Проектирование локальной вычислительной сети на основе PLC-технологии с использованием сетей Петри
Необходимо отметить, что адаптация к помеховой обстановке осуществляется без потери данных. Например, если одна из 84 рабочих частот поражена помехой, она просто отключается. Однако передаваемый на пораженной частоте пакет данных не теряется, а автоматически восстанавливается при последующей обработке информации в приемнике. Достигается это за счет перемежения и каскадного кодирования… Читать ещё >
Проектирование локальной вычислительной сети на основе PLC-технологии с использованием сетей Петри (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
- Введение
- Глава 1. Объект и предмет исследования
- 1.1 Принципы функционирования PCL технологии
- 1.2 Обзор стандартов технологии PCL. Стандарты семейства HomePlug
- 1.3 Принципы организации PCL-сетей и используемое оборудование
- Глава 2. Разработка модели безопасности для ЛВС на основе PLC технологии
- 2.1 Основные угрозы безопасности в ЛВС на основе PLC технологии
- 2.2 Защита от побочных электромагнитных излучений и наводок в PLC сетях
- 2.3 Конфиденциальность, целостность и доступность информации в PLC сетях
- Глава 3. Разработка модели безопасности ЛВС на PLC технологии с использованием сетей Петри
- 3.1 Обзор средств и методов имитационного моделирования
- 3.2 Имитационное моделирование информационных атак на ЛВС
- 3.3 Сети Петри как инструмент имитационного моделирования
- 3.4 Реализация модели безопасности для ЛВС на основе PLC технологии с использованием сетей Петри
- 3.4.1 Реализация сетями Петри основных логических элементов
- 3.4.2 Моделирование сетями Петри поведения ЛВС при обнаружении информационных атак
- 3.4.3 Модель атаки на нескольких поднесущих частотах
- 3.4.5 Модель определения «заглушенной» частоты поднесущей с использованием раскрашенных сетей Петри
- Глава 4. Реализация ЛВС на основе PLC технологии
- 4.1 Разработка проекта ЛВС на основе PLC технологии
- 4.2 Анализ основных показателей работы локальной сети здания инженерно-внедренческого центра ООО «НПП «Интепс Ком»
- 4.3 Анализ информационной безопасности ЛВС здания инженерно-внедренческого центра ООО «НПП «Интепс Ком»
- Заключение
- Список использованной литературы
Начиная с середины 90-х годов, пресса активно освещает проблему выхода в Интернет с помощью обыкновенных электрических сетей. Достоинства такого подхода, на первый взгляд, очевидны: электрические сети есть практически повсеместно, даже там, где плохо с телефонной связью, а для подключения к Интернету достаточно наличия в доме свободной электрической розетки. Технология PLC предоставляет конечному абоненту доступ на скорости до 200 Мбит/с, что существенно выше, чем при традиционных способах интернет-доступа — например, через модем. В то же время затраты на установку и эксплуатацию необходимого оборудования сопоставимы с теми, на которые приходится идти при использовании ADSL-технологий (сейчас они выше, что естественно для новой технологии).
Сети абонентского доступа на базе PLC-технологии организованы на тех же принципах и по той же двухуровневой схеме, что и любые другие сети с множеством абонентов. Внешнее PLC-оборудование доступа размещается на трансформаторной подстанции, подключается к электрической сети и к телефонной или IP-магистрали. Это оборудование представляет собой шлюз между сетями общего пользования и PLC-сетью и позволяет подключать пользователей через PLC-модем, устанавливаемый в квартире.
Физически PLC-сеть реализуется в виде небольшой муфты, которая надевается на силовой кабель и индукционно «впрыскивает» высокочастотный сигнал в электрическую проводку, идущую в дом или квартиру. Для снятия сигнала у абонента имеется небольшое устройство (размером с модем) со стандартным интерфейсным набором. PLC-модемы включаются в розетки сети электропитания, а через коммуникационные интерфейсы типа USB, RS-232, RJ-45, Ethernet и RJ-11 подключаются различные терминалы (компьютеров, факсов, телефонов). Существуют разные конструкции провайдерского устройства (для разных силовых кабелей) и ряд унифицированных пользовательских устройств, которые различаются, главным образом, набором коммуникационных интерфейсов и внешним дизайном.
Коммуникационные параметры линий (затухание сигнала, частотные и фазовые искажения и другие) меняются во времени в зависимости от уровня текущего энергопотребления (что особенно важно в нашей стране, характерной постоянными перебоями в энергоснабжении), в то время как для традиционных физических сред передачи информации эти параметры более-менее постоянны. Поэтому требуются применение различных методов компенсации: использование помехоустойчивых методов обработки сигналов и кодирования, высоконадежных методов доступа к среде передачи данных и т. д. Все это накладывает существенные ограничения на использование этой технологии. Так, предлагаемое вендорами оборудование демонстрирует (без дополнительной регенерации сигнала) в среднем дальность от 300 до 500 метров (иногда до 1000 м). Существует ограничение и на тип электросети. Для скоростного доступа на данный момент используют сети с напряжением ~0.4 кВ (стандартное трехфазовое напряжение). Передача данных по высоковольтным линиям электропередачи на большие расстояния пока еще затруднена из-за значительного затухания сигнала.
Большое значение имеют и вопросы обеспечения безопасности при организации локальных сетей по новой технологии. На первый взгляд, технология передачи данных по электросетям кажется довольно уязвимой с многих точек зрения: к силовым линиям легко могут получить доступ злоумышленники, велика опасность помех и сбоев, связанных с нестабильностью среды передачи данных (особенно это актуально для отечественных силовых сетей) и т. п. Прежде чем новая технология получит широкое распространение, необходимо предложить методики, обеспечивающие защиту локальных сетей PLC на уровне, не уступающим другим способам организации сетей. Уровень безопасности должен быть по крайней мере не ниже, чем в современных беспроводных сетях.
В настоящей дипломной работе рассматриваются следующие основные задачи:
1. Обзор основных принципов и технологии организации передачи данных по силовым сетям, обзор основных используемых протоколов;
2. Обзор основных угроз локальным сетям, особенности политики безопасности при использовании технологии PLC;
3. Анализ методики формирования политики безопасности для PLC сетей с использованием строгих математических методов.
4. Проведение анализа функционирования реально работающей PLC здания инженерно-внедренческого центра ООО «НПП «Интепс Ком», анализ уровня безопасности этой сети, выработка рекомендаций.
Основной целью работы являются построение имитационных моделей безопасности ЛВС, построенных с использованием технологии PLC (стандарта HomePlug AV).
Для решения поставленной задачи в работе должен быть проведен сравнительный анализ основных методов и средств имитационного моделирования безопасности ЛВС (с учетом особенностей технологии PLC). Особое внимание должно быть уделено использованию для моделирования различных классов сетей Петри, поскольку, по-видимому, этот подход является наиболее наглядным и легко реализуемым впоследствии с помощью специализированных языков высокого уровня.
В работе должны быть выделены основные особенности политики безопасности PLC сетей и построены соответствующие модели безопасности с использованием сетей Петри.
локальная вычислительная сеть безопасность
Глава 1. Объект и предмет исследования
1.1 Принципы функционирования PCL технологии
PowerLine Communications (PLC) — проводная технология, позволяющая использовать сети электрического тока для передачи голоса и данных. Полезный сигнал для передачи цифровой информации представляет собой высокочастотную наводку на основном сигнале — несущей 50/60 Гц. В основу технологии PLC положен принцип частотного разделения сигнала, в соответствии с которым высокоскоростной поток данных разделяется на несколько составляющих потоков с более низкой скоростью, причем каждый из них передается на отдельной поднесущей частоте. На выходе происходит объединение поднесущих в один сигнал.
Идея приспособить электрические сети для передачи информации появилась еще в начале 1930;х гг. Традиционно организации по энергоснабжению задействовали электрические сети для контроля ситуации на подстанции и передачи другой специфической информации технологического характера. Небольшая поддерживаемая скорость передачи данных и низкий уровень помехозащищенности долгое время были основным препятствием к развитию и коммерческому использованию технологии PLC.
Но прогресс не стоит на месте, и появление более мощных DSP — процессоров (цифровые сигнальные процессоры) дали возможность использовать более сложные способы модуляции сигнала, такие как OFDM модуляция (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), что позволило значительно продвинуться вперед в реализации технологии PLC. В начале нынешнего тысячелетия несколько крупных лидеров на рынке телекоммуникаций объединились в альянс, который получил название HomePlug Alliance, с целью совместного проведения научных исследований и практических испытаний, а также принятия единого стандарта на передачу данных по системам электропитания. Прототипом PowerLine является технология PowerPacket фирмы Intellon, положенная в основу для создания единого стандарта HomePlug1.0 specification (принят альянсом HomePlug 26 июня 2001 г.), в котором определена скорость передачи данных до 14 Мб/сек. Новый стандарт HomePlug AV уже поддерживает скорости соединения до 200 Мб/сек.
PowerLine технология может быть использована при создании локальной сети в небольших офисах (до 10 компьютеров), где основными требованиями к сети являются простота реализации, мобильность устройств и легкая расширяемость. При этом как вся офисная сеть, так и отдельные ее сегменты могут быть построены с помощью PowerLine адаптеров. Очень часто встречается ситуация, когда необходимо включить в уже существующую сеть удаленный компьютер или сетевой принтер, расположенный в другой комнате или даже в другом конце здания. С помощью PowerLine адаптеров эту проблему можно решить за 15 минут (30, стр.27).
PowerLine технология открывает новые возможности при реализации идеи «Умного дома», где вся бытовая электроника была бы завязана в единую информационную сеть с возможностью централизованного управления. Электрическая сеть — идеальная среда передачи управляющих сигналов между бытовыми приборами, работающих в сети 110/220 В. В ближайшее время появится чип, позволяющий встраивать его в различные приборы, которые будут иметь возможность принимать и передавать данные через собственные цепи питания. Кроме того, с помощью данного чипа можно организовать передачу аудио данных, данных с датчиков охранной сигнализации, расширять и продлять телефонные линии, и т. д.
Основой технологии Powerline являются два принципа (21, стр.44−46):
1. Использование частотного разделения сигнала, при котором высокоскоростной поток данных разбивается на несколько относительно низкоскоростных потоков, каждый из которых передается на отдельной поднесущей частоте с последующим их объединением в один сигнал.
2. Технология расширения спектра (Spread Spectrum, SS), составляющая суть технологии PowerPacket фирмы Intellon.
Рассмотрим эти принципы подробнее.
Основной принцип технологии расширения спектра (Spread Spectrum, SS) заключается в том (10, стр.114), чтобы от узкополосного спектра сигнала, возникающего при обычном потенциальном кодировании, перейти к широкополосному спектру, что позволяет значительно повысить помехоустойчивость передаваемых данных. Рассмотрим более детально, как это происходит.
При потенциальном кодировании информационные биты 0 и 1 передаются прямоугольными импульсами напряжений. Прямоугольный импульс длительности T имеет спектр, ширина которого обратно пропорциональна длительности импульса и описывается формулой .
Чем меньше длительность импульса, тем больший спектральный диапазон занимает такой сигнал. Чтобы повысить помехоустойчивость передаваемого сигнала (то есть увеличить вероятность безошибочного распознавания сигнала на приёмной стороне в условиях шума), можно воспользоваться методом перехода к широкополосному сигналу, добавляя избыточность в исходный сигнал. Для этого в каждый передаваемый информационный бит встраивают определенный код, состоящий из последовательности так называемых чипов (рис. 1.1) (7, стр.39−43).
Рис. 1.1 Изменение спектра сигнала при добавлении шумоподобного кода.
Информационный бит, представляемый прямоугольным импульсом, разбивается на последовательность более мелких импульсов-чипов. В результате спектр сигнала значительно расширяется, поскольку ширину спектра можно с достаточной степенью точности считать обратно пропорциональной длительности одного чипа. Такие кодовые последовательности часто называют шумоподобными кодами. Наряду с уширением спектра сигнала, уменьшается и спектральная плотность энергии, так что энергия сигнала как бы размазывается по всему спектру, а результирующий сигнал становится шумоподобным в том смысле, что его теперь трудно отличить от естественного шума. Возникает вопрос: для чего усложнять первоначальный сигнал, если в результате он становится неотличимым от шума? Дело в том, что кодовые последовательности чипов обладают уникальным свойством автокорреляции, под этим термином в математике понимают степень взаимоподобия двух функций, то есть насколько две различные функции похожи друг на друга. Соответственно под автокорреляцией понимается степень подобия функции самой себе в различные моменты времени. Например, если некоторая функция зависит (меняется) от времени и эта зависимость выражается в виде f (t), то можно рассмотреть функцию в некоторый момент времени t0 и в момент времени t0+ф. Степень соответствия этих двух функций друг другу в различные моменты времени и называется автокорреляцией. При этом можно подобрать такую последовательность чипов, для которой функция автокорреляции, отражающая степень подобия функции самой себе через определённый временной интервал, будет иметь резко выраженный пик лишь для одного момента времени. Таким образом, функция будет подобна самой себе только для одного момента времени и совсем не похожа на самоё себя для всех остальных моментов времени. Одна из наиболее известных (но не единственная) таких последовательностей — код Баркера длиной в 11 чипов: 11 100 010 010. Коды Баркера обладают наилучшими среди известных псевдослучайных последовательностей свойствами шумоподобности, что и обусловило их широкое применение. Для передачи единичного и нулевого символов сообщения используются, соответственно, прямая и инверсная последовательности Баркера (См.41).
В приёмнике полученный сигнал умножается на код Баркера (вычисляется корреляционная функция сигнала), в результате чего он становится узкополосным, поэтому его фильтруют в узкой полосе частот, равной удвоенной скорости передачи. Любая помеха, попадающая в полосу исходного широкополосного сигнала, после умножения на код Баркера, наоборот, становится широкополосной, а в узкую информационную полосу попадает лишь часть помехи, по мощности примерно в 11 раз меньшая, чем помеха, действующая на входе приёмника. Основной смысл использования кода Баркера заключается в том, чтобы гарантировать высокую степень достоверности принимаемой информации и при этом передавать сигнал практически на уровне помех.
Различают два вида фазовой модуляции: собственно фазовую и относительную фазовую модуляцию. При фазовой модуляции (Phase Shift Key, PSK) для передачи логических нулей и единиц используют сигналы одной и той же частоты и амплитуды, но смещённые относительно друг друга по фазе. Например, логический нуль передается синфазным сигналом, а единица — сигналом, который сдвинут по фазе на 180° (рис. 1.2) (См.41).
Рис. 1.2 Двоичная фазовая модуляция BPSK.
Если изменение фазы может принимать всего два значения, то говорят о двоичной фазовой модуляции (Binary Phase Shift Key, BPSK). Математически сигнал, соответствующий логическому нулю, можно представить как S0 (t) =Asin (2рft), а сигнал, соответствующий логической единице, как S1 (t) = - Asin (2рft). Тогда модулированный сигнал можно записать в виде: SBPSK (t) =V (t) Asin (2рft), где V (t) — управляющий сигнал, принимающий значения +1 и — 1. При этом значение сигнала +1 соответствует логическому нулю, а значение сигнала — 1 — логической единице.
Изменение фазы может иметь и более двух значений, например четыре — 0, 90, 180 и 270°. В этом случае говорят о так называемой квадратурной фазовой модуляции (Quadrature Phase Shift Key, QPSK — рис. 1.3) (См.42). Чтобы понять происхождение этого термина, рассмотрим общий вид сигнала, модулированного по фазе: S (t) =Asin (2рft+ц (t)).
Рис. 1.3 Квадратурная фазовая модуляция QPSK.
Данный сигнал можно представить в виде S (t) =Asin (2рft) cosц+Acos (2рft) sinц.
Из полученного выражения видно, что исходный сигнал можно представить в виде суммы двух гармонических составляющих, смещённых друг относительно друга по фазе на 90°. В передатчике, производящем модуляцию, одна из этих составляющих синфазна сигналу генератора, а вторая находится в квадратуре по отношению к этому сигналу (отсюда — квадратурная модуляция). Синфазная составляющая обозначается как I (In Phase), а квадратурная — как Q (Quadrature). Тогда исходный сигнал приводится к виду S (t) =Icosц+Qsinц.
При квадратурной фазовой модуляции фаза сигнала может принимать четыре различных значения. Для выбора определённого значения фазы используются кодирующие сигналы dI и dQ, которые могут принимать значения +1 и — 1. Отличительной особенностью квадратурной фазовой модуляции является наличие четырех дискретных состояний сигнала, отвечающих различным фазам. Это позволяет закодировать в одном дискретном состоянии последовательность двух информационных бит (так называемый дибит). Действительно, последовательность двух битов может иметь всего четыре различные комбинации: 00, 01, 10 и 11, а значит, ровно в два раза повышается и скорость передачи данных, то есть бодовая скорость будет в два раза больше битовой (1 Бод = 2 бит/с).
Недостатком фазовой модуляции является то, что при декодировании сигнала приёмник должен определять абсолютное значение фазы сигнала, так как в фазовой модуляции информация кодируется именно абсолютным значением фазы сигнала. Для этого необходимо, чтобы приёмник имел информацию о так называемом эталонном синфазном сигнале передатчика. Тогда, путём сравнения принимаемого сигнала с эталонным, можно определять абсолютный сдвиг фазы. Следовательно, необходимо каким-то способом синхронизировать сигнал передатчика с эталонным сигналом приёмника (по этой причине фазовая модуляция получила название синхронной). Реализация синхронной передачи достаточно сложна, поэтому более широкое распространение получила разновидность фазовой модуляции, называемая относительной фазовой модуляцией (Differential Phase Shift Keying, DPSK) (См.43). При относительной фазовой модуляции (также именуемой относительной фазовой манипуляцией) кодирование информации происходит за счёт сдвига фазы по отношению к предыдущему состоянию сигнала. Фактически приёмник должен улавливать не абсолютное значение фазы принимаемого сигнала, а лишь изменение этой фазы, то есть информация кодируется изменением фазы. Естественно, такая модуляция уже не является синхронной и по этой причине проще реализуется. Во всём остальном DPSK-модуляция не отличается от PSK-модуляции.
В более позднем стандарте HonePlug AV, обеспечивающем значительно более высокую скорость передачи данных, используются несколько иные принципы кодирования, а именно вместо шумоподобных последовательностей Баркера для уширения спектра используются комплементарные коды (Complementary Code Keying, CCK) (См.44).
Чрезвычайно важный момент, который необходимо учитывать при использовании электрических линий при передаче информационного сигнала, связан с возникновением эффекта многолучевой интерференции: в результате многократных отражений один и тот же сигнал может попадать в приёмник различными путями. Но различные пути распространения имеют и разные длины, а потому для различных путей распространения ослабление сигнала будет неодинаковым. Следовательно, в точке приёма результирующий сигнал представляет собой суперпозицию (интерференцию) многих сигналов с различными амплитудами и смещёнными относительно друг друга по времени, что эквивалентно сложению сигналов с разными фазами. Если предположить, что передатчик распространяет гармонический сигнал yin=Asin2рнt с частотой несущей н и амплитудой A, то в приёмнике будет получен сигнал, где ti — задержка распространения сигнала по i-му пути (рис. 1.4).
Рис. 1.4 Модель многолучевого распространения сигнала (См. 6, стр.109).
Следствием многолучевой интерференции является искажение принимаемого сигнала. Многолучевая интерференция присуща любому типу сигналов, но особенно негативно она сказывается на широкополосных сигналах. Дело в том, что при использовании широкополосного сигнала в результате интерференции определённые частоты складываются синфазно, что приводит к увеличению сигнала, а некоторые, наоборот, — противофазно, вызывая ослабление сигнала на данной частоте (рис. 1.5).
Рис. 1.5 Искажение сигнала за счёт присутствия многолучевой интерференции.
Говоря о многолучевой интерференции, возникающей при передаче сигналов, различают два крайних случая. В первом случае максимальная задержка между различными сигналами не превосходит времени длительности одного символа, и интерференция возникает в пределах одного передаваемого символа. Во втором случае максимальная задержка между различными сигналами больше длительности одного символа, а в результате интерференции складываются сигналы, представляющие разные символы, и возникает так называемая межсимвольная интерференция (Inter Symbol Interference, ISI — рис. 1.6) (См. 45, стр.61−66).
Рис. 1.6. Возникновение межсимвольной и внутрисимвольной интерференции.
Наиболее отрицательно на искажении сигнала сказывается межсимвольная интерференция. Поскольку символ — это дискретное состояние сигнала, характеризующееся значениями частоты несущей, амплитуды и фазы, то для различных символов меняются амплитуда и фаза сигнала, поэтому восстановить исходный сигнал крайне сложно.
Поэтому в технологии PCL используется метод передачи кодированых данных, который состоит в том, что поток передаваемых данных распределяется по множеству частотных подканалов и передача ведётся параллельно на всех этих подканалах. При этом высокая скорость передачи достигается именно за счёт одновременной передачи данных по всем каналам, а скорость передачи в отдельном подканале может быть и не высокой. Если скорость передачи обозначить Si в i-ом частотном канале, то общая скорость передачи посредством N каналов будет равной (См.45):
Поскольку в каждом из частотных подканалов скорость передачи данных можно сделать не слишком высокой, это создает предпосылки для эффективного подавления межсимвольной интерференции. Ортогональность несущих сигналов можно обеспечить в том случае, если за время длительности одного символа несущий сигнал будет совершать целое число колебаний. Примеры нескольких несущих ортогональных колебаний представлены на рис. 1.7.
Рис. 1.7 Ортогональные частоты.
При частотном разделении каналов необходимо, чтобы ширина отдельного канала была, с одной стороны, достаточно узкой для минимизации искажения сигнала в пределах отдельного канала, а с другой — достаточно широкой для обеспечения требуемой скорости передачи. Кроме того, для экономного использования всей полосы канала, разделяемого на подканалы, желательно как можно более плотно расположить частотные подканалы, но при этом избежать межканальной интерференции, чтобы обеспечить полную независимость каналов друг от друга. Частотные каналы, удовлетворяющие перечисленным требованиям, называются ортогональными. Несущие сигналы всех частотных подканалов (а точнее, функции, описывающие эти сигналы) ортогональны друг другу. С точки зрения математики ортогональность функций означает, что их произведение, усреднённое на некотором интервале, должно быть равно нулю. В нашем случае это выражается простым соотношением (51, стр. 202−204):
где T — период символа, fk, fl — несущие частоты каналов k и l.
Рис. 1.8 Символ длительностью T и его спектр.
Учитывая, что каждый передаваемый символ длительности T передаётся ограниченной по времени синусоидальной функцией, нетрудно найти и спектр такой функции (рис. 1.8), который будет описываться функцией, где fi — центральная (несущая) частота i-го канала.
Такой же функцией описывается и форма частотного подканала. При этом важно, что хотя сами частотные подканалы могут и перекрывать друг друга, однако ортогональность несущих сигналов гарантирует частотную независимость каналов друг от друга, а следовательно, отсутствие межканальной интерференции (рис. 1.9.).
Рис. 1.9 Частотное разделение каналов с ортогональными несущими сигналами.
Перед тем как отдельные поднесущие частоты будут объединены в один сигнал, они претерпевают фазовую модуляцию (рис. 1.10.), каждая — своей последовательностью бит.
Рис. 1.10 Фазовая модуляция
После этого все они проходят через PowerPacket engine и собираются в единый информационный пакет, который еще называют OFDM-symbol. На рисунке 1.11 приведен пример относительной квадратурной фазовой манипуляции (DQPSK — Differential Quadrature Phase Shift Keying) на каждой из 4-х поднесущих частот в диапазоне 4−5 МГц (См.39).
Рис. 1.11 DQPSK модуляция
Реально в технологии Powerline стандарта HomePlug 1.0 используются 84 поднесущие частоты в диапазоне 4−21 МГц (рис. 1.12) (10, стр.53).
Рис. 1.12 Реализация OFDM в технологии Powerline
Рассмотренный способ деления широкополосного канала на ортогональные частотные подканалы называется ортогональным частотным разделением с мультиплексированием (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM).
Рис. 1.13. Осуществление обратного быстрого преобразования Фурье для получения N ортогональных частотных подканалов
Для его реализации в передающих устройствах используется обратное быстрое преобразование Фурье (IFFT), переводящее предварительно мультиплексированный на N-каналов сигнал из временного представления в частотное (рис. 1.13) (См.46).
Одним из ключевых преимуществ метода OFDM является сочетание высокой скорости передачи с эффективным противостоянием многолучевому распространению. Если говорить точнее, то сама по себе технология OFDM не устраняет многолучевого распространения, но создаёт предпосылки для устранения эффекта межсимвольной интерференции. Дело в том, что неотъемлемой частью технологии OFDM является понятие охранного интервала (Guard Interval, GI) — это циклическое повторение окончания символа, пристраиваемое вначале символа (рис. 1.14). Охранный интервал является избыточной информацией и в этом смысле снижает полезную (информационную) скорость передачи. Эта избыточная информация добавляется к передаваемому символу в передатчике и отбрасывается при приёме символа в приёмнике, но именно она служит защитой от возникновения межсимвольной интерференции.
Рис. 1.14. Охранный интервал, пристраиваемый в начало символа.
Наличие охранного интервала создаёт временные паузы между отдельными символами, и если длительность охранного интервала превышает максимальное время задержки сигнала в результате многолучевого распространения, то межсимвольной интерференции не возникает (рис. 1.15) (См.47).
Рис. 1.15. Принцип использования охранного интервала при передаче данных
Теоретическая скорость передачи данных при использовании параллельных потоков с одновременным фазовым модулированием сигналов составляет более 100 Мб/с.
Адаптация к физической среде, устранение ошибок и разрешение конфликтов. При передаче сигналов по бытовой сети электропитания могут возникать большие затухания в передающей функции на определенных частотах, что приведет к потере данных (рис. 1.16).
Рис. 1.16. Передающая функция
В технологии Powerline предусмотрен специальный метод решения этой проблемы — динамическое выключение и включение передачи сигнала (dynamically turning off and on data-carrying signals). Суть данного метода заключается в том, что устройство осуществляет постоянный мониторинг канала передачи с целью выявления участка спектра с превышением определенного порогового значения затухания. В случае обнаружения данного факта использование этих частот на время прекращается до восстановления нормального значения затухания (рис. 1.17) (См.50).
Рис. 1.17. Адаптивная передача данных
Данный метод делает технологию Powerline максимально гибкой при использовании в различных условиях. Например, в разных странах существуют различные регулирующие правила, согласно которых часть диапазона частот не может быть использована. При этом, в случае Powerline, в этом диапазоне просто не будут передаваться данные. Еще одним примером является случай, когда некое приложение уже использует часть диапазона. Аналогично первому случаю, в этом также выключается передача данных на определенных частотах, и два приложения могут спокойно сосуществовать в одной физической среде.
Другой серьезной проблемой при передаче данных по бытовой электросети являются импульсные помехи (до 1 микросекунды), источниками которых могут быть галогеновые лампы, включение и выключение различных электроприборов и т. д.
При использовании предыдущего метода система может не успеть адаптироваться к быстро изменившимся условиям, в результате часть битов будет разрушена и утеряна. Для решения этой проблемы используется двухступенчатое (каскадное) помехоустойчивое кодирование битовых потоков перед тем, как они будут промодулированы и поступят в канал передачи данных. Суть помехоустойчивого кодирования состоит в добавлении в исходный информационный поток по определенным алгоритмам избыточных («защитных») битов, которые используются декодером на приемном конце для обнаружения и исправления ошибок. Каскадирование блочного кода Рида-Соломона и простого сверточного кода, декодируемого по алгоритму Витерби, позволяет исправлять не только одиночные ошибки, но и пакеты ошибок, обеспечивая тем самым практически 100% гарантию целостности передаваемых данных. Кроме того, помехоустойчивое кодирование является и способом технического закрытия, обеспечивающего относительную безопасность передаваемой информации в общей среде передачи (3, стр.65−67).
Ещё одним проблемным моментом является то, что сеть бытового электропитания служит общей средой передачи данных, то есть в один момент времени передачу могут осуществлять сразу несколько устройств. В такой ситуации для разрешения конфликтов столкновения трафика необходим регулирующий механизм — протокол доступа к среде. В качестве такого протокола был выбран хорошо известный Ethernet, который в технологии Powerline был расширен путем добавления дополнительных полей приоритезации. Такая модификация вызвана необходимостью гарантированной полосы пропускания для передачи голоса и видео через IP, когда величина задержки является критичным параметром. Пакеты, содержащие голос или видео в этом случае помечаются как «timing critical», т. е. имеют самый высокий приоритет при обработке и доступе к среде передачи.
1.2 Обзор стандартов технологии PCL. Стандарты семейства HomePlug
Основными организациями и сообществами, занимающимися вопросами стандатизации различных аспектов этой технологии, являются IEEE, ETSI, CENELEC, OPERA, UPA и HomePlug Powerline Alliance.
IEEE. В июле 2004 года IЕЕЕ объявил о создании группы, которая будет заниматься разработкой стандарта ВPL. Проект носит наименование IEEE P1675, «Standard for Broadband over Power Line Hardware». Предполагается, что разработка стандарта будет завершена к осени этого года, а окончательное принятие произойдет в 2007 году.
Помимо IEEE P1675 существуют еще три направления (См.13):
IEEE P1775, инициированное 12 мая 2005 года с целью регламентирования PLC-оборудования, требований по электромагнитной совместимости, методов тестирования и измерения;
IEEE P1901, «Standard for Broadband over Power Line Networks: Medium Access Control and Physical Layer Specifications», обеспечивающее описание физического уровня и уровня доступа к среде для всех классов ВPL-устройств;
IEEE BPL Study Group, «Standardization of Broadband Over Power Line Technologies», обеспечивающее создание новых групп, связанных с BPL.
ETSI. Европейский институт по стандартизации в области телекоммуникаций сформировал технический комитет ETSI Technical Committee Power-Line Telecommunications (ТС PLT), отвечающий за стандартизацию в области PLC.
CENELEC. CENELEC — некоммерческая организация, состоящая из Национальных электротехнических комитетов государств-членов ЕС, которая является самой значительной организацией в ЕС в области стандартизации электромагнитных полей. Применительно к PLC, CENELEC выполняет создание спецификаций PLC для физического уровня и подуровня доступа к среде передачи; принят соответствующий стандарт EN55022.
OPERA. Консорциум Open PLC European Research Alliance (OPERA) создан в 2004 году в рамках европейской программы Broadband for All по продвижению технологий скоростного интернет-доступа. Работа OPERA состоит из двух этапов, на выполнение каждого из которых отведено два года.
Основным инициатором и источником финансирования является Европейская комиссия. Суммарный бюджет составляет более 40 миллионов евро, значительная часть сумм выделяется в рамках программы FP6. Завершение проекта OPERA предполагается в 2008 году. Всего в проекте участвуют более 30 компаний и исследовательских институтов из 12 стран.
Подготовленные к настоящему моменту спецификации OPERA охватывают уровни PHY, MAC и оборудование передачи данных по сетям электроснабжения (7, стр.88−90).
UPA. Ассоциация UPA была официально анонсирована в декабре 2004 года. Основной декларируемой целью UPA является пропаганда технологий PLC и демонстрация правительствам стран и индустриальным лидерам перспектив ее масштабного использования. UPA занимается разработкой стандартов и регулирующих документов для обеспечения быстрого развития рынка PLC. Обеспечивает участников рынка сведениями об открытых стандартах, основанных на совместимости и безопасности.
HomePlug Powerline Alliance. Для широкого внедрения и развития технологии HomePlug (одна из первых технологий передачи по силовым линиям), стандартизации и совместимости устройств различных изготовителей, использующих эту технологию, в 2000 году был организован международный индустриальный альянс HomePlug Powerline. Сегодня более 80 фирм являются спонсорами, участниками альянса, а также придерживаются его рекомендаций. Среди них такие известные фирмы как: Motorola, France Telecom, Philips, Samsung, Sony, Matsushita, Sanyo, Sharp, Panasonic и многие другие. Зарегистрированный знак альянса «HomePlug Certified» на продукции любого изготовителя означает, что данное устройство удовлетворяет всем требованием стандарта HomePlug Powerline и полностью совместимо с аналогичными устройствами другого изготовителя.
В основе первого стандарта HomePlug Powerline Specification 1.0 лежит технология Power Package™, предложенная компанией Intellon (USA) и принятая в качестве стандарта членами HomePlug Powerline Alliance. Принятые к настоящему моменту и находящиеся в стадии подготовки стандарты представлены в табл.1.1.
Таблица 1.1 Основные стандарты HomePlug Powerline Alliance (См.17)
Наименование | Дата принятия | Примечание | |
HomePlug 1.0 | Июнь 2001 г | Определяет технологию для обеспечения передачи данных со скоростью до 14 Мбит/с | |
HomePlug 1.0 Turbo | Декабрь 2004 г. | Является развитием спецификации 1.0 с обеспечением максимальной скорости передачи данных до 85 Мбит/с | |
HomePlug AV | Август 2005 г. | Определяет технологию PLC со скоростью передачи до 200 Mбит/с. Спецификация предусматривает обеспечение качества обслуживания, необходимого для передачи аудио — и видео потоков. Шифрование — 128-разрядное по алгоритму AES | |
HomePlug Command and Control | Сентябрь 2005 г. | Определяет управление и управление устройствами HomePlug | |
HomePlug BPL | В разработке | ||
О ратификации стандарта HomePlug AV объявила ассоциация производителей электротехники HomePlug Power Alliance, разработавшая первоначальную спецификацию HomePlug 1.0. Это открывает дорогу для коммерческих продуктов, которые появятся уже следующей весной. Ассоциация заговорила о больших перспективах технологии HomePlug AV еще три года назад, указав на необходимость создания доступных сетевых механизмов для трансляции потоков ТВ-сигнала высокой четкости в домашних условиях.
HomePlug 1.0 позволяет передавать данные по электропроводке при теоретическом максимуме 14 Мбит/с, а реальная производительность этой технологии составляет 4,5 Мбит/с, что эквивалентно пропускной способности беспроводных сетей стандарта 802.11b (Wi-Fi). Теоретический максимум быстродействия сети HomePlug AV составляет 200 Мбит/с, а реальные скорости должны быть в пределах 70−100 Мбит/с. (См.17)
Стандарт HomePlug AV предусматривает поддержку качества обслуживания для обеспечения непрерывной передачи потоков видео и аудио, а также 128-разрядное шифрование данных по алгоритму AES. Его предшественник, HomePlug 1.0, определял только 56-разрядное шифрование DES. Кроме того, технология HomePlug AV может использоваться при работе и по коаксиальному кабелю, и по телефонным линиям, а не только по электропроводке, для которой она изначально создавалась (См.31). В основу первого промышленного стандарта HomePlug 1.0 (одобрен летом 2001 г.) легла технология PowerPacket, предложенная американской фирмой Intellon. Ее основой стал модифицированный OFDM-метод, в котором исходный поток данных разбивается на пакеты и каждый из них передается в диапазоне частот 4,3−20,9 МГц с использованием относительной фазовой модуляции (DBPSK или DQPSK) на собственной поднесущей. Высокая эффективность работы оборудования стандарта HomePlug в сложной помеховой обстановке обеспечивается за счет гибкого перераспределения мощности излучаемого сигнала в рабочей полосе. С этой целью в устройствах реализованы три процедуры:
адаптации к реальной помеховой обстановке за счет исключения отдельных пораженных помехами рабочих частот;
оперативной смены метода модуляции на индивидуальных несущих (DBPSK или DQPSK);
снижения скорости передачи данных для повышения помехоустойчивости (за счет выбора параметров сверточного кода — ½ или ¾).
Необходимо отметить, что адаптация к помеховой обстановке осуществляется без потери данных. Например, если одна из 84 рабочих частот поражена помехой, она просто отключается. Однако передаваемый на пораженной частоте пакет данных не теряется, а автоматически восстанавливается при последующей обработке информации в приемнике. Достигается это за счет перемежения и каскадного кодирования, основанного на сочетании блочного кода Рида-Соломона и сверточного кода с декодированием по алгоритму Витерби. Такой принцип кодирования позволяет исправлять не только одиночные ошибки, но и пакеты ошибок. Для подавления узкополосных помех существует процедура анализа помеховой обстановки и адаптивного режектирования «пораженных» участков спектра, благодаря чему технологию HomePlug можно использовать в самых разных условиях эксплуатации, в том числе и тогда, когда в какой-либо местности запрещено использование отдельных частот. На MAC-уровне спецификации HomePlug используют протокол CSMA/CA, который благодаря наличию периода ожидания до начала каждого сеанса позволяет снизить уровень внутрисистемных конфликтов. На физическом уровне CSMA/CA регламентирует передачу пакетов таким образом, что каждая посылка передается лишь после оценки состояния канала связи и поступления от приемника сигнала, свидетельствующего о его готовности.
В спецификациях HomePlug AV предусмотрена высококачественная передача изображений, развлекательных программ, сигналов телевидения высокой (HDTV) и стандартной (SDTV) четкости. Основным отличием данного стандарта является то, что в нем используется OFDM-модуляция с 1536 поднесущими (вместо 84 в предыдущем стандарте) и методом доступа TDD или FDD, а также обеспечивается полное соответствие стандартам электромагнитной совместимости ETSI и CENELEC (См.17).
В качестве дополнительных типов модуляции стандартом предусмотрено использование DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying, дифференциальная двоичная фазовая манипуляция) и разновидности DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying, квадратурная дифференциальная фазовая манипуляция). На канальном уровне (сетевой модели OSI) стандарт HomePlug 1.0 ссылается на требования из спецификации Ethernet, включая поддержку обеспечения QoS, и предполагает исполнение устройств в соответствии со стандартом IEEE 802.3u.
Можно лишь сожалеть, что до сих пор более подробная официальная информация о стандарте HomePlug распространяется только среди членов Homeplug PowerLine Alliance.
1.3 Принципы организации PCL-сетей и используемое оборудование
Существующие технологии передачи данных по электросетям классифицируются по типу используемых линий электропередачи и области применения. Приоритетным направлением является использование PLC-технологии для создания телефонной связи и высокоскоростного доступа в Интернет на ограниченных территориях (в отдельных поселках и зданиях, на предприятиях).
Рис. 1.18. Направления использования PLC технологий
Линии электропередач обладают следующими отличительными особенностями:
высокий уровень шумов и быстрое затухание высокочастотного сигнала;
нестабильность линии связи;
В связи с этим при использовании технологий HomePlug на внешнюю организацию сети с использованием PCL-модемов накладываются довольно жесткие топологические ограничения. Структура сети в наиболее общем виде представлена ниже на Рис. 1.19 (См.8).
Рис. 1.19. Принцип построения сети абонентского доступа на базе PLC-технологии
Внешнее оборудование доступа размещается на локальной трансформаторной подстанции, подключается к телефонной сети и/или IP-магистрали через существующие телекоммуникации и к электрической сети. Это устройство представляет собой шлюз между сетями общего пользования и PLC-сетью и управляет полосой пропускания между внутренними контроллерами, установленными в помещениях здания.
Подключение внешнего оборудования доступа PLC-сети к сетям IP и ТфОП (телефонный оператор) будет варьировать, в зависимости от расстояний и условий расположения трансформаторной подстанции, от медных до оптических линий связи. Внутренние PLC-контроллеры организуют абонентскую сеть внутри помещений и объединяют устройства — адаптеры, которые включаются в розетки сети электропитания. Адаптеры имеют набор стандартных различных интерфейсов типа USB, RS-232, RJ-45, Ethernet и другие, для подключения различных терминалов (компьютеров, факсов, телефонов).
Рис. 1.20. Принцип построения офисной сети на базе PLC-технологии (См.4)
Технология PLC реализует принцип «точка — множество точек». Локальная трансформаторная подстанция будет одновременно поставлять электроэнергию и услуги передачи данных, телефонии и др. Применение режима гибкого управления полосой пропускания гарантирует оптимальное использование пропускной способности канала связи.
На сегодняшний день объединение в сеть нескольких PC можно организовать с помощью одного из трех типов HomePlug-устройств: Ethernet-конвертера, через подключаемый к USB-порту адаптер или с помощью PCI-карты. По поводу последней группы продуктов следует заметить, что хотя они и наиболее дешевы, их доля в общем объеме продаж на рынке постепенно уменьшается. Наиболее распространены на рынке PCL-адаптеры, выполнены на чип-сетах фирмы Intellon.
Рис. 1.21. Структура PowerLine-адаптера на базе чипсета Intellon (23, стр.65−67)
Разработки в области PLC сейчас ведут свыше 40 компаний. Всех вендоров в этом сегменте можно подразделить на три группы: производители наборов интегральных микросхем (ИМС), производители решений потребительского класса для установки внутри помещений (In-Door), и производители, которые специализируются как на комплексных решениях на базе PLC-технологий (для транспорта на последней миле), так и на решениях In-Door. Более 70% участников этого рынка предлагают решения потребительского класса для установки внутри помещений (In-Door). Наиболее заинтересованные производители специализируются, как на продуктах PLC для транспорта на последней миле, так и на решениях In-Door. Отметим, что основные PLC-вендоры объединены в две международные организации — PLCForum и HomePlug Alliance. К сожалению, до сих пор мировое PLC-сообщество не смогло договориться и принять единый стандарт на PLC-оборудование.
Ниже приведены основные характеристики микросхем, используемых при создании PCL-адаптеров и модемов:
Таблица 1.2 Характеристики микросхем стандарта HomePlug AV (Производитель: Intellon) (23, стр.101−104)
Наименование | Назначение | Примечание | |
INT5130 — 9010 | Высокоскоростные домашние мультимедийные приложения | Управление QoS. Функциональность моста 802.1d с обслуживанием до 32-х МАС-адресов | |
INT5130 — 9011 | Бюджетное решение для передачи аудиоинформации | ||
INT5130 — 9001 | Домашние приложения с раширенными возможностями и инфраструктура PLC начального уровня | Поддержка до 64-х МАС-адресов. Ориентирован на использование в составе оконечного клиентского оборудования (СРЕ). Имеет интегрированный порт VoIP | |
INT5130 — 9002 | Оборудование инфраструктуры доступа | Поддержка до 1024-х МАС-адресов. Может использоваться в: 1) модемах и повторителях низковольтных сетей; 2) шлюзах между средневольтными и низковольтными сетями; 3) шлюзах отдельных квартир или зданий | |
INT5130 — 90D3 | Оборудование инфраструктуры доступа с расширенными возможностями и оптические шлюзы для городских (Metro) сетей | Поддержка до 262 144-х МАС-адресов. Обеспечивает быструю реконфигурацию с использованием оптимизированного протокола Spanning Tree | |
INT5130 — 7700 | Аналоговой блок для головного устройстаз [head end) | ||
Безусловным лидером в производстве ИМС (чипов) для PLC-систем третьего поколения является компания Design of Systems on Silicon Corporation — DS2 (Испания). Она основана в 1998 г и производит функционально полный набор продуктов, позволяющий реализовать законченное решение для задачи широкополосного доступа на базе PLC. Одна из первых DS2 представила в конце 2003 г ряд ИМС третьего поколения, обеспечивающие скорость обмена до 200 Мб/с.
Основные ИМС DS2:
DSS9001: на базе данной ИМС могут быть реализованы PLC-модемы и аппаратура класса In-Door;
DSS9002: на базе данной ИМС могут быть реализованы Излучатели и Повторители;
DSS9003: Специализированная ИМС для сопряжения электросети и ВОЛС;
DSS9010: Специализированная ИМС для высокоскоростных решений Другим лидером следует признать компанию Intellon Corporation (США), которая была одним из соучредителей альянса HomePlug. Для спецификации HomePlug v.1.0 Intellon подготовила следующие ИМС: INT51X1, INT5200, INT5500CS. В сентябре 2002 г. компания представила первый в мире сертифицированный модуль HomePlug 1.0 — устройство RD51X1-AP для организации точки доступа в Internet по технологии PLC. В ноябре 2007 г компания объявила о выпуске 10-ти миллионного изделия для сетей PLC. Для широкополосного доступа (HomePlug v. AV specification) Intellon подготовила набор ИМС INT6000. В августе 2007 г. было объявлено, что инвестиционное подразделение Motorola Ventures начало инвестировать работы компании Intellon по развитию набора ИМС INT6000. Первые поставки ожидаются во 2 кв. 2008 г.
Разработки компании Intellon реализуют технологию PowerPacket, использующую метод эффективной модуляции спектра, который дает возможность передавать данные по линиям электропередачи на очень высоких скоростях. Скорость передачи данных может достигать 200Мб/с. PowerPacket является системой с характеристиками, которые позволяют ей адаптироваться к среде с сильным многолучевым отражением, сильной узкополосной интерференцией, импульсивным помехам без выравнивания.
Компания SPiDCOM Technologies (Франция) один из ведущих разработчиков элементной базы для решений PLC/BPL (BPL — broadband powerline, аббревиатура используемая в США для обозначения PLC). Последняя разработка компании — ИМС типа SPC200 обеспечивает скорость передачи порядка 220 Мб/с. Ее серийный запуск в производство начался в марте 2005 г. Вариант SPC200, совместимый со стандартом HomePlug v. AV, поступит в продажу во 2 кв. 2006 г. ИМС SPC200 использует диапазон 2 — 30 МГц, разделенный на 7 рабочих полос.
Израильская компания Yitran Communications Ltd активно сотрудничает с HomePlug Powerline альянсом. В результате проведенных исследований в марте 2006 г решение Yitran было выбрано в качестве базовой технологии при подготовке стандарта HomePlug v. AV (раздел «Команды и управление»).
Компания подготовила две ИМС третьего поколения: ITM1 и ITС1. Они позволяют реализовать пиковую скорость до 200 Мб/с. Структурная схема устройства связи на базе ИМС ITM1/ITC1 приведена на рис. 1.22.
Рис. 1.22. Структурная схема устройства связи на базе ИМС ITM1|ITC1.
Фирма Yitran Сommunications разработала и запатентовала технологию дифференциальной кодовой манипуляции (DCSK), позволяющую создавать недорогие сетевые компоненты с высокими техническими характеристиками. Детали DCSK не известны; сообщается лишь, что в ее основе лежат независимые от физической среды передачи методы адаптивной SS-модуляции в полосе частот 4−20 MГц с турбо-компенсацией и сжатием кода.
Аппаратные компоненты (трансиверы), созданные на основе DCSK, обеспечивают значительно более высокие скорость передачи, помехоустойчивость и защиту информации, чем существующие CEBus-трансиверы, при заметно меньшей стоимости устройств. Анонсировано несколько изделий, в частности ITM1 (скорость передачи данных — до 85 Мбит/с) и ITM10 (скорость передачи данных — до 220 Мбит/с).
Компания XELine (Ю. Корея) разрабатывает как ИМС, так и оборудование для PLC-решений. Компания предлагает ИМС третьего поколения типа XPLC40A, которая обеспечивает скорость доступа до 200 Мб/с.
Другое изделие Xeline — ИМС типа XPLC21 обеспечивает скорость доступа до 24 Мб/с. На его основе могут быть реализованы Излучатель, повторитель и непосредственно PLC-модем. Данная ИМС реализована на базе процессора ARM9. Используемый частотный диапазон — 2−23 МГц.
На основе рассмотренных выше наборов ИМС вендоры выпускают PLC-оборудование и для сегмента In-Door, и для сегмента комплексных решений (для доступа на последней миле). Германская компания devolo AG выпускает линейку PLC-продуктов dLAN, которые относятся к классу In-Door и позволяют создать локальную сеть внутри помещения на основе технологии PLC. В марте 2006 г компания devolo AG объявила, что она подготовила к выпуску новую продуктовую линейку dLAN 200, которая обеспечивает скорость передачи информации до 200 Мб/с (HomePlug v. AV) и реализована на базе ИМС компании Intellon.
Один из лидеров в сегменте аппаратуры локальных сетей, компания NETGEAR (США) проявила интерес и к сегменту PLC-адаптеров — в феврале 2006 г NETGEAR заключила соглашение с компанией DS2 о начале совместных работ и поставке ИМС третьего поколения, которые позволят освоить производство PLC-устройств, поддерживающих скорость до 200 Мб/с. Начало поставок новой продукции намечено на третий квартал 2006 г.