Современные технологии доступа в сеть Интернет

Лет пятнадцать-двадцать назад слово «видеомагнитофон» произносилось не иначе, как с завистью и уважением. По-другому и быть не могло. Экран обычного домашнего телевизора для владельца видеомагнитофона становился окном в другой мир, который не загораживали ни дикторы из программы «Время» со своими идеологически выдержанными сообщениями, ни «порезанные» донельзя кинофильмы.

Точно таким же пропуском в удивительный и разнообразный виртуально-реальный мир является в наши дни Интернет. Это и образование, и доступ к информационным ресурсам, и развлечения, и обмен опытом в любых областях человеческой деятельности, а также многие другие возможности, только список которых занял бы не одну страницу.

Говорят «хочешь мира — готовься к войне». Как это не удивительно, но история создания сети Интернет стопроцентно подтверждает эту формулировку. Именно холодная война 60-х со своей постоянной угрозой ядерного удара с последующими коллективными похоронами нашей цивилизации породила инструмент, позволяющий в наши дни людям всего мира свободно общаться друг с другом. Существование вероятности ядерного удара принудило американцев к созданию децентрализованной коммуникационной системы, устойчивой к возможной атаке и продолжающей функционировать даже в том случае, когда часть ее выведена из строя. Все соединения данной системы обладают возможностью передавать и принимать сообщения, которые путешествуют по оптимальному пути между узлами системы, пока не достигнут своего адресата. Вся информация в такой сети передается небольшими «пакетами», каждый из которых самодостаточен и обладает соответствующей адресной информацией. Пакеты передаются от узла к узлу; каждый из узлов самостоятельно определяет, как передать информацию к следующему доступному узлу. Даже если некоторые узлы системы не функционируют, сообщения могут передаваться по альтернативным маршрутам. Со временем данная система выросла настолько, что покинула пусть уютную, но все же казарму, Пентагона, постепенно захватила учебные заведения и, вооруженная знаниями и энтузиазмом ученых, стала тем миром, который мы знаем под названием «сеть Интернет».

Получить доступ к сети Интернет можно, используя различные коммуникационные технологии. При этом следует учитывать, что для различных людей понятие «получение доступа» имеет совершенно различный смысл, поскольку они находятся на различных ступеньках «лестницы, ведущей на небеса». Это, прежде всего, конечные пользователи, желающие получить доступ в сеть Интернет в дополнение к, например, обычной телефонной связи. Также можно выделить телекоммуникационные компании (работающие в области телефонной, мобильной, спутниковой связи и т.д.) и провайдеров, обеспечивающих доступ в сеть Интернет и другие услуги по передаче данных. Следует заметить, что телекоммуникационные компании больше не хотят терять потенциальные прибыли и постепенно вливаются в ряды провайдеров, стирая между ними и собой все различия.

Какие же альтернативы доступа могут предложить телекоммуникационные компании и провайдеры своим пользователям?

Технологии обеспечения доступа в сеть Интернет можно разделить на три категории, в зависимости от того, какой носитель (т.е. канал или среда передачи) используется для передачи данных. К ним относятся:

° Витая пара телефонных проводов .

° Оптико-волоконные кабели (к этой категории также следует отнести системы, в которых вместе с оптико-волоконными кабелями используются также и коаксиальные кабели) .

° Беспроводные системы (например, системы сотовой, радиорелейной или спутниковой связи) .

Рассмотрим все три категории более подробно, причем начнем в обратном порядке — от пока наиболее экзотических беспроводных систем, через достаточно дорогие оптико-волоконные к наиболее демократичным, широко распространенным и, значит, более удобным в освоении и эксплуатации витым парам телефонных проводов.

Беспроводные системы доступа в сеть Интернет

Развитие беспроводных систем доступа идет в двух основных направлениях. Это спутниковые системы, наземные СВЧ-системы и системы персональной сотовой связи, которые позволяют обеспечить доступ мобильных пользователей.

Разумеется, каждое из этих средств имеет свои достоинства и недостатки.

Например, доступ в сеть Интернет может быть организован посредством существующей системы сотовой связи с использованием аналоговых модемов (модемов для передачи по телефонным каналам) (рисунок 1). Так как каналы сотовой связи имеют достаточно узкую полосу частот, скорость передачи данных будет невелика (в процессе постепенного развития систем сотовой связи и усовершенствования технологий скорость передачи данных также постепенно росла от 9,6 Кбит/с до 19,2 Кбит/с). Определенного увеличения скорости передачи данных можно достичь за счет использования временно свободных каналов (по которым не ведутся телефонные разговоры).

Рисунок 1 

Плюсы и минусы использования сотовой связи для доступа в сеть Интернет очевидны. Главное достоинство заключается в мобильности и возможности выхода в сеть Интернет из любого места, а не только из квартиры или офиса, которые с помощью кабеля привязаны к провайдеру. К недостатком можно отнести достаточно высокую стоимость услуг сотовой связи, а также не стопроцентный охват территории компаниями сотовой связи и наличие зон неуверенной связи.

По мере того, как увеличивалась потребность в расширении количества линий междугородней связи, разрабатывались системы, способные удовлетворить такие потребности. Одной из таких систем были радиорелейные линии, в которых в качестве носителя сигнала использовался не кабель, а радиоканал. Работая на очень высоких частотах (диапазон СВЧ), одна радиорелейная линия способна поддерживать работу тысяч телефонных каналов и нескольких телевизионных каналов одновременно. Использование данного диапазона частот приводит к необходимости размещать ретрансляторы на небольшом расстоянии друг от друга (до 30 километров) в пределах прямой видимости (сверхвысокочастотный сигнал не может завернуть за угол или перепрыгнуть даже через небольшую горку). Необходимость строить через определенное расстояние ретрансляционные вышки с антеннами делает данную технологию достаточно дорогой при организации связи на большое расстояние, но… Данная технология может найти свое применение, например, для организации фиксированного радиодоступа — высокоскоростной передачи данных между двумя зданиями (со скоростью от 2 Мбит/с и выше). Во многих случаях такое решение будет иметь меньшую стоимость по сравнению с прокладыванием между зданиями оптико-волоконного кабеля (например, в городах, где проложить кабель не всегда просто, или в том случае, когда эти здания разделяет река).

В условиях недостатка частотного ресурса были созданы, успешно применяются и развиваются беспроводные системы фиксированного доступа, работающие в инфракрасной области (на основе ИК светодиодов и полупроводниковых лазеров). Они обеспечивают рабочую дальность от 300 м до 1—3 км при скорости передачи до 155 Мбит/с. Все основные недостатки этих систем (сравнительно высокая стоимость и некоторая зависимость от погодных условий и загрязнения оптики) с лихвой окупаются отсутствием необходимости получения разрешения на использование радиочастоты, а также быстротой и простотой монтажа.

Однако, как ясно из сказанного, все упомянутые выше системы фиксированного беспроводного доступа годятся только для организации связи между двумя объектами (соединение «точка-точка»). Поэтому следующим этапом развития систем фиксированного радиодоступа явилось создание таких протоколов обмена информацией между приемо-передатчиками, которые позволили организовать подключение многих объектов к одному (соединение «точка-многоточка»), что наиболее соответствует задачам организации доступа в Интернет (рис. 2). Кроме того, были созданы различные механизмы (например, пакетная передача, работа на изменяющейся частоте), которые позволили увеличить пропускную способность, скорость передачи и эффективность использования частотного ресурса.

Рисунок 2 

Обеспечивая среднюю скорость передачи данных, системы данного типа позволяют организовать канал передачи на достаточно большое расстояние. В то же время подверженность внешним помехам и зависимость от географических условий (обязательная необходимость прямой видимости) делают применение таких систем не всегда целесообразным.

Для организации передачи данных используются и спутниковые системы. Причем варианты могут быть различными — от низкоскоростных индивидуальных каналов для отдельных пользователей до высокоскоростных каналов, одновременный доступ к которым может иметь большое количество пользователей (коллективный доступ). В первом случае может применяться двунаправленный канал (но это по карману только очень богатым организациям). Во втором случае спутник служит только для передачи нисходящего потока данных, поступающих из сети Интернет к пользователю (рис. 3). Пользователю необходимо обязательно установить спутниковую антенну, СВЧ-ресивер и карту декодера прямо в персональный компьютер. Для организации восходящего потока данных (от пользователя в сеть Интернет) используется линия телефонной связи и модем.

Рисунок 3 

Спутник охватывает большую зону на поверхности Земли и является наиболее «широко охватывающей» технологией доступа в Интернет с географической точки зрения. Спутниковые системы доступа имеют не очень высокую скорость передачи данных (порядка 400 Кбит/с по направлению к пользователю) и работают не очень быстро. Представьте себе, что вы хотите загрузить какой-либо материал на экран вашего компьютера. Щелкнув на него мышью своего компьютера, вы подали сигнал запроса, который должен пройти по вашей телефонной линии, через провайдера и по обычному тракту в сети Интернет, а после ответа сигнал передается на спутник вверх и вниз, что в общей сложности составляет около 70 тысяч километров. Даже обладая скоростью света, данное средство доступа в Интернет остается достаточно медленным. Это особенно заметно при осуществлении двусторонней связи в режиме реального времени.

Несмотря на широкую зону охвата, спутниковые системы имеют ряд недостатков, связанных, в частности, с необходимостью приобретения и настройки достаточно дорогостоящего оборудования. Впрочем, существует целый ряд экстремальных ситуаций, когда невозможно организовать доступ в сеть Интернет никаким другим образом, кроме как через спутник (простой пример — корабль, находящийся посреди океана, тут простой морзянки уже недостаточно).

Оптико-волоконные и волоконно-коаксиальные системы

Оптико-волоконные и волоконно-коаксиальные системы изначально создавались для кабельного телевидения и передачи видеосигнала. Благодаря тому, что эти системы по определению являются широкополосными, разрабатывалась именно такая технология, которая позволила бы использовать данное преимущество для высокоскоростной передачи данных, в основном для организации доступа в Интернет частных пользователей.

Оптико-волоконные кабели, безусловно, можно считать наилучшим носителем для высокоскоростной передачи данных. В то время как обычные медные кабели позволяют использовать полосу частот в несколько мегагерц, системы передачи по оптико-волоконному кабелю могут использовать частоты в миллион раз выше. Это является еще одним подтверждением того, что основная разница между электромагнитными и световыми волнами заключается в частоте. Совершенно обычной для нашего времени уже является скорость передачи в 10 Гбит/с. При такой скорости передачи Большая Советская Энциклопедия может быть передана за считанные секунды. Конечно же, проложить оптико-волоконный кабель, относительно одного километра, значительно дороже, чем проложить медный кабель. Однако если пересчитать эту стоимость относительно возможностей кабеля (полоса частот, скорость передачи данных, количество передаваемых каналов — телефонных, телевизионных и других), то оптическое волокно находится вне конкуренции.

В то же время, если абонентская линия прокладывается прямо до квартиры или дома пользователя, т.е. когда по ней будет организовано максимум 2 или 3 канала передачи данных, такое удовольствие становится слишком дорогим. Трезво поразмыслив и просчитав все с экономической точки зрения, можно прийти к выводу: оптико-волоконная сеть должна прокладываться до тех пор, пока остается выгодной благодаря использованию всего частотного спектра (например, до многоквартирного или офисного здания с большим количеством потенциальных пользователей), а дальнейшая разводка должна выполняться с использованием медных носителей (коаксиальных кабелей или кабелей, состоящих из витых пар проводов) с использованием соответствующих технологий (например, xDSL, о чем будет еще рассказано ниже).

Коаксиальный кабель имеет значительно более широкую полосу пропускания, чем обычная витая пара, но меньшую, чем оптико-волоконный кабель. Он состоит из одного медного проводника, находящегося в центральной оси кабеля, который отделен от внешнего проводника, выполняющего роль экрана, изолятором из вспененного материала или другого диэлектрика. Благодаря такой конструкции коаксиальный кабель имеет широкую полосу пропускания, достаточную для передачи сигналов десятков телевизионных каналов (а каждый канал при этом занимает полосу частот 6 МГц). К большому сожалению, использование коаксиальных кабелей имеет определенные ограничения, прежде всего базирующиеся на свойствах самого кабеля (например, каждый конец кабеля должен быть подключен на согласованную нагрузку, с кабелем при монтаже необходимо обращаться осторожно, чтобы при изгибе не повредить изоляцию между проводниками кабеля и не изменить его электрические характеристики), что оказывает свое влияние на использование таких кабелей.

За рубежом, особенно в Соединенных Штатах, где сети кабельного телевидения имеют высокий уровень развития и широкий охват, для организации доступа в Интернет используется несколько комбинированных кабельных систем, состоящих из оптико-волоконных и коаксиальных кабелей (две из них для примера показаны на рисунках ниже).

Рисунок 4 

На рисунке 4 показана гибридная система кабельного телевидения, построенная на комбинации оптико-волоконных и коаксиальных кабелей. Данная система из-за определенных внутренних ограничений обеспечивает передачу только нисходящего потока данных (из сети Интернет к пользователю). По тем же зарубежным источникам, такие системы имеют полосу пропускания от 50 МГц до 550/750 МГц, которая поделена на каналы 6 МГц. Для передачи данных в нисходящем направлении используются кабельные модемы. При этом один видеоканал с номинальной полосой частот 6 МГц может использоваться для передачи данных из сети Интернет со скоростью до 30 Мбит/с. Восходящий сигнал (от пользователя в сеть Интернет) организуется по существующей телефонной линии с помощью аналогового модема или ISDN.

Рисунок 5 

На рисунке 5 показана система, позволяющая организовать высокоскоростную передачу данных в обоих направлениях. Такая двунаправленная система кабельного телевидения позволяет передавать нисходящий поток передачи данных в полосе частот от 50 МГц до 750 МГц, которая поделена на каналы 6 МГц. Полоса частот, выделенная для восходящего потока данных, делится между всеми пользователями, к которым проложен коаксиальный кабель. Обычно это частотный диапазон от 5 МГц до 40 МГц.

Один видеоканал, имеющий номинальную полосу частот 6 МГц, может использоваться для передачи данных из сети Интернет со скоростью до 30 Мбит/с. Общая скорость восходящего потока данных до 10 Мбит/с, но практикуемый метод коллективного использования в реальности для каждого отдельного пользователя дает гораздо меньшее значение.

Казалось бы, все хорошо. И почему бы не развивать оптико-волоконную технологию доступа пользователей в сеть Интернет? Все очень просто — развитие оптико-волоконной техники и развертывание сетей оптико-волоконных кабелей является очень дорогим удовольствием. Особенно если сравнивать внедрение этой технологии с другими технологиями. Имеет ли смысл прокладывать новые дорогие линии связи до каждого пользователя, если подавляющая часть этих пользователей уже подключена как минимум к одной телекоммуникационной компании — телефонной. Гораздо целесообразней обратить свое основное внимание (не отставая при этом, разумеется, от технического прогресса) на то богатство, которое имеется у нас под ногами — кабельную телефонную сеть, состоящую из витых пар проводов.

Использование витой пары абонентских телефонных проводов для организации доступа в сеть Интернет

Витая пара телефонных проводов является главным (в нашем случае единственным) носителем, который в настоящее время используется для подключения всех абонентов (независимо от их юридического статуса) к оборудованию телефонной сети. Одно только это должно вызывать здоровый энтузиазм у разработчиков систем высокоскоростной передачи данных по данному носителю.

Каждый абонент телефонной сети имеет отдельную физическую пару проводов в кабеле, идущем от телефонной станции, которая соединяет его телефонный аппарат с коммутационным оборудованием, установленным на телефонной станции. Каждая пара в кабеле является витой (т.е. провода пары свиты друг с другом), что позволяет снизить нежелательные помехи. При осуществлении обычной телефонной связи каждая пара кабеля на абонентском участке кабельной сети поддерживает один голосовой канал. Также витые пары проводов используются для соединения персональных компьютеров в ЛВС (локальных сетях).

Существует три основных решения при организации доступа в сеть Интернет по витой паре абонентских телефонных проводов. Речь идет об аналоговых модемах, предназначенных специально для передачи данных по телефонным каналам, об ISDN и о технологиях, объединенных под общим названием xDSL.

Аналоговые модемы хорошо известны и понятны большинству пользователей современных домашних компьютеров ( Рисунок 6 ). Принцип их работы основан на использовании диапазона голосовых частот витой пары абонентских телефонных проводов для передачи данных. Для этого используются технологии передачи, известные как «частотная манипуляция» и «квадратурная амплитудная модуляция». Аналоговый модем позволяет достигать скорости передачи данных до 56 Кбит/с.

Рисунок 6 

Невысокая цена и совместимость практически с любой телефонной линией сделали аналоговые модемы основным выбором индивидуальных пользователей. К сожалению, скорость передачи аналогового модема в значительной мере зависит от качества телефонной линии и установленного соединения. Именно поэтому получить максимальную скорость передачи данных практически невозможно (обычно модем с заявленной скоростью в 33,6 Кбит/с позволяет работать со скоростью 28,8 Кбит/с, в лучшем случае 31,2 Кбит/с). Непрофессиональные пользователи сети Интернет могут использовать и аналоговые модемы, но рано или поздно любой из них сталкивается с проблемами, связанными с низким качеством соединения и перегрузками телефонной сети общего пользования. Эта сеть, в своем существующем на данный момент виде, совершенно не предназначена для того, чтобы передавать трафик сети Интернет.

Более высокоскоростной альтернативой аналоговым модемам служит ISDN (Рисунок 7) . ISDN (не совсем по-русски называемая цифровой сетью связи с интеграцией служб) представляет собой цифровую технологию, позволяющую передавать данные со скоростью 144 Кбит/с. Для этого используется схема кодирования 2В1Q. Скорость передачи данных 144 Кбит/с складывается из двух каналов В по 64 Кбит/с каждый, используемых для передачи голоса и данных, и одного служебного канала D 16 Кбит/с для передачи управляющих сигналов. Каналы В могут использоваться как два отдельных голосовых канала, два канала передачи данных со скоростью 64 Кбит/с, как два отдельных канала передачи голоса и данных, а также совместно для передачи данных со скоростью 128 Кбит/с.

Рисунок 7 

Технологии xDSL позволяют значительно увеличить скорость передачи данных по медным парам телефонных проводов, при этом не требуя глобальной модернизации абонентской кабельной сети. Именно возможность преобразования существующих телефонных линий, при условии проведения определенного объема подготовительных технических мероприятий, в высокоскоростные каналы передачи данных и является основным преимуществом технологий xDSL.

Данные технологии позволяют значительно расширить полосу пропускания медных абонентских телефонных линий. Любой абонент, пользующийся обычной телефонной связью, является потенциальным кандидатом на то, чтобы с помощью одной из технологий xDSL значительно увеличить скорость своего соединения с сетью Интернет. При этом предусмотрено и сохранение нормальной работы обычной телефонной связи, вне зависимости от «общения» пользователей с сетью Интернет (рисунок 8).

Рисунок 8 

Многообразие технологий xDSL позволяет пользователю (с учетом определенных ограничений, связанных с длиной и качеством абонентской линии) выбрать подходящую именно ему скорость передачи данных — от 32 Кбит/с до более чем 50 Мбит/с. Современные технологии xDSL дают возможность организовать высокоскоростной доступ в сеть Интернет для каждого индивидуального пользователя или каждого небольшого предприятия, превращая обычные телефонные кабели в высокоскоростные цифровые каналы.

xDSL включает в себя целый набор различных технологий, позволяющих организовать цифровую абонентскую линию, которые различаются по расстоянию, на которое передается сигнал, скорости передачи данных, а также по разнице в скоростях передачи «нисходящего» (от сети к пользователю) и «восходящего» (от пользователя в сеть) потока данных.

xDSL объединяет следующие технологии.

ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line — асимметричная цифровая абонентская линия). Данная технология является асимметричной, то есть скорость передачи данных от сети к пользователю значительно выше, чем скорость передачи данных от пользователя в сеть. Такая асимметрия, в сочетании с состоянием «постоянно установленного соединения» (когда исключается необходимость каждый раз набирать телефонный номер и ждать установки соединения), делает технологию ADSL идеальной для организации доступа в сеть Интернет. Технология ADSL обеспечивает скорость «нисходящего» потока данных в пределах от 1,5 Мбит/с до 8 Мбит/с и скорость «восходящего» потока данных от 640 Кбит/с до 1,5 Мбит/с (помните о зависимости данных технологий от длины линии).

R-ADSL (Rate-Adaptive Digital Subscriber Line — цифровая абонентская линия с адаптацией скорости соединения), которая обеспечивает такую же скорость передачи данных, что и технология ADSL, но при этом позволяет адаптировать скорость передачи к протяженности и состоянию используемой витой пары проводов.

G . Lite (ADSL.Lite) представляет собой более дешёвый и простой в установке вариант технологии ADSL, обеспечивающий скорость «нисходящего» потока данных до 1,5 Мбит/с и скорость «восходящего» потока данных до 512 Кбит/с или по 256 Кбит/с в обоих направлениях. HDSL (High Bit-Rate Digital Subscriber Line — высокоскоростная цифровая абонентская линия) предусматривает организацию симметричной линии передачи данных, когда скорости передачи данных от пользователя в сеть и из сети к пользователю равны. Благодаря скорости передачи (1,544 Мбит/с по двум парам проводов и 2,048 Мбит/с по трем парам проводов) телекоммуникационные компании используют технологию HDSL в качестве альтернативы линиям E1. Использование для организации линии HDSL двух или трех витых пар телефонных проводов делает эту систему идеальным решением для соединения серверов Интернет, локальных сетей и т.п.

SDSL (Single Line Digital Subscriber Line — однолинейная цифровая абонентская линия) также, как и технология HDSL, обеспечивает симметричную передачу данных со скоростями, соответствующими скоростям линии Е1, но при этом используется только одна витая пара проводов.

HDSL 2 - симметричный вариант HDSL , предшественником которого был SDSL . Поддерживает скорости до 1,544 Мбит/с по 1 витой паре.

VDSL (Very High Bit-Rate Digital Subscriber Line — сверхвысокоскоростная цифровая абонентская линия ) является наиболее «быстрой» технологией xDSL. Она обеспечивает скорость передачи данных «нисходящего» потока в пределах от 13 до 52 Мбит/с, а скорость передачи данных «восходящего» потока в пределах от 1,5 до 2,3 Мбит/с, причем по одной витой паре телефонных проводов. В симметричном режиме поддерживаются скорости до 26 Мбит/с. Технология VDSL может рассматриваться как экономически эффективная альтернатива прокладыванию волоконно-оптического кабеля до конечного пользователя.

SHDSL ( G . shdsl ) ( Single — pair High — speed Digital Subscriber Line — высокоскоростная цифровая абонентская линия по 1 паре) — самая «дальнобойная» технология DSL . Обеспечивает передачу данных по 1 паре со скоростью 192 Кбит/с — 2,320 Мбит/с или по 2 парам со скоростью в 2 раза большей. Хорошо подходит для таких приложений, как организация многоканальной телефонной связи (технология VoDSL), поддерживает до 36 стандартных голосовых каналов по 1 паре.

Схема доступа в сеть Интернет с использованием технологий xDSL может быть несколько модернизирована, как показано на рисунке 9.

Рисунок 9 

Использование оптико-волоконного кабеля для подключения к узлу доступа абонентов, находящихся от этого узла на большом расстоянии, выгодно тогда, когда количество потенциальных пользователей, которым необходим высокоскоростной доступ в сеть Интернет, позволяет заполнить (а следовательно и оплатить) всю полосу пропускания кабеля.

Все пользователи, имеющие доступ в сеть Интернет или собирающиеся его получить, хотят, чтобы системы доступа обеспечивали высокую и постоянно растущую скорость передачи данных по разумной цене. Причем многие пользователи также не только не против, но и стремятся к тому, чтобы их доступ в сеть Интернет был как можно теснее связан с теми средствами, которые позволяют им получать доступ к другим службам. Получить доступ в Интернет позволяют многие телекоммуникационные технологии и системы, имеющие свои плюсы и минусы, но наиболее простым методом организации доступа являются именно те технологии, которые позволяют «наложить» новейшие достижения на уже существующую инфраструктуру. В частности это относится к технологиям xDSL, которые позволяют передавать голос и данные по существующей абонентской кабельной сети, и наилучшим образом отражают потребность пользователей в организации высокоскоростного доступа в сеть Интернет. Они позволяют создать постоянно установленное соединение, обеспечивают высокую скорость передачи данных и оставляют возможность одновременного с работой в сети Интернет использования обычной телефонной связи.

Технологии xDSL предоставляют телекоммуникационным компаниям возможности, от которых они просто не могут отказаться. Они создают быстрый и недорогой метод дополнительного использования существующей кабельной сети, а также базу для перехода к технологиям будущего. Игнорировать это было бы просто глупо.