Технологія доступу за допомогою ктв (catv)

Кабельні технології

Технологія доступу за допомогою КТВ (CATV)

 

Для початку розглянемо сутність і основні особливості кабельного телебачення. Станція кабельного телебачення одержує й обробляє різні сигнали радіопередач, супутникових програм і передач місцевих телевізійних студій. Телесигнали - це електромагнітні імпульси, або хвилі, і вони займають відведений їм місце в частотному спектрі. Для поширення телесигналів необхідний деякий носій, з якого вони проходять від станції до телевізорів клієнтів. Сигнали звичайного телебачення можуть передаватися по повітрю на різних частотах і поширюватися по системам кабельного телебачення, в яких використовуються спеціальні кабелі - коаксіальні або оптоволоконні. Кожен телевізійний сигнал передається по кабелю на своїй частоті (набір таких несучих частот і створює спектр телевізійних каналів), тому кабельне телебачення має свій власний частотний спектр. Таким чином, можна дивитися телепрограми навіть там, де неможливо приймати сигнал через ефір. Головна станція кабельного телебачення отримує різні телепрограми з ефіру, при необхідності перетворює їх (конвертує), підсумовує, підсилює і подає в кабельну магістраль. Зазвичай магістралей буває кілька (2-4). Це залежить від кількості будинків у мікрорайоні, а також від місця розташування головної станції. Щоб підтримувати потрібний рівень сигналу в магістралі, через певну відстань (порядку 300 метрів) ставляться магістральні підсилювачі. Через спеціальні відгалужувачі сигнал з магістралі потрапляє на домову розведення, де остаточно посилюється і подається до абонентів. Велика кабельна магістраль зазвичай проходить через весь мікрорайон. Кабельні відводи, які мають менший діаметр, передають сигнали з магістралі в локальну кабельну мережу, «пронизливий» житлові і виробничі будівлі. Коли клієнт хоче підключитися до кабельного телебачення, працівники станції прокладають у його будинок кабель від найближчого відводу і підключають до телевізора. Якщо телевізор не може прийняти всі канали через несумісність кабелів або кодування сигналів, то між кабельною мережею і телевізором встановлюється спеціальний конвертор. Така організація мережі, звана «деревоподібної з відростками», дозволяє найбільш ефективно і економічно передавати весь набір телепередач від станції до клієнтів.

Для організації доступу в інтернет за допомогою існуючих мереж кабельного телебачення необхідні спеціальні пристрої - кабельні модеми. Кабельні модеми розташовуються на відводі кабельної магістралі і виконують функції різних пристроїв: модему, шифратора-дешифратора інформації, маршрутизатора, мережевого адаптера, SNMP-агента і навіть концентратора Ethernet. Однак такий пристрій все одно залишається модемом, оскільки, перш за все воно модулює і демодулирует сигнали. Зазвичай передача і прийом інформації за допомогою кабельного модему здійснюється різними способами. При передачі інформації від станції до кабельного модему (downstream) цифрові дані модулюються стандартної для телевізійних сигналів частотою (6 МГц), на яку накладається несуча частота (від 42 до 750 МГц).

Такий сигнал передається кабельній системі разом з сигналами кабельного телебачення і не заважає телепередачам. Є кілька схем модуляції, але найбільш популярні з них дві - QPSK (забезпечує швидкість передачі 10 Мбіт / с) і QAM64 (до 36 Мбіт / с). Зворотний сигнал від модему до станції (upstream) передавати складніше. Це пов'язано з тим, що у звичайній дуплексної кабельної мережі зворотний сигнал (Upstream) може передаватися на частотах від 5 до 40 МГц. Такому сигналу можуть перешкодити радіошуми і радіопередачі, а також непідключеними антена або погане з'єднання коаксіальних кабелів. Оскільки кабельна мережа має деревоподібну форму, всі шуми з усіх відгалужень збираються разом і перешкоджають поширенню зворотного сигналу. Більшість виробників планує використовувати QPSK або аналогічну схему модуляції для передачі в прямому напрямку, оскільки цей метод краще підходить для сильно зашумленной навколишнього середовища, ніж високочастотні методи модуляції. Недолік же QPSK очевидний - більш низька швидкість передачі, ніж при використанні схеми модуляції QAM. Якщо кабельна мережа не може передати зворотний сигнал, (це трапляється через погані проводів і якості з'єднань), то це можна зробити за допомогою мережі ГТС або ISDN.

 

Кабельний модем працює як приймач і передавач телевізійних сигналів. Імпульси від станції по коаксіальному кабелю надходять у кабельний модем, який передає їх комп'ютера або в локальну мережу. Є кілька методів підключення модему до комп'ютера. Найпоширеніший з них - технологія Ethernet 10BaseT. У цьому випадку модем має вбудований адаптер Ethernet, який підключається до локальної мережі або комп'ютера. Природно, на персональному комп'ютері також має бути встановлений адаптер Ethernet і програмне забезпечення, що обслуговує протокол TCP / IP. Установка кабельного модему всередині комп'ютера, можливо, обійшлася б дешевше, але для цього необхідно розробити набір плат для всіх існуючих платформ.

 

Ера комп'ютерних інтерактивних служб (КІС) на базі мереж кабельного телебачення (КТБ) почалася в кінці 1996 року, коли в комерційну експлуатацію були запущені відразу три служби найбільших у США операторів КТВ - TCI, Time Warner і Continental Cablevision. Перші КІС були відкриті в Канаді в грудні 1995 року і в Австралії влітку 1996 року, але грандіозна епопея по масовому впровадженню даної технології почалася у вересні 1996 року. На сьогоднішній день з 300 тис. працюючих у світі кабельних модемів дві третини встановлені в США і Канаді. З 300 тис. абонентів КІС 85% користуються послугами двосторонніх мереж (зі зворотним каналом), а решта - односторонніми (зворотним каналом служить телефонна лінія). На сьогоднішній день найбільшою в світі КІС є @ Home компанії @ Home Network. Засновниками цього підприємства є найбільший оператор КТБ в США - корпорація TCI, яка в даний час має 17 млн. передплатників по всій країні і інвестиційна компанія Kleiner Perkins Caufield & Byers. Співвласниками і з операторами служби є ще сім американських і канадських компаній, у тому числі четвертий і п'ятий за величиною оператори КТБ в США, компанії Comcast і Cox Communications. Станом на 1 травня 1999 @ Home мала більше 160 тис. передплатників. Потенційно ж послугами цієї КІС можуть скористатися 6-7 млн. абонентів КТБ. На другому місці (64 тис. користувачів) перебуває КІС Road Runner.

 

Стандарти модемів

Кабельні модеми - це міст між комп'ютером і виведенням широкосмугової кабельної мережі. Найбільш поширеним інтерфейсом з боку ПК є Ethernet, проте зростає і кількість кабельних модемів з інтерфейсом USB. Більш нові системи володіють вже як повнодуплексний інтерфейсами 10/100BaseT, так і портом USB. На відміну від технологій цифрових абонентських ліній (Digital Subscriber Line, DSL), доступ до мережі за допомогою широкосмугового кабелю може здійснюватися лише одним із двох способів.

Двома конкуруючими кандидатами в цій області є DOCSIS зі своїм європейським варіантом EuroDOCSIS і специфікація DVB / DAVIC. Як би вони не розрізнялися в деталях, їх мета, в общем-то, одна: гарантоване забезпечення спільної роботи пристроїв різних виробників в одній мережі. Для надання послуг передачі даних по кабелях необхідний так званий головний вузол (система термінування кабельних модемів: Cable Modem Termination System (CMTS) - в разі DOCSIS або, відповідно, INA - у разі DVB) з боку провайдера і, звичайно ж, відповідний модем зі боку користувача. Наявна в розпорядженні смуга пропускання сучасної гібридної волоконно-коаксіальної кабельної мережі лежить у діапазоні від 88 до 862 МГц в напрямку прийому (downstream) і між 5 і 65 МГц в напрямку передачі (upstream). При повному використанні телевізійного каналу шириною 8 МГц можна добитися швидкості передачі даних до 52 Мбіт / с, в залежності від обраного стандарту і методу модуляції.

Стандарт DVB / DAVIC спирається на використання фіксованих осередків ATM і стандартних для ATM методів забезпечення якості послуг. Підтримка передачі даних, зокрема TCP / IP, забезпечується за допомогою AAL5. Стандарт DOCSIS передбачає використання стандартних кадрів Ethernet і тому найкраще підходить для передачі пакетних даних.

Звичайно ж, об'єктивні відмінності між стандартами існують. Наприклад, для зворотного каналу DVB / DAVIC передбачає тільки модуляцію QPSK, тоді як DOCSIS - ще й 16-QAM. У результаті перший підтримує меншу максимальну пропускну спроможність при доступі абонентів. Однак максимальна швидкість в 10,24 Мбіт / с у разі 16-QAM рідко коли досяжна на практиці внаслідок зашумленості каналів і конкуренції за доступ.

Крім двох названих є й ще один, міжнародний, стандарт IEEE 802.14. Однак через тривалу відсутність прогресу в розробці він не одержав скільки-небудь помітної підтримки, і зараз відповідна робоча група за участю компаній Broadcom і Terayon працює над фізичним рівнем наступного покоління з високою - до 30 Мбіт / с - швидкістю передачі даних у зворотному напрямку (від кабельного модему до станції). Іноді цей ще не з'явився стандарт неофіційно називають DOCSIS 1.2.

Мультимедійна кабельна мережева система (Multimedia Cable Network System, MCNS) - попередник DOCSIS. У 1997 р. разом зі своїми доповненнями вона перейменована в стандарт DOCSIS, виступаючий як успадковує специфікації.

Стандарт DOCSIS 1.0 був опублікований навесні 1997 р. Кабельні модеми стандарту DOCSIS 1.0 + володіють сумісним з DOCSIS 1.0 апаратним забезпеченням і можуть бути модернізовані до DOCSIS 1.1 програмними методами.

У квітні 1999 р. вийшла друга, вдосконалена версія - DOCSIS 1.1. Найважливіші відмінності полягали в появі функцій для забезпечення якості і класу надаваних послуг передачі даних (Quality of Service, QoS) і поліпшеній системі захисту від злому з використанням системи базової конфіденційності (Baseline Privacy plus, BPI + - стандарт безпеки для кабельних модемів). Обидві версії DOCSIS повністю сумісні один з одним, і в межах однієї мережі прекрасно працюють разом (це справедливо як для систем термінування, так і для модемів). У DOCSIS 1.1 інтегровані всі необхідні доповнення для голосових служб. Кабельні модеми DOCSIS поставляються звичайно з одним або декількома телефонними гніздами RJ-12 на задній панелі для підключення стандартних телефонних або факсимільних апаратів.

DVB із самого початку переслідував кілька іншу, набагато більш глобальну, в порівнянні з DOCSIS, мета, оскільки він спочатку орієнтувався тільки на комунікації в Internet. У плані гнучкого інтегрованого рішення широкосмугового кабельної мережі в Європі мова крім передачі даних йшла також про таких службах, як відео, інтеграція голосу і інтерактивне телебачення за допомогою телевізійних приставок.

В Америці не надавали особливого значення станом частотної техніки в Європі. Тому дві організації - Digital Video Broadcasting Project (DVB) та Digital Audio Visual Council (DAVIC) - об'єдналися і розробили європейський стандарт під назвою «Зворотний канал для кабелю» (Return Channels for Cable, DVB-RCC). Європейський інститут стандартів у галузі телекомунікацій (European Telecommunications Standards Institute, ETSI) прийняв стандарт з позначенням ETS 300 800. Трохи пізніше він отримав визнання Міжнародного союзу телекомунікацій (частина стандарту ITU J.112, де визначено також стандарт DOCSIS).

DVB-RCC охоплює всі аспекти двобічної передачі по мережах Категорії 5. До його складу входять специфікації фізичного рівня, контролю доступу до середовища передачі (Medium Access Control, MAC), міжрівневих інтерфейсів, QoS і безпеки. Він включив в себе вже наявні стандарти, такі, як DVB-C, DVB-S і DVB-T, де визначаються методи модуляції та виключення помилок для кабельної, супутникового і наземного радіозв'язку.

Значна перевага модемів DVB полягає в гнучкій смузі каналу низхідного потоку даних, ширина якого може складати 6, 7 або 8 МГц. Застосовуючи квадратурну амплітудну модуляцію 16/32/64/128, можна добитися швидкості передачі даних до 51 Мбіт / с. Висхідний ж потік можна реалізувати за допомогою телевізійного каналу шириною 8 МГц (канал зворотного зв'язку в кабелі) або через окремий зовнішній канал. Останній варіант дозволяє використовувати проміжні рішення, коли канал зворотного зв'язку реалізується, наприклад, через телефонну мережу. Частота сигналу, як правило, лежить в діапазоні між 110 і 862 МГц у спадних потоках даних і між 5 і 65 МГц у висхідних.

Стандарт ETS 300 800 має деякі технічні переваги, оскільки при його розробці враховувалися європейські особливості і стандарти. Так, наприклад, він володіє гнучкою шириною смуги (7 або 8 МГц), яку в Європі воліють смузі шириною в 6 МГц, характерної для стандарту DOCSIS. Крім того, частотний діапазон DOCSIS обмежує частоту сигналу у висхідному потоці даних зверху величиною 42 МГц. Ще одна значна перевага ETS 300 800 полягає в здатності системи до інтеграції у вже існуючу структуру широкосмугової кабельної мережі.

DOCSIS 2.0 - якщо розширення стандарту DOCSIS 1.0 до версії 1.1 можливо виключно програмними засобами, то на відміну від цього стандарт DOCSIS 2.0 передбачає два нових методи модуляції. Ці методи модуляції - синхронний множинний доступ з кодовим поділом каналів (Synchronous Code Division Multiple Access, S-CDMA) і вдосконалений множинний доступ з тимчасовим поділом з гнучким вибором частот (Advanced Frequency Agile Time Division Multiple Access, A-TDMA) - повинні будуть втричі збільшити реальну пропускну здатність стандарту DOCSIS 1.Х. Попередні системи стандарту DOCSIS 1.1 могли забезпечувати у високочастотному каналі шириною 6 Мгц пропускну здатність у висхідному напрямку до 10 Мбіт / с. DOCSIS 2.0 повинен збільшити це значення до 30 Мбіт / с. Однак стандарт ще не затверджено. У відповідні системи, вже пропоновані виробником Terayon, інтегровані обидва методи модуляції, проте вони не є справжніми кабельними модемами стандарту DOCSIS.

EURODOCSIS

Чекаючи розквіту ринку кабельного телебачення, американські компанії не хотіли позбавляти себе ласого шматка і визначили європейську специфікацію для кабельних мереж у вигляді EuroDOCSIS. Вона була опублікована в 1999 р. як розширення стандарту DOCSIS. У порівнянні з американською версією в EuroDOCSIS внесені наступні зміни:

ширина смуги пропускання низхідного потоку даних стала дорівнює 8 МГц замість 6 МГц;

частотний діапазон висхідних потів даних розширений до 65 МГц замість 42 МГц.

Тому такі компоненти EuroDOCSIS, як тюнери та фільтри, відрізняються від відповідних компонентів початкової версії DOCSIS. Більшість модемів DOCSIS 1.1 при наявності відповідної програмної підтримки можна експлуатувати як модемів EuroDOCSIS.

В іншому EuroDOCSIS відповідає стандарту DOCSIS. Європейський варіант з'являється, як правило, через кілька місяців після прийняття чергової версії DOCSIS. Апаратне забезпечення більшості модемів цього стандарту дозволяє використовувати їх в якості модемів стандарту EuroDOCSIS після проведення програмної модернізації.

На сьогоднішній день у ряді країн (наприклад, США, Нідерланди, Канада, Сінгапур) уже використовується DOCSIS 3.0, який дозволяє збільшувати швидкість передачі даних до 150 Мбіт / сек або до 300 Мбіт / сек у прямому каналі (до абонента) та 120 Мбіт / сек в зворотному каналі за рахунок паралельного використання відразу декількох каналів DOCSIS 2.0. (Швидкість залежить від кількості «спараллеленних» каналів, можуть «Паралелі» 4 або 8 каналів). Це вище, ніж будь-який існуючий на сьогодні стандарт передачі даних для масового користувача. У результаті споживач отримує суттєві переваги і додаткові можливості. Завдяки дійсно найвищим швидкостям, DOCSIS 3.0 відкриває нові перспективи і для відео-сервісів.

Ще кілька переваг останньої версії DOCSIS'а:

підтримка інтернет-протоколу IPv6 (розроблений для вирішення проблеми з браком IP-адрес за протоколом IPv4 і сьогодні активно тестується і впроваджується в Україні та за кордоном);

підтримка багатоадресної (multicast) передачі даних;

можливість шифрування трафіку модема за алгоритмом AES (Advanced Encryption Standard) із застосуванням 128 бітових ключів, завдяки чому підвищується рівень безпеки при використанні Інтернету, і багато іншого.

 

Стік протоколів DOCSIS

 

Зважаючи домінуючого положення на ринку обладнання на базі DOCSIS ми коротко розглянемо саме цю специфікацію (скорочення DOCSIS перекладається як специфікація інтерфейсу сервісу передачі даних по кабелю - Data Over Cable Service Interface Specification, а вживане взаємозамінне з ним MCNS як мультимедійна система на базі кабельної мережі - Multimedia Cable-Network System). Взагалі кажучи, стандарт включає 12 документів, що визначають інтерфейс між кабельним модемом і кінцевим устаткуванням, інтерфейс між оконечной системою (Cable Modem Termination System, CMTS) і зовнішньою мережею, радіочастотний інтерфейс, інтерфейс для зворотного телефонного з'єднання, захист і інтерфейс із системою управління.

Як написано в стандарті DOCSIS, головна функція оконечной системи та обслуговується нею кабельних модемів полягає в прозорій передачі трафіку TCP / IP між кінцевим обладнанням передплатника і розподільчим вузлом. Під словосполученням «прозорою передачі» мається на увазі те що, ні користувач, ні ПО працююче в операційній системі не підозрюють, що до комп'ютера підключено кабельний модем (якщо не брати до уваги того, що модем стоїть поряд з комп'ютером, і його можна банально побачити), вони лише користуються стандартним TCP / IP інтерфейсом, наданим їм операційною системою. Таким чином, кабельні модеми можуть підтримувати всі стандартні програми на базі TCP / IP.

Рис. 4. Стік протоколів DOCSIS у порівнянні з моделлю OSI.

Канальний рівень ділиться на три підрівня, а саме: стандартний подуровень контролю каналу LLC відповідно до IEEE802.2 (пізніша модифікація IEEE802.14), підрівень захисту канального рівня і залежний від напрямку передачі подуровень контролю доступу до середовища передачі. Специфікація фізичного рівня також залежить від напрямку передачі й різниться виділеними діапазонами частот і застосовуваними методами модуляції, а також форматами пакетів.

 

Підрівень MAC

 

Системи передачі на базі кабельних модемів мають несиметричну архітектуру: одна крайова станція може обслуговувати сотні і навіть тисячі кабельних модемів. Це, звичайно ж, пов'язано з особливостями топології мереж КТБ.

 

Всі кабельні модеми слухають передачу кінцевої станції на своєму каналі і приймають кадри, призначені їм самим або підключеним до них кінцевим пристроям. Таким чином, при передачі в прямому напрямку-яка конкуренція за середовище передачі відсутній, і тут виникає лише одна серйозна проблема - захист інформації, так як передача здійснюється шляхом широкомовлення.

 

Інша справа, коли декільком модемам потрібно передати запит, дані і т. д. кінцевої станції. У цьому випадку зважаючи поділюваного середовища передачі вони неминуче змушені конкурувати один з одним за доступ до неї. Однак конкуренція може виникнути тільки при запиті з боку модему про виділення йому подканала (інтервалу часу) для передачі (взагалі кажучи, конкуренція може виникнути також, коли потрібно передати коротке повідомлення, для якого модем вирішить не запитувати виділення інтервалу часу).

 

Для забезпечення множинного доступу з поділом за часом (Time Division Multiple Access, TDMA) зворотний канал ділиться на інтервали часу (кванти або слоти). За своїм призначенням ці інтервали поділяються на три види - зарезервовані (reserved), колізійні (contention) і ранжирующие (ranging).

Будь кабельний модем може спробувати передати запит або дані в колізійні інтервали часу. У разі якщо два або більше модемів вживуть таку спробу одночасно, то пакети накладуться один на одного і будуть зіпсовані, про що головна станція негайно повідомить їм по широкомовному каналу. Після цього кожен з модемів спробує повторити спробу через випадковий інтервал часу. Вирішення конфліктів здійснюється відповідно до усіченим бінарним експонентним алгоритмом відкоту.

Зазвичай колізійні інтервали часу використовуються для відправки коротких запитів про виділення зарезервованих інтервалів часу для передачі даних. При отриманні такого запиту головна станція надає вільні зарезервовані інтервали часу відповідно до алгоритму виділення пропускної здатності. Даний алгоритм не визначається стандартом і реалізується виробником відповідно до його переваг. Після резервування за ним інтервалу кабельний модем може безперешкодно передавати у відведений йому час свої дані.

Ранжирующие слоти служать цілям синхронізації годин і узгодження рівня сигналу. Перша задача виникає у зв'язку з тим, що протяжність кабелів може значно відрізнятися, через що різниця в затримці надходження сигналів від різних кабельних модемів може досягти декількох мілісекунд. У результаті сигнал може виходити за вказаний йому часовий інтервал і накладатися на сусідній сигнал.

Щоб компенсувати відмінності в затримці при передачі сигналів, і використовуються ранжирующие слоти. Зазвичай це три послідовних інтервалу часу. На вимогу оконечной системи кабельний модем передає сигнал в середньому із трьох інтервалі (два сусідніх інтервалу утворюють «захисний інтервал» для запобігання конфліктів з іншим трафіком). CMTS вимірює затримку і повідомляє модему, на яку величину він повинен зрушити свої годинники вперед або назад.

Друге призначення полягає в узгодженні рівнів потужностей сигналу, щоб всі вступники на оконечную систему сигнали мали один рівень. В іншому випадку CMTS не зможе виявити колізію сильно різняться по потужності сигналів.

 

Організація захисту

 

Операторам кабельних мереж доводилося приймати захисні заходи і раніше при наданні таких послуг, як «платний перегляд». Однак високошвидкісна передача даних ставить набагато більш серйозні проблеми з точки зору захисту.

Головна з них пов'язана з широкомовної природою мереж КТБ: будь-яка передача по мережі може бути без праці підслухана. Тому трафік слід в першу чергу захистити від перехоплення. Для цього вже в найпершій версії стандарту DOCSIS 1.0 було передбачено шифрування переданих даних. Застосовуваний в DOCSIS базовий інтерфейс забезпечення конфіденційності (Baseline Privacy Interface, BPI) підтримує шифрування відповідно до режимом зчеплення шіфруемих блоків (Cipher Block Chaining, CBC) стандарту DES з 56-розрядним ключем, а також обмін ключами із застосуванням 768-розрядного шифрування RSA.

Однак BPI і DOCSIS 1.0 не забезпечували захисту від двійників, тому в DOCSIS 1.1 була включена розширена версія BPI. BPI +, так вона називається, підтримує аутентифікацію за допомогою сертифікатів. Кабельний модем повинен надати сертифікат, який засвідчує, що MAC-адресу і відкритий ключ RSA дійсно належать йому.

Забезпечуючи конфіденційність передачі й ідентифікацію передплатників, BPI і BPI + неспроможна захистити, наприклад, від атак типу «відмова в обслуговуванні», коли-небудь зловмисний користувач забиває шумом або сміттям весь зворотний канал.

Пристрій кабельного модему

Підключення кабельного модему здійснюється зазвичай через роздільник. Роздільник, у відповідності зі своєю назвою, ділить сигнал між телевізором і кабельним модемом. До одного з виходів роздільника і підключається кабельний модем. Незважаючи на численні відмінності в конструкції, всі модеми мають одну і ту ж базову архітектуру (див. Малюнок 2).

Малюнок 2. Схема підключення та пристрої кабельного модему. 1 - Тюнер, 2 - Демодулятор, 3 - Блок MAC, 4 - Інтерфейс, 5 - Модулятор

 

До разделителю (фактично - телевізійної антени) модем підключається через тюнер. Зазвичай тюнер має вбудований діплексер для прийому і передачі сигналів. Прийнятий сигнал подається на демодулятор. Даний блок виконує функції перетворення сигналу з аналогової в цифрову форму, демодуляції QAM-64/256, синхронізації кадрів MPEG і корекції помилок відповідно з кодом Ріда-Соломона.

Його двійником є ​​пакетний модулятор; він відповідним чином модулює сигнал для його подальшої передачі на кінцевих станцію і виконує всі ті ж операції, але в зворотній послідовності. Вихідний сигнал пропускається через задає підсилювач для забезпечення необхідної потужності сигналу. Часто і демодулятор, і модулятор реалізуються у вигляді однієї мікросхеми.

Блок контролю доступу до середовища передачі (Media Access Conrol, MAC) служить, з одного боку, початковою точкою для вихідного шляху, а з іншого - кінцевою точкою для вхідного шляху. Зважаючи на складність застосовуваних алгоритмів реалізація функцій рівня MAC вимагає застосування мікропроцесорів. Для цього використовуються мікропроцесори PowerPC компанії Motorola або інші RISC-процесори.

MAC протокол:

Протокол MAC рівня управляє доступом до зворотного каналу. Іноді дані для передачі є у декількох модемів одночасно. У цих випадках MAC протокол надає критерії, відповідно до яких системний термінал визначає послідовність доступу модемів до зворотному каналу, а також час доступу для кожного модему.

Якщо кабельні модеми ведуть передачу по черзі, ніяких зіткнень у зворотному каналі не виникає, і система працює ефективно. Зіткнення змушують модеми посилати дані повторно, що знижує ефективність роботи системи. Це, зокрема, означає, що MAC протокол впливає на ефективність використання смуги зворотного каналу СКМ.

На сьогоднішній день існують дві категорії СКМ. Одна категорія об'єднує системи з індивідуальними версіями MAC протоколів. Деякі з них пропонують сильні рішення, що базуються в основному на АТМ протоколі. Інші найчастіше базуються на стандарті IEEE 802.14 для СКМ протоколів MAC рівня. Вони мають обмежені можливості організації роботи зворотного каналу в області уникнення зіткнень, забезпечення якості послуг і т.д.

Після обробки в блоці MAC дані передаються на комп'ютер через інтерфейс. Крім Ethernet на 10 Мбіт / с це може бути також USB, PCI.

Як працюють кабельні модеми

В даний час в світі існує 2 класу обладнання для передачі даних через мережі кабельного телебачення. Ці класи сформувалися історично і відрізняються способом організації прийому даних від абонента.

Перші спроби використовувати мережі кабельного телебачення для доступу до Інтернету було вжито досить давно. Мережі кабельного телебачення в той час будувалися на основі коаксіального кабелю за технологією яка забезпечувала тільки односпрямований передачу інформації (адже завдання організації зворотного зв'язку від абонента в мережі CATV в той час не ставилося).

Тому перші кабельні модеми використовували технологію, при якій абонент отримував дані з високошвидкісного каналу мережі CATV, а вихідний потік даних до інтернет-провайдера організовувався з використанням звичайного комутованого з'єднання по телефонній лінії (наприклад, з використанням додаткового аналогового або ISDN-модему).

Дана технологія отримала назву TELCO-Return і широко використовується в даний час.

До достоїнств технології TELCO-Return можна віднести:

• відсутність необхідності змінювати існуючу кабельну інфраструктуру оператора CATV;

• мінімальні початкові витрати для ISP при будь кабельної інфраструктурі оператора CATV.

До недоліків можна віднести:

• наявність з'єднання по комутованій лінії, що знижує загальну надійність, т.к проблеми з передачею даних по телефонній лінії відіб'ються і на високошвидкісному прийомі даних;

• скрутно організувати постійне підключення (24 години на добу) по комутованій лінії;

• низькошвидкісний потік даних від користувачів (до 33,6 Кбіт / с при використанні аналогового модему на зворотному каналі).

В даний час найбільшого поширення отримують гібридні мережі, що складаються з ділянок оптичного і коаксіального кабелю (так звані "мережі HFC").

У таких мережах, при використанні двонаправлених проміжних підсилювачів досягається можливість не тільки передавати потік даних до абонента, але і отримувати зворотний потік (дані від абонента). При цьому можна сказати, що абонент отримує можливість інтерактивної роботи.

Це відкриває нові можливості для організації передачі даних і доступу до Інтернету, дозволяє використовувати кабель системи кабельного телебачення вже для двонаправленої передачі даних користувача. При цьому як високошвидкісний вхідний потік, так і більш повільний вихідний потік передаються по одному і тому ж коаксіальному кабелю.

Дана технологія отримала назву Cable-Return

До достоїнств технології Cable-Return можна віднести:

• відсутність трафіку через телефонну мережу;

• високошвидкісний потік даних від користувача (до 10 Мбіт / с);

• високонадійна зв'язок з можливістю організації доступу протягом 24 годин на добу.

До недоліків можна віднести:

• необхідність змінювати традиційну односпрямований кабельну інфраструктуру і забезпечувати перехід до двонаправленої технології;

• обмежена кількість підключених в кожному сегменті користувачів через додаткових шумів, що вносяться в кабель при кожному додатковому підключенні та обмеженості діапазону частот виділеного дл організації зворотних каналів.

Обидві ці технології дозволяють користувачеві отримувати високошвидкісний потік даних зі швидкістю близько 40 Мбіт / с. Але реальна швидкість прийнятих даних зазвичай не перевищує 10 Мбіт / с, у зв'язку з обмеженням, що накладається максимальною швидкістю для інтерфейсу Ethernet 10BASE-T, і кількістю користувачів, що одночасно працюють на даному каналі (чим більше користувачів в сегменті одночасно використовує цей частотний канал, тим менше підсумкова швидкість надходження даних до кожного конкретного користувача). Наприклад, при 5 користувачів, які одночасно приймають файли, швидкість надходження даних до кожного окремого користувачеві буде порядка 40/5 = 8 Мбіт / с (що в будь-якому випадку значно перевищує швидкість, забезпечувану аналоговими або ISDN-модемами, і робить застосування кабельних модемів дуже перспективним).

Проблеми кабельних модемів

Перед впровадженням будь-якої нової технології необхідно вирішити ряд завдань, які можуть бути не тільки технічними, але й економічними або організаційними. Це ж відноситься і до кабельних модемів. Тут виникають наступні проблеми:

• Управління мережею. Провайдери повинні постійно контролювати роботу кабельної мережі і правильно управляти нею.

• Технічні проблеми. Фірмам-виробникам кабельних модемів доведеться розробити надійну архітектуру, що забезпечує сумісність кабельних мереж різних провайдерів і узгодити стандарти передачі сигналів по них.

• Шифрування даних. Для кабельної мережі, яка може бути підключена до будь-якого будинку в місті, важливо зберегти конфіденційність даних. Для цього, мабуть, необхідно використовувати спеціальні пристрої для шифрування сигналу або даних.

• Зручність використання. Кабельний модем повинен мати різні корисні властивості, наприклад контроль швидкості передачі, підтримку декількох комп'ютерів або навіть локальної мережі, можливість визначення свого місця в мережі і так далі.

• Різні методи зворотної передачі. Невеликим компаніям, які будуть пропонувати послуги для доступу до Internet через кабельне телебачення, мабуть, не вдасться забезпечити в своїх мережах двосторонній доступ. Їхні клієнти зможуть отримати доступ до Internet за допомогою асиметричної архітектури мережі, тобто зворотний сигнал буде передаватися по телефону.

• Вартість. Ціна кабельного модему повинна бути порівнянна з ціною високошвидкісного телефонного модему, тобто складати близько 300-400 дол.

Зведена Таблиця технічних параметрів СКМ

	СВОДНАЯ ТАБЛИЦА ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СКМ
	Характеристики/Наименование	Com21	LanCity	NetGame	Terayon	DOCSIS 1.0 Spec I.
	ТЕХНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
	Тип модуляции в обратном канале	QPSK	QPSK	QPSK	S-CDMA	QPSK
	FEC	ЕСТЬ	НЕТ	НЕТ	НЕТ	ЕСТЬ
	Эффективность использования полосы обратного канала [b/Hz]	1,42	1,67	1,38 / 1,96	2,3	1,6
	Ширина полосы обратного канала [MГц]	1,8	10 (1	1,8 / 2,6		0,2 / 0,4 / 0, 8 / 1,6 / 3,2
	Скорость передачи в обратном канале [Mбод]	2,56	10 (1	2,5 / 5,12		0,3 / 0,6 / 1,2 / 2,5 / 5,1
	Механизм частотной отстройки (Frequency Hopping)	ЕСТЬ	НЕТ	ЕСТЬ	НЕТ	Зависит от поставщика
	С/N прямого канала для BER 1х10-9 [дБ]				13 (2
	Диапазон уровней выходного сигнала модема по напряжению (АРУ) [мин/макс. ДБмкВ]	+68 / +118	+90 / +117	+84 / +120	+92 / +120	+68 / +118
	Устранение шумов ингрессии в обратном канале	ЕСТЬ	НЕТ	НЕТ	НЕТ	НЕТ
	Ширина полосы, выделенная для организации обратного канала [MHz]	5-40	5-42	5-42	5-42	5-42
	Суммарная скорость в полосе 10-30 MГц обратного канала [Mбод]	30,7				Зависит от поставщика
	Тип модуляции в прямом канале	64QAM	QPSK	QPSK	S-CDMA	64QAM
	Диапазон уровней входных сигналов модемов по напряжению (АРУ) [мин/макс. дБмкВ]	+45 / +75	+45 / +75	+53 / +79	+40 / +75	+45 / +75
	Эффективность использования полосы прямого канала [b/Hz]	5,1	1,67	1,67	2,3	5,1
	Ширина полосы прямого канала [MГц]
	Скорость передачи в прямом канале [Mбод]	30,3				30,3
	Ширина полосы, выделенная для организации прямого канала [MГц]	88-800	54-750 (3	85-750	88-750 (4	(50)88-860
	Модульность системного терминала	ЕСТЬ	НЕТ	НЕТ	НЕТ	Зависит от поставщика
	Модульность кабельного модема	ЕСТЬ	НЕТ	НЕТ	НЕТ	Зависит от поставщика
	Транспортные механизмы ATM	ЕСТЬ	НЕТ	НЕТ	ЕСТЬ	НЕТ
	WAN интерфейс системного терминала	Eth 10/100 BaseT, ATM OC3	Eth AUI	Eth. 10/100 BaseT, ATM, FDDI	Eth. 10/100 BaseT	Eth. 10/100 BaseT, ATM, FDDI
	Поддержка голосовой связи	ЕСТЬ	НЕТ	НЕТ	НЕТ	НЕТ
	СЕРВИСНЫЕ УСЛУГИ СИСТЕМЫ
	Число уровней QoS	ЕСТЬ	НЕТ (5	ЕСТЬ	ЕСТЬ (RC	Зависит от поставщика
	Автоматическая регулировка трафика	ЕСТЬ	НЕТ	ЕСТЬ	НЕТ	Зависит от поставщика
	Поддержка CBR	ЕСТЬ	НЕТ	ЕСТЬ (RC	ЕСТЬ	НЕТ
	Поддержка VBR	ЕСТЬ	ЕСТЬ (RC	ЕСТЬ	ЕСТЬ	ЕСТЬ
	Поддержка VPN	ЕСТЬ	ЕСТЬ (RC	НЕТ	НЕТ	НЕТ
	Шифровка на уровне двоичных кодов	ЕСТЬ 56 / 40 DES	НЕТ	НЕТ	НЕТ	ЕСТЬ / 56 bit DES
	Шифровка на уровне конечного пользователя	ЕСТЬ 56 / 40 DES	НЕТ	НЕТ	НЕТ	Зависит от поставщика
	Поддержка трехуровневого мультипротокола	ЕСТЬ	НЕТ	НЕТ	НЕТ	ЕСТЬ
	Поддерживаемые трехуровневые протоколы	IP (6, IPX, NetBEUI, AppleTalk	IP	IP	IP (7	IP, IPX, NetBEUI, AppleTalk
	СИСТЕМА СЕТЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ
	Дистанционное конфигурирование и мониторинг модемов	ЕСТЬ	ЕСТЬ	ЕСТЬ (RC	ЕСТЬ	ЕСТЬ
	Ведение статистики	ЕСТЬ	ЕСТЬ	ЕСТЬ	ЕСТЬ	Зависит от поставщика
	Механизмы планирования использования полосы	ЕСТЬ	ЕСТЬ	ЕСТЬ	ЕСТЬ	Зависит от поставщика
	Cчетные механизмы	ЕСТЬ	ЕСТЬ	ЕСТЬ	ЕСТЬ	ЕСТЬ
	Механизмы планирования загрузки	ЕСТЬ	НЕТ	НЕТ	НЕТ	Зависит от поставщика
	Измерение и статисти