простое подключение дополнительного телефонного или факсимильного аппарата создает новую «ветвь» на «дереве» телефонной проводки внутри квартиры.
• Затухание сигнала может быть очень большим, как в наиболее разветвленных проводках. Передаваемый по такой проводке электрический импульс теряет значительную часть своей энергии. Чем дальше импульс перемещается по внутриквартирной сети, тем больше он ослабляется и его энергия рассеивается. Это происходит из-за несогласования импеданса линий и нагрузки (например, когда в телефонную розетку ничего не подключено).
• Технология учитывает наличие шумов высокого и изменяющегося уровня. Бытовые приборы, кондиционеры воздуха и другие электрические приборы создают в телефонной проводке случайные помехи высокого и изменяющегося уровня.
• Характеристики линии передачи могут меняться динамически. Телефонные аппараты и другие устройства, подключаемые к телефонной линии, имеют рабочие характеристики, изменяющиеся в широких пределах. Поэтому, если сеть неправильно сконфигурирована, это может отрицательно 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.

Разумеется, при создании технологии для организации сети высокоскоростной передачи данных на базе обыкновенной телефонной линии, не обошлось без определенных трудностей. Например, при работе с технологией Ethernet со скоростью передачи данных 10 Мбит/с в корпоративных сетях для передачи данных необходимо применять кабели типа «витая пара». В квартирах же имеется уже готовая телефонная проводка, но использование ее для передачи данных первоначально не предусматривалось. Создание недорогой технологии высокоскоростной передачи данных по абонентской телефонной линии, имеющей разнообразную и случайную топологию, представляет собой достаточно сложную инженерную задачу, решить которую удалось только на базе современной интегральной техники высокоскоростной обработки сигнала.

... И НАДСТРОЙКА

Оборудование на основе технологии HomePNA создавалось с учетом трех ключевых применений домашних сетей.

• Совместное использование выхода в Internet. Обеспечение совместного выхода в Internet — основная цель организации домашней сети. В настоящее время для того, чтобы отдельные пользователи в пределах одной квартиры могли получить одновременный доступ в Internet, необходимы отдельные телефонные линии, нужно также заключать отдельные договоры с провайдером. Так как подобное удовольствие стоит очень дорого (кроме того, в наших условиях это практически невозможно — попробуйте-ка провести в свою квартиру вторую телефонную линию с отдельным телефонным номером), работа с сетью Internet обычно ограничивается поочередным подключением к ней всех желающих. Домашние же сети могут обеспечить совместное использование одного соединения с Internet для всех пользователей. А это, согласитесь, не только гораздо проще, но и экономнее. Потребность в совместном доступе в Internet растет по мере того, как соединения с помощью аналоговых модемов (со скоростью до 56 Кбит/с) заменяются на высокоскоростные, «постоянно установленные», например ADSL (со скоростями до 8 Мбит/с).
• Совместное использование периферийного оборудования. В настоящее время, даже если в одной квартире установлено несколько персональных компьютеров, для каждого из них необходим свой комплект периферийных устройств, таких, как принтер или сканер (если, конечно, вы не хотите перетаскивать принтер от одного компьютера к другому каждый раз, когда требуется распечатать какой-либо текст). При организации домашней сети можно будет вместо нескольких одинаковых периферийных устройств приобрести одно, более дорогое, а значит, и более качественное. Периферийное оборудование может разрабатываться уже с учетом стандарта домашней сети. Это позволит подключать его прямо к домашней сети, минуя сложные процедуры установки и настройки.
• Совместное использование файлов и прикладных программ. Несколько пользователей домашней сети без проблем могут совместно работать с прикладными программами или передавать файлы между компьютерами. Домашние сети также применяются для развлечения, передачи голоса и видео, и даже для подключения систем автоматизации дома. Простые в эксплуатации домашние сети позволяют играть в популярные сетевые игры как в пределах домашней сети, так и по Internet. 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. Всем цифровым устройствам, включая персональные компьютеры, цифровые телевизоры и цифровые телефоны, требуется именно высокоскоростное соединение с домашней сетью. Простые в установке домашние сети также способствуют развитию средств автоматизации, например, предназначенных для контроля окружающей среды или систем обеспечения безопасности.

Кроме того, чтобы технология организации домашней сети имела успех на потребительском рынке, необходимо, чтобы она была недорогой, а кроме того, простой в установке и эксплуатации. Технология HomePNA максимально упрощает развертывание домашней сети: никаких новых проводов прокладывать не нужно, поскольку она предусматривает использование имеющейся в квартире телефонной проводки. Каждая телефонная розетка в доме может служить не только для подключения телефонного аппарата, но также в качестве сетевого порта. Выигрыш весьма существенный — в большинстве современных домов нет проводки, подходящей для подключения традиционного сетевого оборудования, а монтировать новую в своей квартире для большинства пользователей — дело дорогое и хлопотное.

Благодаря высокой степени интеграции карты сетевого интерфейса HomePNA имеют низкую стоимость и могут быть встроены в персональный компьютер, принтер или другое устройство. Как следствие, домашние сети стоят относительно недорого, а значит, пригодны для массового использования.

Экономичность и удобства Home PNA объясняются и ее родством с Ethernet. Так, благодаря использованию драйверов Windows NDIS для карт Ethernet и средств автоконфигурации (Plug-and-Play) ОС Microsoft Windows 95/98/2000, пользователю не нужно заниматься сложными настройками программного обеспечения.

ВСЕМ, ВСЕМ, ВСЕМ

Однако у домашних сетей на основе оборудования HomePNA есть еще одно революционное преимущество, благодаря которому они позволяют просто и быстро организовать коллективный доступ к сети Internet абонентов во многоквартирных зданиях (см. Рисунок 6). Данное решение очень напоминает архитектуру на базе мультиплексора доступа xDSL. В здании достаточно установить коммутатор HomePNA и подключить его, с одной стороны, к сети передачи данных любым доступным способом (по выделенному каналу с помощью радиодоступа, посредством ADSL/SDSL/ HDSL), а с другой — к абонентским линиям в любом доступном месте, в результате каждая квартира, в которой установлен компьютер с интерфейсом HomePNA, будет иметь доступ в Internet. Одновременно с организацией доступа абонент получает возможность строить домашнюю сеть — он может подключить еще один компьютер, принтер или любую другую периферию к уже объединенным в сеть устройствам. При этом благодаря фильтрации IP-пакетов в коммутаторе HomePNA, каждая домашняя сеть будет защищена, и данные, передаваемые по этой сети, окажутся недоступны для посторонних. Т. е., в отличие от повсеместно распространенных ныне домашних сетей на базе Ethernet, домашние сети на основе HomePNA гарантируют конфиденциальный характер передаваемых данных.

Из сказанного вытекает, что концентраторы HomePNA могут достойно конкурировать с выносными мультиплексорами доступа xDSL. А это означает, что домашние сети на базе HomePNA, несомненно, заинтересуют всех: хозяина квартиры, хозяина дома, провайдеров Internet. Каждый из них сможет воспользоваться преимуществами этой технологии, не мешая другим сделать то же самое.