Эндрю Уэзеролл - Компьютерные сети. 5-е издание

Решение было основано на частотном уплотнении. Кабельное телевидение в Северной Америке традиционно занимает частоты с 54 до 550 МГц (за исключением диапазона с 88 до 108 МГц, отданного FM-радио). Ширина полосы каждого канала составляет 6 МГц, включая защитные полосы, и передает один традиционный аналоговый телеканал или несколько цифровых телеканалов. В Европе нижний предел обычно ограничен 65 МГц, а каналы имеют ширину полосы 6-8 МГц, что позволяет увеличить разрешение, требуемое системам PAL и SECAM, однако это не очень принципиально. Нижняя часть спектра не используется. Современные кабели хорошо работают на частотах свыше 550 МГц, часто до 750 МГц и выше. Было принято решение выделить под исходящие каналы частоты 5-42 МГц (чуть выше в Европе), а высокие частоты использовать для входящих каналов. Распределение спектра в кабельных системах показано на рис. 2.46.

Рис. 2.46.Распределение частот в типичной системе кабельного телевидения, используемой для доступа в Интернет

Обратите внимание: поскольку телевизионный сигнал целиком идет только в одном направлении (входящем), можно использовать исходящие усилители, работающие только в диапазоне 5-42 МГц, а входящие — в диапазоне 54 МГц и выше, как показано на рисунке. Итак, входящий и исходящий спектры имеют сильный дисбаланс благодаря тому, что основная доля трафика приходится на телевидение и входящие интернет-каналы. И операторы кабельного телевидения, и компании, занимающиеся кабельным Интернетом, остались довольны таким распределением. Как мы уже говорили, телефонные компании часто предлагают ассиметричный DSL-сервис, хотя у них нет особых технических оснований, чтобы так делать.

Кроме обновления усилителей, оператору нужно обновить и распределительное устройство на входе системы. Вместо латентного усилителя нужно поставить интеллектуальное цифровое вычислительное устройство с высокоскоростным оптоволоконным интерфейсом к провайдеру. Иногда обновляется даже имя этого устройства: вместо распределителя его называют CMTS( Cable Modem Termination System— Оконечное устройство кабельного модема). Далее мы воздержимся от столь значительного обновления и будем по-прежнему называть распределитель распределителем.

2.8.4. Кабельные модемы

Для доступа в Интернет нужен кабельный модем — устройство, имеющее два интерфейса: один к компьютеру, второй — к кабельной сети. В первые годы существования кабельного Интернета у оператора связи были свои модемы, которые устанавливались у абонента специалистом службы технической поддержки. Однако затем стало понятно, что открытый стандарт может позволить создать рынок конкурентоспособных кабельных модемов, снизить цены на них и тем самым привлечь клиентов. Более того, возможность купить кабельный модем в обычном магазине и установить его самостоятельно (как пользователи всегда устанавливали беспроводные точки доступа) позволит избежать больших расходов на оплату выезда специалиста.

В результате многие операторы кабельных сетей объединились с фирмой CableLabs с целью выработки стандарта на кабельные модемы и тестирования продукции на совместимость. Модемы появившегося стандарта DOCSIS( Data Over Cable Service Interface Specification— Спецификация передачи данных по кабельному интерфейсу) практически заменили собственные модемы операторов. Версия DOCSIS 1.0 вышла в 1997 году, и скоро, в 2001 году, за ней — DOCSIS 2.0. Она увеличила скорости загрузки, чтобы лучше поддерживать симметричные сервисы, такие как IP-телефония. Наиболее современная версия стандарта — DOCSIS 3.0 — вышла в 2006 году. Она использует большую полосу пропускания, чтобы увеличить скорости в обоих направлениях. Европейская версия стандарта называется EuroDOCSIS. Однако не всем операторам нравится идея свободной продажи стандартных кабельных модемов — слишком уж хорошие деньги они получают за сдачу в аренду модемов своим захваченным в плен клиентам. Открытый стандарт, породивший десятки фирм-производителей кабельных модемов, продающих их в магазинах, ведет к концу подобной практики.

Интерфейс между модемом и компьютером довольно традиционен. Обычно это Ethemet или, иногда, USB. Второй интерфейс более сложный, так как он использует FDM, TDM и CDMA для разделения между пользователями пропускной способности кабеля.

При включении кабельного модема он начинает прослушивать входящий канал в поисках специального пакета, время от времени посылаемого распределителем, чтобы получить системные параметры для модемов, только что включившихся в работу. После обнаружения данного пакета новый модем объявляет о своем появлении по одному из исходящих каналов. Распределитель отвечает, присваивая модему входящий и исходящий канал. Это распределение каналов может быть динамически изменено распределителем, если он решит, что необходимо сбалансировать нагрузку.

Использование каналов на 8 МГц или на 6 МГц — дело частотного уплотнения. Каждый кабельный модем посылает данные по одному восходящему и одному нисходящему каналу или по нескольким каналам при DOCSIS 3.0. Обычная схема состоит в том, чтобы взять каждые 6 (или 8) МГц нисходящего канала и промодулировать их QAM-64 или, если качество кабеля исключительно хорошо, QAM-256. С каналом на 6 МГц и QAM-64 мы получаем приблизительно 36 Мбит/с. За вычетом служебных сигналов, полезная нагрузка сети — приблизительно 27 Мбит/с. С QAM-256 полезная нагрузка сети — приблизительно 39 Мбит/с. Европейские значения на 1/3 больше.

Для восходящих каналов имеется больше радиочастотного шума, потому что система не была первоначально разработана для данных, и шум от многих пользователей направляется к распределителю, поэтому используется более консервативная схема. Она колеблется от QPSK до QAM-128, где некоторые из символов используются для защиты от ошибок с решетчатой кодированной модуляцией (Треллис-модуляцией). С меньшим количеством битов на символ для восходящих данных, асимметрия между скоростью восходящего и нисходящего каналов намного выше, чем показано рис. 2.46.

Чтобы совместно использовать полосу пропусканя для восходящих данных многих пользователей, используется уплотнение с разделением времени. Иначе их передачи столкнулись бы в распределителе. Время работы делится на мини-слоты( minislots), и разные пользователи отправляют данные в разные мини-слоты. Для этого модем определяет, на каком расстоянии от распределителя он находится. Для этого посылается специальный пакет и высчитывается время, через которое приходит ответ. Этот процесс называется измерением дальности( ranging). Модему необходимо знать эти данные, чтобы правильно синхронизироваться. Каждый исходящий пакет должен умещаться в один или несколько соседних мини-слотов. Распределитель анонсирует каждое начало цикла мини-слотов, однако этот «стартовый выстрел» модемы слышат не одновременно, поскольку они находятся на разных расстояниях. Зная свое удаление от распределителя, модем может вычислить, когда на самом деле был послан принятый им сигнал начала мини-слота. Длина мини-слота зависит от сети. Обычно объем полезной информации в нем равен 8 байт.