Přípojky xDSL a poskytování širokopásmových služeb

Obsah

Kombinace telefonního a datového provozu
Služby využívající přenosu dat
Poskytovatelé služeb
Provedení přístupového koncentrátoru
Účastnické jednotky
Protokolová architektura a realizace služeb pomocí xDSL

Digitální přenosové systémy nasazované na účastnické přípojné vedení se obecně nazývají xDSL (Digital Subscriber Line). Společným znakem těchto systémů je relativně vysoká přenosová rychlost řádově až desítek Mbit/s. Tyto systémy efektivně využívají symetrických párů v místních kabelech při vyšších kmitočtech, než pro které byly původně konstruovány. Do skupiny systémů xDSL patří: HDSL (High-bit-rate DSL), SDSL (Symmetrical DSL), ADSL (Asymmetrical DSL) a VDSL (Very-high-bit-rate DSL).

Kombinace telefonního a datového provozu

Technologie xDSL jsou primárně koncipovány pro poskytování širokopásmových služeb, ale nejen to. Základním požadavkem současných provozovatelů i účastníků je zprostředkovat připojení pro současné poskytování nejrůznějších služeb. Nejčastěji se vyskytuje kombinace telefonního a datového provozu.

Nejjednodušší variantou, jak zachovat původní telefonní přípojku je kmitočtové oddělení (FDM) telefonního pásma 300 Hz až 3,4 kHz pomocí pasivních filtrů (splitterů) a přenos datových signálů ve vyšší kmitočtové poloze. Uspořádání ukazuje obr. 1, kde na straně poskytovatele je xDSL modem součástí sdružujícího a koncentračního zařízení, které připojuje více účastníků na datovou síť. Toto řešení se používá u ADSL, příp. VDSL a označuje se někdy ADSL over POTS. Výhodou pasivních filtrů je nezávislost na napájení a jednoduchost řešení. Podobné řešení se používá i pro oddělení digitálního signálu základní přípojky ISDN-BRA, ke které se přidá datový provoz (ADSL over ISDN).

Vedle toho se používá stále častěji řešení, které umožní rozšířit kapacitu telefonních přípojek a napojit např. pobočkovou ústřednu po jediném metalickém páru společně se sítí LAN. Někdy se označuje jako Voice over DSL (VoDSL) a spočívá v časovém sdružení (TDM) digitalizovaného hovorového signálu s datovými signály přenášenými pak ve společném digitálním toku směrem k poskytovateli, který pak disponuje zařízeními, které oddělí telefonní a datový provoz (Voice Gateway), jak ukazuje obr. 2. Sdružování se může provádět na různé úrovni:

• Pomocí časových intervalů 64 kbit/s, které se přidělují v případě potřeby pro digitalizovaný hovorový signál, příp. pro B-kanály ISDN. Pokud se nepožaduje hovorový provoz, rozšiřuje se o ně počet digitálních kanálových intervalů (Time Slot) vyhrazených pro přenos dat. Uvedené řešení je typické pro HDSL a SDSL.>
• Pomocí statistického sdružování ATM buněk. Využívají se obvykle kompresní metody pro redukci bitového toku digitalizovaného hovorového signálu a dochází k efektivnějšímu využití přípojky a ekonomickému sdílení dostupné přenosové kapacity mezi různými aplikacemi. Toto řešení se nabízí všude tam, kde se využívá vrstva ATM a počítá se s ním zejména u ADSL a SDSL.
• Pomocí statistického sdružování IP paketů – Voice over IP. Pokud se využije pro začlenění a přenos digitalizovaného hovorového signálu až IP vrstva, lze použít řešení VoIP, ale v současné době je třeba počítat s ne zcela dořešenou problematikou kvality služeb QoS, která je v předchozích řešeních zaručena. Problémem je zejména značná hodnota zpoždění přenosu signálu.

Služby využívající přenosu dat

Datový provoz má nejčastěji charakter propojení LAN – LAN a přístup na Internet. Pomocí ATM a navazující vrstvy IP, které se využívají u xDSL přípojek, lze poskytovat nejrůznější služby. Dále je uveden výčet nejčastějších aplikací pro koncové zákazníky, které se zavádějí v moderních přístupových sítích a mohou, ale nemusejí využívat IP protokol:

• Přístup k informačním zdrojům: veřejný informační servis, vyhledávání na Internetu, elektronická média (alternativa tištěných médií, časopisů, novin), překlady v reálném čase, inteligentní vyhledávači apod.
• Komunikace: telefonie, videotelefonie, videokonference, reakce na hlasové povely a rozeznání hlasu, textové a jiné zprávy a elektronická pošta.
• Teleworking: vzájemné propojení sítí LAN pro vytvoření transparentní podnikové sítě a připojení vzdálených počítačů k podnikové síti LAN, což umožňuje práci z domova.
• Obchod: obchodní a finanční informace, teleshoping, elektronický obchod přes Internet, vizuální bankovnictví, virtuální SIM a kreditní karty.
• Distanční vzdělávání: virtuální škola, přístup do výzkumných laboratoří v reálném čase, přístup do knihoven v reálném čase, školení a kurzy.
• Telemedicína a bezpečnostní služby: lékař, služba rychlé pomoci, multimediální kartotéky, vzdálené monitorování pacientů, vzdálené monitorování střežených objektů. Při dálkovém monitorování pacientů a konzultacích lékařů se rovněž využívá videokonference.
• Zábava a hry: rozhlasové a TV vysílání na Internetu, hudba na přání (Audio on Demand), video na přání (Video on Demand), počítačové hry včetně víceuživatelských.

Různé je vzhledem k typu aplikací zaměření jednotlivých technologií. Zatímco HDSL a SDSL nacházejí uplatnění díky stejných rychlostí v obou směrech přenosu zejména u firem pro propojení sítí LAN a připojení pobočkových ústředen, pro přístup na Internet a domácí použití je určena technologie ADSL.

Poskytovatelé služeb

Způsob nasazování technologie xDSL je závislý na typu poskytovatele služeb. Odlišná strategie bude u dominantního poskytovatele, který vlastní kabelovou infrastrukturu, jiná u zákazníka, který chce tyto technologie využít v rámci svého objektu. Následují přehled stručně charakterizuje základní momenty z hlediska využívané infrastruktury, typu služeb a technologie. Od toho se pak odvíjí provedení základního prvku sítě na straně poskytovatele – přístupového koncentrátoru, označovaného zkratkou DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexor).

Telekomunikační operátoři – plošné nasazování služeb

• Využívají vlastní infrastruktury kabelové přístupové sítě
• Hromadné nabízení připojení a navazujících služeb
• DSLAM – velké koncentrátory se stovkami a tisíci porty v místě digitálních ústředen napojené na ATM páteřní síť

Poskytovatelé připojení k Internetu – regionální nasazování služeb

• Obvykle využívají pronajatých párů, příp. včetně pronajatých xDSL přístupových zařízení
• Nabízení připojení k Internetu a LAN to LAN propojení v regionálním měřítku
• DSLAM – koncentrátory s desítkami až stovkami portů připojené přes ATM nebo přímo na IP síť

Podnikové řešení – lokální nasazování

• Vlastní kabelová infrastruktura, příp. kombinovaná s pronajatými páry
• Řešení vlastní sítě rozsáhlých podniků, příp. vyřešení infrastruktury ve školách, nemocnicích, hotelích apod.
• DSLAM – malé koncentrátory připojené přes Ethernet na směrovač IP, případně jednotlivé modemy pro připojení bod-bod

Provedení přístupového koncentrátoru

V souvislosti s výše uvedeným rozdělením může mít zakončení přípojky xDSL na straně poskytovatele služeb různou podobu:

• Rozhraním xDSL jsou vybavené přímo účastnické jednotky digitální ústředny (ISDN ústředny), která obsahuje navíc širokopásmové spojovací pole pro datový provoz, realizované obvykle ATM přepínačem.
• V místě ústředny nebo rozvaděče je umístěn velkokapacitní přístupový koncentrátor DSLAM, který může obsluhovat i vzdálené podřízené koncentrační jednotky. Ten bývá připojen na ATM páteřní síť. Tento případ ukazuje dále obr. 8.
• Na vhodném místě je dislokován malokapacitní přístupový koncentrátor využívající pronajaté páry nebo vlastní rozvody provozovatele. Často se pak řeší připojení rovnou do sítě IP, především přístup na Internet. Řešení na bázi IP je dále uvedeno na obr. 3.
• Přípojka xDSL má charakter bod-bod pro propojení dvou lokálních sítí, takže na straně provozovatele je umístěno jednotlivé ukončující zařízení (modem), nikoli koncentrátor. S modemem nalezneme pak obvykle i integrovaný router pro připojení sítě LAN.

Přístupový koncentrátor DSLAM může mít nejrůznější provedení:

Pokud systémy umožňují současný provoz analogové telefonní nebo základní ISDN přípojky, oddělovací filtry (splittery) se umisťují na zvláštních jednotkách. DSLAM může být konstruován na jeden druh přípojek (např. ADSL) nebo na kombinaci systémů, kde se provádí postupná výstroj koncentrátoru zasouváním příslušných jednotek podle požadavků ze strany účastníků (ADSL pro asymetrický provoz, SDSL pro symetrický provoz, výhledově i VDSL).

Přístupové koncentrátory DSLAM obsahují některá z uvedených rozhraní směrem do páteřní sítě:

• PDH (Plesiochronní digitální hierarchie) - násobky toku E1 (2 Mbit/s) pro připojení pobočkových ústředen Voice-over-DSL k digitálním ISDN ústřednám nebo k datové síti ATM
• PDH (Plesiochronní digitální hierarchie) – digitální tok E3 (34 Mbit/s) pro připojení k datové síti ATM
• SDH (Synchronní digitální hierarchie, případně SONET) připojení k páteřní síti ATM:
• STM-0 (STS-1, OC-1) 52 Mbit/s
• STM-1 (STS-3, OC-3) 155 Mbit/s
• STM-4 (STS-12, OC-12) 622 Mbit/s
• Ethernet 100BASE-T – tok 100 Mbit/s slouží k připojení na Ethernet přepínač, který umožní vytvoření VLAN pro potřeby oddělení provozu a zajištění bezpečnosti a ochrany dat, a dále k směrovači, který zprostředkuje připojení na Internet.

Účastnické jednotky

Na straně účastníka je obvykle jednoduché zařízení v podobě zásuvné jednotky do PC či modemu, sdružujícího někdy i funkci přístupového směrovače s připojením celé LAN sítě.

Možná rozhraní na straně účastníka:

• Analogová telefonní přípojka zapojená přes splitter nebo digitálně realizovaná pomocí VoDSL
• ISDN rozhraní S0
• E1 rozhraní 2 Mbit/s pro pobočkovou ústřednu apod., případně strukturovaný tok v násobcích Nx64kbit/s
• ISA sběrnice u zásuvných karet do PC
• USB k připojení PC
• Ethernet 10/100BASE-T k připojení PC nebo celé sítě LAN, příp. dalších zařízení, kdy účastnická xDSL jednotka se může chovat jako most nebo směrovač
• ATM 25 Mbit/s k připojení PC nebo jiného zařízení přes kartu ATM

Protokolová architektura a realizace služeb pomocí xDSL

DSL technologie mají charakter pevného připojení k datové síti, které je stále v aktivním stavu, pokud uživatel nevypne nebo neodpojí své koncové zařízení, narozdíl od připojení ISDN, kde se provádí volba a sestavení spojení přes digitální ústředny. V poslední době se však objevuje i řešení nazývané DSL Dial-up, při kterém se neaktivní uživatelé odpojují od sítě a znovu připojují při detekci požadavku na připojení, kdy rychlost znovupřipojení je srovnatelná s připojením pomocí ISDN do (cca 1,5 s). Uvedené řešení šetří náklady na straně provozovatele, protože dokáže vícenásobně využívat modemy i další obvody koncentrátoru a dovolí snížit ceny za připojení účastníků.

Dá se vysledovat několik typických modelů přístupových sítí, které se vytvořily zejména s ohledem na aplikaci technologie ADSL, která má předpoklady pro nejrozsáhlejší pokrytí účastníků. Základní síťovou infrastrukturu je možno realizovat pomocí IP nebo ATM. S prvním řešením přístupové sítě založeném na směrovačích (router-based architecture) se setkáváme zejména u poskytovatelů Internetu a podnikových řešení.

Přístupové sítě založené na směrovačích. Jejich výhodou je, že při realizaci sítě se použít běžných komponent pro lokální sítě a není potřeba žádné konverze protokolů. Při přenosu dat se používá přímo IP protokol. Toto řešení je vhodné zejména pro připojení účastníků přímo na Internet, přičemž je jednoduché a levné. U provozovatele (Central Office) jsou ADSL modemy ATU-C integrovány s Ethernet koncentrátorem (hub) nebo přepínačem (switch), který může disponovat možností vytvářet virtuální sítě LAN (VLAN) pro oddělení provozu v sítích různých uživatelů. Dále jsou propojeny s IP směrovačem na Internet, jak ukazuje obr. 3.

Uvedené uspořádání je však problematické pro realizaci různých dalších služeb (přenos hlasu či videa nebo napojení do podnikových sítí). Z hlediska garantování kvality služeb QoS (Quality of Service) je vhodnější řešení sítě na bázi ATM, kteréžto volí velcí poskytovatelé. Obvykle se dělí strana poskytovatele služeb na poskytovatele připojení a poskytovatele obsahu. Poskytovatel připojení musí být schopen propojit účastníka s vybraným poskytovatelem obsahu.

Na vrstvě ATM lze využít dočasných kanálů SVC (Switched Virtual Circuits), pomoci kterých lze efektivněji sdílet prostředky sítě a umožnit uživateli volně přecházet mezi jednotlivými poskytovateli služeb. V takovém případě lze provádět směrování pomocí ATM na 3. vrstvě modelu RM-OSI při použití architektury PPP over ATM. Využívá se Point-to-Point Protokol pro IP komunikaci mezi uživatelem a serverem poskytovatele obsahu, k němuž je spojení sestaveno pomocí prostředků sítě ATM.

NSP Gateway architektura. Obvyklé je však využití ATM pouze jako 2. vrstvy pod vrstvou IP pomocí pevných kanálů PVC (Permanent Virtual Circuits). Používají se v zásadě dvě řešení, které se liší v tom, že mezi NSP (Network Service Provider) a DSLAM je zařazen:

• koncentrátor LAC (Layer 2 Tunneling Protocol Access Concentrator) - mapuje více PPP spojení bod-bod od účastníků na samostatných PVC do jednoho PPP spojení na jeden PVC k témuž poskytovateli NSP, jak ukazuje obr. 4.
• přístupový server BAS (Broadband Access Server) - používá architekturu PTA (PPP Terminated Aggregation) kdy PPP spojení od uživatele je ukončeno v přístupovém serveru BAS, který vystupuje jako IP směrovač.

Architektura PTA (PPP Terminated Aggregation) umožňuje koncovému uživateli vybrat určitého poskytovatele služeb. Komunikace protokolem PPP po ATM síti je zprostředkována ATM adaptační vrstvou AAL5. Relace protokolu PPP jsou ukončeny v širokopásmovém přístupovém serveru BAS. BAS zajišťuje funkce, jako je konfigurace IP adres, autentifikace uživatele, autorizace a účtování, použitím podprotokolů v rámci PPP. IP adresy a jiné konfigurační informace potřebné pro uživatele získává BAS pomocí dotazů ze sítě poskytovatele služeb. Poté co je sestavena relace s uživatelem, BAS namapuje identifikátor uživatele na přístupový port poskytovatele služeb.

Na obr. 6 je znázorněna celková konfigurace sítě využívající ADSL a architekturu PTA. Celý přenosový řetězec je rozdělen do tří částí: část poskytovatelů služeb, část poskytovatele ADSL připojení a část uživatelská. Na straně poskytovatele připojení ADSL jsou jednotlivé přístupové účastnické multiplexory (DSLAM) připojeny přes páteřní ATM síť, řešenou na fyzické vrstvě technologií SDH na optických vláknech, k přístupovému serveru BAS. Tento server umožňuje přístup do širokopásmové veřejné datové sítě (např. rovněž založené na ATM). K této síti jsou připojeni poskytovatelé služeb (např. ISP) a další subjekty, jako jsou podnikové sítě.

Server BAS spolupracuje se serverem AAA (Authentification, Authorisation and Accounting). Tento server disponuje databází zákazníků na základě které ověřuje totožnost zákazníka, dále mu přiřazuje odpovídající služby a zaznamenává informace pro následné vyúčtování služeb. Konfigurace a aktivace přípojek ADSL se řídí z dohledového a řídícího centra.