История Джона Чоффи: создателя первого в мире DSL-модема
В 80-х годах многие компании, занимавшиеся системами связи, полагали, что будущее скоростного интернет-соединения — за оптоволокном. Скорость и пропускная способность выше, а затухание при передачи на большие расстояния — меньше. Однако технология передачи данных при помощи света стоила огромных денег, и это сильно ограничивало ее массовое применение.
Зато медные провода были повсюду — сотни миллионов подключений. Можно ли найти альтернативу меди и в то же время обеспечить высокую скорость и объем передачи данных (в том числе видео) на текущей инфраструктуре? Ответ на этот вопрос нашел Джон Чоффи, бывший работник Bell Labs.
Что было до появления ADSL
Проблема аналоговой телефонии начала проявляться еще с 1920-х годов с экспоненциальным ростом количества абонентов. Поначалу все обходилось множеством ручных коммутаторов: сидела телеграфистка и вручную соединяла двух человек друг с другом, перетыкая провода из одного гнезда в другое. Это замечательно, когда речь идет о паре сотен абонентов. Но когда их тысячи, быстро отработать уже не получится.
Ручные коммутаторы просуществовали довольно долго. На фото — ручной коммутатор компании Bell, 1943 год
Со временем появились автоматические коммутаторы. Например, одни из первых АТС были на базе декадно-шагового искателя — устройства, которое анализировало последовательность импульсов, соответствующих каждой набираемой цифре. Такие штуки просуществовали до 70-х годов во многих странах мира.
Но кардинально проблема не решалась: количество физических линий должно было расти вслед за числом абонентов. Явно нерациональный подход. Поэтому с развитием ЭВМ после Второй мировой войны начались попытки оцифровать передаваемый голос и сделать так, чтобы много разговоров можно было «упаковать» в одну линию одновременно. Затем передать и раскодировать обратно.
В 1962 году появилась первая цифровая технология коммутации — сети Т1 Carrier. Ее разработал инженер Роберт Аарон из Bell Laboratories. В основе сети лежал один из методов импульсно-кодовой модуляции (PCM), называемый AMI — Alternate Mark Inversion, когда поток данных разделялся по времени, реализуя мультиплексирование.
Принцип формирования трехуровневого AMI-кодирования
Одна линия T1 состояла из 24 каналов, в каждом из которых обеспечивалась скорость 64 кбит/с на расстоянии около одного километра по обычной витой паре — совокупно 1,544 Мбит/с. По сути, это означало, что одновременно могли общаться до 24 абонентов.
Величина в 64 кбит/с была выбрана неслучайно: согласно теореме Найквиста-Котельникова, частота дискретизации должна превышать удвоенную верхнюю частоту сигнала.
Исследования показали, что полезная частота человеческого голоса (VF) для передачи в телефонии лежит в пределах от 300 до 3400 Гц, или если округлить, то частота дискретизация должна быть 8 кГц. При использовании 8-битного кодирования (256 уровней квантования) как раз и получается 64 кбит/с, который еще называют стандартом DS-0.
Поначалу стоимость оборудования Т1-сетей была высокой, да и повторителей-ретрансляторов приходилось устанавливать достаточно много через определенные расстояния. Ведь эффективной передаче высокочастотного сигнала даже на несколько километров по тонкому медному кабелю мешают возникающие наводки и шумы — например, белый гауссовский шум. Чем выше частота, длина и в целом волновое сопротивление, тем сложнее передать что-то полезное — нужно искать компромисс.
Но начиная с 70-х годов стоимость начала снижаться, и Т1-сети стали более доступными. В 1976 появился мощный цифровой коммутатор телефонных каналов 4ESS.
Огромная машина занимала больше десятка метров, но стала важной вехой в цифровизации связи
Однако все еще оставался открытым вопрос так называемой «последней мили» — финального участка от оборудования до абонента, на который и приходится свыше 95% всех подключений. Как бы быстро мы ни передавали данные по основному каналу, нам нужно условно «оцифровать» и этот участок, в идеале добившись полнодуплексной передачи.
В 1980 году над этой проблемой активно работали инженеры все той же Bell Labs — Ральф Виндрам, Барри Боссик и Джо Лехлайдер. Их исследования показали, что на участке медного кабеля длиной до 5,5 км можно добиться скорости передачи до 144 кбит/с. Это означает, что можно получить:
две линии по 64 кбит/с для полноценной передачи голоса — D-каналы;
одну линию в 16 кбит/с для синхронизации данных и передачи служебной информации — B-канал.
Поначалу технологию назвали PSDC («Цифровая коммутируемая сеть общего пользования»), но позже переименовали в ISDN — «Цифровая сеть с интеграцией услуг». Для реализации использовали алгоритм TDM временного мультиплексирования: для разного типа данных выделяются временные интервалы (таймслоты), которые передаются единым потоком. Управление синхронизацией происходит как раз по дополнительному B-каналу: получается полноценная дуплексная связь между абонентами. Для кодирования использовался способ, называемый 2BQ1, с разделением на 4 уровня сигнала — как он работает, можно почитать подробнее здесь.
В 1980 году появился стандарт G.705, в котором описывались общая концепция ISDN-сетей, а в 1984 году — рекомендации I.120 к стандарту. Однако в разных странах (например, Германии и Японии) ISDN реализовывался с некоторыми различиями, что замедляло его распространение. В те времена даже ходила шутка, что ISDN расшифровывается как innovation subscribers didn’t need («инновации, которые не нужны подписчикам»).
Еще одной важной проблемой была низкая пропускная способность в 144 кбит/с — например, передавать одновременно видео приемлемого качества и говорить по телефону будет уже невозможно. Увеличить же пропускную способность при тех же длинах кабеля не получится из-за так называемых «перекрестных помех на ближнем конце» (NEXT). Это когда два сигнала на одной частоте влияют друг на друга, двигаясь по двум параллельным проводам. Нужен был другой подход, отличающийся от временного мультиплексирования, используемого в ISDN.
В Bell Lab решение проблемы видели достаточно просто:
ISDN подойдет для простых применений наряду с dial-up модемами, которые к тому моменту достигали скоростей аж в целых 2,4 кбит/с (про историю их появления и развития поговорим в отдельной статье).
Для всякой экзотики вроде передачи видео подойдет более продвинутая технология оптоволокна. На тот момент исследования активно шли, и будущее виделось уже не таким далеким.
Однако на одном из заседаний компании в 1983 году слово взял молодой сотрудник Джон Чоффи и заявил: «Мои расчеты показывают, что можно добиться 1,5 Мбит/с — это позволит передавать голос и видео на медном проводе той же длины без помех». Это вызвало бурный смех в зале, а босс приказал Чоффи «заткнуться и сесть». Но на самом деле этот разговор стал переломным моментом — до реализации ADSL технологии оставалось всего несколько лет.
Как Джон Чоффи создал первый DSL-модем
В 1964 году в Ньй-Йорке проводилась всемирная выставка, которую за полгода посетило свыше 50 млн человек. Одним из самых популярных был стенд компании Bell System: она демонстрировала невероятную для того времени штуку в области коммуникаций. Речь идет о Picturephone.
Это устройство стоимостью почти 500 млн долларов (суммарная стоимость восьмилетних исследований) имело инновационную камеру с кремниевой фотодиодной матрицей, зум-объектив и экран размером 5,25×5 дюймов. Многие посетители отмечали, что идея была блестящей, но реализация оставляла желать лучшего — картинка тормозила и была размытой. Такого же мнения придерживался и 9-летний Джон Чаффи, которого на выставку привела мама. «Это выглядело… Поистине ужасно», — вспоминает Джон.
За 50 лет до всяких Skype и FaceTime
Из-за стоимости в несколько тысяч долларов спроса на Picturephone не было — проект свернули. Зато юный Джон Чоффи понял, чем хочет заниматься.
В 1978 году он закончил Иллинойсский университет в Урбане-Шампейне и получил степень бакалавра в области электротехники. Первым же местом работы для него стала та самая Bell Labs, которая своей неловкой попыткой объединить передачу видео и голоса так повлияла на юного Чоффи.
Первые исследования Джона были посвящены алгоритму эхоподавления (еще называются эхокомпенсацией) при двунаправленной передаче сигнала по витой паре. Чоффи разрабатывал алгоритмы распознавания и вычитания повторяющихся сигналов на DSP процессорах. Его исследования были настолько успешны, что в 1982 году его заметила группа разработки ISDN во главе с Джозефом Лехлайдером и пригласила поучаствовать в исследованиях.
Через несколько месяцев случилось то самое историческое выступление Чоффи, после которого Лехлайдер задумался — есть ли какой-то реальный способ обойти ограничения ISDN?
В 1984 году Джон Чоффи покидает Bell Labs и переходит в IBM, где занимается исследованием жестких дисков. За три года работы он придумал технологию, как можно увеличить вместимость данных на 50%, и серьезно продвинулся по карьерной лестнице.
В 1987 году он получает докторскую степень и переходит работать преподавателем в Стэнфордский университет. Вместе с несколькими своими студентами он принимается за исследование дискретной многотональной модуляцией — DMT. Это новый алгоритм, основанный на разделении каналов передачи не по времени, а по нескольким несущим частотам.
Когда Чоффи опубликовал результат своих исследований, с ним связался не кто иной, как его бывший коллега Лехлайдер. Продолжая работать в Bell Labs, он вместе с сотрудниками Чарльзом Джудисом, Рэем Ланном и Мэттом Кляйном разработал идею асинхронной передачи данных — ADSL. И идея распределения сигнала по частотным каналам была тем самым недостающим пазлом в работе.
Суть идеи ADSL заключалась в том, чтобы сохранить три канала передачи данных, как в ISDN, но разделить их по функционалу:
Первый канал назывался «входящим» — то, что принимает пользователь, основной объем трафика. На него будет приходиться большая часть полосы пропускания — от 138 кГц до 1,1 МГц.
Второй канал «исходящий», и тут ширина полосы будет намного меньше — от 26 кГц до 138 кГц.
Третий низкочастотный канал для телефонной связи в привычном диапазоне от 0,3 до 3,4 кГц.
Вся полоса частот от 26 кГц до 1,1 МГц делится на 256 подканалов с шагом 4,3125 кГц с использованием методов дискретного преобразования Фурье. Диапазон был выбран неслучайно — в нем коэффициент затухания медной витой пары почти не зависит от частоты, что снижает потери. Дополнительно распределение частот давало еще одно важное преимущество — помогало избежать NEXT-эффекта из-за наложения сигналов, о котором мы говорили выше.
В результате пропускная способность по «входящему» трафику значительно увеличивается: при диаметре провода 0,5 мм — до 6 Мбит/с на расстоянии 3,5 км и 1,6 Мбит/с на расстоянии 5,5 км.
Лехлайдер, уже находившийся в преклонном возрасте, смог в 1989 году выбить финансирование от Bell для продолжения исследований Чоффи в Стэнфордском университете.
Однако многие коллеги Лехлайдера высказали свои опасения по поводу алгоритма DMT-кодирования: он казался слишком сложным из-за разделения частоты на много несущих, а эффективность вызывала вопросы. Вместо этого предлагалось использовать алгоритмы квадратурной модуляции (QAM) с одной несущей и его разновидность — амплитудно-фазовую модуляцию без несущей (САР). Чоффи же продолжал настаивать, что лучшие данные с точки зрения затухания (а следовательно и дальности передачи) даст его метод. Подробнее про сравнение методов модуляции можно прочитать тут.
В 1991 году Чоффи открывает фирму Amati Communications Corporation, которая принимается за разработку первого DSL-модема. Несмотря на то, что в ней работают всего 10 сотрудников, а финансирования не хватает, в 1993 году Amati представляет первый DSL-модем — Prelude, который работает на основе DMT-метода модуляции.
К тому периоду свои модели модемов представляют и конкуренты, но на основе других алгоритмов модуляции. Поэтому Bell организует «битву модемов», чтобы определиться, в какую технологию вкладывать дальше средства:
Испытания показали, что Amati Prelude с отрывом лучше конкурентов — при скорости 1,5 Мбит/с он смог передать сигнал на расстояние 3,3 км со значительно меньшим затуханием. Дополнительно устройство Чоффи стало единственным, которое вообще смогло достичь скорости в 6 Мбит/с (хотя и на расстоянии всего в 1,8 км). Результаты были настолько очевидными, что у Bell больше не осталось никаких вопросов — она продолжает финансирование.
Loop в испытаниях — это так называемый carrier-serving-area loops у операторов связи
В 1995 году Чоффи вернулся к преподаванию в Стэнфордском университете, оставаясь исполнительным директором Amati. Компания продала несколько десятков модемов, но из-за производственных ограничений намного больше денег заработала на лицензиях. Например, Motorola Semiconductor и Broadcom платили Amati миллионы долларов каждый год за возможность производить чипы ADSL с DMT-модуляцией.
В 1998 году компания Texas Instruments купила Amati за 440 миллионов долларов, что эквивалентно примерно 854 миллионам долларов сегодня. Причина понятна — техногигант видел перспективы. Объем скачиваемой информации в интернете неуклонно увеличивался, скорости обычных dial-up модемов уже не хватало. Да и занятая телефонная линия нравилась далеко не всем. К началу 2000-х годов DSL технология становилась все более доступной.
В 2003 году Джон Чоффи наконец оставил преподавание в Стэнфордском университете и основал компанию Adaptive Spectrum and Signal Alignment (ASSIA, бэкроним имени его жены и соучредителя Асии Чоффи). Его цель до сих пор — развивать технологию ADSL, консультируя и помогая производителям оборудования и корпоративным клиентам. В том числе благодаря его усилиям появились технологии ADSL2 и ADSL2+.
Президент США Джо Байден вручает Джону Чоффи Национальную медаль США в области технологий и инноваций, октябрь 2023 года
Что сейчас с DSL-технологией
В рамках статьи мы рассказали лишь историю о появлении первого DSL-модема без погружения в теорию — для этого есть множество других профильных материалов. Однако, как многие знают на Хабре, DSL-технологий великое множество, и не упомянуть их было бы неверно:
HDSL (High Bit-Rate Digital Subscriber Line) — симметричная линия передачи данных со скоростью до 1,544 Мбит/с, которая появилась даже раньше ADSL. Используется в качестве альтернативы устаревшим сетям Т1 в США и Е1 в Европе, о которой мы не упоминали.
SDSL (Single Line Digital Subscriber Line) — однолинейная цифровая абонентская линия. Передача данных также происходит симметрично, как и в HDSL, но при этом используется только одна витая пара.
VDSL (Very High Bit-Rate Digital Subscriber Line) — логичное развитие технологии ADSL. Намного выше скорость передачи к абоненту, но на меньшем расстоянии: 56 Мбит/с на 300 метрах, 25 Мбит/с до 1000 метров и 13 Мбит/с до 1500 метров. Есть и версия VDSL2 с еще более высокой скоростью до 300 Мбит/с за счет более широкого диапазона частоты в 30 МГц.
R-ADSL (Rate-Adaptive Digital Subscriber Line) — асимметричная линия с адаптацией скорости соединения к протяженности витой пары и ее состоянию.
И еще множество других технологий, появление которых стало возможным в том числе благодаря усилиям первопроходцев: Джона Чоффи, Джозефа Лехлайдера и его коллег из Bell.
Сейчас в мире по-прежнему используются миллионы километров медных проводов. Вопреки прогнозам экспертов 80-х годов, оптоволокно не стало полной заменой DSL-соединения даже спустя 40 лет. Хотя доля FTTP неуклонно растет — например, данные по Восточной и Центральной Европе.
Для миллионов людей, которые не могут себе позволить прокладку оптоволокна или имеют сложности с мобильным интернетом, DSL-технология по-прежнему является отличным решением. И благодарить за это нужно в том числе и Джона Чоффи.
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.
