Кабельные модемы

Подавляющее большинство пользователей до сих пор используют для доступа в интернет модем и коммутируемые телефоные линии, т.е. технологию, которая появилась еще на заре развития персональных компьютеров. Между тем, все большее распространение получают другие виды связи, более быстрые, более надежные, и, что наиболее важно, не лимитированые по времени. О распространености таких технологий, говорит хотя бы тот факт, что кабельные модемы планируют встраивать даже в игровые консоли, например в нашумевший X-Box от Microsoft. Нашим пользователям остается только с завистью взирать на них, читая их жалобы вроде «скорость cкачивания 40 килобайт в секунду, это мало, много, или нормально?», и ждать, когда же инфроструктура каналов связи у нас поднимется до такого уровня, что подобная связь станет и нашей реальностью, причем без сумашедших затрат. Между тем, каналы связи которые с легкостью могут быть использованы для доступа в интернет на скоростях порядка десятка мегабит в секунду, и даже быстрее, уже давно существуют во многих российских городах. Это сети кабельного телевидения.

Основной принцип лежащий в основе этой технологии прост - кабеля которые используются для передачи телевизионого сигнала способны работать с гораздо большим спектром частот, чем необходимо для телевидения. Эти незадействованные частоты и могут быть использованы для передачи компьютерных данных.

Рассмотрим конкретную реализацию этой технологии, на примере сети кабельного телевидения "Balticum TV" Клайпеда, Литва. Для предоставления услуг интернет по сети кабельного телевидения, в нашем случае было выбрано оборудование производства Bay Networks, из серии LANCity. Из дополнительного оборудования, несвойственного обычным сетям кабельного телевидения, необходимо только одно LСe устройство (Integrated Headend Node), которое устанвливается на центральной станции, и кабельные модемы у каждого из клиентов. С целью снижения первоначальных затрат на оборудование, на головной станции "Balticum TV" вместо полноценного LСe устройства установлен модифицированый LCb модем, который обычно используется для предоставления доступа к LCe устройству рабочей группе. В нашем случае, он доработан так, что сам является LCe устройсвом, и способен обслуживать 512 клиентских модемов. Само собой, с ростом сети LCb модем может быть заменен на полноценное LСe устройство, без какой либо доработки всей остальной сети. Кабельные модемы составляют основу любой подобной сети, поэтому будет полезно остановится на их поподробнее. В Северной Америке подобные технологии развивались довольно давно, и видов кабельных модемов разработано множество. Но, несмотря на обилие стандартов и разнообразие моделей, зачастую абсолютно несовместимых друг с другом, большинство телевизионых кабельных модемов имеют одинаковую структуру, представленную на схеме:

В том, или ином виде, эти блоки можно встретить в любом модеме, который предназначен для работы с сетями кабельного телевидения. Каждый из них выполняет свои задачи. Рассмотрим их подробнее.

Tuner. Служит для непосредственного приема и посылки сигнала. Именно через tuner кабельный модем и подключается к телевизионому кабелю.

Demodulator. Получает сигнал с tuner’a, и «расшифровывает» его в понятный для компьютера вид. Кроме этого, иногда он отвечает еще за ряд функций, например за контроль ошибок.

Burst modulator. Выполняет функции обратные демодулятору, переводит данные получаемые с компьютера в формат, который может быть передан тюнером по телевизионому кабелю.

MAC. Media Access Control, механизм контроля доступа данных. Этот блок выполняет несколько важных функций, регулирует скорость работы всего модема, компенсирует временные задержки, что очень важно, в связи с большой длиной кабельных отрезков, которые могут быть использованы в сети кабельного телевидения, компенсирует потери сигнала, занимается перенаправлением сигнала нужному потребителю, определяет диапазон частот, который используется для передачи и приема.

Interface. Интерфейс, который непосредственно соединяет кабельный модем и компьютер. Для разных моделей и производителей может быть различным. Обычно, это PCI или ISA шина, для внутрених моделей, или Ethernet для внешних моделей. В последнее время появились USB модели.

Для работы MAC необходимо иметь определенную вычислительную мощь. Во внутрених моделях эту функцию обычно возлагают на CPU компьютера, по принципам схожим с работой обычных WinModem’мов. Для внешних кабельных модемов, с Ethernet интерфейсом приходится встраивать процессор в сам модем. Как правило это один из RISC процессоров доступных на рынке, наиболее популярным из них является процессоры Motorola, из PowerPC серии.

Как я уже говорил, существует множество моделей и стандартов, зачастую несовместимых друг с другом. Так не могло продолжаться долго, и были предприняты попытки стандартизировать подобное оборудование, что бы сделать возможным использование в одной сети оборудование различных производителей, что способно еще удешевить подобные системы. Наиболее многообещающими стандартами на сегодняшний день являются DOCSIS 1.x и его клон Euro-DOCSIS, и конкурирующий стандарт DVR-RC. Основные различия, между ними, можно посмотреть в таблице:

Как видно из таблицы, все эти стандарты предусматривают разную скорость, для передачи и приема, что оправдано, во многих случаях. Кроме этого, DOCSIS имеет прямую поддержку IP протокола, с нефиксированной длиной пакетов. DVR-RC, в свою очередь, для передачи IP пакетов использует ATM Cell transport, то есть, IP пакет сначала переводится в формат ATM, который и передается по кабелю. На другой, стороне, производится обратный процесс. Фиксированый размер ATM пакетов, не позволяет работать таким службам, как Voice over IP (передача голосовой и видеоинформации), недостаток которого лишен DOCSIS. К тому же, большинство IP пакетов немного больше ATM пакетов, поэтому для передачи одного IP пакета приходится использовать два ATM пакета, что приводит к потерям в 30-50%, чем и обусловленна меньшая эффективность и производительность этого стандарта. Что касается доступности, то DVR-RC еще не получил распространения, как доступная, коммерческая система, однако на рынке уже сегодня можно найти более 15 моделей персональных кабельных модемов, которые сертифицированы на соответсвие DOCSIS. Вот, некоторые из них:

	PCX 1000 от Toshiba Этот модем первый из двух, получивших DOCSIS сертификат. Он построен на Libit (теперь Texas Instruments) чипе, которые объединяет в себе модулятор-демодулятор и MAC чип от TurboNet Communications.
	DCM105 от Thomson Consumer Electronics Это второй из первых двух модемов, получивших DOCSIS сертификат. Он базируется на наборе микросхем Broadcom
	U.S. Robotics Cable Modem CMI и CMX от 3Com Corporation. CMI это внутрений модем для ISA шины, который еще не получил DOCSIS сертификата. CMX - внешний кабельный модем, сертифицированый на DOCSIS.
	SB2100 от General Instrument
	CM-100 от Arris Interactive (бывшая Nortel Networks)
	CM010 от Askey Computer Corp. in Taiwan (использован референсный дизайн от Cisco)
	UBR904 и UBR924 от Cisco. Эти модемы больше ориентированы на SOHO рынок. Они соеденяют в себе кабельный модем, маршрутизатор (router), и небольшой концентратор (hub).
	PD10d от Philips Electronics (использован референсный дизайн от Cisco)
	Inforanger от Samsung Information Systems of America (использован референсный дизайн от Cisco)
	Sony Corp (использован референсный дизайн от Cisco)
	Terayon имел кабельный модем сертифицировный на DOCSIS 1.0 в начале Сентября 1999. Исходя из пресс релиза, он называется TeraJetTM, но этот продукт не мог быть найден на сайте компании в день сертификации. Насколько известно, это OEMпродукт, но имя настоящего производителя пока неизвестно.
	DoxPort 101 от Com21 (верхняя фотография) был сертифицирован в Декабре 1999 года, с тремя другими Com21 модемами. DoxPort 101 это low-end модель. DoxPort 1010 (нижняя фотография) это high-end модель, которая была среди четырех сертифицированых в тот раз модемов. Два оставшихся модема, могут быть OEM моделями, которые может, а может и нет, будут свободно продаваться. Или, это могут быть такие же модели, отличающиеся только версиями встроенного программного обеспечения. Точных данных пока нет.
	Best Data имеет Smart One DOCSIS 1.0 кабельный модем, сертифицированый в Декабре 1999. Best Data создала модем совместно с TurboNet Communications, и продукт использует TurboNet's MAC и PHY чип от Texas Instruments.

Количество сертифицированных головных станций меньше, но и там можно выбирать из таких брандов, как Cisco, Motorola или Arris Модемы LANCity, использованые в кабельной сети "Balticum TV" не сертифицированы на соответствие какому либо из стандартов, и являются эксклюзивной разработкой "BayNetworks" С ТТХ LCp (LANCity Personal Cable Modem) и LCb (LANCity Multi-User Cable Modem) модемов можно озникомиться в представленной ниже таблице:

Как видно из таблицы, LANCity модемы работают с одинаковой скоростью, на передачу и прием, максимально до 10 мегабит. Дла передачи используется полоса частот 6 Mhz, в диапазоне от 5 до 42 Mhz, и такая же полоса для приема, в диапазоне от 88 до 750 Mhz. Основное отличие этих модемов, друг от друга, это количество клиентов в локальной сети, которое они могут обслуживать. Это 16 для LCp модема, и практически неограниченное число для LCb модема. Модемы имеют собственную, энергонезависимую память, в которой записано firmware, програмное обеспечение которое управляет MAC модема. Настраиваются модемы по сети, с помощью обычного РС, по TFTP. Настраивается довольно большое количество параметров, наиболее интересным из которых является возможность ограничивать пропускную способность модема, в весьма широких пределах.

Физическая структура сети исключительно проста. LCe устройство, через коаксиал, на центральной станции подключается к сети кабельного телевидения, которая предствляет из себя комбинированую, коаксиально-оптическую сеть (Hybrid-Fibre-Coax). Из центральной станции выходят оптические кабеля, которые доставляют сигнал по всему городу. Для работы кабельных модемов LANCity необходимо два оптических волокна, одно на передачу, другое на прием. Кроме этого, задержка сигнала не должна превышать 1.25 msec, что ограничивает максимальную длину кабеля 160 милями, что составляет чуть больше 250 километров. На другом конце оптического кабеля стоит оптический узел, который состоит из оптического приемника, оптического передатчика. После оптического узла, перед тем как попасть на модем, сигнал проходит через еще одно устройство, диплексирующий фильтр. Служит этот фильтр для разделения входящего и исходящего сигнала, и предовращения попадания исходящего сигнала обратно, в приемную линию. Так как для передачи приема используются различные частоты, то делается это достаточно просто. Сильно упрощенная принципиальная схема работы этого устройства, показана в следующей схеме:

Логическая структура кабельной сети "Balticum TV" проста. LCe устройство на головной станции напрямую подсоединяется к маршрутизатору (router), через который и осуществляется доступ в интернет для всей сети. LANCity модемы, которые стоят у клиентов, в некотором роде работают как bridge для локальных сетей. То есть, имеется набор внутрених сетей, с адресами из сегмента 192.168..., в каждую из этих сетей включен LANCity модем. Все запросы, которые не относятся к локальной сети, передаются на LANCity модем, который передает их на головное LCе устройство. LCе устройство передает их дальше, либо на другой подключенный к нему LANCity модем, и другую локальную сеть, с адресами сегмента 192.168..., либо LCe устройство может передать запрос на router, к которому оно напрямую подключенно. Таким образом, получается большая внутренея локальная сеть, состоящая из множества рабочих станций, соединенная между собой LANCity модемами, и имеющая выход в интернет через router, который выполняет роль proxy сервера, что накладывает особые требования к его производительности. Возможно использование и внешнего IP адреса, так же как и в любой локальной сети, в этом случает router уже не будет выполнять роль proxy, а будет просто транслировать запросы на LCе модем, который, в свою очередь, будет перенаправлять их на соответствующий LANCity модем, откуда сигнал доберется до нужной машины.

Автор выражает признательность и благодарность "Balticum TV", и лично Владимиру Киндякову mailto:administrator@balticum-tv.lt за неоценимую помощь, оказаную при подготовке материала.

В статье использованы материалы сайта http://www.cable-modems.org/