Введение

Семейство технологий, используемых для передачи цифровых данных по телефонным линиям. Цифровая абонентская линия (DSL; первоначально – цифровая абонентская петля) – это семейство технологий, используемых для передачи цифровых данных по телефонным линиям. В маркетинге телекоммуникаций термин DSL обычно понимается как асимметричная цифровая абонентская линия (ADSL), наиболее распространенная технология DSL для доступа в Интернет. В ADSL скорость передачи данных в направлении к провайдеру (upstream) ниже, что и обуславливает название "асимметричная" услуга. В симметричных цифровых абонентских линиях (SDSL) скорости передачи данных в обоих направлениях (upstream и downstream) равны. Услуга DSL может предоставляться одновременно с проводной телефонной связью по одной и той же телефонной линии, поскольку DSL использует более высокие частотные диапазоны для передачи данных. На стороне клиента на каждый телефон устанавливается DSL-фильтр для предотвращения нежелательного взаимодействия между DSL и телефонной связью. Скорость передачи данных в потребительских ADSL-услугах обычно варьируется от 256 кбит/с до 25 Мбит/с, в то время как более поздняя технология VDSL+ обеспечивает скорость от 16 Мбит/с до 250 Мбит/с в направлении к клиенту (downstream), и до 40 Мбит/с в направлении к провайдеру (upstream). Фактическая производительность зависит от технологии, состояния линии и уровня предоставляемой услуги. Исследователи из Bell Labs достигли скорости SDSL более 1 Гбит/с, используя традиционные медные телефонные линии, однако такие скорости пока недоступны для конечных пользователей.

История

Первоначально считалось, что эксплуатация обычной телефонной линии за пределами низких скоростей (обычно менее 9600 бит/с) невозможна. В 1950-х годах обычные телефонные кабели с витой парой часто передавали телевизионные сигналы частотой четыре мегагерца (МГц) между студиями, что указывало на то, что такие линии могли бы обеспечить передачу нескольких мегабит в секунду. Один из таких каналов в Великобритании протяженностью около 16 километров соединял студии BBC в Ньюкасле-апон-Тайне со станцией передачи на Понтоп-Пайке. Однако эти кабели имели и другие искажения, помимо гауссовского шума, что препятствовало достижению таких скоростей на практике. В 1980-х годах были разработаны методы широкополосной связи, позволившие значительно расширить этот предел. В 1979 году был подан патент на использование существующих телефонных проводов как для телефонов, так и для терминалов передачи данных, подключенных к удаленному компьютеру через цифровую систему передачи данных. Стимулом для разработки технологии цифровой абонентской линии (DSL) стала спецификация Integrated Services Digital Network (ISDN), предложенная в 1984 году CCITT (ныне ITU-T) в рамках Рекомендации I.120, позднее использованная в качестве цифровой абонентской линии ISDN (IDSL). Сотрудники Bellcore (ныне Telcordia Technologies) разработали асимметричную цифровую абонентскую линию (ADSL), размещая широкополосные цифровые сигналы на частотах выше существующего базового аналогового голосового сигнала, передаваемого по обычной кабельной связи с витой парой между телефонными станциями и абонентами. В 1988 году AT&T Bell Labs подала патент на базовую концепцию DSL. Вклад Джозефа В. Лехлейдера в развитие DSL заключался в его понимании того, что асимметричная схема обеспечивает более чем вдвое большую пропускную способность по сравнению с симметричной DSL. Это позволило интернет-провайдерам предлагать эффективные услуги потребителям, которые получили значительную выгоду от возможности загружать большие объемы данных, но редко нуждались в загрузке сопоставимых объемов. ADSL поддерживает два режима передачи: канал быстрой передачи и канал с чередованием. Канал быстрой передачи предпочтителен для потоковой передачи мультимедиа, где случайная потеря бита допустима, но задержки менее желательны. Канал с чередованием лучше подходит для передачи файлов, где передаваемые данные должны быть безошибочными, но допустима задержка, вызванная повторной передачей пакетов с ошибками. ADSL, ориентированный на потребителей, был разработан для работы на существующих линиях, уже подготовленных для услуг Basic Rate Interface ISDN. Инженеры разработали высокоскоростные DSL-услуги, такие как высокоскоростная цифровая абонентская линия (HDSL) и симметричная цифровая абонентская линия (SDSL), для предоставления традиционных услуг Digital Signal 1 (DS1) по стандартным медным линиям. Более ранние стандарты ADSL обеспечивали скорость 8 Мбит/с для абонента по неэкранированной витой паре медного провода. Более новые варианты улучшили эти показатели. Расстояния, превышающие определенное значение, значительно снижают полезную пропускную способность проводов, тем самым снижая скорость передачи данных. Однако ADSL-ретрансляторы увеличивают эти расстояния, повторяя сигнал, что позволяет местному оператору связи (LEC) предоставлять скорость DSL на любом расстоянии. До конца 1990-х годов стоимость цифровых сигнальных процессоров для DSL была непомерно высокой. Все типы DSL используют высокосложные алгоритмы цифровой обработки сигналов для преодоления присущих ограничений существующих проводов с витой парой. Благодаря достижениям в технологии сверхбольшой интеграции (СБИ), стоимость оборудования, связанного с развертыванием DSL, значительно снизилась. Основными элементами оборудования являются мультиплексор доступа к цифровой абонентской линии (DSLAM) на одном конце и DSL-модем на другом. DSL-соединение может быть развернуто по существующей кабельной инфраструктуре. Такое развертывание, включая оборудование, намного дешевле, чем прокладка нового волоконно-оптического кабеля с высокой пропускной способностью по тому же маршруту и на то же расстояние. Это справедливо как для ADSL, так и для SDSL. Коммерческий успех DSL и аналогичных технологий во многом отражает достижения в области электроники за последние десятилетия, которые повысили производительность и снизили затраты, хотя прокладка траншей в земле для новых кабелей (медных или волоконно-оптических) по-прежнему остается дорогостоящей. Эти преимущества сделали ADSL более привлекательным вариантом для клиентов, которым требуется доступ в Интернет, чем модем с коммутируемым набором номера, а также позволили одновременно принимать голосовые вызовы и передавать данные. Телефонные компании также испытывали давление с целью перехода на ADSL из-за конкуренции со стороны кабельных компаний, использующих технологию кабельных модемов DOCSIS для достижения аналогичной скорости. Спрос на приложения с высокой пропускной способностью, такие как видео и обмен файлами, также способствовал популярности технологии ADSL. Одни из первых полевых испытаний DSL были проведены в 1996 году. Для раннего обслуживания DSL требовалась выделенная «сухая линия», но когда Федеральная комиссия по связи США (FCC) потребовала от действующих местных операторов связи (ILEC) сдать в аренду свои линии конкурирующим поставщикам услуг DSL, стала доступной DSL с совмещенной линией. Также известная как DSL через разделенный сетевой элемент, эта декомпозиция услуг позволяет одному абоненту получать две отдельные услуги от двух разных поставщиков по одной кабельной паре. Оборудование поставщика услуг DSL размещается совместно на той же телефонной станции, что и оборудование ILEC, предоставляющего существующую голосовую услугу клиенту. Цепь абонента перекоммутируется для взаимодействия с оборудованием, поставляемым ILEC, которое объединяет частоту DSL и сигналы POTS на одной медной паре. С 1999 года некоторые провайдеры начали предлагать микрофильтры, которые устанавливались внутри помещения и выполняли ту же функцию, что и DSL-разделители, которые устанавливались снаружи, а именно разделение частот ADSL и частот POTS, используемых для телефонных вызовов. Эти фильтры появились из-за желания сделать возможной самостоятельную установку услуг DSL и устранить ранние наружные DSL-разделители, которые устанавливались на или вблизи точки разграничения между клиентом и провайдером. К 2012 году некоторые операторы связи в Соединенных Штатах сообщили, что DSL-удаленные терминалы с волоконно-оптической магистралью заменяют старые системы ADSL.

Операция

Телефоны подключаются к телефонной станции через локальную петлю, представляющую собой физическую пару проводов. Локальная петля изначально предназначалась в основном для передачи речи, охватывая звуковой частотный диапазон от 300 до 3400 герц (коммерческая полоса пропускания). Однако, по мере постепенного перехода магистральных линий связи от аналоговой к цифровой эксплуатации, укрепилась идея передачи данных через локальную петлю (с использованием частот выше речевого диапазона), что в конечном итоге привело к появлению DSL. Локальная петля, соединяющая телефонную станцию с большинством абонентов, способна передавать частоты, значительно превышающие верхний предел 3400 Гц POTS. В зависимости от длины и качества петли, верхний предел может достигать десятков мегагерц. DSL использует эту неиспользованную полосу пропускания локальной петли, создавая каналы шириной 4312,5 Гц, начиная от 10 до 100 кГц, в зависимости от конфигурации системы. Выделение каналов продолжается на более высоких частотах (до 1,1 МГц для ADSL), пока новые каналы не будут признаны непригодными для использования. Каждый канал оценивается на предмет пригодности аналогично тому, как аналоговый модем оценивает соединение POTS. Большее количество пригодных каналов означает большую доступную полосу пропускания, поэтому расстояние и качество линии являются важными факторами (более высокие частоты, используемые DSL, распространяются только на короткие расстояния). Затем пул пригодных каналов разделяется на две различные частотные полосы для восходящего и нисходящего трафика на основе предварительно настроенного соотношения. Это разделение снижает взаимные помехи. После установления групп каналов отдельные каналы объединяются в пару виртуальных цепей, по одной в каждом направлении. Как и аналоговые модемы, DSL-трансиверы постоянно контролируют качество каждого канала и добавляют или удаляют их из обслуживания в зависимости от их пригодности. После установления восходящих и нисходящих цепей абонент может подключиться к сервису, такому как интернет-провайдер, или к другим сетевым сервисам, например, к корпоративной сети MPLS. Базовая технология передачи данных по DSL использует модуляцию высокочастотных несущих, что является аналоговой передачей сигнала. DSL-схема заканчивается на каждом конце модемом, который модулирует последовательности битов в определенные высокочастотные импульсы для передачи на противоположный модем. Сигналы, полученные от удаленного модема, демодулируются для получения соответствующей последовательности битов, которую модем передает в цифровом виде на подключенное оборудование, такое как компьютер, маршрутизатор, коммутатор и т.д. В отличие от традиционных dial-up модемов, которые модулируют биты в сигналы в звуковой базовой полосе 300–3400 Гц, DSL-модемы модулируют частоты от 4000 Гц до 4 МГц. Это разделение частотных полос позволяет сервисам DSL и обычным телефонным услугам (POTS) сосуществовать на одних и тех же кабелях, известных как кабели телефонной разводки. На абонентской стороне цепи на каждом телефоне устанавливаются встроенные DSL-фильтры, которые пропускают голосовые частоты, но фильтруют высокочастотные сигналы, которые в противном случае были бы слышны как шипение. Кроме того, нелинейные элементы в телефоне могут генерировать слышимую интермодуляцию и ухудшать работу модема данных в отсутствие этих фильтров нижних частот. Модуляции DSL и RADSL не используют речевой частотный диапазон, поэтому высокочастотные фильтры встроены в схемы DSL-модемов для фильтрации голосовых частот. Поскольку DSL работает выше предела голосовой частоты 3,4 кГц, он не может проходить через катушку индуктивности, которая предназначена для компенсации потерь, вызванных емкостью между проводами витой пары. Катушки индуктивности обычно устанавливаются через регулярные промежутки на линиях POTS. Голосовая связь не может поддерживаться на определенном расстоянии без этих катушек. Поэтому некоторые районы, находящиеся в зоне действия DSL, могут быть признаны не соответствующими требованиям из-за расположения катушек индуктивности. В связи с этим телефонные компании стремятся удалить катушки индуктивности с медных линий, которые могут работать без них. Более длинные линии, требующие их, могут быть заменены оптоволокном до ближайшего узла (FTTN). Большинство домашних и малых офисных DSL-реализаций резервируют низкие частоты для POTS, чтобы (с использованием подходящих фильтров и/или разделителей) существующие голосовые услуги продолжали работать независимо от DSL. Таким образом, коммуникации на основе POTS, включая факсимильные аппараты и dial-up модемы, могут совместно использовать кабели с DSL. Одновременно к абонентской линии может быть подключен только один DSL-модем. Стандартный способ предоставления доступа к DSL-соединению нескольким компьютерам — использование маршрутизатора, который устанавливает соединение между DSL-модемом и локальной сетью Ethernet, Powerline или Wi-Fi на территории клиента. Теоретические основы DSL, как и многих коммуникационных технологий, восходят к основополагающей работе Клода Шеннона 1948 года «Математическая теория связи». Как правило, более высокая скорость передачи данных требует более широкой полосы пропускания, хотя соотношение скорости передачи данных к символьной скорости и, следовательно, к полосе пропускания не является линейным из-за значительных инноваций в области цифровой обработки сигналов и методов цифровой модуляции.

Голый DSL

Naked DSL – это способ предоставления только услуг DSL по локальной линии. Это выгодно, когда клиенту не требуется традиционная телефонная связь, поскольку голосовые услуги предоставляются либо поверх услуг DSL (обычно VoIP), либо через другую сеть (например, мобильную связь). В США это также называют элементом сети, предоставленным в аренду (UNE); в Австралии – безусловной локальной линией (ULL); в Бельгии – "чистой медью", а в Великобритании – Single Order GEA (SoGEA). Повторное распространение этой технологии в США началось в 2004 году, когда Qwest начала её предлагать, за ней последовала Speakeasy. В результате слияния AT&T с SBC и Verizon с MCI, эти телефонные компании обязаны предоставлять потребителям Naked DSL.

Типичная установка

С клиентской стороны DSL-модем подключается к телефонной линии. Телефонная компания соединяет другой конец линии с DSLAM, который концентрирует большое количество отдельных DSL-соединений в одном устройстве. DSLAM не может находиться слишком далеко от клиента из-за затухания сигнала между DSLAM и DSL-модемом пользователя. Обычно к одной DSLAM подключаются несколько жилых кварталов. На рисунке выше представлена схема простого DSL-соединения (синим цветом). Справа показана DSLAM, расположенная на телефонной станции телефонной компании. Слева – оборудование на стороне клиента с опциональным маршрутизатором. Маршрутизатор управляет локальной сетью, соединяющей компьютеры и другие локальные устройства. Клиент может выбрать модем, объединяющий в себе маршрутизатор и беспроводную точку доступа. Этот вариант (внутри пунктирной рамки) часто упрощает подключение.

Обменное оборудование

На узле обмена цифровой мультиплексор доступа к абонентской линии (DSLAM) завершает линии DSL и агрегирует их, после чего передает другим сетевым каналам связи. DSLAM разрывает все соединения и восстанавливает исходную цифровую информацию. В случае ADSL голосовой компонент также отделяется на этом этапе, либо фильтром или разделителем, встроенным в DSLAM, либо специализированным фильтрующим оборудованием, установленным перед ним. Для обеспечения работы DSL необходимо удалить индуктивные катушки на телефонных линиях, используемых для увеличения дальности связи в сельской местности, так как они пропускают по телефонным кабелям только частоты до 4000 Гц.

Оборудование заказчика

Клиентская часть соединения состоит из DSL-модема. Он преобразует данные между цифровыми сигналами, используемыми компьютерами, и аналоговым сигналом напряжения в подходящем частотном диапазоне, который затем подается на телефонную линию. В некоторых вариантах DSL (например, HDSL) модем подключается непосредственно к компьютеру через последовательный интерфейс, используя протоколы, такие как Ethernet или V.35. В других случаях (особенно ADSL) оборудование на стороне клиента часто интегрировано с функциями более высокого уровня, такими как маршрутизация, межсетевой экран или другое специализированное аппаратное и программное обеспечение. В этом случае оборудование называется шлюзом. Большинству технологий DSL требуется установка соответствующих DSL-фильтров в помещении клиента для разделения сигнала DSL и низкочастотного голосового сигнала. Разделение может происходить либо в точке разграничения, либо с помощью фильтров, установленных в телефонных розетках на территории клиента. Шлюз DSL может включать в себя фильтр и обеспечивать подключение телефонов через шлюз. Современные DSL-шлюзы часто интегрируют функции маршрутизации и другие возможности. Система загружается, синхронизирует DSL-соединение и, наконец, устанавливает интернет-IP-сервисы и соединение между локальной сетью и поставщиком услуг, используя протоколы, такие как DHCP или PPPoE.

Протоколы и конфигурации

Многие технологии DSL реализуют слой Асинхронного режима передачи (ATM) поверх низкоуровневого битового потока, чтобы обеспечить адаптацию различных технологий по одному и тому же каналу связи. Реализации DSL могут создавать мостовые или маршрутизируемые сети. В мостовой конфигурации группа абонентских компьютеров фактически подключается к одной подсети. Первые реализации использовали DHCP для предоставления IP-адреса абонентскому оборудованию, с аутентификацией по MAC-адресу или назначенному имени хоста. В более поздних реализациях часто используется протокол "точка-точка" (PPP) для аутентификации с использованием идентификатора пользователя и пароля.