Альтернативные технологии передачи данных
Разумеется, TCP многократно пытались улучшать. Одну из последних реализаций подобного протокола представила корпорация Google, которая переделала механизм работы с окном (изменение размеров окна каждый раз, когда передаются пакеты), но получила повышение производительности лишь на 30% по сравнению с обычными традиционными протоколами, основанными на TCP.
Самой известной альтернативой TCP стали протоколы на базе UDP. Чистый UDP сам по себе – замечательный протокол передачи, однако не до конца эффективный, а самое главное – не предоставляющий гарантии доставки передаваемой информации. Все мы сталкивались с периодическими скачками изображения и артефактами при просмотре трансляции по Интернету – это происходит при потере некоторого количества пакетов при потоковой передаче.
Другими альтернативными подходами к оптимизации передачи данных являются технологии компрессии (Data Compression) и кеширования (Data Caching). Но их нельзя назвать действительно ускоряющими передачу, они ее только оптимизируют. Кеширование можно применять далеко не всегда – когда имеется большое количество одновременных потоков и при этом передаются разные данные, кеширование становится абсолютно бесполезным. Что касается компрессии, то известно, что сейчас очень много информации передается уже в сжатом виде, и никакого явного преимущества мы не получим.
Пятая передача — код PAM 5
Рассмотренные выше схемы кодирования сигналов были битовыми. При битовом кодировании каждому биту соответствует значение сигнала, определяемое логикой протокола.
При байтовом кодировании уровень сигнала задают два бита и более.
В пятиуровневом коде PAM 5 используется 5 уровней амплитуды и двухбитовое кодирование. Для каждой комбинации задается уровень напряжения. При двухбитовом кодировании для передачи информации необходимо четыре уровня (два во второй степени — 00, 001, 110, 111). Передача двух битов одновременно обеспечивает уменьшение в два раза частоты изменения сигнала.
Пятый уровень добавлен для создания избыточности кода, используемого для исправления ошибок. Это дает дополнительный резерв соотношения сигнал / шум 6 ддБ.
Код PAM 5 используется в протоколе 1000 Base T Gigabit Ethernet. Данный протокол обеспечивает передачу данных со скоростью 1000 Мбит/с при ширине спектра сигнала всего 125 МГц.
Как это достигается? Данные передаются по всем четырем парам одновременно. Следовательно, каждая пара должна обеспечить скорость 250 Мбит/с. Максимальная частота спектра несущей при передаче двухбитовых символов кода PAM 5 составляет 62,5 МГц. С учетом передачи первой гармоники протоколу 1000 Base T требуется полоса частот до 125 МГц. Но о несущей, гармониках и полосе частот следует поговорить отдельно.
Скорость передачи зависит от чего?
Итак, как мы упоминали выше, скорость передачи по сети зависит от типа Ethernet, который есть в вашей сети, но это не единственный фактор. Есть несколько других факторов, которые определяют вашу конечную скорость передачи между двумя устройствами.
Скорость жесткого диска
Одним из основных ограничивающих факторов является скорость жесткого диска. Если у вас компьютер с 5400 об / мин, скорость передачи будет намного ниже, чем если бы у вас было два SSD-накопителя в конфигурации RAID 0! Как же так? Смотря как.
В моей сети, даже с гигабитным Ethernet, я получаю только около 40-50 МБ / с при использовании традиционного жесткого диска.
Если вы будете читать онлайн, вы обнаружите, что даже большинство жестких дисков (SATA 3,0 ГБ / с) будут работать с максимальной скоростью чтения 75 МБ / с. Это означает, что вы даже не сможете обойти это без перехода на более дорогие конфигурации, такие как RAID 0,1 или 5, с реальными аппаратными RAID-контроллерами.
Когда вы подпрыгнете на SSD, все пойдет быстрее. Однако, чтобы получить результаты, которые я показал вам на вершине (около 110 МБ / с), вам, скорее всего, нужен сверхбыстрый накопитель NVMe SSD. Эти диски могут считывать и записывать до 3000 МБ / с, что намного превышает возможности Gigabit Ethernet.
Скорость шины
Даже если у вас быстрый жесткий диск, данные все равно нужно перенести с жесткого диска на материнскую плату, а затем на сетевую карту. Скорость автобуса имеет большое значение.
Например, если вы используете старую шину PCI, скорость передачи данных составляет всего 133 МБ / с. Это может звучать выше, чем максимум для гигабитного Ethernet, и это так, но шина является общей для всей системы, поэтому вы никогда не получите такую скорость.
Последняя версия PCI Express даст вам максимум 985 МБ / с, так что это имеет огромное значение. По сути, это означает, что если вы пытаетесь передать файлы со старого компьютера и даже если вы покупаете гигабитную сетевую карту, не ожидайте, что вы достигнете скорости передачи около 125 МБ / с.
Сетевые Кабели
Другим аспектом всего этого является прокладка кабелей. Если ваши кабели старые или находятся вблизи источников питания, это может повлиять на производительность. Кроме того, длина будет иметь значение, если кабели очень длинные.
В целом, однако, это не будет иметь большого значения, поэтому не выходите на улицу и не начинайте замену всех ваших кабелей. Вы в основном хотите убедиться, что у вас есть кабели CAT 5e или CAT 6a / 7.
Отсюда следует отметить, что жесткий диск является основным ограничивающим фактором и наиболее вероятной причиной того, что вы увидите только результаты в диапазоне от 30 до 80 МБ / с. Чтобы получить действительно большие цифры, вам понадобится RAID 0 для традиционных жестких дисков, NVMe для SSD или устройства 10 ГБ.
Сетевые устройства
Наконец, вы должны постараться, чтобы ваши две машины (NAS и ПК) были подключены к одному и тому же коммутатору или маршрутизатору. Я подключаю свой компьютер и NAS к тому же коммутатору, а затем подключаю мой коммутатор к беспроводному маршрутизатору.
Большинство маршрутизаторов также являются коммутаторами, и технически вы должны получать те же скорости, что и выделенный коммутатор. Однако, по моему опыту, выделенный коммутатор от Netgear или Cisco всегда имеет тенденцию работать лучше, чем беспроводной маршрутизатор со встроенными портами.
Во-вторых, вы не получите быстрых скоростей, если вы подключаетесь через WiFi с вашего ПК или ноутбука. Вы должны убедиться, что используете порт Ethernet, чтобы получить максимально возможную скорость.
Размер файла
Я также заметил, что передача тонны маленьких файлов медленнее, чем передача меньшего количества больших файлов. Например, при передаче тысяч фотографий в кучу каталогов я получал бы скорость передачи от 20 до 60 МБ / с, тогда как при передаче больших файлов фильмов размером несколько ГБ получилось бы быстрее 100 МБ / с +.
Вторая передача — код NRZ
Код NRZ (Non Return to Zero) — без возврата к нулю — это простейший двухуровневый код. Нулю соответствует нижний уровень, единице — верхний. Информационные переходы происходят на границе битов. Вариант кода NRZI (Non Return to Zero Inverted) — соответствует обратной полярности.
Несомненное достоинство кода — простота. Сигнал не надо кодировать и декодировать.
Кроме того, скорость передачи данных вдвое превышает частоту. Наибольшая частота будет фиксироваться при чередовании единиц и нулей. При частоте 1 ГГц обеспечивается передача двух битов. Для других комбинаций частота будет меньше. При передаче последовательности одинаковых битов частота изменения сигнала равна нулю.
Код NRZ (NRZI) не имеет синхронизации. Это является самым большим его недостатком. Если тактовая частота приемника отличается от частоты передатчика, теряется синхронизация, биты преобразуются, данные теряются.
Для синхронизации начала приема пакета используется стартовый служебный бит, например, единица. Наиболее известное применение кода NRZI — стандарт ATM155. Самый распространенный протокол RS232, применяемый для соединений через последовательный порт ПК, также использует код NRZ. Передача информации ведется байтами по 8 бит, сопровождаемыми стартовыми и стоповыми битами.
Типы проводного доступа в Интернет
Сначала мы рассмотрим проводные технологии доступа в Интернет. Обычно они позволяют вам выйти в Интернет из дома.
Кабельное подключение
Кабель – распространенный способ достпа к высокоскоростному Интернету. Здесь используется тот же тип медного кабеля, что и для услуг кабельного телевидения. Применяется стандарт, называемый DOCSIS (спецификация интерфейса службы передачи данных по кабелю), совместимый модем может сортировать телевизионные сигналы из сигналы данных Интернета, поэтому оба работают на одной линии.
Хотя кабель по-прежнему является распространенным методом широкополосной связи, у него появились серьёзные конкуренты среди более современных методов. Вы всё ещё можете ожидать стабильной скорости от кабельного Интернета, но это не самая мощная технология.
Оптоволоконное подключение
Оптоволоконное подключение к Интернету является одним из самых быстрых вариантов домашнего Интернета. Вместо традиционного кабеля используются световые сигналы для передачи информации.
На исходном конце передатчик преобразует электрические сигналы в свет. Затем этот свет отражается по специальному кабелю из стекла или пластика. Когда он достигает пункта назначения, принимающая сторона преобразует свет обратно в данные, которые ваш компьютер может использовать.
Как и следовало ожидать, свет распространяется намного быстрее, чем электричество, протекающее по проводам. К сожалению, волоконно-оптические сети не так распространены, как кабельные, а прокладка новых линий обходится дорого. Таким образом, этот тип подключения недоступен в некоторых регионах.
Мы используем термин «волокно до дома», чтобы описать этот тип доступа. Однако, оптоволоконный кабель используется и для многих других целей, например, для прокладки линий через океан. Волоконная оптика может эффективно передавать данные на гораздо большие расстояния, чем кабель, что делает его полезным в этих ситуациях.
DSL доступ в Интернет
DSL, что означает цифровая абонентская линия, использует существующие телефонные линии для передачи цифровых данных. Поскольку данные передаются с большей частотой, чем голосовые вызовы, вы можете одновременно пользоваться Интернетом и разговаривать по телефону.
С DSL вы устанавливаете физический фильтр, который разделяет голосовые сигналы и сигналы данных. Иначе во время разговора по телефону вы услышите пронзительное шипение.
Этот термин почти всегда относится к асимметричному DSL, это означает, что ваши скорости загрузки и выгрузки различаются. Это имеет смысл, поскольку большинство людей загружают из Интернета больше контента, чем выгружают туда.
DSL всё ещё предлагается сегодня, особенно в местах без надежной кабельной инфраструктуры. Это приемлемо, если вам не нужно быстрое соединение, но с сегодняшним Интернетом его возможностей часто оказывается недостаточно.
Коммутируемое соединение
Сейчас коммутируемое соединение – редкость, но о нём стоит кратко упомянуть, поскольку это был первый широко используемый метод доступа в Интернет.
Как и DSL, он использует телефонные линии для подключения к Интернету. Однако, в отличие от DSL, по линии может одновременно проходить только один тип сигнала. Модем с коммутируемым доступом преобразует цифровые сигналы с компьютера в аналоговые сигналы, которые проходят по телефонной линии, выполняя «телефонный звонок» на сервер провайдера.
Конечно, у этой настройки много ограничений. Аналоговый сигнал дозвона неэффективен по сравнению с цифровыми сигналами. И, что печально известно, телефонный звонок, когда вы были в сети, выкинул бы вас из интернета.
Звук коммутируемого соединения вызывает у многих ностальгию, но, по большей части, это технология соединения, оставшаяся в прошлом.
Канал в пакетной сети оператора (Frame Relay, ATM)
Объединение офисов через операторские сети Frame Relay и ATM была самой распространенной в недалеком прошлом. В общем случае для корпоративного заказчика схема подключения выгладит следующим образом (Рис. 4): каждый офис подключается одним (или несколькими) портами к сети передачи данных заказчика. После этого в пределах сети заказчика организуются виртуальные каналы, которые связывают его офисы.
Виртуальные каналы настраиваются программно и для каждого устанавливается собственная гарантированная скорость передачи данных, а офис достаточно подключить к сети оператора одним портом нужной пропускной способности. Программная настройка виртуальных соединений позволяет создавать новые соединения между офисами и легко менять параметры существующих соединений без изменения физической топологии сети.
По сравнению с сетью, построенной на выделенных каналах, где для каждого выделенного канала необходим физический порт на каждой стороне соединения, существенно уменьшается количество необходимых физических портов. За счет этого в каждом офисе возможно использовать более простое оборудование или обходиться меньшим количеством устройств.
Повышается и надежность данного вида соединения. Поскольку внутри сети оператора обычно уже используются собственные механизмы повышения отказоустойчивости, то заказчику достаточно зарезервировать только собственное оборудование доступа и «последнюю милю» от своего оборудования до сети оператора связи.
Стоимость такого решения для заказчика также обычно ниже, чем при использовании выделенных синхронных/асинхронных каналов благодаря следующим факторам:
- нужно меньше оборудования;
- стоимость каждого виртуального канала ниже стоимости соответствующего физического канала (за счет использования недозагруженной полосы пропускания одних соединений другими).
Тем не менее в настоящее время такие подключения следует делать только если используются какие-либо специфические приложения или при подключении новых офисов к корпоративной сети, которая уже объединена по данной технологии, поскольку по многим потребительским параметрам такие сети уступают сетям IP VPN.
Типовые скорости каналов Frame Relay – до 2 Мбит/с. Часто этих скоростей уже недостаточно для современных приложений. ATM – от 2 до 155 Мбит/с, однако такие подключения распространены относительно мало, а стоимость порта и канала ATM превышает стоимости IP/MPLS-каналов аналогичной скорости.
По уровню безопасности виртуальные FR/ATM каналы несколько уступают выделенным линиям. Трафик одного клиента, передаваемый по сети Frame Relay, отделен от трафика другого клиента и не может попасть в его сеть. Однако данное разделение – программное и может быть нарушено незаметно для пользователя, например из-за ошибки оператора.
Канальный уровень
Канальный уровень (data link layer) отвечает за обработку сигнала с целью улучшения его целостности, обеспечения успешной передачи данных и преобразования набора бит в данные. Методики достижения этого включают в себя схемы кодирования и применение управляющих команд для синхронизации, коррекции тактирования и связывания каналов.
Схемы кодирования
С помощью кодирования обеспечивается наличие в сигнале частых изменений значения с 0 на 1 для успешного восстановления данных и сигналов тактирования (CDR), а также для поддержания электрического баланса сигнала по постоянной составляющей (DC balance). Для успешного CDR схема кодирования должна гарантировать, что в передаваемом сигнале будет достаточно переходов 0–1 для того, чтобы блок CDR оставался синхронизированным по фазе с потоком данных. Если алгоритм фазовой автоподстройки частоты в блоке CDR не сможет сохранить синхронизацию из-за недостатка переходов 0–1, принимающая сторона не сможет обеспечить синхронное тактирование битов данных и будут происходить потери бит или иные ошибки соединения. CDR осуществляется за счет постоянной передачи символов с частой сменой бит 0–1–0–1…, что достигается добавлением к данным служебных бит.
Электрический баланс сигнала также важен для поддержания работы последовательного канала связи. Если не производить его регулировку, сигнал может сместиться относительно идеальных значений высокого и низкого логического уровня, что вызовет потерю бит. Электрический баланс достигается регулировкой среднего количества передаваемых нулей и единиц, число которых в единицу времени в сбалансированном сигнале одинаково. Несколько общих примеров схем кодирования: 8b/10b, 64b/66b и 128b/130b.
Связывание каналов
Если скорость работы линии связи и схема кодирования не способны обеспечить необходимую пропускную способность при помощи одного последовательного канала передачи, можно работать с несколькими каналами. К примеру, стандарт HDMI использует три линии последовательной связи для достижения общей пропускной способности. При отправке данных по нескольким каналам из-за задержек передачи пакеты в разных каналах будут прибывать в приемник в разное время. В некоторых областях применения может понадобиться синхронизация данных, полученных по разным каналам приемника. Эта процедура известна как связывание каналов. Каждый из каналов приемника оснащен буфером данных, который используется как для коррекции тактирования сигнала, так и для связывания каналов. Оно изменяет положение указателей считывания в буфере данных каждого канала приема, для того чтобы приемник мог считать синхронизированные данные со всех каналов (рис. 6).
Рис. 6. Положение указателей считывания в буфере данных каждого канала приема до и после связывания каналов
Для связывания каналов применяется специальный зарезервированный контрольный символ или их последовательность. Линия последовательной связи имеет один ведущий канал, а остальные каналы считаются ведомыми. Контрольная последовательность для связывания каналов отправляется передатчиком одновременно по ведущему и всем ведомым каналам. При ее обнаружении приемником ведущего канала в определенном месте буфера данных на все приемники ведомых каналов передается команда на поиск этой последовательности в их буферах и указатели считывания во всех буферах устанавливаются на ее позицию. Поскольку каждый канал приема имеет свое смещение для буфера данных, приемник способен считывать информацию из нужного места в каждом из буферов, получая в результате синхронизированные данные.
Символы ожидания
Символ ожидания является важным управляющим элементом. Передатчик должен непрерывно передавать сигнал приемнику для того, чтобы блок восстановления тактирования и данных оставался синхронизированным по фазе. Если полезные данные для отправки отсутствуют, необходимо посылать символы ожидания. Это управляющие символы, определяемые протоколом, и приемник не распознает их как значащие данные.
Медный кабель: 2 Гбит/с по телефонной линии
Провайдеры и поставщики оборудования для сетей в Европе сейчас составляют планы развития VDSL. Стандарт G.fast предназначен для увеличения скорости обмена данными по медной линии до 1 Гбит/с. Такое решение обходится в четыре раза дешевле, чем чисто оптоволоконное подключение.
На практике путь развития G.fast не столь гладок: эта технология задействует более широкий спектр частот. VDSL для передачи данных практически использует частоты до 17 МГц — а задействовать можно до 30. G.fast же на первом этапе развития будет использовать до 106 МГц и 212 МГц на втором.
Преемник DSL — G.fast — достигает скорости передачи данных по медной линии в 1 Гбит/с. Для этого базовая оптоволоконная сеть должна быть подведена практически вплотную к жилому дому. Далее микроузлы распределяют соединение дальше на отдельные маршрутизаторы.
Проблема в том, что чем выше частоты, тем сильнее перекрестные помехи по всей длине медной пары. Для G.fast провайдеры прокладывают волоконно-оптическую сеть поближе к абоненту, а именно — на расстоянии в сто метров.
Будущее медной пары определяет ключевое понятие FTTdp (Fibre to the distribution point, «оптическое волокно до точки распределения»): линия до абонента будет отходить от небольшого мультиплексора, так называемого Micro Node (микроузла).
Моделирование DSL в гигабитном диапазоне. Программа проверяет передаточные характеристики линии G.fast. В левом окне определяются сеть, тип и длина линии. Справа можно увидеть качество принимаемого смоделированного сигнала.
Оптоволокно на уровне глаз
Институт встроенных систем и коммуникационных технологий Фраунгофера с апреля изучает различные способы внедрения G.fast. Исследовательский проект FlexDP рассчитан до 2016 года, в его рамках для тестирования различных сценариев создается среда моделирования.
Небольшой мультиплексор для G.fast. От микроузла 7357 Intelligent Services Access Manager производства Alcatel к абонентам G.fast будут отходить медные линии. Узел обслуживает до 48 медных линий.
Все зависит в первую очередь от того, как именно проложены медные линии. При сетевой топологии «звезда», когда линии отходят от центрального узла, происходит меньше взаимодействий. При схеме «дерево» с длинным параллельным отводом помех гораздо больше.
К тому же сами медножильные кабели различаются качеством, особенностями связи и степенью изношенности. По причине их разнообразия могут возникать различные эффекты, в особенности на высоких частотах, причем такие, о которых на данный момент мало что известно.
Одно можно сказать с уверенностью: чипы для векторных сетей G.fast анализируют много данных и поэтому потребляют огромное количество электроэнергии. Питание мультиплексора FTTdp ложится на плечи медных кабелей абонентов.
А если в Интернете сидит только один пользователь, это проблематично. Его подключение запустит мультиплексор и подаст питание на векторный чип, который нейтрализует помехи несколько раз в секунду.
Несмотря на проблемы, технологические предпосылки созданы, но для надежной работы системы нужно еще на этапе разработки учитывать возможности применения в условиях, близких к реальности, и проводить лабораторные испытания. Как это удастся воплотить в жизнь, мы узнаем в 2016 году.
Фотографии в статье: Fraunhofer Esk (LI.); Hersteller (RE.); Инфографика: Andreia Margaridadasil va Granada
Перспективы высокоскоростной последовательной связи
Высокоскоростная последовательная связь является фундаментальным прорывом в принципах работы цифровых интерфейсов, позволяющим существенно увеличить пропускную способность. Меньшие размер и потребляемая мощность, наряду с большей производительностью, ведут к быстрому росту популярности высокоскоростных последовательных интерфейсов. Принципы их работы постоянно совершенствуются, и разработчики предлагают все более высокие скорости передачи данных, что позволяет использовать их в мире Big Data. Примером недавних успехов является переход к многоуровневой передаче сигнала, такой как импульсно-амплитудные модуляции PAM-4 и PAM-8, которые обеспечивают передачу данных на большей скорости при той же полосе пропускания канала. Из-за возрастающих требований к скорости многим инженерам приходится ускорять разработки и тестирование новых интерфейсов.
Компания National Instruments следует тенденциям рынка высокоскоростной последовательной связи, поэтому теперь высокоскоростные последовательные приемопередатчики присутствуют во многих предлагаемых NI решениях для различных задач: от функционального цифрового тестирования до автономных обработчиков и ВЧ-тестирования при помощи векторного трансивера второго поколения (VST). Универсальный мультигигабитный последовательный порт реализован с помощью подключения цифровых линий к открытой ПЛИС для гибкого задания протокола порта, а также предоставления готовых IP-реализаций протоколов Xilinx Aurora, RapidIO, JESD204B, CPRI, 10 Gigabit Ethernet и др. Сегодня такой порт не только доступен в виде отдельного прибора формата PXI Express, но также интегрируется в радиоизмерительные приборы, такие как NI VST, и во встраиваемые измерительные решения, такие как контроллер для NI FlexRIO.
