Ebben a cikkben az ADSL-t vesszük górcső alá. Hogyan működik? Miért nem? Írásomban fényt derítek rá.
ADSL bevezető:
A multimédiás tartalmak fejlődésével egyre nagyobb igény mutatkozott a széles rétegek számára is hozzáférhető, olcsó és gyors otthoni internetelérésre. Mivel a vezetékes telefonhálózat már elég kiterjedt volt ebben az időben, így kézenfekvő volt a már földben lévő infrastruktúra felhasználása, viszont az új technológiának biztosítania kellett, hogy a telefonvonalak továbbra is alkalmasak legyenek analóg hívások [adat és hanghívások, fax] lebonyolítására. Ennek a felhasználói igénynek a kielégítésére született meg az ADSL.
Az ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line, vagyis aszimmetrikus digitális előfizetői vonal) képes a mezei kéteres telefonvonalakon nagy sebességű adatkapcsolat kialakítására. Azért hívják aszimmetrikusnak, mert az elérhető feltöltési sebesség általában sokkal kisebb, mint a letöltési sebesség (általában a tizede).
Fizikai réteg:
Ahhoz, hogy kommunikálni tudjunk a külvilággal, szükség van egy fizikai rétegre, amin keresztül az adatokat küldjük/fogadjuk. Jelen esetben ez nem más, mint a két eres telefonkábel, mely a lakásunkban lévő fali aljzattól a helyi telefonközpontig tart. Fontos megérteni: a saját telefonvonalunkon(érpár, vagy más néven helyi hurok) nem osztozunk senkivel, azon csak mi kommunikálunk a helyi központtal, ahol a szolgáltató felhordó hálózatának (Access) a vége is található.
A helyi telefon központban ADSL előfizetés esetén a vonalunk a DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer) nevű berendezéshez csatlakozik. Ez az eszköz fogja össze több száz, vagy esetenként több ezer ADSL vonal forgalmát, melyet aztán a szolgáltató által használt felhordó hálózatra kapcsol. Ő felel a felhordó hálózati kapacitás elosztásáért, ő állítja be, hogy az egyes ADSL portok mekkora maximális sebességgel kommunikálhatnak (az előfizetésünknek megfelelően), illetve hálózati statisztikák készítésére is alkalmas: forgalom, vonali paraméterek, esetleges hibák stb. küldése a központi adatbázis felé.
Az ADSL csak a lakásunk és a helyi telefonközpont közötti nagy sebességű adat kapcsolat kialakításában és fenntartásában használatos.
Az ADSL felosztja a vonalunkat frekvencia sávokra a következőféleképpen:
- 0-4 kHz-es sávban az analóg hívások [hang, adat, fax]
- 4-25 kHz-es sávban nem folyik semmilyen kommunikáció [védősáv]
- 25-138 kHz-es sávban a visszirány (feltöltés) található
- 138-1107 kHz-es sávban az előre irány (letöltés) található
így tudja biztosítani a technológia, hogy az analóg hívások és az ADSL kapcsolat is elkülönítve tudjon működni anélkül, hogy zavarnák egymást. A frekvencia felosztásból még két dolog látszik:
1. Közkeletű tévedés, hogy az ADSL kapcsolaton nem lehet egyszerre fel és letölteni. Az ADSL full-duplex technológia, ami annyit tesz, hogy egyszerre(párhuzamosan) tudunk le és feltölteni. Ez azért lehetséges, mert a le és feltöltési irány külön frekvencia tartományban vannak, nem zavarják egymást.
2. Az ADSL kapcsolatok azért aszimmetrikusak, mert sokkal szélesebb frekvencia sáv áll a letöltés rendelkezésére.
Kezdetben többféle modulációs eljárás létezett, ezek közül a G.DMT (dirscrete multi-tone) vált egyeduralkodóvá. A G.DMT a 25 - 1107kHz-es sávot kisebb alcsatornákra, úgynevezett vivőkre osztja fel, szám szerint 256 darabra. Ez azt jelenti, hogy minden csatorna 4.3125 kHz széles. Ebből a 256 darab vivőből az első 32 darab kihasználatlanul áll az ISDN-nel való kompatibilitás megőrzése miatt (a szabvány szerint itt is lehetnének aktív vivők!).
Itt különbözik az Annex A az Annex B szabványtól:
- Az Annex A használja az első 32 vivőt is, nincs ISDN kompatibilitás.
- AZ Annex B nem használja az első 32 vivőt, ISDN kompatibilis.
Ennél jóval több Annex került kialakításra a különböző új technológiák és a regionális különbségek miatt.
Például az Annex M vagy más néven double upstream csak az analóg telefonvonalakkal kompatibilis, cserébe dupla sebességű feltöltést tesz lehetővé. Az Annex J ezt kiterjeszti az analóg telefon sávjára is, ezt hívják teljesen digitális vonalnak, ahol már csak IP telefon használható, mert az egész frekvenciát az ADSL foglalja el.
A magyarországon elterjedt Annex B rendszerben 32 - 64-ig találhatóak a feltöltési vivők, és 65 - 256-ig találhatóak a letöltési vivők. Minden egyes vivőre minimum 2 maximum 15 bitnyi adatot lehet kódolni attól függően, hogy milyen minőségű a telefon vonalunk. Fontos, hogy az ADSL nem tudja változtatni a fel és letöltési vivők arányát, tehát nem tudja a feltöltési sávot megnövelni a letöltési sáv kárára, és viszont.
Az ADSL azért osztja sok alcsatornára az egy nagy frekvencia sávot, mert a vonal minősége a különböző frekvenciákon nem egyenletes. A sáv vivőkre való felosztásával megoldható, hogy az egyes frekvenciákon jelentkező zaj beszivárgások csak azt a vivőt érintsék, amelyiknek a frekvenciáján a probléma van, ne pedig az egész vonalat.
Szűrő: ADSL kapcsolatnál szükség van szűrő alkalmazására, amely szétválasztja a telefonálásra, és az adatkapcsolatra használt frekvenciákat. A szűrő tulajdonképpen arra jó, hogy a gyatra minőségű telefonkészülékeket nem engedi beleszólni az ADSL által használt frekvencia sávba. Ilyen szűrő nem csak az előfizető lakásában, de a telefon vonal túlsó végén is található a telefon központban. Ha nem, vagy nem megfelelően (hibás sorrendben bekötve) használjuk, akkor
1. jó eséllyel kisebb lesz az elérhető sebesség a vonalunkon
2. előfordulhat, hogy a telefonkagyló felvételekor/lerakásakor a DSL modem eldobja a kapcsolatot
Szűrő: a Line nevű aljzatba kerül a bejövő telefon vonal, a Modem nevű aljzatba az ADSL modem, a Phone nevűbe pedig a lakásban lévő telefon, fax és analóg modem készülékek.
Figyeljünk rá oda, hogy a szűrő nem egyszerű elosztó, a sima elosztó pedig nem szűrő. Általában angolul "splitter" felirattal látják el a szűrőket.
A szűrő használata akkor hagyható el, ha csak IP szolgáltatásunk van (Internet, IP Telefon, IPTV). Analóg hangszolgáltatás és ADSL együttes alkalmazása esetén mindenképpen szükség van rá!
Hogyan épül fel a kapcsolat:
Az ADSL a kapcsolat felépülését megelőzően egy szinkronizációs eljárást használ, mely a következőkből áll:
1. Kézfogás (handshake): a végfelhasználónál lévő modem és az alközpont egymásra "köszönnek" és egyeztetik, hogy milyen technológiákat támogatnak (ADSL1, ADSL2, ADSL2+, VDSL stb.). A kézfogás során a támogatott technológiának megfelelően kiválasztásra kerül a vivők száma és helye.
2. Az adóvevők hangolása (training): a modemek megbecsülik a csillapítást, megmérik és beállítják minden vivőn a spektrális maszknak megfelelő adásteljesítményt fel és letöltési irányban is.
3. Csatorna analízis (channel ananlisys): a modemek minden vivőn méréseket végeznek, amiből megállapítják az adott vivő minőségét (SNR), és a rajta biztonsággal átvihető bitek számát az SNR margin figyelembevételével. Az adásteljesítményt folyamatosan monitorozzák, szükség esetén további korrekcióra van lehetőség.
4. Adatcsere (Exchange): a modemek kicserélik egymással a mérések eredményét, és ennek megfelelően beállítják saját oldalukon az adásteljesítményt, és vivőnként az átvihető bitek számát. Ez utóbbiból áll össze a bitallokációs tábla.
Vonali jellemzők:
Azt, hogy egy adott telefon vonalon mekkora le és feltöltési sebességeket lehet nyújtani, az a vonal minőségétől függ. A vonal minőségét két értékkel szokták jellemezni (ezt a modemek is mérik):
Csillapítás (attenuation): ez azt mutatja, hogy mennyit gyengül a jel, mire elér tőlünk a központhoz, illetve a központtól hozzánk. A fel és letöltési irányban is mérik ezt az értéket. Általában szoros kapcsolatban áll azzal, hogy milyen messze vagyunk a központtól (milyen hosszú a telefon vezeték a lakásunk és a központ között). Minél messzebb vagyunk, a csillapítás annál nagyobb, és annál kisebb lesz az elérhető sebesség.
Alábbi képeken a vonalon elérhető maximális letöltési sebességeket lehet látni a vonali csillapítás, illetve a telefon központtól való távolság arányában:
Jel-zaj-arány (Signal-to-Noise-Ration, SNR): megmutatja, hogy adott vivőn lévő zajból mennyire "emelkedik ki" a hasznos jel. Az egyik legfontosabb érték. Minél nagyobb, annál nagyobb a hasznos jel erőssége a zajhoz képest --> annál nagyobb sebességeket lehet elérni, illetve annál stabilabb lesz a vonal.
A modemek többsége a webes felületükön csak az SNR margin értékét írják ki, ez nem keverendő össze az SNR-rel, amit minden vivőn külön-külön értelmezünk. AZ SNR és bitallokációs táblák lekérdezésére az OrbMT, az SM50B és a DMT alkalmazások használhatóak modem típustól függően.
Alábbi képen egy szinkronban lévő ADSL modem SNR és bitallokációs táblája látható. A sárga/kék rész a letöltési irány, a zöld pedig a feltöltési. A letöltési sávban jól látható a szoros összefüggés az átvihető bitek száma és az SNR között, valamint jól látható, hogy minél magasabb frekvencia tartományban vizsgáljuk a vivőket, annál kisebb lesz az SNR és vele együtt az átvihető bitek száma is:
Mi befolyásolja a vonal minőségét?
- távolság: minél nagyobb, annál nagyobb lesz a csillapítás, és annál kisebb az elérhető sávszélesség. Nem árt tudni, hogy a távolság(csillapítás) növekedése eltérően hat a különböző vivőkre: a magasabb tartományban lévő vivők sínylik meg jobban a nagyobb csillapítást
- kötések minősége: akár lakáson belül, akár a lakás és a telefonközpont között, a kötések minősége nagyban befolyásolja az elérhető sávszélességet. A régi, eloxidált kötéseken megnő a csillapítás, ami csökkenti az elérhető sebességet. Átlagosan minden kötésen (ide értve a lakásban lévő elosztókat, toldásokat stb) 0,5dB-t csökken a jel erőssége. (3dB csökkenés a jel erősségének feleződését jelenti)
- zaj: ha a telefonkábelünk erősáramú kábel közelében halad, ott számítani lehet zajbeszivárgásra.
- áthallás: a telefonvonalak egy viszonylag hosszú szakaszon törzskábelben utaznak, amiben a környéken lakók számától függően akár 4-800 érpár is található. Minél többen használnak ADSL-t egy adott törzskábelen, annál nagyobb lesz az áthallás a vonalak között. Az áthallás zajként jelentkezik, ami az SNR érték, és végső soron az elérhető sebesség csökkenéséhez vezet.
- hibás szűrő: elég ritkán fordul elő, de ha probléma van, akkor nem árt ezt is ellenőrizni.
- modemek: bizony, az eltérő modemek adott vonalon eltérő sebességeket tudnak produkálni. Főleg a régebbi és új modemek között van érezhető (akár megabites) különbség, illetve a régi modemek nem támogatják az ADSL2+-t sem.
A DSL-es leírások többsége a letöltési iránnyal foglalkozik, a feltöltésivel pedig szinte sohasem. Nos ennek az az oka, hogy az ADSL feltöltési sávja a legalacsonyabb frekvencia tartományba található, így még nagy távolság és/vagy rossz jel-zaj-arány mellett is általában ezzel a résszel szokott a legkevesebb probléma lenni, itt csökken a legkevésbé az elérhető sebesség.
Bitswapping, interleaving, trellis, SNR margin, target power, FEC, INP, SRA:
Bitswapping: ha ez a funkció be van kapcsolva, az lehetővé teszi a modem számára, hogy a vonal folyamatosan változó minőségének megfelelően bizonyos vivőkön csökkentse az átvihető bitek számát, míg más vivőkön növelje (attól függően, hogy az adott vivőn romlik, vagy javul az SNR).
Fontos, hogy a bitswapping nem képes a durván romló jelminőséget kompenzálni, mivel a bitswappingnál az összes átviteli bitek száma mindig azonos. (ha például egy komolyabb zajbeszivárgás miatt több vivő is teljesen kiesik, az ADSL elbontja a kapcsolatot a bitswapping megléte ellenére is).
Interleaving: eljárás, mely a börsztös (burst) hibák ellen véd. A börsztös hiba esetén az adatkommunikációban egymás után küldött bitek sérülnek meg, de az adat jelentős része azért megmarad. Nézzük az alábbi példát:
Hibamentes eredeti üzenet: aaaabbbbccccddddeeeeffffgggg
Átvitel után börszt hibával: aaaabbbbccc____deeeeffffgggg
Jól látszik, hogy az egymás utáni több hiányzó bit miatt az egy bites alkalmazott hibajavítással már nem állítható helyre az üzenet.
Nézzük ugyanezt interleavelve:
Hibamentes eredeti üzenet: aaaabbbbccccddddeeeeffffgggg
Interleavelt üzenet: abcdefgabcdefgabcdefgabcdefg
Átvitel után börszt hibával: abcdefgabcd____bcdefgabcdefg
A hibás adaton végzett de-interleaving után: aa_abbbbccccdddde_eef_ffg_gg
Látható, hogy az interleavelés használatával egy bitesre csökkentettük az egymás után kieső adat mennyiségét, így az alkalmazott 1bites FEC hibajavító kóddal helyreállítható az eredeti üzenet.
Fontos: az interleave eljárás nem fogyaszt hasznos sávszélességet, viszont a késleltetést növeli. Ennek mértékét elsősorban az Interleaving Depth (ID) paraméter határozza meg. Minnél nagyobb ez az érték, annál nagyobb adatblokkokon végzi el az interleave eljárást a modem. Minnél nagyobb az Interleaving Depth (ID) annál nagyobb a fellépő késleltetés, viszont ezzel együtt a vonal hibatűrősége is javul. A jobb vonalakon 16/2 a jellemző ID, itt a késleltetés jellemzően 10ms körül alakul. A rosszabb vonalakon viszont akár 64/8, de akár 384/32 is lehet, itt már számottevő, akár 50-60ms-ot is meghaladó késleltetésünk lehet. Sokat tenni ellene nem lehet, kizárólag a szolgáltató tudja módosítani.
A modemek többségében "D:"-vel kezdődő sorban látható az interleaving mértéke, fel és letöltési irányban külön-külön. Jellemzően ezt csak a modem telnetes felületén lehet megtalálni.
Trellis: hibajavító eljárás. Alkalmazása minimálisan csökkenti a hasznos sebességet, viszont drasztikusan csökkenti a bithibák számát, és növeli a vonal stabilitását. Ha a modem támogatja, mindenképpen kapcsoljuk be!
SNR margin:
A hálózat üzemeltetője határozza meg az értékét, mely a Magyar Telekom hálózatában jelenleg 10dB körüli (általában 6 és12dB között szokták megválasztani). Ez az érték megmutatja, hogy mekkora zajtartalékkal működjön az adott kapcsolat. Az ADSL-nél minden 3dB plusz egy kódolható bitet jelent. Ez azt jelenti, hogy elméletben egy 45dB-s SNR-rel rendelkező vivő már képes a maximális 15 bit kódolására (45/3=15). Amennyiben az SNR margin 10dB, úgy a vivőn mért SNR-ből le kell vonni ezt a 10dB-t, és kiderül, hogy az adott vivőn már csak 11 bitet lehet kódolni ((45-10)/3=11). Ez az előfizető szempontjából jó dolog, hiszen az adott vivőn 10dB-t kellene romlania az SNR-nek ahhoz, hogy probléma legyen, ekkora romlás pedig elég ritka. Viszont abból a szempontból rossz, hogy a tartalék bitek hasznos sávszélességbe kerülnek, és sok jó minőségű vonalon például 6dB SNR margin is elég lenne a 10dB helyett. Az SNR margin le és feltöltési irányban külön kerül meghatározásra és értéke a vonalra jellemző átlagot mutatja. Ne keverjük össze az SNR-rel!
Target power: szintén a hálózat üzemeltetője határozza meg, és a modemek maximális adásteljesítményéért felel. Minél messzebb vagyunk a központtól, a modemeknek annál erősebben kell adniuk, hogy a növekvő csillapítást leküzdjék. Viszont ha minden modem egyformán, a maximális teljesítménnyel adna, akkor a korábban már említett törzskábeleken fellépő áthallás oly mértékben megnőne, hogy a hálózat nagyon hamar használhatatlanná válna. A target power arra jó, hogy a szinkronizációnál elvégzett mérések alapján utasítsa a közeli és/vagy jó minőségű vonalon lévő modemeket, hogy csökkentsék az adásszintjüket. Az adásszint csökkentése általában addig tart, amíg a felhasználó még megkapja a maximális sebességet, és az SNR margin nem esik a szolgáltató által választott érték alá.
FEC:: Forward Error Correction (Előre Mutató Hibajavítás). Egy hibajavító eljárás, melyet úgy terveztek, hogy a hibák javításához ne legyen szükség újraküldésre. Ezt az eljárást használja az ADSL fizikai rétege. Minden elküldött keretet bizonyos mennyiségű redundáns adattal egészítenek ki, és ha a keret hibásan érkezik meg, egy bizonyos mértékű hibáig a modem a redundáns részből képes újraküldés nélkül helyreállítani a keretet. Mértéke szintén a szolgáltató által módosítható. Bővebben a FEC-ről.
INP:: Inpulse Noise Protection. Megmutatja hogy a vonal mennyire ellenálló az inpulzus zajjal szemben. Értéke az Interleaving és a FEC mértékéből áll össze, jellemzően mikroszekundumban vagy szimbólumban adják meg a mértékét.
SRA:: Seamless Rate Adaptation. A Bitswapping továbbfejlesztett változata. Ez a technológia már képes arra, hogy akár a zajtartaléknál nagyobb méretű romlást is le tudjon követni a kapcsolat megszakadása nélkül. Fontos megjegyezni, hogy a jelzéscsatorna kapacitása miatt nagy mértékű hirtelen romlást ez a technika sem tud lekövetni. Jelenlegi tudásunk szerint ezt nem használják a hazai szolgáltatók.
ATM & PPPoE: Point-to-Point Protocol over Ethernet
A cikk elején említettem, hogy az ADSL csak az előfizető és a telefonközpont közötti szakaszon működik. Ebből következik, hogy az ADSL kapcsolat felépülése után még nincs működő internet kapcsolatunk. Az ADSL alapértelmezésben ATM technológiát használ az adatkapcsolati rétegben. Mivel az otthoni berendezéseink (PC, router stb.) IP technológiát használnak, ezért meg kellett oldani, hogy az ATM réteg fölött IP forgalom létrehozására is legyen mód. Erre való a PPPoE.
A PPPoE kapcsolat felel az előfizető számára is használható internet kapcsolat létrehozásáért az ADSL/ATM kapcsolat fölött. A PPPoE kapcsolat felépülésekor a szolgáltatónál lévő ún. BRAS szerver hitelesíti az előfizetőt a felhasználói név és jelszó alapján, illetve osztja ki az előfizetőnek az IP címet, alapértelmezett átjárót a DNS szerverek címét stb. Fontos megérteni, hogy amikor úgy érzékeljük, hogy az internet kapcsolat megszakad, az valójában nem biztos, hogy az ADSL hibája: előfordulhat, hogy csak a PPPoE kapcslat szakadt meg, ami lehet akár a router hibája, vagy hibás konfigurálása is. A legfontosabb, hogy a routerben mindig állítsuk az MTU-t 1492-re ha ADSL kapcsolatunk van.
Bővebben a PPPoE technológiáról
ADSL2+:
Az ADSL2+ a következő újításokat hozta:
- A letöltési frekvencia sáv a duplájára nőtt (1,1MHz-ről 2,2MHz-re)
- A maximális letöltési sebesség 8Mbit/s-ról 24Mbit/s-ra nőtt
- A maximális feltöltési sebesség ~800kbit/s-ról 1,5Mbit/s-ra nőtt
- Megnövelt hatótávolság a továbbfejlesztett modulációs eljárásokkal
- Továbbfejlesztett, gyorsabb trainelés
- On-line vonalállapot monitorozás még akkor is, ha a vonal olyan rossz, hogy azon nem épül fel az ADSL kapcsolat (DELT és SELT tesztek futtatása)
- A FEC hibajavító eljárás kiegészül Reed-Solomon kóddal is: jobb hibajavító képesség
- Dinamikus overhead allokálás: míg az ADSL keretekben fix 32kbites overhead volt, addig ez az ADSL2+-nál dinamikusan változtatható 4-32kbit között.
- SRA (Seamless Rate Adaptation): képes a vivőket újraszinkronizálás, és szakadás nélkül ki és bekapcsolni, elsősorban az áthallási zaj lassú növekedése ellen hatásos (a bitswapping továbbfejlesztett változata)
- Bonding: képes több érpárt összefogni és azon megnövelt sebességeket nyújtani (1 érpár: 24Mbit, 2érpár 48Mbit) ritkán alkalmazzák a kevés érpár és a nagy áthallási zaj miatt
VDSL, VDSL2::
- A letöltési frekvencia sáv 30MHz-re nőtt.
- A maximális átviteli sebesség 100Mbit/s-ra nőtt
- Képes a szimmetrikus működésre is (maximum 100Mbit/s)
- FDM modulációs eljárás ( bővebben itt olvashatsz róla )
- Szabvány szerint több modulációs eljárást is támogat: QAM, DMT, FDM.
- Továbbfejlesztett hibajavító eljárás
- A VDSL2 aszimmetrikus módban maximum 250Mbit/s-ot tud letöltési irányban
- A technológia hátránya, hogy az érzékelhetően nagyobb sebességeket csak rövid, jó minőségű érpárokon tudja biztosítani
Sajnos a jelentősen nagyobb sávszélességet csak rövid (maximum 1-1,5km) kábelhosszig tudja tartani.
A jövő: Azt tudjuk, hogy a Magyar Telekom legtöbb telefonközpontja már ADSL2+ képes, és ezt a legtöbb helyen bekapcsolták. Azt is tudjuk, hogy a fővárosban egy kisebb területen már volt VDSL2 tesztüzem, a zászlórúd mégsem a VDSL-nek áll. A Magyar Telekom nemrégiben bejelentette, hogy 2010-2013 között 800 ezer háztartás számára kívánja elérhetővé tenni az FTTH G-PON, mely üvegszálas kapcsolatot jelent egészen az előfizető lakásáig, amin 100-1000Mbit/s szinkron sebességeket lehet szolgáltatni. A jövő tehát egyértelműen üvegszál alapú lesz, ebből arra következtetek, hogy a Magyar Telekom már nem fog komoly pénzeket elkölteni a VDSL hálózat kiépítésére.
Kapcsolódó írásaim a témában:
Telekomos ADSL és ATM oktatási anyag kedvenc telefonszerelőm jóvoltából
Update: 2009.03.07. ADSL2+/VDSL újraírva, rövidítések és hibajavítási rész kiegészítve.
Update2: 2012.12.23. Annexek, SRA, PPPoE bekerült, kisebb javítások
Dchard
