HomePNA - сеть из "лапши по-домашнему"

Сергей Митилино

Сегодня компьютер без средств интерактивных коммуникаций выглядит так же, как вчера он бы выглядел без программного обеспечения. Тем не менее зачастую охватить сетевым подключением удаленный офис или здание без изначально проложенной специальной проводки - задача не из легких. HomePNA обеспечивает на удивление дешевое и элегантное решение этой проблемы.

Как HomeRun стал HomePNA
    В декабре прошлого года наш еженедельник уже затрагивал тему необычных сетей для нестандартных условий эксплуатации. Обзор технологий беспроводного доступа (http://itc.ua/7676) 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 (грубо говоря - 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 со стандартными 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 приоретизации 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 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 ней в среднестатистическом доме, не поддается никакому учету. Телефонные аппараты, обычные и DSL-модемы - все они шумят, а иногда генерируют необычайно 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.2а

    Наряду с механизмом разрешения коллизий HomePNA "расширила" спецификацию IEEE 802.3 оригинальным методом приоретизации трафика. Межфреймовый промежуток, отделяющий кадры HomePNA-Ethernet один от другого, разделили на семь интервалов, отвечающих возможным уровням приоритета (рис.2а). 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. 

Рис.2б

    Не менее любопытен и алгоритм отката (back-off). Схема, иллюстрирующая методику, приведена на рис.2б. 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.

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

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 официальные драйверы для ОС Linux.

И ты, Брут…
    HomePNA еще не встала на ноги, а ножи уже точат. В ряды потенциальных "киллеров" уже записали 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 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.

Компьютерное Обозрение   #6, 13 - 19 февраля 2002
© Издательский Дом ITC.