Принципы построения домашних сетей

 

 

Построение домашней сети — это фактически решение проблемы «последней мили», то есть создание дешевых, удобных и наиболее скоростных каналов в Интернет для конечных пользователей. Принято разделение территории, на которой происходит подключение домашнего компьютера, на три участка.

«Последняя миля» — это участок сети между провайдером Интернет и домом пользователя. На этом отрезке необходимы высокоскоростные технологии «точка–точка», с помощью которых передается весь поток информации, генерируемый и поглощаемый всеми пользователями, живущими в этом доме. Для последней мили обычно применяют выделенные линии, xDSL-технологии, кабельные модемы, радио-Ethernet, обычный Ethernet и различные оптоволоконные технологии передачи данных. Для расширения прямого канала можно также использовать однонаправленный спутниковый доступ.

«Последний ярд» — это разводка сигнала внутри дома. Существует мнение, что разводки по дому можно не делать, а подключать к Интернет нужно каждого пользователя в отдельности, то есть для каждого тянуть или искать отдельный кабель к провайдеру. Такое подключение называется прямым. Очевидно, что прямое подключение экономически невыгодно. При коллективном подключении дома требуется технология распределения ресурса по всем участникам проекта. Для этого можно использовать Ethernet, HomePNA, xDSL и радио-Ethernet.

«Последний фут» — это разводка сигнала по квартире. Конечно, если в квартире проложена СКС, то проблем с подключением компьютера не будет, но в любом другом случае прокладка кабеля по квартире связана с определенными проблемами. Впрочем, даже без подключения к Интернет иногда возникает необходимость собрать в единую сеть несколько компьютеров. Для этого можно использовать либо радиотехнологии — Bluetooth или Home FR, либо HomePNA по телефонной сети.

Большинство домашних сетей являются не коммерческими, и строятся жителями районов. Они прокладывают кабель и подключают сеть к Интернет. Как правило, такие инициаторы сами же являются и владельцами домашней сети. Подобную организационная схема устраивает провайдеров, поскольку в этом случае они лишь оказывают посильную помощь в развитии и поддержке сети, которой главным образом занимаются сами ее владельцы.

В случае, когда сеть строит инициативная группа, она же несет необходимые расходы по замене оборудования, модернизации кабельной инфраструктуры и решению возникающих проблем. В этом случае провайдеры, кроме собственно предоставления канала, могут помочь настроить маршрутизацию потоков между домашней сетью и Интернет, иногда они также занимаются тарификацией и выставлением счетов для каждого абонента в отдельности. Обратная же сторона заключается в том, что в случае возникновения каких-либо проблем с сетью, не все клиенты понимают чья это ответственность и появляются претензии к провайдеру. Именно поэтому провайдеры всё больше либо сами участвуют в создании локальной сети, либо имеют партнёрские отношения с коммерческими организациями, сферой деятельности которых являются домашние сети.

Есть домашние сети, которые провайдеры развертывают для оптимизации своих затрат на подключение пользователей. Правда, будучи коммерческими организациями, провайдеры не могут себе позволить вести проекты с большим объемом инвестиций, которые окупятся только через несколько лет. Поэтому прокладка оптоволокна в дом и разводка его по всем квартирам — решение для них сейчас экономически невыгодное. При постепенном же развитии сети инвестиции в создание инфраструктуры могут быть минимальными и начнут окупаться достаточно быстро. Для этого можно соединять дома постепенно — квартал за кварталом, получая прибыль с каждого подключенного участка. Такой подход позволяет минимизировать расходы на кабельную инфраструктуру, но одновременно требует использования масштабируемых и достаточно массовых технологий. Лучше всего сразу создавать качественную кабельную проводку домашней сети, как минимум на основе витой пары пятой категории.

Провайдеры могут строить домашние сети по следующей схеме. В квартале выбирается точка присутствия, через которую можно подключить несколько домов. В эту точку ставится маршрутизатор и арендуется пара проводов к опорной сети провайдера, которая обеспечивает подключение домашних сетей к магистрали. При этом маршрутизация потоков выполняется в точке присутствия, а всю разводку по дому можно осуществлять на неуправляемых коммутаторах. В этом случае, чем дешевле устройства «последнего ярда», тем проще их защитить от вандализма и заменить при какой-либо аварии. В результате получается одна большая и почти неуправляемая локальная сеть.

Для подключения дома к Интернет и создания каналов связи между домами в качестве основной используется xDSL-технология. Как правило, это симметричные потоки E1 (2 Мбит/с) или несимметричное ADSL-подключение. Есть еще две приемлемые технологии: кабельные модемы и радио-Ethernet. Их схожесть в том, что теоретически они не требуют прокладки дополнительных кабелей. Однако кабельных сетей, на которые рассчитаны кабельные модемы, в России практически нет, а радио-Ethenet плохо работает в больших городах. Кроме того, легальное использование радио-Ethernet сопряжено с определенными трудностями. Проекты, где предусмотрена прокладка дополнительных кабелей (коаксиального — для кабельных модемов или оптоволоконного — для Ethernet), как правило, достаточно дороги и носят единичный характер. Поэтому наиболее массовой для подключения домашних сетей является технология ADSL.

Однако и с ADSL не все так просто. Проблема в том, что провайдеры Интернет не всегда могут получить доступ к уже проложенным телефонным кабелям. Кроме того, телефонные колодцы и разводку проводов по дому контролирует телефонный оператор, который будет сопротивляться установке на этих участках дополнительного оборудования. Провайдеры Интернет вынуждены либо идти на компромисс с телефонными операторами, либо строить собственные сети. Если провайдер пользуется городской телефонной сетью, то тут задействуются известные западные бизнес-модели. В этом случае оптимальным решением является технология ADSL для предоставления услуг передачи данных с несимметричными скоростями, что характерно для жилого сектора.

Но DSL по существующей телефонной проводке можно провести далеко не в каждую квартиру, так как качество линии способно существенно уменьшить дальность и скорость соединения. Впрочем, стоимость абонентской платы для прямого подключения может быть невысокой, поскольку расходы провайдера на поддержание DSL-соединения небольшие. Таким образом, основной проблемой прямого подключения для частных пользователей является ценовой порог вхождения.

Другая неприятность при работе с DSL-технологией — плохое качество телефонных медных кабелей и разводки в кросс-панелях. Когда провайдеры сами строят сети для подводки сигнала к дому, то кроме описанных выше DSL-технологий и кабельных модемов используется еще оборудование Ethernet, поскольку в этом случае оно будет достаточно дешевым. Но при применении Ethernet на «последней миле» приходится прокладывать оптические кабели, что увеличивает стоимость проекта.

В дополнение к сказанному стоит упомянуть технологию ассимметричного спутникового доступа. Подобные решения существуют достаточно давно и позволяют решить проблему дисбаланса потоков информации, ускоряя передачу данных из Интернет к конечному пользователю. Если для индивидуального пользователя стоимость установки такой системы непомерно высока, то для коллективного подключения она вполне подходит. Однако для их эксплуатации все равно нужен обратный канал, организованный на основе одной из вышеперечисленных технологий.

В качестве разводки по дому обычно используют технологию Ethernet. Она привычна, достаточно дешева и ее поддерживают практически все производители. Однако как альтернатива ей есть неприхотливая технология HomePNA. Кроме того, можно и на этом участке задействовать DSL-оборудование, которое базируется на стандартах, обеспечивающих более высокие скорости. Правда, DSL-модемы, как правило, на порядок дороже устройств Ethernet и HomePNA, и хотя DSL позволяет организовывать синхронные каналы (с гарантированным временем задержки), для передачи данных это ненужное излишество.

HomePNA по цене близок к Ethernet, однако функционирует на базе существующей телефонной проводки, не мешая работе обычного телефона. Таким образом, с помощью стандарта HomePNA 1.0 телефонные шлейфы в доме можно легко превратить в соединения компьютерной сети по топологии «звезда». Правда, для этого провайдеру нужен доступ к телефонному кроссу в подъезде, а в большинстве домов владельцем абонентских шлейфов и кросса является оператор местной телефонной связи, который будет исходить из своих интересов. В некоторых случаях провайдеру приходится использовать альтернативную проводку или организовывать ее самостоятельно. Тогда лучше установить версию HomePNA 2.0, которая поддерживает топологию «шина». Согласно этой схеме, по подъезду прокладывается один кабель, к которому подключается конвертер HomePNA-Ethernet. При появлении нового абонента делается горизонтальный отвод в его квартиру, но полоса пропускания делится между всеми пользователями подъезда.

Стоимость технологий Ethernet и HomePNA для решения проблемы «последнего ярда» примерно одинакова. Хотя оборудование HomePNA 2.0 в два раза дороже, чем Ethernet и HomePNA 1.0, общие затраты на организацию доступа в пересчете на один подъезд вполне сопоставимы — из-за применения в первом случае более эффективной шинной топологии. В целом HomePNA задействует новые алгоритмы модуляции, что позволяет на одинаковых расстояниях использовать более дешевые кабели, чем требуется для сетей Ethernet.

Предлагаемые решения проблемы «последнего ярда» относятся к домам, которые строились задолго до появления технологии передачи данных. В строящихся сегодня домах, как правило, предусмотрена специальная кабельная система для передачи данных, голоса и мультимедиа, поэтому здесь проблема «последнего ярда» уже решена. Кабельная система таких зданий рассчитана на технологию Ethernet, и поэтому лучше всего использовать именно ее.

Разводка по квартире занимает минимум времени. Особенно при использовании технологии HomePNA, поскольку она требует всего лишь обычную телефонную проводку. С помощью HomePNA можно также объединить компьютеры в «квартирную» сеть, а один из них подключить к Интернет, используя его в качестве маршрутизатора. В качестве альтернативы можно назвать радиотехнологии, такие как Bluetooth или Home FR. Bluetooth изначально была рассчитана на небольшой радиус действия, но поскольку расстояние зависит от мощности излучателя, то его можно увеличить. Известны сети, где применяется технология Bluetooth на расстоянии около 100 м, а при использовании специальных усилителей — и до 500 м. Правда, скорость передачи данных с помощью Bluetooth оставляет желать лучшего – она не более 800 кбит/c. Кроме того, необходимо соблюсти санитарно-гигиенические нормы на мощность излучения.

Использование радио-Ethernet внутри дома затрудняется тем, что большая часть оборудования на основе этой технологии работает на частоте около 2, 4 ГГц. Дело в том, что именно на такой частоте функционируют и бытовые СВЧ-печи; а теперь начали еще выпускать домашние телефоны, рассчитанные на тот же диапазон. Поэтому использовать радио-Ethernet для разводки по квартире будет практически невозможно из-за сильного затухания, большого количества помех и ограниченности частотного диапазона. Впрочем, эта технология вполне пригодна для организации «последнего фута», но популярность к ней придет только тогда, когда радиотехнология сравнится по цене с Ethernet и HomePNA.

В последнее время появляются решения для передачи данных по силовой проводке. Однако официально использовать их будет затруднительно, поскольку нужно договариваться с энергетиками, а требования к электробезопасности в России достаточно жесткие. Можно также устанавливать соединение через инфракрасные порты, но оно будет ненадежным и разрываться любым препятствием. Так или иначе, наиболее актуальными остаются Ethernet и HomePNA. При этом Ethernet значительно выигрывает в скорости, но минусом является необходимость прокладки кабельной системы. Если же учесть, что не все квартиры в доме телефонизированы, то именно FastEthernet становится оптимальным вариантом. 

 

Технология FastEthernet

 

Технология Fast Ethernet является эволюционным развитием классической технологии Ethernet. 10-Мегабитный Ethernet устраивал большинство пользователей на протяжении около 15 лет. Однако в начале 90-х годов начала ощущаться его недостаточная пропускная способность. В 1992 году группа производителей сетевого оборудования, включая таких лидеров технологии Ethernet как SynOptics, 3Com и ряд других, образовали некоммерческое объединение Fast Ethernet Alliance для разработки стандарта на новую технологию, которая обобщила бы достижения отдельных компаний в области Ethernet-преемственного высокоскоростного стандарта. Новая технология получила название Fast Ethernet.

Одновременно были начаты работы в институте IEEE по стандартизации новой технологии - там была сформирована исследовательская группа для изучения технического потенциала высокоскоростных технологий. За период с конца 1992 года и по конец 1993 года группа IEEE изучила 100-Мегабитные решения, предложенные различными производителями. Наряду с предложениями Fast Ethernet Alliance группа рассмотрела также и другую высокоскоростную технологию, предложенную компаниями Hewlett-Packard и AT& T.

В центре дискуссий была проблема сохранения соревновательного метода доступа CSMA/CD. Предложение по Fast Ethernet'у сохраняло этот метод и тем самым обеспечивало преемственность и согласованность сетей 10Base-T и 100Base-T. Коалиция HP и AT& T, которая имела поддержку гораздо меньшего числа производителей в сетевой индустрии, чем Fast Ethernet Alliance, предложила совершенно новый метод доступа, называемый Demand Priority. Он существенно менял картину поведения узлов в сети, поэтому не смог вписаться в технологию Ethernet и стандарт 802.3, и для его стандартизации был организован новый комитет IEEE 802.12.

В мае 1995 года комитет IEEE принял спецификацию Fast Ethernet в качестве стандарта 802.3u, который не является самостоятельным стандартом, а представляет собой дополнение к существующему стандарту 802.3.. Отличия Fast Ethernet от Ethernet сосредоточены на физическом уровне. Более сложная структура физического уровня технологии Fast Ethernet вызвана тем, что в ней используется три варианта кабельных систем - оптоволокно, 2-х парная витая пара категории 5 и 4-х парная витая пара категории 3, причем по сравнению с вариантами физической реализации Ethernet (а их насчитывается шесть), здесь отличия каждого варианта от других глубже - меняется и количество проводников, и методы кодирования. А так как физические варианты Fast Ethernet создавались одновременно, а не эволюционно, как для сетей Ethernet, то имелась возможность детально определить те подуровни физического уровня, которые не изменяются от варианта к варианту, и остальные подуровни, специфические для каждого варианта.

Основными достоинствами технологии Fast Ethernet являются:

- увеличение пропускной способности сегментов сети до 100 Мб/c;

- сохранение метода случайного доступа Ethernet;

- сохранение звездообразной топологии сетей и поддержка традиционных сред передачи данных - витой пары и оптоволоконного кабеля.

Указанные свойства позволяют осуществлять постепенный переход от сетей 10Base-T к скоростным сетям, сохраняющим значительную преемственность с технологией: Fast Ethernet не требует коренного переобучения персонала и замены оборудования во всех узлах сети.

Официальный стандарт 100Base-T (802.3u) установил три различных спецификации для физического уровня (в терминах семиуровневой модели OSI) для поддержки следующих типов кабельных систем:

100Base-TX для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 5, или экранированной витой паре STP Type 1;

100Base-T4 для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 3, 4 или 5;

100Base-FX для многомодового оптоволоконного кабеля.

Подуровни LLC и MAC в стандарте Fast Ethernet не претерпели изменений. Подуровень LLC обеспечивает интерфейс протокола Ethernet с протоколами вышележащих уровней, например, с IP или IPX. Кадр LLC, изображенный на рисунке 1.1, вкладывается в кадр MAC и позволяет за счет полей DSAP и SSAP идентифицировать адрес сервисов назначения и источника соответственно. Например, при вложении в кадр LLC пакета IPX, значения как DSAP, так и SSAP должны быть равны Е0. Поле управления кадра LLC позволяет реализовать процедуры обмена данными трех типов.

Процедура типа 1 определяет обмен данными без предварительного установления соединения и без повторной передачи кадров в случае обнаружения ошибочной ситуации, то есть является процедурой дейтаграммного типа. Поле управления для этого типа процедур имеет значение 03, что определяет все кадры как ненумерованные.

Процедура типа 2 определяет режим обмена с установлением соединений, нумерацией кадров, управлением потоком кадров и повторной передачей ошибочных кадров. В этом режиме протокол LLC аналогичен протоколу HDLC.

Процедура типа 3 определяет режим передачи данных без установления соединения, но с получением подтверждения о доставке информационного кадра адресату.

Рисунок 1.1 - Формат кадра LLC с расширением SNAP

 

Существует расширение формата кадра LLC, называемое SNAP (Subnetwork Access Protocol). В случае использования расширения SNAP в поля DSAP и SSAP записывается значение AA, тип кадра по-прежнему равен 03, а для обозначения типа протокола, вложенного в поле данных, используются следующие 4 байта, причем байты идентификатора организации (OUI) всегда равны 00 (за исключением протокола AppleTalk), а последний байт (TYPE) содержит идентификатор типа протокола (например, 0800 для IP).

Заголовки LLC или LLC/SNAP используются мостами и коммутаторами для трансляции протоколов канального уровня по стандарту IEEE 802.2H.

Подуровень MAC ответственен за формирование кадра Ethernet, получение доступа к разделяемой среде передачи данных и за отправку с помощью физического уровня кадра по физической среде узлу назначения.

Разделяемая среда Ethernet, независимо от ее физической реализации (коаксиальный кабель, витая пара или оптоволокно с повторителями), в любой момент времени находится в одном из трех состояний - свободна, занята, коллизия. Состояние занятости соответствует нормальной передаче кадра одним из узлов сети. Состояние коллизии возникает при одновременной передаче кадров более, чем одним узлом сети.

MAC-подуровень каждого узла сети получает от физического уровня информацию о состоянии разделяемой среды. Если она свободна, и у MAC-подуровня имеется кадр для передачи, то он передает его через физический уровень в сеть. Физический уровень одновременно с побитной передачей кадра следит за состоянием среды. Если за время передачи кадра коллизия не возникла, то кадр считается переданным. Если же за это время коллизия была зафиксирована, то передача кадра прекращается, и в сеть выдается специальная последовательность из 32 бит (jam-последовательность), которая должна помочь однозначно распознать коллизию всеми узлами сети.

После фиксации коллизии MAC-подуровень делает случайную паузу, а затем вновь пытается передать данный кадр. Случайный характер паузы уменьшает вероятность одновременной попытки захвата разделяемой среды несколькими узлами при следующей попытке. Интервал, из которого выбирается случайная величина паузы, возрастает с каждой попыткой (до 10-ой), так что при большой загрузке сети и частом возникновении коллизий происходит притормаживание узлов. Максимальное число попыток передачи одного кадра - 16, после чего MAC-подуровень оставляет данный кадр и начинает передачу следующего кадра, поступившего с LLC-подуровня.

MAC-подуровень узла приемника, который получает биты кадра от своего физического уровня, проверяет поле адреса кадра, и если адрес совпадает с его собственным, то он копирует кадр в свой буфер. Затем он проверяет, не содержит ли кадр специфические ошибки: по контрольной сумме (FCS error), по максимально допустимому размеру кадра (jabber error), по минимально допустимому размеру кадра (runts), по неверно найденным границам байт (alignment error). Если кадр корректен, то его поле данных передается на LLC-подуровень, если нет - то отбрасывается.

Форматы кадров технологии Fast Ethernet не отличаются от форматов кадров технологий 10-Мегабитного Ethernet'a. На рисунке 1.2 приведен формат MAC-кадра Ethernet, а также временные параметры его передачи по сети для скорости 10 Мб/с и для скорости 100 Мб/с.

В кадрах стандарта Ethernet-II (или Ethernet DIX), опубликованного компаниями Xerox, Intel и Digital еще до появления стандарта IEEE 802.3, вместо двухбайтового поля L (длина поля данных) используется двухбайтовое поле T (тип кадра). Значение поля типа кадра всегда больше 1518 байт, что позволяет легко различить эти два разных формата кадров Ethernet DIX и IEEE 802.3.

Все времена передачи кадров Fast Ethernet в 10 раз меньше соответствующих времен технологии 10-Мегабитного Ethernet'а: межбитовый интервал составляет 10 нс вместо 100 нс, а межкадровый интервал - 0.96 мкс вместо 9.6 мкс соответственно.

Рисунок 1.2 - Формат MAC-кадра и времена его передачи

 

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться: