Мультисервисные интерактивные кабельные сети с доступом в Интернет.
Автор: Баранова Екатерина (ekaterina.baranova@pobox.spbu.ru)
Вы когда-нибудь видели, какое количество проводов тянется к каждой квартире в самой обыкновенной многоэтажке? Телефон, электричество, телевизионные антенны общего пользования, кабельное телевидение. Вполне логично было бы попробовать использовать эти километры кабеля в целях организации локальных сетей с последующим подключением во всемирную паутину.
Интернет по телефонным проводам сегодня - это "вчерашний день", который до сих пор развивается только благодаря, так называемому, семейству технологий xDSL. Введение повременной абонентской платы за телефон, надоедливый процесс набора номера модемом и весьма низкое качество связи отпугивают потенциальных клиентов от "дозвонки". Стоимость же подключения к xDSL - каналам в последнее время снизилась до приемлемого уровня даже для частных пользователей, "фанатов" быстрого Интернета. Таким образом, семейство технологий xDSL можно отнести к одному из перспективных направлений доступа во всемирную сеть.
Другое возможное решение - это передача данных по электрическим сетям. За ними возможно будущее, однако здесь пока возникают проблемы с прохождением сигнала (к примеру, через трансформаторы: при каждом таком преобразовании информационный сигнал должен ретранслироваться отдельно), что приводит к высокой себестоимости услуг.
Существует другое доступное решение - Интернет по сетям кабельного телевидения. Отсутствие дополнительных затрат на кабель, повсеместное распространение кабельного телевидения не только в городе, но и в области делают этот вариант доступа в Интернет весьма привлекательным уже сегодня.
О достоинствах xDSL написано достаточно, я же постараюсь рассказать о некоторых преимуществах именно "кабельного" способа подключения. Данная статья посвящена обзору, так называемой, технологии "Coax-at-a-home" (дословно с английского - "коаксиал в любом доме"), в данный момент "набирающей обороты" на рынке Санкт-Петербурга.
История создания интерактивных кабельных сетей.
Фантастическая идея использования кабельной сети в качестве основы для построения интерактивных сетей начала активно развиваться в Америке и Канаде с середины прошлого десятилетия. Своему распространению технология Coax-at-a-home обязана компаниям HP, Intel и др., именно там начали появляться первые стандарты, абонентское и провайдерское оборудование. Публикацию в 1997 году первой версии стандарта DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specifications, спецификация для передачи данных по кабельным сетям) версии 1.0 можно условно считать рождением технологии.
В Европе новая технология стала активно использоваться уже после установления более или менее "обкатанного" стандарта построения кабельных сетей и используемой в них логики.
Российская реальность несколько отличается от процессов, происходящих за рубежом. Например, кабельное телевидение не пользуется у нас такой же популярностью, как, допустим, в США и Канаде, где более 40% пользователей подключаются к Интернет по сетям КТВ. По данным статистики, в Великобритании, уже сейчас общее количество подключений к сети Интернет с использованием кабельных модемов превышает количество клиентов ADSL, (статистика ведется с помощью учета произведенного и реализованного оборудования).
В России, к сожалению, дело обстоит совсем иначе. Сети кабельного телевидения, как таковые, начали развиваться в конце 80-х - начале 90-х годов, когда к действующим сетям добавлялась пара - тройка видеомагнитофонов, производивших трансляцию дополнительных "кабельных" программ.
После появления технологии, рассчитанной на тысячи абонентов, начался период объединения и модернизации кабельной сети. Важным шагом на пути к созданию мультисервисных интерактивных сетей должна стать замена одностороннего оборудования на "двухстороннее", т.е. организация обратного канала, подробнее о котором я расскажу ниже.
Однако кабельные сети уже пришли на рынок Санкт-Петербурга и сейчас можно назвать целый ряд компаний, предоставляющих доступ в Интернет с использованием каких либо модификаций кабельных технологий, среди них компании "Ред Нет" (Санкт-Петербург), Астра-Ореол (Гатчина), и другие.
"Физика" и стандартизация в кабельных сетях.
Кабельные сети, как и любые другие способы распространения информации, придерживаются некоторых "рекомендаций". Перечислю основные параметры "среднестатистического" кабельного телевидения и, в частности, его российского приложения.
Сигналы "чистого" кабельного телевидения можно условно разделить на два типа: передача звука и передача изображения. Разница между несущими частотами для передачи этих двух каналов информации - около 6,5 МГц. По частотному плану, при передачи канала целиком, на него отводиться около 8 МГц (8МГц - разница между двумя каналами после модуляции сигнала на головной станции и сложения его в оконечный вещательный сигнал). Стандартизация включает в себя не только частотные интервалы, способы модуляции сигнала и т.п., но и характеристики коаксиального кабеля, по которому сигнал распространяется от головной станции рядовым пользователям.
"Чисто-кабельная" сеть (назову так сеть, предназначенную только для передачи изображения и звука, причем в одном направлении) в целом строиться в виде дерева, при этом из-за разветвлений и всевозможных отражений от мест соединений кабеля сигнал необходимо усиливать. Для этой цели применяются широкополосные усилители (40 - 300 МГц, либо по новому стандарту: 40 - 860 МГц). Таким образом, частотный диапазон, используемый в советской (а позже и российской) практике кабельных сетей всего от 47 до 300 МГц.
При этом следует учесть один существенный недостаток: в российских кабельных сетях в большинстве своем не предусмотрен обратный канал, что делает невозможным использование данного вида "связи" для интерактивных услуг.
Мультисервисные кабельные сети.
Все вышесказанное относится к пассивным кабельным сетям "первого поколения". Мультисервисные интерактивные сети - это следующий шаг в освоении данного семейства технологий.
Для создания новой сети можно использовать уже проложенные коммуникации, однако, только часть из них будет пригодна для "повторного использования".
Рассмотрим характеристики, которыми должны обладать устройства и коммуникации для осуществления качественной передачи данных по кабельной сети в обоих направлениях.
В первую очередь, для Интернета (являющегося, как известно, интерактивным приложением) необходимо, как уже упоминалось, обеспечить обратную связь, т.е. заменить или дополнить существующий коаксиальный кабель таким образом, чтобы он поддерживал дуплексную передачу.
Стоит заметить, что, установив дополнительное оборудование (вместо замены кабеля), обратный канал можно "пустить" и по обычным телефонным проводам или, используя любой другой вид связи, но, как мне кажется, подобная "схема подключения" только усложнит работу провайдера и наверняка не оправдает затраченные средства. Кроме того, модемное подключение - это автоматическое "торможение" работы всей сети.
Следующее ограничение - "изоляция" абонентов друг от друга, ведь при использовании "стандартной" кабельной сети, нельзя дать гарантии того, что пользователь не создаст помех другим абонентам данной сети. Говоря о шумах и помехах, стоит вспомнить так же и возможную повышенную зашумленность обратного канала (как известно, более подвержен помехам низкочастотный сигнал).
Коротко "физика" передачи данных по среднестатистическому дуплексному кабельному каналу выглядит следующим образом. Нисходящему потоку данных (из Интернет) отводиться верхняя полоса спектра (частоты более 47 МГц), обратный поток умещается в интервале 5 - 30 МГц. Здесь, как и в ADSL, используется идея о том, что сеть Интернет - асимметричный сервис, т.е. в сторону пользователя передаются большие объемы информации, чем в сторону глобальной сети.
С другой стороны, при обеспечении достаточной пропускной способности обратного канала (используя разумные методы разделения потоков информации в обратном канале от различных пользователей) кабельные сети вполне можно "приблизить" к симметричному сервису. Все зависит от наличия свободного интервала частот вне "стандартного" места расположения обратного канала.
Дополнительное "железо" для кабельной сети.
Для доступа к Интернет с использованием существующих кабельных сетей необходимо как со стороны абонента, так и со стороны провайдера установить дополнительное оборудование.
Со стороны абонента для приема сигнала из кабельной сети необходимо установить кабельный модем. Насколько мне известно, первые кабельные модемы появились в середине 80-ых. Они необходимы для преобразования сигнала (модуляцией и демодуляций) при передаче по кабельной сети, т.е., грубо говоря, модем должен "уместить" полезную информацию в описанный стандартом частотный интервал (8 МГц). Однако чаще всего, модемы проектируются с учетом полосы пропускания в 6 МГц.
Кабельный модем чаще всего является внешним устройством. Широко распространены модемы, рассчитанные на подключение 10 - 15, а иногда и более 30-ти пользователей, что существенным образом позволяет снизить первоначально высокие затраты. К примеру, в многоквартирных домах удобно устанавливать кабельные модемы в подъездах.
В связи с "множественным подключением" к одному кабельному модему, данный тип устройств должен "вести себя" как полноценный сетевой маршрутизатор, при этом поддерживая до 32 МАС-адресов.
Быстрорастущее снижение цен на "стандартные модели" кабельных модемов (рассчитанных на одного пользователя) позволяет провайдерам увеличивать уровень безопасности в локальной сети, не повышая при этом стоимость услуги (внутри кабельной сети сигнал подвергается дополнительному шифрованию, что позволяет провайдеру не обеспечивать каждый сегмент сети отдельным администратором для наблюдения за корректностью пользователей).
Компьютер пользователя подключается к любому кабельному модему с использованием интерфейса 10/100Base-T (т.е. через обыкновенную сетевую карту), таким образом, абоненту нет надобности приобретать и устанавливать дополнительное программное обеспечение или искать драйвера экзотических устройств: данный интерфейс поддерживается почти всеми операционными системами "по умолчанию". Для подключения кабельного модема к кабельной сети применяется стандартная схема подключения дополнительного телевизора. Как правило, это свободная ТВ розетка, установка на квартирном ТВ кабеле обыкновенного сплиттера (делитель ТВ сигналов 1х2).
Со стороны провайдера должны быть установлены либо IP-маршрутизаторы, имеющие кабельный интерфейс для подключения в кабельную сеть, либо так называемый головной модем.
Наиболее широко распространены маршрутизаторы Cisco (модели uBR7223, uBR7114), имеющие слоты для подключения к кабельной сети. Еще одна необходимая "деталь" - установленное и настроенное со стороны провайдера программное обеспечение, управляющее всей системой.
Для обеспечения "внутренней прозрачности", т.е. для организации полноценной локальной компьютерной сети среди клиентов провайдера, подключенных к одной головной станции, необходимо так же обеспечить преобразование частот из нижней полосы спектра в верхнюю и обратно (при "прямом" соединении двух клиентов, исходящий трафик одного будет входящим для другого, таким образом, на головной станции необходимо из полосы обратного канала "перебросить" информацию в прямой канал). Устройство, обеспечивающее вышеописанное преобразование, носит название частотного конвертора (трансвертор).
Взгляд на "сеть в целом".
Кроме чисто кабельных сетей можно выделить ряд гибридных широкополосных сетей. Современные сети строятся на основе гибридной оптико-коаксиальной технологии (hibrid fiber - coax, HFC). При этом в оптической части сети используется амплитудная модуляция, а сигнал при этом может без существенных искажений и потерь передаваться на расстояния до 80 км. Для передачи по оптическим линиям каналы модулируются не по отдельности, а все сразу, как будто это единый широкополосный сигнал, при этом для несущей частоты выбирается длина волны либо 1310 нм, либо 1550 нм. Оптические каналы, например, могут образовать "основную сеть" (от распределительной коробки провайдера до распределителя на дом или группу домов), а для окончательной разводки можно использовать коаксиал. При этом один оптический узел поддерживает до 3000 абонентов. Пример такой гибридной сети - это участок сети компании "Ред Нет" (совместно с оператором КТВ "ПАКТ") в Выборгском районе, запущенный в июне 2002 года. "Оптическая связь" осуществлена с помощью оборудования компаний ANTEC Corporation и Motorola.
Отдельный разговор - это так называемые сети HFPC (hibrid fiber - passive coax, гибридные кабельные сети с пассивным коаксиалом). Общая схема действия походит на HFC-сети за одним лишь исключением: сигнал, выходя с оптического канала, распространяется по коаксиалу в чисто пассивной форме. Подобные "ухищрения" позволяют повысить качество как прямого, так и обратного каналов, и, кроме того, снижают сложности при обслуживании сети.
При построении сети необходимо находить равновесие между преимуществами какой-либо конструкции с точки зрения физики и затратами, необходимыми на осуществление такой "схемы". Идеальным вариантом для каждого абонента было бы подключение по "выделенной" кабельной линии, однако подобные технологии начали развиваться не для того, чтобы потом перерасти в уже существовавшие ранее идеи. Основная идея создания доступа по кабельной сети - максимальная дешевизна при наилучшем качестве. Поэтому вариант "выделенной линии" отпадает сразу.
Сеть, как и при использовании некоторых других "коллективных" подключений строиться в большинстве случаев по такому принципу: для начала прокладывается "магистральный канал", связывающий основные точки подключения пользователей. В волоконно-оптических сетях это волновод, ну а в данном случае это коаксиальный кабель с минимальным количеством усилителей высокого качества (для снижения возможных потерь на активных элементах сети), это может быть, например, "провод", проходящий через дома определенного района. На практике количество усилителей не бывает менее двух, хотя чаще всего применяется около 6 - 8.
От магистрального "тракта" в свою очередь организуются ответвления с усилителями более низкого качества (для снижения себестоимости полной сети), в нашем примере это могут быть "провода", уходящие на отдельные лестничные площадки в каждом доме. Точки подключения располагаются на концах ответвлений, грубо говоря, на лестничных площадках.
Протоколы, стандарты и логика.
При передаче сигналов "чистого" кабельного телевидения в России используется европейский стандарт CENELEC EN 50083 (другое его название - CENELEC42), определяющий не только активное или пассивное оборудование коаксиальной сети, кабель и оборудование головных станций, но и требования к общей безопасности системы.
Для передачи по кабельной сети "полезной информации" чаще всего используется стандарт DOCSIS. Данный стандарт является далеко не единственным, но на данный момент, DOCSIS имеет наибольшую "технологическую базу", таким образом, операторы, обращающиеся к нему, могут рассчитывать на то, что работа над стандартом не будет закрыта в ближайшее время. Стандарт DOCSIS устанавливает значения параметров для первого и второго уровней протокола модели взаимодействия открытых систем, и, в добавление к этому, описывает вопросы, касающиеся непосредственно Интернета.
По сертификации DOCSIS, нисходящий поток данных (из Интернет) передается в полосе 50 - 860 МГц, восходящий поток - в полосе 5 - 30 МГц. При этом передача организуется в свободном от аналоговых каналов частотном интервале.
Данный стандарт рассчитан на использование одного из четырех различных видов модуляции: QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), 16QAM (Quadrature Amlitude Modulation, Квадратичная амплитудная модуляция), 64QAM, 256QAM.
В первом случае скачкообразно изменяется только фаза несущей частоты "полезного" сигнала, во всех остальных видах модуляции кроме фазы сигнала, для усиления мощности модуляции меняется его амплитуда. Различные виды модуляции рабочего сигнала используются в кабельных сетях для того, чтобы по возможности снизить вероятность ошибки при передаче. Благодаря высокой надежности кабельного соединения, провайдер может "позволить себе" контролировать длину оправляемых пакетов, т.е. при ее увеличении, снижать процент передаваемой служебной информации, таким образом, увеличивая скорость "полезного сигнала".
Самая высокопроизводительная модуляция обеспечивает скорость передачи до 55 Мегабит в секунду, ее и будем считать "теоретическим порогом" для кабельной сети. Стандарт DOCSIS устанавливает порог в скорости передачи существенно ниже потенциально возможного: 38 Мегабит в секунду, а европейская "разновидность" стандарта (EuroDOCSIS, использующий "медь" почти на 30% эффективнее) - 52 Мегабитами в секунду.
Скорость восходящего потока устанавливается в пределах 10 Мегабит в секунду.
Сетевой трафик качественно отличается от передачи цифрового телевидения, т.к. более высоко стоящие (по классификации уровней взаимодействия открытых систем) сетевые протоколы позволяют не только обнаруживать ошибки в передаче с помощью проверки контрольных сумм проходящих пакетов, но и исправлять эти ошибки "на лету".
Основной параметр кабельной сети, используемый в данном случае - это BER (Bit Error Rate), или величина вероятности ошибки, которая для сетевого трафика, передаваемого по кабельной сети, может быть порядка 1/10 в 8 степени (для сравнения, при передаче сигнала цифрового телевидения тот же параметр должен иметь величину не более 1/10 в 11 степени).
Стоит заметить, что вероятность возникновения ошибки может быть понижена уже при построении конкретной сети при использовании оборудования высокого качества (к примеру, тройного экранирования коаксиальных кабелей, пассивных делителей, ответвления с наибольшим экранированием) или особой топологии.
Что касается разделения сигналов от различных абонентов в кабельной сети, на данный момент существует три модификации стандарта DOCSIS: 1.0, 1.1, 2.0, последняя модификация, по моим сведениям, находится еще на стадии проекта. DOCSIS 1.0 и 1.1 использует временное разделение частотного интервала, т.е. технологию TDMA (Time Division Multiple Access, множественный доступ с временным разделением). Передача производиться покадрово. При этом в каждом кадре "зарезервировано" место под определенный поток данных, примером сети, где, кроме DOCSIS, используется TDMA, является сотовая сеть стандарта GSM.
В новом проекте DOCSIS 2.0 впервые планируется введение технологии разделения широкополосного сигнала CDMA (Code Division Multiple Access, Множественный доступ с кодовым разделением). Основные преимущества подобного деления частотного интервала - это большая ширина полосы пропускания для каждого отдельного канала, а так же возможность вместить существенно большее количество потоков "одновременно". Кроме того, CDMA отличают высокая помехоустойчивость и защита от "информационных пиратов", т.е. конфиденциальность.
Преимущества.
После рассмотрения технической стороны вопроса, хотелось бы упомянуть, что именно это дает конечному пользователю.
Быстрый Интернет - это, в первую очередь, очень удобно. Отсутствует утомительная процедура "дозвонки" до провайдера, "проверки имени и пароля:" и т.п., компьютер постоянно включен в сеть, работает "ICQ", почта и т.д.
Благодаря высокой скорости (намного превышающей нужды домашнего пользователя) становятся доступны дополнительные ресурсы всемирной сети (радио, телевидение, IP-телефония, голосовые чаты, видеоконференции и т.п.) и различные интерактивные развлечения, предлагаемые провайдером (видео по запросу, обучающие и развлекательные программы, игры, социологические опросы, заказ программ и т.п.).
На данный момент, правда, не все виды интерактивных услуг кабельной сети доступны российским пользователям. Рассмотрим, к примеру, возможности предоставления "видео по запросу". Услуга кажется простой только на первый взгляд, на самом деле передача цифрового видеосигнала сопряжена с рядом трудностей, которые успешно можно преодолеть на базе интерактивной мультисервисной кабельной сети. Однако, слишком высокие требования к файловому серверу (месту накопления видеофайлов) делают эту услугу достаточно дорогой и недоступной российскому пользователю, а также малоокупаемой для компаний - провайдеров.
Абонентская часть для получения услуги "видео по запросу" может состоять либо из компьютера, либо из устройства, оснащенного неким подобием микропроцессора и занимающегося только декодированием сжатого формата MPEG-2 (или MPEG-4), в котором передается видео по сети, в изображение и звук на экране телевизора. Стоит отметить, что видео - трафик существенно отличается от потока данных тем, что при просмотре видео нельзя устанавливать произвольную задержку между отправленными по сети пакетами с данными. При несоблюдении временного интервала, "связной картинки" не получится. Видео либо будет задерживаться "по пути", либо накапливаться в буфере компьютера (или другого устройства для просмотра) до тех пор, пока он не будет переполнен. Такой жесткий контроль за передачей данных одновременно большему количеству пользователей пока невсегда доступен российским провайдерам.
Те же требования предъявляет к оборудованию услуга "видеоконференцсвязи", однако объемы передаваемой по сети информации в последнем случае меньше, т.к. к видеосигналу предъявляются меньшие требования (пользователи не слишком требовательны к качеству картинки или звука).
Как уже упоминалось, "видео по запросу" - не единственное приложение кабельных интерактивных сетей. Все более популярной становиться IP-телефония по кабельной сети.
Так же в ведомство сети можно отдать, к примеру, процесс наблюдения за квартирой в ваше отсутствие (например, с помощью веб-камеры) и много других полезных функций. Среди новшеств, предлагаемых клиентам, можно выделить охранно-пожарную сигнализацию с видеоизображением объекта, сбор информации о расходе воды, газа и тепла в единую точку наблюдения и много других полезных функций.
Ну и конечно, подобный способ выхода в Интернет позволяет дополнительно пользоваться преимуществами локальной сети (например, внутри многоквартирного дома) с файловыми архивами, "складами" фильмов и музыки.
И еще одно неоспоримое достоинство - стоимость подключения доступна любому частному пользователю и сопоставима по цене с качественным Интернетом по телефонным линиям. Например, клиенты провайдера "Ред Нет", пользующиеся услугой доступа в Интернет по сетям КТВ, платят в среднем 25 - 30$ в месяц в зависимости от выбранной скорости и оплаты входящего трафика.
Коротко о том, что уже создано.
Интернет через кабельные сети не является "новинкой" и в Санкт-Петербурге. Для примера рассмотрим сеть компании "Ред Нет". Провайдер предоставляет свои услуги в Выборгском (совместно с оператором КТВ "ПАКТ") и Василеостровском (на базе оператора КТВ "Каравелла") районах. Первая сеть компании начала свою работу уже в 1999 году.
По аналогичной схеме развиваются интерактивные кабельные сети Ленинградской области. В Гатчине услуги высокоскоростного Интернета предлагает компания "Астра-Ореол" (кабельный оператор "Ореол" совместно с провайдером "Визард"). В Петербурге в тестовом режиме осуществляют предоставление услуги доступа в Интернет по сетям КТВ операторы "Катрина" (Василеостровский район). О своей готовности в ближайшее время к запуску интерактивной сети с предоставлением доступа в Интернет заявили сразу три оператора: "Теликс", "ТелеПлюс", и ЗАО "КТВ "Аврора".
Заключение.
Думаю, преимущества кабельных сетей по сравнению с той же "дозвонкой" очевидны. К сожалению, не в каждом районе нашего города существуют операторы, готовые предоставить вам данную услугу по разумной цене. Однако работа над общегородской сетью ведется весьма активно, а потому тем, до кого кабельное телевидение еще не "доведено" остается ожидать лучшего.
"ТелекомPrice", №26
|
