Homeplug AV

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Homeplug AV ist ein Netzwerk via Stromleitung mit bis zu 200 Mbit/s Bandbreite. Heimnetzwerke via Stromleitung bieten eine alternative Lösung zu anderen Netzwerktechniken. Neben der bisherigen Spezifikation HomePlug 1.0 mit 14 Mbit/s Bandbreite oder 85 Mbit/s, kann der HomePlug AV-Standard Übertragungsraten von bis zu 200 Mbit/s ermöglichen.

[Bearbeiten] Anwendungen

Vorstellbare Anwendungen innerhalb eines Heimnetzwerkes wären:

TV-Übertragung über Internet-Protokoll (IP-TV)
Video-on-demand in DVD-Qualität
IP-Telefonie
Datenaustausch verschiedener Rechner

Geräte der Unterhaltungselektronik wie TV-Geräte, Festplattenrekorder, Set-Top-Boxen, Hifi-Anlagen, Home-Server, Computer oder Spielekonsolen können miteinander verbunden werden. Zu den Wireless LANs und der traditionellen Ethernet-Verkabelung, die erheblichen Installationsaufwand erfordert, sind die Stromnetzwerke eine alternative Lösung, denn die Struktur ist bereits in jeder Wohnung vorhanden. Die erwähnten Technologien WLAN und Ethernet (als Transportmittel) eignen sich auch aus anderen Gründen nicht direkt als Heimnetzwerk und Backbone. Trotz Datenraten im Bereich von Gigabit pro Sekunde ist ein Ethernet nicht geeignet, um Audio- und Videodaten so präzise über ein Netzwerk zu übertragen, dass der Anwender keinen Unterschied zu einer Direktverbindung mit analogen oder digitalen Kabeln wahrnehmen kann. WLAN kann bei ungünstiger Positionierung im Haus zu Daten-Aussetzern führen. Alternative Heimvernetzungssysteme wie HomePNA (Datenübertragung über Telefonleitungen) oder Coax (Datenübertragung über Fernseh- und Satelliten-Kabel) können bestenfalls zum gemeinsamen Browsen im Internet oder zum Datenaustausch von PC zu PC genutzt werden. Schon die phasengenaue Ansteuerung zweier Lautsprecher – unabdingbar für Stereophonie – muss mit all den vorstehend genannten Technologien scheitern – dies gilt erst recht für 5.1- oder 7.1-Dolby-Surround-Systeme.

[Bearbeiten] Installation und Sicherheit

HomePlug AV ist durch Plug-and-Play-Technologien und Autokonfiguration einfach in Betrieb zu nehmen. Es bietet zudem eine 128bit AES-Verschlüsselung.

[Bearbeiten] Eigenschaften von HomePlug AV

Übertragungsmedium: 50/60 Hz Wechselstromleitungen oder Coax-Kabel
Link- respektive Datenrate: 200 Mbit/s
TCP Datenrate: 60 Mbit/s
UDP Datenrate: 85 Mbit/s
Flächendeckung: bis 300 Meter -> kompletter Haushalt
Übertragungsverfahren: TDMA
Ethernet-Kompatibilität: Ja (CSMA)
Koexistenz mit Hausautomation: Ja (X10, LonWorks, CEBus)
Frequenzbereich PHY: 2 - 28 MHz
Anzahl Trägerfrequenzen: 1155
Modulationsverfahren: OFDM und Turbo Convolutional Code (TCC)

[Bearbeiten] Die HomePlug AV Architektur

Um insbesondere den QoS-Anforderungen der Unterhaltungselektronik (aber auch den Anforderungen an VoIP) gerecht werden zu können, arbeitet das HomePlug AV-System sowohl mit verbindungsorientierten als auch mit verbindungslosen Kommunikationskanälen. Verbindungsorientierte Kommunikationskanäle stellen – wie etwa ISDN-Leitungen – logische Punkt-zu-Punkt-Verbindungen dar, in denen dem Datenverkehr eine definierte und für die Dauer der Übertragung garantierte Bandbreite zur Verfügung steht. Genauer: Sobald sich eine Anwendung einen solchen Übertragungsweg zwischen Sender und Empfänger reserviert hat, kann für die Dauer der Übertragung keine andere mehr darauf zugreifen. Der Nachteil: Die Realisierung erfordert eine präzise und netzwerkweite Zeitsteuerung aller beteiligten Kommunikationspartner, die nur durch einen zentralen Kontrollmechanismus realisierbar ist. Der Vorteil: Alle Datenpakete kommen genau in der Reihenfolge an, in der sie gesendet wurden, und alle sind genau gleich lange unterwegs.

Verbindungslose Kommunikationskanäle sind aus dem herkömmlichen (W)LAN wohlbekannt, in dem Anwendungen über das (drahtlose) Ethernet-Protokoll Datenpakete unkoordiniert senden. Sollten sich zwei Datenpakete unterwegs begegnen, was zu deren Zerstörung führt, müssen sie erneut gesendet werden. Und damit es nicht erneut zu Kollisionen kommt, lassen die betroffenen Sender zunächst eine kleine Zeitspanne verstreichen, deren Länge zufällig variiert. Der Vorteil: Eine zentrale Zeitsteuerung kann entfallen, was das System weniger komplex und damit robuster gegen Störungen macht. Der Nachteil: Die Reihenfolge, in der gesandte Pakete tatsächlich beim Empfänger ankommen, kann sich ändern wie auch die Laufzeit durch das Netzwerk. Der Empfänger muss dei gesandten Pakete vor der Weitergabe erst wieder in die richtige Reihenfolge bringen.

Um diese beiden an sich widersprüchlichen Funktionsweisen in einem einzigen Netzwerk realisieren zu können, geht HomePlug AV den gleichen Weg, den bereits die Telekommunikationsunternehmen im Datenfernverkehr mit ATM (Asynchronous Transfer Mode) oder später Apple mit dem Firewire-Bus beschritten haben: Eine zentrale Instanz, der Central Coordinator (CCo), sorgt zunächst dafür, dass sämtliche Stationen (STA) im Netzwerk nach genau der gleichen Uhr syncronisiert sind. Sodann vergibt der CCo Zeitscheiben, verteilt also die Gesamtbandbreite – das ist das Bruttotransportvermögen (Bits pro Sekunde) des Übertragungskanals – in mehrere Bereiche und weist sie dynamisch den anderen Stationen im Netz zu.

[Bearbeiten] CCo – die koordinierende Zentrale

Da HomePlug AV-Netzwerke grundsätzlich ohne eine übergeordnete Instanz funktionieren sollen, muss jede Station in der Lage sein, solche Informationen zu speichern. Und so befindet sich in jedem HomePlug AV-Adaptern eine zentrale Koordinationseinheit, Englisch: Central Coordinator (CCo). Wie aber können sich mehrere Stationen darauf verständigen, welche Instanz netzwerkweit der CCo ist? HomePlug AV löst den Alleinvertretungsanspruch ganz pragmatisch durch Anstecken ans Stromnetz: Sobald eine HomePlug AV-Station am Hausstromnetz angesteckt und dadurch mit Energie versorgt wird, lauscht sie am Medium (Stromkabel) auf Steuerinformationen, so genannte Beacons (dt: Leuchtfeuer) anderer HomePlug AV-Stationen . Hört sie nichts, wird sie automatisch zum CCo und teilt das ihrer Umgebung mit, indem sie beginnt, ihrerseits Beacons auszusenden. Wird eine zweite HomePlug AV-Station eingesteckt, hört diese, dass bereits Beacons auf den Stromleitungen unterwegs sind und „unterwirft“ sich dem bereits vorhandenen CCo, indem sie Informationen über ihre eigene Beschaffenheit (MAC-Adresse, Netzwerkschlüssel, etc.) dem CCo in die Liste der entdeckten Stationen, (engl. Discovered Station List (DSL)) – eine Art Routing-Tabelle – einträgt. Ein CCo steuert also zumindest ein logisches AV-Netzwerk (engl.: AV Logical Network (AVLN)). Ein AVLN besteht aus mehreren AV-Stationen (STAs), die alle den gleichen Netzwerkmitgliedsschlüssel (engl.: Network Membership Key (NMK)) verwenden. Hier ist es wichtig zu wissen, dass der NMK den Stationen exklusiven Zugang zu einem AVLN verschafft, damit sie ungestört und sicher miteinander kommunizieren können. Der CCo lernt also nach und nach, wie die Topologie seines AVLN beschaffen ist und wie die Topologie benachbarter AVLNs aussieht. Dazu senden die AV-Stationen in periodischen Abständen ihrerseits Beacons (in den Zeitfenstern, die ihnen der CCo vorgegeben hat). Diese Entdeckungs-Leuchtfeuer (Discover Beacons) enthalten Informationen über die AV-Station und über das AVLN, zu dem sie gehört. Jede Station, die einen Discover-Beacon hört, trägt diese Information in ihre eigene Liste der entdeckten Stationen (DSL) ein. Informationen von Stationen aus einem anderen AVLN werden zusätzlich in eine zweite Liste, die Liste der entdeckten Netzwerke (engl.: Discovered Network List (DNL)) eingetragen. Der CCo fragt dann in periodischen Abständen die Stationen ab, lässt sich von ihnen deren DSLs und DNLs übermitteln und baut sich daraus eine Topologie-Karte zusammen. Die aus den gesammelten DSL- und DNL-Informationen zusammengebaute Topologie-Karte nutzt der Zentralkoordinator um zu entscheiden, ob es irgendwo im Netz eine Station gibt, die einen bessere Eignung als CCo hätte, als er selbst. Als Entscheidungshilfe dient ihm folgende Prioritätsliste:

1. Auswahl durch den Anwender
2. Fähigkeiten des CCo
3. Anzahl der entdeckten STAs in der Discovered Station List

[Bearbeiten] Energie sparen

Sind alle Stationen untätig, legt der CCo das gesamte AVLN schlafen, indem er sämtliche Stationen in einen Stromsparmodus versetzt. In diesem Zustand bleibt lediglich ein kleiner CSMA-Bereich aktiv, damit die Stationen einen Verbindungsaufbau veranlassen können – sowie ein kleiner PCF-Bereich in den Echtzeit-Zeitscheiben, gerade lang genug, um Entdeckungs- und Proxy-Beacons empfangen zu können. Die Stationen müssen ihre Empfänger nur während dieser sehr kurzen Zeitspannen einschalten, um Bestandteil eines AVLN bleiben zu können. Für den Rest der Beacon-Zeitspanne können Sender und Empfänger ausgeschaltet bleiben. Das erleichtert es den Herstellern, ihre Produkte für das Energy-Star-Programm zu zertifizieren.

[Bearbeiten] Bandbreite trotz schlechter Kabel

Um mehrere logische Netzwerke, die AV-Ströme im Bereich von zig Megabit pro Sekunde übertragen können, auf einem gemeinsam genutzten Medium – den Stromleitungen – aufbauen zu können, braucht es ein gehöriges Maß an Bandbreite in der Größenordnung einiger Hundert Mbit/s.

High-Definition-Fernsehen (HD-TV) → 12-27,8 Mbit/s
Standard-Fernsehen (SD-TV) → 2–4 Mbit/s
Digital-Audio (MP3, Ogg, etc.) → 0,128 Mbit/s
CD-Audio → 1,6 Mbit/s
VoIP → 0,16 Mbit/s
Netzwerkdrucker → 1 Mbit/s
Hausautomation → 0,04 Mbit/s
Bildtelefon → 1 Mbit/s
Zeitversetztes TV-Recording → 8 Mbit/s
IP-Datenverkehr (LAN, Internet) → 4 Mbit/s
Gesamtbedarf → 30 bis 47 Mbit/s

[Bearbeiten] Quality of Service

HomePlug AV bietet – wie bereits beschrieben – verbindungsorientierte, „verstopfungsfreie“ Dienste (engl.: Contention Free (CF)) um den Echtzeitanforderungen (engl.: Quality of Service (QoS)) Bandbreitengarantie, Zeitversatz (Latenzzeit) und Laufzeitunterschiede (Jitter) anspruchsvoller Audio-Video- und IP-Anwendungen (Internet Protokoll) zu genügen. Der verstopfungsfreie Dienst setzt auf ein periodisches Zeitscheibenmanagement (engl.: Time Division Multiple Access (TDMA)), das logische Verbindungen in Zeitscheiben ausreichender Dauer zur Erfüllung der jeweiligen QoS-Anforderungen organisiert. Die netzwerkweite Zeitsteuerung wird durch periodische Leuchtfeuer (engl.: Beacons) möglich, die der Central Coordinator aussendet. Eine Beacon-Periode erstreckt sich jeweils über zwei volle 50/60-Hz-Wechselstromperioden und dauert 40 respektive 33 1/3 Millisekunden.

[Bearbeiten] Verschlüsselung

Bei der Datenübertragung über das Stromnetz sind physikalische Begrenzungen, wie sie bei einem Ethernet schon alleine durch die Kabel gegeben sind, schlichtweg nicht vorhanden. Deshalb muss die (Abhör-) Sicherheit mit anderen, logischen Mitteln sichergestellt werden.

So müssen Maßnahmen zur Zugangskontrolle sicherstellen, dass sich ausschließlich zugelassene Geräte in ein HomePlug AV-Netzwerk (AVLN) einbuchen können. Die Fähigkeit, mehrere Sicherheitsschlüssel zu verwalten, befähigen HomePlug AV-Stationen, sich mehreren AVLNs anzuschließen.

Was ist darunter zu verstehen? AVLN Nummer 1 kann beispielsweise einen LCD-Fernseher mit dem Sat-Receiver verbinden, während ein AVLN Nummer 2 die Verbindung zu den sechs (aktiven) Lautsprechern der 5.1-Dolby-Surround-Anlage herstellt, die via AVLN 3 gleichfalls von einem (AV-) Netzwerk-Player oder einer IPTV-SetTopBox angesteuert werden. Der PC im Arbeitszimmer nutzt ein AVLN Nummer 4 zur Kommunikation mit dem – möglicherweise via WLAN angebundenen – Notebook im Wohnzimmer und dem Storage-Server im Keller, der über AVLN 3 gleichfalls als Datenquelle für den LCD-Fernseher dient.

Der gesamte Datentransport und nahezu sämtlicher Steuerungsverkehr in einem AVLN sind durch eine starke Verschlüsselung gemäß 128-Bit-AES abgesichert. Ausgenommen sind lediglich einige wenige Steuerkommandos, die unverschlüsselbar sind. Als Schlüssel dient der Network Encryption Key (NEK), der erst dann auf individuelle Netzwerksegmente angewendet wird, wenn MPDUs (MAC Protocol Data Unit) generiert werden. Die Schlüsselzuweisung kann auf folgende Arten erfolgen: Der voreingestellte Schlüssel wird verwendet, der werkseitig in alle Stationen programmiert wurde, um den Anwendern bei der Erstinstallation ein echtes Plug&Play-Erlebnis zu verschaffen. Sicherheit ist damit aber nicht gegeben, weil diesen Schlüssel alle HomePlug AV-Adapter haben. Der Anwender definiert ein Netzwerk-Passwort (NPW) und gibt es direkt in eine neue Station ein. Ein Hash-Algorithmus generiert daraus den NEK – einen 128-Bit-AES-Schlüssel.

HomePlug AV-Stationen können Mitglied mehrerer logischer Netzwerke in einem physikalischen Netzwerk sein. HomePlug AV kann darüber hinaus mehrere benachbarte Netzwerke (engl.: Neighbouring Networks (NN)) koordinieren. Sobald der Zentralkoordinator (CCo) ein benachbartes Netzwerk entdeckt, handelt er mit dessen CCo einen Zeitplan für die Übertragung von Daten in dessen Netzwerk aus, so dass es zu keinen Überschneidungen (Interferenzen) kommt.

[Bearbeiten] Störung anderer Technologien

Produkte, die der HomePlug AV-Spezifikationen folgen, verwenden Notches hinsichtlich anderer Technologien. Daher stören HomePlug AV-spezifizierte Produkte andere Technologien wie z.B. den Amateurfunk nicht. Frequenz (MHz)

F <= 1.71 - AM Broadcastband und drunter
1.71 < F< 1.8 - Zwischen AM und 160 Meter Band
1.8 <= F <= 2.0 - 160 Meter Amateur Band
3.5 <= F <= 4.0 - 80 Meter Amateur Band
5.33 <= F <= 5.407 - 5 MHz Amateur Band
7.0 <= F <= 7.3 - 40 Meter Amateur Band
10.10 <= F <= 10.15 - 30 Meter Amateur Band
14.0 <= F <= 14.35 - 20 Meter Amateur Band
18.068 <= F <= 18.168 - 17 Meter Amateur Band
21.0 <= F <= 21.45 - 15 Meter Amateur Band
24.89 <= F <= 24.99 - 12 Meter Amateur Band
F >= 28.0 - 10 Meter Amateur Band

[Bearbeiten] Zusammenfassung

Homeplug AV ermöglicht, sowohl Audio und Video als auch Ethernet-Pakete über die Stromleitungen eines Hauhaltes zu verteilen. Die Bruttobandbreite reicht mit 200 Mbit/s aus, um gleichzeitig beispielsweise zwei HDTV-Signale (66–84 Mbit/s), Home-Theater-Audio oder CD-Audio in zwei Räumen (9–11 Mbit/s) und sechs VoIP-Telefonate (1 Mbit/s) im Heimnetz zu verteilen – und hat selbst dann immer noch genügend Reserven um IP-Daten mit 10 Mbit/s zu übermitteln.

Verglichen mit den Kosten einer strukturierten LAN-Verkabelung (vier verdrillte Leitungspaare) sowie zusätzlichen Kabeln für ein Fernsehverteilnetzwerk (Koaxial) und Telefonleitungen (zwei verdrillte Leitungspaare) zuzüglich der Kosten für einen Handwerker nehmen sich die Kosten für ein HomePlug AV-Netzwerk relativ gering aus.

HomePlug AV bietet eine Alternative zu WLAN und andere Netzwerktechniken, wenn es um Veränderungen in der Wohnlandschaft geht. Denn im Gegensatz zu fest installierten Kabeln, die an andere Orte verlegt werden müssten, sind per HomePlug AV angesteuerte Geräte grundsätzlich über jede Steckdose im Haus zu erreichen – seien es Wiedergabegeräte wie IP-Fernsehseher, Beamer oder Lautsprecher, Zuspielgeräte wie Sat-Receiver, CD/DVD-Player, Media-Server, oder Computer oder gar andere Verteilnetzwerke wie WLAN-Access-Points oder Ethernet-LANs.