Geum.ru

Технология Homepna

Вид материалаЛекция

Содержание


Рис.2б Механизм отката
HomePNA в сравнении с беспроводной технологией WiFi
Подобный материал:
Лекция 12

Технология HomePNA


Технология HomePNA стандартизована в 1998 г. и основывается на протоколе Ethernet и, следовательно, при разрешении конфликтов между устройствами использует алгоритм CSMA/CD. На физическом уровне разработчики были вынуждены считаться с множеством устройств-соседей, которые совместно с HomePNA используют телефонные провода. 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.




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 –достигла 32 Mbps. Производительность 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.

Формат пакета приведен на рис.2.


Рис.2

Фактически в основе протокола HomePNA лежат инкапсулированные фреймы Ethernet. 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 назначения приоритетов трафику. 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 Механизм отката

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.

Как утверждают исследователи, принятая для HomePNA стратегия разрешения коллизий эффективнее справляется с поставленными задачами, чем стандартный Ethernet-механизм. К сожалению, нельзя недооценивать влияния импульсных помех, которые бывают пострашнее любых столкновений. Конечно, они отличаются малой длительностью, но потеря как минимум одного пакета гарантирована. Именно для борьбы с импульсными помехами в HomePNA используется протокол LARQ (Limited Automatic Repeat Request). Последним элементом технологии, который мы упомянем, будет механизм обеспечения целостности соединения (Link Integrity Mechanism). Идея заключается в периодическом обмене служебными пакетами между установившими соединение устройствами. Пакеты отсылаются чаще, если загруженность соединения снижается, и реже - если трафик становится напряженным. Это позволяет собирать сведения о текущем состоянии соединения и потенциальной возможности пересылки данных вне зависимости от активности приложений.

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.



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. [2]



HomePNA1.0

Данная технология представляет собой в Ethernet со скоростью 1 Мбит/сек. Данная технология более старая - и соответственно для нее существует намного большее количество различных видов оборудования, чем для более новой и быстрой технологии HomePNA 2.0.Основа построения сетей на данной технологии - это концентратор. В них обычно бывают как собственно HomePNA 1.0 порты, так и Ethernet порты. Таким образом, Вы всегда и без проблем можете объединить Ethernet и HomePNA 1.0 сети. Причем, если технология HomePNA 1.0 накладывает ограничение на количество работающих в такой сети устройств - максимум 25 устройств, - то при работе с коммутаторами ограничения уже несколько другие. К примеру, для коммутаторов тайваньской фирмы ссылка скрыта ограничение одновременно обслуживаемых устройств составляет порядка 8192 MAC адресов. Что совсем неплохо. Коммутаторы бывают с различной емкостью портов - максимум 12 HomePNA и 4-е Ethernet для самого продвинутого концентратора из линейки CityNetek - CN-1412(M).



Рис.5Коммутатор HomePNA 1 CN1412(M)
от компании CityNetek.

Зачем тогда так много поддерживается MAC адресов? А затем, что из HomePNA концентраторов можно делать стеки - объединять несколько коммутаторов в один . Кроме того, HomePNA концентраторы поддерживают VPN (правда поддерживается только самый примитивный VPN - на основе портов) и естественно порты можно группировать и организовывать VPN сети. Так же поддерживается статистика для каждого порта (считается количество переданных и полученных через каждый порт байтов) и есть возможность отключить один порт или несколько портов. Более продвинутые модели - с индексом M, имеют SNMP управление, поддерживают конфигурирование через telnet и http. Кроме того, существуют еще, естественно, сетевые карты - у всех производителей есть PCI и USB версии карточек и HomePNA <-> 10/100 Ethernet мосты.

HomePNA2.0

Итак, данный стандарт является намного более продвинутым вариантом стандарта HomePNA 2.0. Основные характеристики - скорость - 10 Мбит/сек, дальность - 350 метров (по стандарту), количество устройств - до 32. В стандарте HomePNA 2.0 используется несущий сигнал с частотой 7 МГц. При этом предусматривается два типа символьной (бодовой) скорости: 2 Мбод и 4 Мбод. Базовой является символьная скорость 2 Мбод. В этом случае информационная скорость при кодировании от 2 до 8 бит/символ составляет от 4 до 16 Мбит/с. На практике, чтобы реализовать производительность, эквивалентную сети Ethernet 10Base-T, необходимо обеспечить информационную емкость 6 бит/символ.

Коммутаторов нет, и, к сожалению, не будет. Производители столкнулись с проблемами взаимной наводки портов при их работе. Так что для HomePNA 2.0 типичная топология - шина. Благо, скорость в 10 Мбит/сек такие решения позволяет строить. Причем топология этой шины может быть абсолютно любой - различные ответвления и т.д. - это не препятствия для работы сети на основе HomePNA 2.0. Вообще, хотя стандарты HomePNA 1 и 2 совместимы, HomePNA 2.0 построен на совершенно других принципах - причем серьезно других. Как показали исследования, в качестве среды передачи может быть выбрана практически любая среда. Причем в пределах оговоренных стандартом 350 метров скорость практически не зависела от типа кабеля. Естественно рассматривается идеальный случай одиночных проводов, когда нет наводок, помех и т.д. Также, в результате экспериментов сеть прекрасно работала на кабеле, составленном из более мелких отрезков, которые были соединены просто скруткой. Причем скрутки на скорость передачи данных особо не влияли. Так же сеть работала и в том случае, когда эти куски были неоднородны - к примеру, медь, UTP 3 и сталь. [3] [4]

^ HomePNA в сравнении с беспроводной технологией WiFi

В последнее время появилось несколько новых стандартов беспроводной связи. Наибольшее распространение приобрел стандарт WiFi, который обеспечивает передачу данных на скоростях до 11 Мбит/сек. Бесспорным плюсом беспроводных стандартов является их мобильность и отсутствие наличия видимых телекоммуникационных линий. Но на практике выясняется, что заявленные скорости достигаются, только если приемник и передатчик находятся в пределах прямой видимости. Рабочей частоте - 2,4 ГГц - с трудом удается преодолевать и огибать стены, полы и другие препятствия. Поэтому производители оборудования для WiFi гарантируют устойчивую работу своих устройств только в пределах ста метров, что в три раза меньше, чем при использовании устройств стандарта HomePNA 2.0. Но беспроводная связь не хочет уступать обычной. Последнее время появились усиливающие антенны, которые при правильной настройке позволяют увеличить зону уверенного приема до 10 километров.

Для обеспечения безопасности передаваемого трафика как в сетях HomePNA, так и в беспроводных сетях WiFi, существует возможность применения программного шифрования данных. Если в сетях HomePNA злоумышленнику для перехвата данных необходимо физически подключиться к телефонным линиям, то в беспроводных сетях это может сделать удаленный на достаточное расстояние злоумышленник. И здесь на помощь ему приходят упомянутые выше усиливающие антенны.

Стоит отметить, что типовые Ethernet-сети являются менее устойчивыми к помехам по сравнению с WiFi- и HomePNA-сетями. Это позволяет им работать в наименее приспособленных для передачи данных условиях. В свою очередь, беспроводные сети сталкиваются с проблемой сильного затухания сигнала при передаче на большие расстояния. Для HomePNA-сетей эта проблема является менее актуальной.

Сравнительные тесты сетей HomePNA, Ethernet 10Мбит/сек и WiFi показывают, что при идеальных условиях наибольшую скорость передачи данных показывает первая (см. рис.6,7)



Рис.6



Рис.7