為什麼這篇preamble封包鄉民發文收入到精華區:因為在preamble封包這個討論話題中,有許多相關的文章在討論,這篇最有參考價值!作者pttchang (chang)看板Fix-Network標題[情報] 電力線網路(PLC)技術...
電力線網路(PLC)技術介紹
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過去,一直有許多因素使電力線(power line)技術無法普及。其中最讓人猜疑的是:
在110V或220V的電源線上,真的能傳輸IP封包嗎?不會有電磁干擾(EMI)的問題嗎?
愈來愈多的數位電子裝置是為家庭或客廳設計的,因為消費者喜歡將影音檔案從電腦複製
到家庭娛樂系統中。這就加速了電腦與電視的整合,以及對電力線通訊
(Power Line Communication;PLC)的需求。
技術概況
目前PLC技術領先全球的有兩大陣營:
一是HomePlug電力線聯盟(powerline alliance)、
另一是環球電力線協會(Universal Powerline Association;UPA)。此外,
還有IEEE-P1901標準(Broadband Over Power Line),但上述兩個陣營都有加入
IEEE-P1901小組。目前還很難看出哪一個陣營會在市場上佔據優勢。
目前PLC實體層傳輸速率最快可達200Mbps,而應用層大約是130 Mbps。HomePlug AV標準
或DS2公司專屬的(proprietary)PLC技術都可以達到這樣的效能。
DS2的PLC晶片是採用具有1536個載波的OFDM調變技術,以及分時雙工(TDD)或分頻雙工
(FDD)的頻道擷取方法。
DS2晶片可以在1~34MHz之間工作,提供較寬鬆的動態工作範圍(90dB),
具有分頻和分時的中繼(repeating)能力。由於這些特性,可以使用DS2晶片來實現
服務品質(quality of service;QoS)和服務類別(class of service;CoS)的功能。
簡言之,QoS就是保證能優先提供較大的頻寬給影音資訊傳輸使用。而CoS就是指
IEEE 802.1P標準,它可以讓用戶在ISO的第二層(Layer 2)上,根據需要對不同的
通訊協定(protocol)設定個別的傳輸優先順序。
QoS或CoS對多媒體傳輸是非常重要的,尤其是在頻寬非常有限的通訊網路中。
技術應用
PLC/xDSL閘道器
它對外要能夠連接纜線數據機(cable modem)、ADSL、FTTx、WiMAX,對內要連上家庭
的電力線。所以設計比較複雜,單價也比較高。和一般的網路閘道器一樣,網路處理器
和通訊軟體是關鍵技術。如果無法掌握到這兩個關鍵技術,那就只能從事全段代工
(turn key)製造了。
PLC數據機(VoIP+data)
這種數據機類似整合型擷取裝置(Intergrated Access Device;IAD),可以讓用戶
傳收資料和電話,而且都是透過網際網路,所以通訊費用比較低廉。電腦和一般的室內
電話都可以與它連接。當然,VoIP技術是其關鍵技術。和一般的VoIP閘道器之最大差別
在於:它可以使用電力線經PLC/xDSL閘道器以電話線對外通訊,也可以完全使用電力線
對外通訊(如果輸配電網路有支援廣域通訊的話)。
數位媒體接收器(digital media receiver)
這就是一台數位式機頂盒(DSTB)。可以將視訊轉換成電視或電腦、LCD螢幕可用的訊號。
PLC 802.11x無線橋接器
它的功能和無線區域網路橋接器(WLAN access point)一樣。
PLC電話
具有兩種通訊埠,一種是電話線、另一種是電力線(就是電源線)。電話埠可以和PLC
數據機連接;電力埠可以直接與電源插座連接。
家庭音響和劇院系統
將PLC模組嵌入至MP3播放機、家庭劇院系統等設備中,就可以將電腦、電視、音響、
電話,甚至其它家電連接在一起。這正符合數位家庭的概念。
PLC-PCI介面卡
供給具有PCI匯流排的電腦使用。它的一端是PCI介面,另一端是PLC介面。
PLC網路配接器(adapter)
依照功能,大概可以區分為中繼器(repeater)、或具有TCP/IP軟體的路由器(router)
。相較之下,前者不需要複雜的軟體,是屬於ISO第二層的架構,用於延伸PLC網路的
距離,因此是屬於頭端(head end)設備。而後者又可區分為:戶內擷取
(in-home access)與對等(peer-to-peer)裝置。戶內擷取裝置就是類似ADSL數據機
的用戶端設備(CPE),負責對外通訊,所以它是主控裝置(master),而和它連接的
就是從屬(slave)裝置;而對等裝置是指在戶內互相通訊的裝置,譬如:兩台室內
電腦透過PLC網路互相傳輸資料。
網路架構
它可以區分成三大部份,由下而上分別是:實體層、資料鏈結(data link)層、
網路層。
實體層包含OFDM實體層、乙太實體層和乙太MAC層。其主要工作是通道的估算、
傳收資料、錯誤修正。
資料鏈結層包含基本的MAC層、QoS的MAC層、邏輯鏈結控制(LLC)。
基本的MAC層之任務是執行基本的通道資源分配和匯流仲裁。
QoS的MAC層之任務是請求和分配資源、傳輸優先等級的管理。
邏輯鏈結控制之任務是組裝和拆解封包、邏輯鏈結的確認。
網路層的功能是建立或發現隨意型的(ad hoc)PLC網路、轉送資料
(data forwarding)。
晶片架構
它包含三個重要部份:處理器核心、乙太橋接器、數據機。
PLC晶片內部數據機的架構,它包含四個部份:
通道編碼:提供攪亂(scrambling)碼和累贅碼(redundancy code)。
高密度的調變器:硬體的複雜度低、每個載波有2至10個位元。
FFT/IFFT:提供1536個載波、頻譜效率高。
通道估算器(channel estimator):預估通道的訊雜比(SNR)和頻率響應;
根據期望的位元錯誤率(Bit Error Rate;BER),選定每個載波的位元數。
支援802.1D橋接標準、802.1Q虛擬區域網路(VLAN)標準和802.1P服務品質標準。
主要功能就是將來自於乙太網路上的封包轉送至PLC網路,並將PLC網路上的資料封包
轉送至乙太網路上。同時支援MAC位址過濾、虛擬區域網路和QoS的功能。
這是屬於ISO第二層(資料鏈結層)的功能。此外,它還可提供:廣播(broadcast)
或一對多播放(multicast)支援IPv6;頻寬與延遲管理;支援展開樹通訊協定
(Spanning Tree Protocol);可以解決隱藏節點(hidden node)的問題等功能。
TDM介面可以外接VoIP DSP和SLIC,藉此,可以在PLC網路內互打電話。
802.1D標準中的STP
如前所述,PLC的橋接功能是遵循802.1D標準。而此標準中的STP則決定了最佳的路徑。
STP是一種鏈結管理協定,提供相關的傳遞路徑,並將不需要的路徑摒除。
理論上,為了提高網路的傳輸效率,在兩台電腦之間,應該只能存在一個傳輸路徑。
但實際上,為了預防斷線,所以STP演算法必須不斷地計算,以選出可用的最佳路徑。
STP能讓橋接器彼此通訊,共同找出最佳的邏輯路徑。因為這種邏輯路徑像樹狀結構一樣
,蔓延至整個ISO第二層網路,因此得名。對終端設備而言,STP是透明的
(transparent),它們根本就不知道自己是連接到哪些區域網路的區段上。
橋接器使用橋接通訊協定資料單元(Bridge Protocol Data Unit;BPDU)來交換彼此
的訊息。
而STP使用BPDU來選擇主要的交換器(switch)和通訊埠。 簡言之,STP的工作步驟有二:
(1)從所接收到的組態訊息中,選出橋接器可用的最佳路徑之訊息;
(2)從非主要連接(non-root-connection)的組態訊息中,選出可用的路徑訊息。
如果從步驟一中所得到的最佳選項沒有比步驟二的好,則放棄步驟一所得到的訊息。
STP的通訊協定格式(BPDU)。
Protocol ID:永遠是0。
Version:永遠是0。
Type:此訊框(frame)的BPDU是屬於哪一種格式?是組態的BPDU或是網路變化通知
(TCN BPDU)。
Flags:使用中的網路可以利用它來標示異動,並包含在網路變化通知
(Topology Change Notification;TCN)的BPDU中。
Root BID:主橋接器(Root Bridge)的橋接編號(Bridge ID)。對單一的虛擬區域
網路而言,當資料匯聚之後,在網路上的所有組態BPDU應該包含相同的Root BID。
它可以區分為兩個子欄位:橋接的優先順序和橋接的MAC位址。
Root Path Cost:在到達主橋接器的路徑上,所需要的全部鏈路之累積成本。
Sender BID:產生此BPDU的橋接器之橋接編號。對單一的虛擬區域網路而言,
單一交換器所傳送的所有BPDU都具有相同的Sender BID,但是,不同交換器之間所
傳送的BPDU之Sender BID是不同的。
Port ID:每一個通訊埠都有一個唯一的編號。第一埠的編號是0x8001,
第二埠的編號是0x8002。
訊息的年齡:從主橋接器發出訊息形成此BPDU開始,記錄已經過的時間長短。
最大年齡:一個BPDU存在的最長時間。在進行網路變化通知時,它會影響到橋接表
(bridge table)的年齡計時器(aging timer)。
Hello Time:組態BPDU的週期時間。兩個相鄰的組態BPDU之時間間隔。
Forward Delay:傾聽和學習所花費的時間。在進行網路變化通知時,它也會影響到
橋接表的年齡計時器。
802.1Q標準中的VLAN
VLAN是指有一群網路裝置分別位於不同的網段上,但是透過VLAN的組態設定,
可以將它們視為在同一個網段上。由於VLAN是邏輯的觀念,而不是實體的觀念,
所以適用於主從網路的管理、頻寬的分配和資源最佳化。而這些應用也是PLC網路所
需要的。
目前有四種VLAN存在:以通訊埠為基礎的VLAN、以MAC為基礎的VLAN、以通訊協定為基礎
的VLAN、ATM VLAN。前三種VLAN都適用於PLC網路。
802.1Q標準可以將大型網路切割成許多小網路,所以,廣播和一對多的播放不會消耗掉
不必要的頻寬。此外,不同VLAN區段是無法通訊的,因此可以提高網路通訊的安全性。
符合802.1Q標準的乙太封包內有一個標籤(tag)欄位,包含VLAN和802.1P優先等級的
資訊。但特別要注意的是,符合802.1Q標準的乙太封包長度已經從1518bytes變成
1522bytes了,因此傳統的網路卡和交換器會拋棄這些封包。符合802.1Q標準的乙太封包
格式。
Preamble(PRE):PRE是由0和1交叉組成的7bytes的欄位。它告訴接收端有一個訊框即
將到來,並且使接收端的實體層與接收到的位元流同步。
Start-of-frame delimiter(SFD):SOF是由0和1交叉組成的1bytes的欄位。它的末端
是兩個連續的1,表示下一個位元是目標位址的最左邊之位元。
Destination address(DA):DA欄位表示接收端的位址。它是6bytes的欄位。
Source addresses(SA):SA欄位表示傳送端的位址。它是6bytes的欄位。
TPID:固定為0x8100。如果一個訊框的EtherType欄位值等於0x8100,則此訊框就是
具有符合IEEE 802.1Q / 802.1P標準的標籤。
TCI:標籤控制資訊(Tag Control Information;TCI)欄位包含了使用者優先等級、
規範格式指示(canonical format indicator)和VLAN ID。
User Priority:由802.1P標準定義使用者的優先順序,共有3位元,8個優先等級。
CFI:對乙太交換機而言,這個欄位必須設為0,表示規範格式。這個欄位最主要是用來
使乙太網路和符號環(Token Ring)網路能夠相容。如果一個乙太埠收到的訊框之CFI值
為1,則此訊框將無法被轉送出去,因為它被不具標籤的(untagged)通訊埠接收到。
VID:VID是VLAN的識別號碼,基本上,它是給802.1Q標準使用的。它有12個位元,
可以提供最多4096個VID。在這些VID中,VID為0者是留給載有優先等級資訊的訊框使用
的,4095(0xFFF)則是被保留的,所以最大的VID值是4094。
Length/Type:這個欄位是用來表示訊框的資料欄位之長度,或者表示訊框的類別。
Data:最多1496位元,最少42位元的資料。一個訊框的最小長度是64 bytes。
Frame check sequence(FCS):包含了一個32位元的循環累贅查核(CRC)值,
它是由傳送端的MAC產生的,並由接收端於收到後重新計算,藉此,檢查訊框是否有損失。
DS2的PLC晶片除支援上述的802.1Q標準格式外,還另外加入了其專屬的OVLAN
(Optimized VLAN)欄位,如(圖六)所示。此外,除了本文所介紹的ISO第二層技術以外,
PLC網路裝置可能還包含第二層以上的軟體堆疊,例如:TCP/IP等等。
技術上的優缺點
在技術上,PLC具有下列幾項優點:它在較低頻段(1~34MHz)工作,所以不會受微波爐
、手機射頻訊號的干擾;在一般情況下,它適合在惡劣的電力線環境中傳輸訊號。
譬如:具有多路徑衰減(multipath fade)效應、阻抗不斷變化、阻抗不匹配的電力線
環境;它使用既有的家用輸配電網路系統傳輸訊號即可。不同大樓和樓層之間,
可以利用電感感應的方法將訊號耦合過去,所以訊號傳輸不會受到空間的限制。
但是,PLC也不是完全無懈可擊,目前它至少還有以下幾項缺點尚待克服:
如果舊有的輸配電網路系統的用電效率不彰的話,則必須更換電力基礎設備,
其成本將非常高昂。這包含電力公司的變壓器、高壓輸配線,以及用戶室內的配電盤、
配電線路;如果採用OFDM調變技術,則訊號容易產生抖動(jitter)和頻率偏移;
由於PLC實體層最多只能支援200Mbps的速率,所以廣播或一對多播放的通道總數仍然受到
極大的限制。例如:使用PLC網路播放MPEG-2影片時,在同一條PLC網路主幹
(backbone)上,最多只能容納10位用戶同時觀看。因為連同應用層,一個MPEG-2視訊
IP鏈結總共需要20Mbps的頻寬。所以,經由PLC網路對眾多用戶同時廣播時,
使用MPEG-4或H.264視訊是比較實用些,因為這種視訊的每個IP鏈結大概只需要1Mbps的
頻寬。
結語
其實,由於無線區域網路無法穿透大樓的上下各樓層,所以PLC才有存在的價值。但是,
PLC仍然得面對802.11g、802.11n、802.16(WiMax)的威脅。尤其許多大廠紛紛投入
WiMax陣營,對PLC而言,這勢必會造成資源排擠的作用。
雖然PLC產品目前僅佔全球家庭網路市場約5%而已,但是國外分析家樂觀預估到2008年,
它的總產值將成長到1000萬美元。這似乎仍然偏低,但當人們習慣於使用乙太和WLAN網路
時,PLC將成為另一種大家想要使用的替代技術。
※ 編輯: pttchang 來自: 124.10.128.250 (04/27 02:11)