Технология ADSL

Введение

По мере развития интернета для обеспечения полноценной работы в нем требовались все большие и большие скорости доступа – если сначала интернет был преимущественно текстовым, то в последние несколько лет популярность завоевали уже сервисы, связанные с передачей звука и видеоизображения в реальном времени, да и даже объемы типичной страницы, благодаря красочной графике и флэш-анимациям, выросли с единиц и десятков килобайт до сотен килобайт, а иногда и нескольких мегабайт.
Однако, если с обеспечением высокоскоростным доступом в Сеть крупных организаций каких-либо проблем не было, то предоставление домашнего доступа всегда упиралось в одно и то же – так называемую "последнюю милю". Этим термином в телефонии традиционно обозначается кабель, проложенный от некоего узла (например, телефонной станции) до абонента, то есть конечного пользователя. Проблема же заключалась в том, что стоимость прокладки такого кабеля обычно составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч долларов, причем, очевидно, в случае подключения домашнего пользователя она целиком ложится на его плечи, делая индивидуальное высокоскоростное подключение к Сети непомерно дорогим.
По этой причине для доступа в интернет традиционно использовалась уже существующая инфраструктура, то есть обычная телефонная сеть. Действительно, ведь в современном городе телефон уже есть практически в каждой квартире, иначе говоря, если использовать телефонную линию еще и для доступа в интернет, то стоимость прокладки кабеля будет равна нулю, и клиенту придется оплатить лишь стоимость конечного оборудования, то есть модема.
Однако в городской телефонной сети, изначально предназначенной для передачи голоса, полоса частот принудительно ограничена на уровне около 4 кГц – этого более чем достаточно для привычных задач телефона, больший же частотный диапазон лишь усложнил бы работу телефонной сети (слышимость бы лишь ухудшилась из-за появления высокочастотных помех и увеличения взаимных наводок между соседними линиями). Такое ограничение, разумеется, распространяется и на передаваемые модемом сигналы, не позволяя достичь высоких скоростей передачи данных – в течение многолетнего развития модемов удалось достичь скорости всего лишь 33,6 кбит/сек.


Выше на схеме показана несколько примитивная ситуация – на практике все сколь-нибудь крупные провайдеры подключаются к телефонной сети по цифровым каналам; впрочем, 4-килогерцовый фильтр со стороны пользователя при этом все равно никуда не исчезает.
Немного улучшилась ситуация лишь с появлением стандарта V.90, позволявшего довести скорость передачи от провайдера к клиенту до 56 кбит/сек., но даже такая скорость достигалась далеко не всегда – во-первых, если между провайдером и его клиентом в телефонной сети производилось более одного преобразования сигнала из аналоговой формы в цифровую (в современных телефонных сетях сигнал между АТС передается в цифровой форме), то протокол V.90 не работал вообще; во-вторых, он оказался весьма чувствителен к качеству линии – далеко не на всех линиях, где стабильно работал V.34, удавалось получить качественную работу V.90. И, опять же, дальнейшее увеличение скорости в существующей телефонной сети было невозможно (теоретический предел составляет 64 кбит/сек., однако на практике скорость сознательно ограничивается для уменьшения взаимных помех между соседними линиями).
По мере того, как привычные модемы переставали удовлетворять нужды пользователей, стали появляться всевозможные альтернативные варианты, не использующие телефонную сеть, но так или иначе решающие проблему высокой стоимости прокладки "последней мили". Наибольшее распространение получили две технологии – радиодоступ и спутниковый доступ.
Первая технология заключалась в установке вместо проводной "последней мили" радиоканала – один приемопередатчик располагался непосредственно у клиента, второй – на расположенной неподалеку станции, которая подключалась уже к магистральному каналу, например, оптоволоконному. Увы, но такое решение опять же оказалось достаточно дорогим и отнюдь не универсальным – антенны обязательно должны были располагаться в прямой видимости друг друга, поэтому каждая базовая станция могла обслуживать лишь сравнительно небольшое число клиентов, что отрицательно влияло на стоимость подключения и дальнейшей работы.
Вторая технология – это знакомый также многим спутниковый интернет. Так как передающая спутниковая антенна весьма и весьма дорога, то для подключения домашних пользователей была разработана гибридная система, в которой нисходящий поток данных (от провайдера к пользователю) передавался через спутник и принимался обычной недорогой параболической антенной, совершенно аналогичной используемым в системах приема спутникового телевидения, а восходящий поток (от пользователя к провайдеру) передавался через привычную телефонную сеть с помощью обычного модема. Увы, но и такая система не решала большей части проблем – пользователь по-прежнему для работы в интернете вынужден был занимать телефонную линию, а скорость передачи данных от него оставляла желать лучшего, что делало невозможным, например, проведение двусторонних телеконференций. Да и с односторонней трансляцией видеосигнала могли возникнуть проблемы – передача сигнала через спутник порождала довольно заметные задержки.
Таким образом, ни одна из беспроводных (или частично беспроводных, как в случае со спутниковым интернетом) технологий так и не смогла завоевать популярность, хотя бы отдаленно сравнимую с популярностью привычного коммутируемого доступа через городскую телефонную сеть. Проводные же технологии продолжали упираться в стоимость прокладки "последней мили"...
Выход из этого тупика оказался достаточно очевиден. Ведь полосу пропускания телефонной сети ограничивает оборудование, установленное на самой АТС, в то время как от клиента к АТС идет самый обычный медный кабель, способный передавать значительно более высокие частоты, чем какие-то три килогерца... Таким образом родилась идея DSL (Digital Subscribers Line) – установить один модем, как и раньше, у пользователя, подключив его к обычной телефонной линии, а другой модем (точнее, DSLAM – DSL Access Multiplexer) – не у провайдера, а на той же АТС, к которой подключается телефонная линия пользователя, причем включить его до оборудования самой АТС. В результате между модемами оказывался фактически простой кусок провода, без каких-либо присущих телефонной сети ограничений. Разумеется, из-за необходимости установки оборудования на каждой АТС затраты на постройку и поддержание сети были заметно выше, чем в случае классического коммутируемого доступа, когда все модемы провайдера устанавливались на одной АТС, однако по сравнению со стоимостью других способов предоставления высокоскоростного доступа в интернет технология DSL оказалась не просто дешевой, а очень дешевой.


Пожалуй, единственным серьезным конкурентом для DSL была технология, использующая другую уже существующую инфраструктуру – сети кабельного телевидения. Технически их использование было более чем оправданным – ведь они изначально предназначены для передачи высокочастотного (десятки и сотни мегагерц) сигнала, однако практически распространенность кабельного телевидения намного ниже, чем телефонных сетей, что и привело к большей популярности DSL.
Технология ADSL (Asymmetric DSL) представляет собой вариант DSL, в котором доступная полоса пропускания канала распределена между нисходящим и восходящим трафиком несимметрично – для абсолютного большинства пользователей нисходящий трафик значительно более существенен, чем восходящий, поэтому предоставление для него большей части полосы пропускания вполне естественно.
Как я уже отмечал выше, обычная телефонная сеть (в англоязычной литературе она обычно обозначается аббревиатурой POTS, Plane Old Telephone System) использует полосу частот 0...4 кГц. Чтобы не мешать использованию телефонной сети по ее прямому назначению, в ADSL нижняя граница диапазона частот находится на уровне 26 кГц, то есть за пределами не только частотного диапазона телефонов, но даже за пределами возможностей человеческого слуха. Верхняя же граница, исходя из требований к скорости передачи данных и возможностей телефонного кабеля, составляет 1,1 МГц. Эта полоса пропускания делится на две части – частоты от 26 кГц до 138 кГц отведены восходящему потоку данных, а частоты от 138 кГц до 1,1 МГц – нисходящему.
Такое частотное разделение предоставляет ADSL еще одно преимущество над коммутируемым доступом – если обычный модем занимает телефонную линию, делая невозможным одновременное использование телефона и доступ в интернет, то ADSL-модем никоим образом не мешает работе телефона – Вы можете спокойно разговаривать по нему, не отключаясь от интернета, и при этом не будете ощущать никаких неудобств. Разумеется, возможны ситуации, когда либо высокочастотный сигнал ADSL-модема негативно влияет на электронику современного телефона (на старые телефоны с дисковыми номеронабирателями он, очевидно, повлиять не может – влиять там практически не на что), либо телефон из-за каких-либо особенностей своей схемотехники вносит в линию посторонний высокочастотный шум или же сильно изменяет ее АЧХ в области высоких частот; для борьбы с этим в телефонную сеть непосредственно в квартире абонента устанавливается фильтр низких частот, пропускающий к обычным телефонам только низкочастотную составляющую сигнала и устраняющий возможное влияние телефонов на линию. Отмечу, что обычный аналоговый модем, подключенный через фильтр, продолжает работать как ни в чем не бывало, так как не нуждается в каких-либо сигналах, выходящих за пределы максимально пропускаемых фильтром 4 кГц.
Вообще говоря, фильтры принято делить на микрофильтры и сплиттеры. Под первыми понимаются фильтры, включаемые непосредственно перед телефонами – между телефонной розеткой и собственно проводом, идущим к телефону (отмечу, что здесь под телефонами понимаются также и обычные аналоговые модемы), под вторыми – фильтры, включаемые на вводе телефонной сети в квартиру и разделяющие ее на две части – ADSL и обычную телефонную. Как видите, разница только в месте установки, по устройству же как микрофильтры, так и сплиттеры совершенно одинаковы, так что большого смысла акцентировать на этом внимание нет.
Разумеется, возможности кабеля не безграничны – с ростом его длины увеличивается сопротивление, в то время как ADSL-оборудование позволяет работать при сопротивлении кабеля не более 1500 Ом. Исходя из этого нетрудно определить и пределы работы ADSL – если от Вашей квартиры до АТС проложен кабель длиной более 5,2 км, то ADSL-модем имеет полное право не заработать вообще. Если же длина кабеля составляет ровно 5,2 км, то заработать он должен, но скорости выше 128 кбит/сек. не гарантируются. Идеальными же условиями считается длина кабеля не более 1,8 км – при этом ADSL-модем может развить максимальную скорость, составляющую 8 Мбит/сек. от провайдера к пользователю и 1,2 Мбит/сек. от пользователя к провайдеру. Разумеется, цифры эти ориентировочные – в каждом конкретном случае они зависят от сечения используемого в телефонной линии кабеля и его состояния (наличие разъемов и "скруток", всевозможные внешние помехи и так далее), однако практика показывает, что скорость в 1 Мбит/сек. вполне реальна для любой городской телефонной линии сколь-нибудь разумного качества. Опять же отмечу, что значение для ADSL имеет только качество провода от Вашей квартиры до АТС – все, что стоит дальше, оказывает самое непосредственное влияние на обычный коммутируемый доступ, но не имеет никакого отношения к ADSL. И пусть в Вашем районе стоит декадно-шаговая АТС постройки пятидесятых годов прошлого века, разговаривать по телефону можно только криком, а обычный модем отказывается соединяться с провайдером на скорости выше 9600 бит/сек. – если на Вашей АТС возможна установка ADSL-оборудования, то Вы имеете все шансы получить доступ в интернет со скоростью в несколько мегабит в секунду.
Выше был описан наиболее распространенный, базовый вариант ADSL, также известный под названиями G.dmt и Full rate ADSL. Однако существует и другой вариант, "облегченный", известный как G.lite или Universal ADSL. В отличие от G.dmt в нем сильно урезана полоса используемых частот и, соответственно, максимальная скорость соединения – она составляет всего лишь 1,5 Мбит/сек. "вниз" и 512 кбит/сек. "вверх". Достоинств же у G.lite два – во-первых, этот стандарт позволяет немного удешевить оборудование, во-вторых, он менее требователен к качеству линий и в большинстве случаев не требует установки фильтра, позволяя пользователю просто подключить модем к телефонной розетке, без какого-либо вмешательства в разводку телефонного провода по дому (благодаря этому G.lite иногда также называют "plug-n-play ADSL"). Впрочем, уже сейчас ADSL-модем, полностью поддерживающий как G.lite, так и G.dmt, можно купить менее чем за 50 долларов, да и не во всяких условиях при установке даже G.lite удается обойтись без фильтра – все зависит исключительно от используемых Вами телефонов и качества разводки телефонного кабеля по Вашей квартире, так что выгода от использования G.lite не столь уж высока.

Другие DSL-технологии

Помимо ADSL, существует еще несколько технологий передачи данных на базе DSL, обладающих другими характеристиками и требованиями. Во-первых, аббревиатура DSL сама по себе означает не только всю совокупность технологий, но и вполне конкретную, обеспечивающую скорость 160 кбит/сек. (строго говоря, скорость передачи данных составляет 144 кбит/сек. – два так называемых B-канала со скоростью по 64 кбит/сек. и один D-канал со скоростью 16 кбит/сек.; оставшиеся же 16 кбит/сек. представляют собой накладные расходы протокола) на расстоянии до 6 км по одной паре. "Классический" DSL использует полосу частот от 0 до 80 кГц (в некоторых реализациях – до 120 кГц), а потому несовместим с обычным телефоном. Впрочем, ничто не мешает использовать один из B-каналов для передачи оцифрованного голоса (благо оцифровка "телефонного" диапазона 0...4 кГц с разрядностью 8 бит дает поток данных как раз 64 кбит/сек.), более того, часто DSL используют для организации двух независимых телефонных линий (так как всего B-каналов два) на одной паре провода.
В шестидесятые годы инженеры AT&T Bell Labs. создали первую систему оцифровки голоса для телефонных сетей с последующим мультиплексированием двадцати четырех потоков голосовых данных (по 64 кбит/сек. каждый) в один канал передачи данных, работающий на скорости 1,544Мбит/сек. Эта система получила название T1 (ее европейский аналог, в котором объединялись уже тридцать голосовых каналов, получил название E1 и работал на скорости 2,048 Мбит/сек.) и использовала для передачи данных полосу пропускания 1,5 МГц с максимумом на частоте 750 кГц. Максимальная дальность передачи данных составляла около 1 км от центральной станции до первого репитера и около 2 км между последующими репитерами, однако непригодной для подключения частных пользователей эту технологию делала не столько необходимость в репитерах, сколько слишком большой уровень создаваемых помех, который не позволял организовать в одном многожильном кабеле (который, собственно, и идет от каждого жилого дома до ближайшей АТС) более одного канала T1/E1. Более того, взаимные наводки столь высоки, что в общем случае нельзя запустить еще один канал T1/E1 даже в соседнем кабеле, поэтому уделом применения T1/E1 каналов остались сети крупных телефонных и телекоммуникационных компаний.
Для устранения этого недостатка был разработан стандарт HDSL (High data rate DSL), фактически представляющий собой улучшенную технологию передачи T1/E1 по витой паре. HDSL использует полосу частот шириной всего лишь 80...240 кГц (в зависимости от конкретной реализации), позволяет без проблем разместить в одном кабеле несколько линий, а также работает на расстояниях до 4 км без каких-либо репитеров. Наиболее серьезный недостаток HDSL заключается в том, что для достижения скорости 1,544 Мбит/сек. (T1) ему требуется сразу две пары проводов, для скорости же 2048 Мбит/сек. – уже три пары, что опять же усложняло установку HDSL для частных пользователей, обычно имеющих в доме только одну телефонную линию. Тем не менее, это HDSL был первым DSL-стандартом, перешагнувшим порог в 1 Мбит/сек.
Улучшенная версия HDSL, получившая название SDSL (Single line DSL), использовала для передачи все тех же потоков T1/E1 уже только одну телефонную пару, предоставляя при этом скорость до 1,544/2,048 Мбит на расстоянии около 3 км от АТС. Кроме того, нижняя граница полосы сигнала в SDSL лежит выше 4 кГц, поэтому ничто не мешает использовать на одной и той же линии SDSL-модем и обычный телефон.
Отмечу, что все эти технологии – симметричные, то есть предоставляют одинаковые скорости передачи данных в обе стороны. Это прекрасно удовлетворяет нужды телефонных компаний, однако для домашних пользователей, у которых, как правило, объемы принимаемой информации минимум на порядок больше объемов передаваемой, более выгодно использовать несимметричные каналы, отдав большую часть полосы пропускания нисходящему потоку данных, что и было сделано в описанном выше ADSL.
И, наконец, еще один стандарт, созданный уже после ADSL – это VDSL, Very high data rate DSL. Скорость передачи данных "вниз" в VDSL может достигать 51,84 Мбит/сек. – но за это приходится платить уменьшившимся расстоянием устойчивой связи, которое при такой скорости составляет всего лишь около 300 м. Фактически VDSL очень хорош для применения при небольшом – менее 2 км – расстоянии от АТС, но, так как, согласно статистике, среднее расстояние от АТС до абонентов составляет около 5 км, то для широкого применения более "дальнобойный" ADSL подходит лучше.
В заключение же этого раздела я приведу таблицу с основными характеристиками (скоростью и дальностью) современных технологий передачи данных по медной паре:

Введение в технологию ATM

В качестве транспортного протокола в настоящее время при ADSL-подключении используется технология ATM (Asynchronous Transfer Mode, асинхронный режим передачи), завоевавшая в последние годы большую популярность благодаря гибкости, высокой эффективности и при этом – сравнительной простоте реализации.
Изначально технология ATM разрабатывалась как эффективный транспортный механизм для нужд бурно развивающегося рынка телекоммуникаций. Фактически можно выделить два крайних варианта организации сетей передачи данных – сеть с коммутацией каналов (circuit switching) и сеть с коммутацией пакетов (packet switching). Первую технологию отлично иллюстрирует всем знакомая телефонная сеть – на все время разговора Вам предоставляется собственный физический канал передачи данных (то есть голоса) с некоторой пропускной способностью. С одной стороны, это гарантирует Вам, что для Ваших нужд канала хватит при любых условиях – ведь занимаете его Вы и только Вы; но, с другой стороны, когда Вы делаете в разговоре паузы – канал фактически простаивает, поэтому в среднем по времени его пропускная способность используется сравнительно мало. Отмечу, что такой взрывообразный характер трафика характерен для абсолютного большинства сетей передачи мультимедийных данных, да и для многих других тоже.
Во втором варианте – в сети с коммутацией пакетов – нескольким клиентам предоставляется один и тот же канал. На клиентском конце этого канала стоит мультиплексирующее оборудование, принимающее от клиентов пакеты данных, выстраивающее их в очередь и последовательно передающее эту очередь по имеющемуся каналу. Такой подход обеспечивает высокую эффективность использования канала – он практически не простаивает, но, с другой стороны, он не может обеспечить Вам гарантированное время задержки – если перед Вашим пакетом в очереди окажется пакет большого размера от другого клиента, то отправка Вашего пакета задержится на время, необходимое для передачи предыдущего. А так как размер стоящих в очереди пакетов может быть самым различным – то задержка не только велика, но еще и непредсказуема, что приводит к фактической невозможности передавать по каналам с коммутацией пакетов мультимедийные потоки в реальном времени (например, видеоконференции или даже обычный голос).
Технология ATM представляет собой золотую середину между коммутацией каналов и пакетов. В первую очередь, в ATM вводится понятие ячейки – пакета фиксированной длины. В современном стандарте длина ячейки составляет 53 байта, из которых 5 байт приходится на адрес и 48 байт – собственно на передаваемую информацию. Пришедшие от клиента пакеты разбиваются на так называемом адаптационном уровне ATM на ячейки, каждая ячейка снабжается адресной информацией и ставится в очередь. Казалось бы, здесь мы приходим к той же проблеме, что и с коммутацией пакетов – к непредсказуемым задержкам из-за наличия очереди; однако фиксированный размер ячейки, да еще и столь малый, в ATM был выбран не случайно – ячейки, содержащие 48-байтные куски пакетов разных пользователей, в очереди перемешиваются, поэтому задержки столь малы, что в абсолютном большинстве случаев можно ими пренебречь. К тому же в ATM введено понятие качества обслуживания (QoS, Quality of Service) – ячейки могут иметь разный приоритет: например, ячейки, в которых передается видеопоток, будут иметь приоритет выше, чем ячейки, в которых передаются некритичные к времени задержки данные. Технология эта совершенно аналогична реализации многозадачности в современных компьютерах – на самом деле в каждый момент времени выполняется только один процесс, но время переключения между процессами настолько мало, что с точки зрения человека они все выполняются одновременно.
Адаптационных уровней ATM (AAL – ATM Adaptation Level) всего пять, в зависимости от типа службы. Всего же в ATM принято выделять три уровня – физический (это непосредственно среда передачи данных, то есть в нашем случае ADSL; вообще же технология ATM не привязана к какой-либо конкретной среде передачи, поэтому позволяет легко объединять в единое целое разнородные сети), уровень ATM (он занимается непосредственной передачей и приемом ячеек) и описанный выше адаптационный уровень, приспосабливающий протоколы верхнего уровня к ячейкам ATM.
В технологии ATM также широко используется понятие виртуального соединения. В отличие от технологий, оперирующих физическими каналами связи, в ATM привязка к таковым (то есть указание адреса получателя пакета) осуществляется только на этапе установки соединения. После этого между двумя участвующими в обмене данными узлами устанавливается виртуальный канал, однозначно обозначенный двумя числами – идентификаторами виртуального пути (Virtual Path Identifier, VPI) и виртуального канала (Virtual Channel Identifier, VCI). Такое решение позволяет, во-первых, сильно сократить размер заголовка ячейки и, соответственно, время ее обработки, не указывая в нем полный адрес получателя, а, во-вторых, легко строить многосвязные сети (сети, в которых все узлы соединены попарно друг с другом), тем самым избавляясь от транзитных узлов, лишь вносящих дополнительные задержки в передачу данных. Для каждого виртуального пути можно создать несколько виртуальных каналов, что позволяет, например, при работе видеоконференции по одному каналу передавать изображение, по другому – звук, а по третьему – прочую сопутствующую информацию.

Протоколы передачи данных

С точки зрения провайдера использование ATM поверх ADSL на "последней миле" позволяет ему создать однородную сеть – как я отмечал выше, ATM не привязан к какой-либо конкретной физической среде передачи, как и к какой-либо конкретной скорости, так что вся сеть провайдера, включая внешние каналы связи, может быть построена на базе ATM, что заметно облегчает ее эксплуатацию. А вот с точки зрения пользователя не все так просто – абсолютное большинство существующего программного обеспечения не рассчитано на прямую работу с ATM, поэтому использование ATM "в чистом виде" требует серьезного его обновления.
Инкапсуляция протоколов в этом случае крайне проста: приложения работают непосредственно с ATM, ничего лишнего не задействовано (ниже на всех подобных таблицах голубым цветом отмечены "родные" протоколы ATM и физический уровень ADSL, желтым – "вспомогательные" протоколы, обеспечивающие совместимость с ПО, те или иные сервисы и тому подобное, а оранжевым – этапы инкапсуляции этих протоколов в ATM):


Наиболее распространенным способом решения проблемы адаптации ПО является инкапсуляция кадров привычного Ethernet в ячейки ATM (технология Ethernet over ATM, или, сокращенно, EoA, подробно описывается в документах RFC 1483 и более новом RFC 2684). Инкапсуляция выполняется на пятом адаптационном уровне ATM (AAL-5) непосредственно ADSL-модемом – соответственно, на клиентском компьютере требуется лишь наличие обычной сетевой карты, поддерживающего ее ПО, что является стандартом де-факто для любой сколь-нибудь современной системы.
Как видите, схема инкапсуляции заметно усложняется – теперь приложения работают с привычным им TCP/IP, далее пакеты TCP/IP транспортируются посредством Ethernet, а в модеме кадры Ethernet преобразуются в ячейки ATM (и обратно) в соответствии с RFC 2684:


Для обеспечения авторизации пользователей, динамической выдачи IP-адресов и подобных задач поверх сети Ethernet часто запускается еще один протокол – PPPoE (PPP over Ethernet), хорошо знакомый многим пользователям домашних сетей и являющийся аналогом знакомого любому владельцу модема протокола PPP (Point-to-Point Protocol).


В простейшем случае ADSL-модем работает в так называемом мостовом (bridge) режиме, конвертируя ячейки ATM в кадры Ethernet и обратно и передавая эти кадры на компьютер пользователя, где уже устанавливается – если это необходимо – программное обеспечение для реализации PPPoE (в Microsoft Windows XP оно, например, входит в стандартную поставку). Однако есть и модемы, способные самостоятельно запустить PPPoE-сессию и авторизоваться у провайдера.
Технология Ethernet over ATM хороша с точки зрения простоты подключения и стоимости пользовательского оборудования (достаточно модема, умеющего работать в мостовом режиме – а это самая дешевая разновидность модема), однако эффективность транспортировки больших Ethernet-пакетов путем их разбиения на 53-байтные ATM-ячейки сравнительно невысока. В значительной мере это компенсируется высокой (по сравнению с обычными модемами) скоростью ADSL-соединения, однако все же несколько затрудняет организацию видеоконференций (и вообще передачу мультимедийного трафика в реальном времени).
Однако, раз для авторизации пользователей мы традиционно используем протокол PPP, то что мешает инкапсулировать PPP-пакеты в ячейки ATM, тем самым избавившись от промежуточного слоя в виде описанного в первом варианте Ethernet'а? Этот метод получил название PPP over ATM (PPPoA) и подробно описан в документе RFC 2364. С одной стороны, при использовании PPPoA отпадает необходимость двойной инкапсуляции (Ethernet over ATM, а потом PPP over Ethernet), а с другой стороны – сохраняются все преимущества протокола PPP: удобный механизм авторизации пользователей, алгоритмы динамического присвоения IP-адресов и так далее. Разумеется, такой вариант означает, что либо на клиентском компьютере должен быть установлен ADSL-модем, не выполняющий никаких преобразований, и программный клиент PPPoA, либо модем должен уметь самостоятельно поддерживать PPPoA-сессию, передавая полученные данные на клиентский компьютер, например, по Ethernet-сети (отмечу, что здесь не идет никакой речи об инкапсуляции данных).


Также существует еще один метод – передача IP-пакетов по сети ATM (IP over ATM, или, сокращенно, IPoA), описанный в документе RFC 2225 (бывший RFC 1577). В последнее время этот вариант инкапсуляции приобретает все большую популярность.


Плюс к этому для каждого из типов инкапсуляции существует два возможных режима – LLC (Logical Link Control) и VC-Mux (Virtual Channel based Multiplexing). Подробно останавливаться на их отличиях я в данной статье не буду, отмечу лишь, что выбор конкретного режима, как и собственно протокола среди представленных выше, зависит от Вашего ADSL-провайдера.
Таким образом можно заключить, что с теоретической точки зрения выбор конкретных протоколов является компромиссом между сложностью настройки и эффективностью работы с одной стороны и поддержкой имеющегося аппаратного и программного обеспечения – с другой.

Пользовательское оборудование

С точки зрения пользователя все ADSL-модемы можно разделить на четыре группы – внутренние PCI-модемы, внешние модемы с интерфейсом USB, внешние модемы с интерфейсом Ethernet и внешние маршрутизаторы (роутеры) с интерфейсом Ethernet.
Внутренние ADSL-модемы по сравнению с внешними имеют те же достоинства и недостатки, что и модемы классические. С одной стороны, они не занимают место на столе, не требуют отдельного блока питания и заметно уменьшают количество проводов, но, с другой стороны, для установки требуют вскрытия системного блока (что не всегда возможно, если блок находится на гарантии и опечатан), а также не могут работать без драйверов, а потому, как правило, подходят только для пользователей MS Windows (как и в случае с классическими PCI-модемами, для альтернативных систем драйвера существуют далеко не всегда, да и качество их обычно оставляет желать лучшего). Настройка модема осуществляется с помощью специальной утилиты, поставляемой вместе с драйверами.

Ровно такую же функциональность, как и внутренние модемы, обеспечивают внешние USB-модемы. Они обладают всего двумя разъемами – USB и разъемом для подключения телефонной линии и, как правило, двумя индикаторами – один светодиод показывает, что модем включен, а другой – что установлено ADSL-соединение. Как и PCI-модемы, они могут работать только в мостовом режиме – даже если для модема заявлена поддержка PPPoE, то на практике это будет означать попросту наличие собственного PPPoE клиента в его драйвере. Опять же, для работы модему требуются драйвера, а для настройки – специальная утилита, так что пользователям систем, отличных от MS Windows, стоит как минимум предварительно выяснить наличие и качество работы драйверов под их ОС, а еще лучше – обратить внимание на модемы с интерфейсом Ethernet.

Более универсальны ADSL-модемы с интерфейсом Ethernet – для работы с ними от операционной системы требуется лишь поддержка протокола TCP/IP и любой сетевой карты с интерфейсом 10BaseT ("витая пара"), к которому и подключается модем. Настройка модема также не требует каких-либо специальных драйверов или утилит – она производится из любого броузера (модем имеет собственный HTTP-сервер и web-интерфейс для конфигурирования), а многие модемы поддерживают и подключение по telnet для сторонников командной строки. Существуют и двустандартные модемы, с обоими интерфейсами – как USB, так и Ethernet (например, Efficient Networks SpeedStream 5100 имеет только интерфейс USB, а SpeedStream 5200 – уже как USB, так и Ethernet).

Вообще говоря, теоретически такой модем можно подключать даже напрямую к хабу или свитчу, на котором организована домашняя локальная сеть, однако практически в этом, как правило, нет никакого смысла – эти модемы не поддерживают ни трансляции сетевых адресов (NAT, Network Address Translation), ни каких-либо методов авторизации (PPPoE либо PPPoA), они могут лишь выполнять функции конвертера между интерфейсами ATM и Ethernet. Таким образом, основное их преимущество над USB-модемами заключается в наличие интерфейса, поддерживаемого всеми современными ОС и, соответственно, в отсутствии необходимости в каких-либо специфических драйверах.
Как известно, наиболее распространенным способом подключения домашних (да, впрочем, и не только домашних) сетей к интернету в условиях, когда провайдер предоставляет только один IP-адрес, является использование трансляции сетевых адресов (NAT). В этом случае компьютерам внутри сети раздаются так называемые частные IP-адреса (часто их еще называют "серыми") – эти адреса могут использоваться любым желающим, но только в пределах локальной сети, в глобальной же Сети они не имеют какого-либо смысла. Очевидно, что по этой причине компьютеры с частными IP-адресами могут быть доступны только из той локальной сети, в которой они расположены – за ее пределами такая адресация теряет всякий смысл; поэтому для обеспечения доступа в интернет устанавливается сервер, имеющий сразу два адреса – "серый", соответствующий локальной сети, и "белый", доступный снаружи для всех желающих. Если же на сервер из локальной сети поступает пакет, идущий наружу – сервер подменяет в нем "серый" адрес отправителя на собственный "белый" адрес и отправляет дальше, одновременно запоминая, с какого "серого" адреса этот пакет пришел, чтобы, когда из интернета придет ответ на него, переправить этот ответ отправителю исходного пакета. Этот механизм и называется трансляцией сетевых адресов и обеспечивает наиболее прозрачный и наименее зависимый от используемых приложений и операционных систем способ подключения локальных сетей к интернету.
Разновидность ADSL-модемов, имеющих встроенную поддержку NAT, называется ADSL-роутерами. Кроме собственно NAT, большинство ADSL-роутеров поддерживают также PPPoE и PPPoA протоколы (то есть способны при необходимости самостоятельно авторизоваться у провайдера, без установки PPPoE-клиента на пользовательский компьютер), способны работать DHCP-сервером, автоматически раздавая IP-адреса и базовые настройки подключенным к ним компьютерам, а также имеют в своем составе DNS-сервер и файрволл. Иначе говоря, ADSL-роутер способен легко заменить отдельный сервер, полностью обеспечивая функционирование и доступ в интернет небольшой локальной сети. Конечно, для сколь-нибудь серьезной сети возможностей модема не хватит – в нем нет подсчета трафика для каждого из компьютеров сети, фильтрации URL'ов, кэширующего прокси-сервера и многого другого, однако для небольшой домашней сети, состоящей обычно максимум из трех-четырех компьютеров (например, один настольный компьютер и два ноутбука), такой модем является практически идеальным решением.

Как и рассмотренные выше Ethernet ADSL-модемы, роутеры подключаются через интерфейс Ethernet, причем в данном случае возможность подключить их к свитчу или хабу напрямую становится куда более заманчивой. Настройка модемов также осуществляется через web-интерфейс с помощью любого броузера, но многие модели поддерживают и такие протоколы, как telnet и SNMP. Зачастую Ethernet ADSL-модемы оказываются упрощенными версиями ADSL-роутеров, возможности которых ограничены программно – сравните, например, Zyxel Prestige 645M и 645R, или D-Link DSL-300G и DSL-500G.
Весьма привлекательны ADSL-роутеры и для домашних пользователей, имеющих только один компьютер. Во-первых, такой роутер за счет использования NAT позволяет отгородить компьютер от сети, полностью защитив его от червей, подобных MSBlast – дело в том, что к компьютеру, имеющему "серый" IP-адрес, невозможно получить прямой доступ из Интернета, ибо в качестве получателя пакета обязательно должен быть указан адрес "белый", то есть адрес роутера. Способа же указать роутеру извне, что этот пакет должен предназначаться для какого-либо из подключенных к нему локальных компьютеров, в общем случае не существует – поэтому все попытки атак будут приходиться на роутер, которому они не смогут причинить ни малейшего вреда хотя бы потому, что стоящая на нем ОС не имеет ничего общего с Windows. Кроме того, ADSL-роутер является полностью самостоятельным устройством, что весьма удобно, если у Вас на компьютере установлено несколько ОС – например, если Вы поменяли пароль у провайдера, то достаточно сменить его один раз в настройках роутера, а не править настройки PPPoE в каждой из систем. Да и собственно настройка ОС сводится лишь к настройке сетевого интерфейса на автоматическое получение IP-адреса и всей сопутствующей информации от роутера.
И, наконец, высшая категория ADSL-модемов – ADSL-роутеры со встроенными свитчами, точками доступа Wi-Fi, принт-серверами... Такой роутер позволяет организовать небольшую домашнюю сеть без использования какого-либо дополнительного оборудования, что не только весьма удобно, но и обходится дешевле покупки двух или трех отдельных устройств. Та же часть устройства, что отвечает за ADSL и доступ в интернет, ничем не отличается от таковой в обычных ADSL-роутерах.

Кроме модема, Вам также понадобится сплиттер или микрофильтры – в зависимости от того, как проложен телефонный кабель у Вас в квартире. Если есть возможность сделать отдельный отвод для модема между вводом кабеля в квартиру и первым телефоном, то выгоднее будет приобрести один сплиттер, если же такой возможности нет – потребуются микрофильтры, по одной штуке на каждый из установленных в квартире телефонов.

Перспективы развития

Полтора года назад, в начале 2003-го года, ITU (International Telecommunication Union – Международная Комиссия по Электросвязи, МКЭ) закончила разработку двух новых стандартов – ADSL2 (ITU G.992.3 и G.992.4 – эти два варианта отличаются между собой так же, как G.dmt и G.lite – во втором уменьшена как занимаемая частотная полоса, так и, соотвественно, скорость) и ADSL2+ (G.992.5), предоставляющего как увеличение пропускной способности ADSL-соединения, так и новую функциональность.
Стандарт ADSL2 больше нацелен именно на увеличение функциональности, а не скорости – последняя возросла всего лишь на 50 кбит/сек. по сравнению с ADSL при той же длине линии (либо, при той же скорости, появилась возможность удлинить линию на 200 метров). Заметно увеличилась помехоустойчивость связи при наличии узкополосной помехи (например, от радиостанций длинно- и средневолновых диапазонов), появилась возможность изменения накладных расходов протокола – если раньше они составляли 32 кбит/сек. вне зависимости от скорости соединения, то теперь на низких скоростях они могут уменьшаться до 4 кбит/сек., что заметно увеличивает скорости передачи пользовательских данных. Кроме того, ADSL2 позволяет в реальном времени собирать и обрабатывать информацию о состоянии соединения и качестве линии (последнее – даже в том случае, если соединение установить не удалось), что может быть крайне полезно провайдерам и телефонным компаниям при диагностике проблем.
Сильно сократилось энергопотребление ADSL2-трансиверов – если в нынешнем ADSL они всегда работают на полной мощности, то в ADSL2 появилось два дополнительных уровня энергосбережения, названные L2 и L3. ADSL2-трансивер работает на полной мощности (уровень L0) только при передаче непрерывного потока данных (например, если пользователь скачивает большой файл), если же наступает небольшой перерыв в передаче данных (например, когда пользователь просто гуляет по Сети, данные скачиваются весьма небольшими порциями), то модем может автоматически снизить скорость и перейти на уровень L2 с более чем вдвое сниженным энергопотреблением по сравнению с L0; переходы между L2 и L0 происходят практически мгновенно и без какой-либо потери информации, поэтому для пользователя они совершенно незаметны. Если же перерыв в передаче данных затягивается, то модем может уйти в "спячку" на уровень L3, вообще выключив трансиверы – правда, для возвращения из состояния L3 в L0 ему потребуется около трех секунд. Кстати, 3 секунды – это время установки соединения и при первом включении модема, против более чем десяти секунд у нынешних ADSL-модемов.
Пользующиеся обычными аналоговыми модемами достаточно долгое время наверняка помнят появление в протоколе V.32bis функции адаптивного изменения скорости (ASL), позволяющей модему менять скорость в зависимости от качества линии "на лету", то есть без переустановки соединения (ретрейна). Подобная технология появилась и в ADSL2 под названием Seamless Rate Adaptation (SRA) – теперь DSL-модемы могут изменять скорость без разрыва соединения или же каких-либо ошибок, то есть незаметно для пользователя. Например, если мешающая работе модема средневолновая радиостанция прекращает свое вещание в полночь – то вскоре после выключения ее передатчика модем сам поднимет скорость соединения.
Несомненно, помнят старожилы и появившуюся в Windows 98 и Windows NT 4.0 SP5 возможность объединения двух аналоговых модемов в пару – в то время это вызывало многочисленные споры, можно ли считать, что два модема по 56k каждый дадут суммарную скорость 112k, или же в реальности увеличение скорости будет не столь значительным. Впрочем, по причине отсутствия поддержки этого новшества со стороны большинства провайдеров, а также, главное, отсутствия у большинства пользователей второй телефонной линии проблема была скорее общетеоретической, нежели практической... Тем не менее, в ADSL2 появилась аналогичная возможность объединения модемов в пару (и даже больше), причем реализована эта возможность именно на уровне модема, а не операционной системы, что позволяет производителям выпускать многоканальные модемы (то есть однокорпусные устройства, подключающиеся сразу к нескольким линиям), позволяющие удвоить или даже утроить пропускную способность. Вряд ли они заинтересуют частных пользователей, но вполне могут оказаться полезны для организаций, для которых аренда лишней телефонной линии не представляет большой проблемы.
Появилась в ADSL2 и возможность создания виртуальных каналов, позволяющая сделать нечто подобное приоретизации трафика в ATM – например, для передачи голоса или видео можно выделить канал с низкой задержкой, но большим процентом ошибок, а для передачи данных – канал с маленьким процентом ошибок, но и сравнительно большой задержкой. На базе этой технологии предоставляется и так называемая функция Channelized Voice over DSL (CVoDSL), которая позволяет выделить из общего потока данных один или несколько 64-килобитных каналов для передачи голоса, как в обычной телефонной системе. Таким образом, так как пропускная способность ADSL2-модема много выше 64 кбит/сек., можно организовать на одной физической телефонной линии сразу несколько голосовых каналов, причем поддержка их будет осуществляться модемом на физическом уровне DSL, в отличие от технологий Voice over IP (VoIP, эта технология реализуется на уровне IP-сетей, а потому требует специального оборудования – то есть, грубо говоря, компьютера) и даже Voice over ATM (VoATM, эта технология реализуется посредством второго адаптационного уровня AAL2 ATM).
После прочтения предыдущего абзаца сама собой возникает мысль – а так ли нужна теперь совместимость ADSL2 с обычными телефонами, ведь теперь мы можем без проблем организовать сразу несколько цифровых телефонных каналов? И действительно, в ADSL2-модемах предусмотрена возможность отключить режим совместимости, после чего модем расширяет используемый им частотный диапазон в сторону низких частот, за счет чего увеличивает скорость восходящего потока данных на 256 кбит/сек. Разумеется, использовать при этом одновременно с модемом обычный телефон становится невозможно.
С точки же зрения домашнего пользователя наиболее существенные изменения произошли в ADSL2+ – по сравнению с ADSL2, частотная полоса, используемая для нисходящего потока данных, в нем расширена вдвое (в ADSL2 G.992.3 она простирается от 140 кГц до 1,1 МГц, в ADSL2+ – от 140 кГц до 2,2 МГц), что позволило увеличить скорость нисходящего потока до 24 Мбит/сек. Правда, эффективно это работает лишь на линиях длиной порядка полутора километров – при дальнейшем увеличении длины линии разница между ADSL2 и ADSL2+ быстро снижается и уже на линии протяженностью 2,5 км становится равной нулю.
Кроме того, ADSL2+ позволяет снизить взаимные наводки в кабеле между соседними линиями за счет использования диапазона 0,14...1,1 МГц для одной линии и 1,1...2,2 МГц для другой (при этом обе линии получают такую же скорость, как в ADSL2) – впрочем, здесь опять же подразумевается, что вторая линия должна быть не длиннее полутора километров, иначе заставить работать модем на ней только в высокочастотном диапазоне не удастся.
Уже существующие аппаратные решения позволяют как провайдерам, так и пользователям постепенно мигрировать на ADSL2 и ADSL2+ – так, например, в июне этого года компания Texas Instruments представила платформу Uni-DSL (UDSL), поддерживающую сразу пять стандартов – ADSL, ADSL2, ADSL2+, VDSL и пока еще не утвержденный ITU стандарт VDSL2 (его утверждение ожидается в течение 2005-го года, причем, в отличие от нынешнего VDSL, на больших расстояниях он не уступает ADSL по скорости, а идет вровень с ним). Таким образом, переход с ADSL на ADSL2/2+ будет происходить постепенно, без какой-либо перестройки существующей инфраструктуры, по мере постепенной модернизации оборудования провайдерами и пользователями.