Реферат: Организация доступа в Internet по существующим сетям кабельного телевидения

Рис. 4. Стек протоколов DOCSIS в сравнении с моделью OSI.

Канальный уровень делится на три подуровня, а именно: стандартный подуровень контроля канала LLC в соответствии с IEEE802.2(более поздняя модификация IEEE802.14), подуровень защиты канального уровня и зависящий от направления передачи подуровень контроля доступа к среде передачи. Спецификация физического уровня также зависит от направления передачи и различается выделенными диапазонами частот и применяемыми методами модуляции, а также форматами пакетов.

3.4 Подуровень MAC [10]

Системы передачи на базе кабельных модемов имеют несимметричную архитектуру: одна оконечная станция может обслуживать сотни и даже тысячи кабельных модемов. Это, конечно же, связано с особенностями топологии сетей КТВ.

Все кабельные модемы слушают передачу конечной станции на своем канале и принимают кадры, предназначенные им самим или подключенным к ним конечным устройствам. Таким образом, при передаче в прямом направлении какая-либо конкуренция за среду передачи отсутствует, и здесь возникает лишь одна серьезная проблема — защита информации, так как передача осуществляется путем широковещания.

Другое дело, когда нескольким модемам требуется передать запрос, данные и т. д. оконечной станции. В этом случае ввиду разделяемой среды передачи они неизбежно вынуждены конкурировать друг с другом за доступ к ней. Однако конкуренция может возникнуть только при запросе со стороны модема о выделении ему подканала (интервала времени) для передачи (вообще говоря, конкуренция может возникнуть также, когда требуется передать короткое сообщение, для которого модем решит не запрашивать выделение интервала времени).

Для обеспечения множественного доступа с разделением по времени (Time Division Multiple Access, TDMA) обратный канал делится на интервалы времени (кванты или слоты). По своему назначению эти интервалы делятся на три вида — зарезервированные (reserved), коллизионные (contention) и ранжирующие (ranging).

Любой кабельный модем может попытаться передать запрос или данные в коллизионные интервалы времени. В случае если два или более модемов предпримут такую попытку одновременно, то пакеты наложатся друг на друга и будут испорчены, о чем головная станция немедленно сообщит им по широковещательному каналу. После этого каждый из модемов попробует повторить попытку через случайный интервал времени. Разрешение конфликтов осуществляется в соответствии с усеченным бинарным экспоненциальным алгоритмом отката.

Обычно коллизионные интервалы времени используются для отправки коротких запросов о выделении зарезервированных интервалов времени для передачи данных. При получении такого запроса головная станция предоставляет свободные зарезервированные интервалы времени в соответствии с алгоритмом выделения пропускной способности. Данный алгоритм не определяется стандартом и реализуется производителем в соответствии с его предпочтениями. После резервирования за ним интервала кабельный модем может беспрепятственно передавать в отведенное ему время свои данные.

Ранжирующие слоты служат целям синхронизации часов и согласования уровня сигнала. Первая задача возникает в связи с тем, что протяженность кабелей может значительно отличаться, из-за чего разница в задержке поступления сигналов от разных кабельных модемов может достигнуть нескольких миллисекунд. В результате сигнал может выходить за предписанный ему временной интервал и накладываться на соседний сигнал.

Чтобы компенсировать различия в задержке при передаче сигналов, и используются ранжирующие слоты. Обычно это три последовательных интервала времени. По требованию оконечной системы кабельный модем передает сигнал в среднем из трех интервале (два соседних интервала образуют «защитный интервал» для предотвращения конфликтов с другим трафиком). CMTS измеряет задержку и сообщает модему, на какую величину он должен сдвинуть свои часы вперед или назад.

Второе назначение состоит в согласовании уровней мощностей сигнала, чтобы все поступающие на оконечную систему сигналы имели один уровень. В противном случае CMTS не сможет выявить коллизию сильно различающихся по мощности сигналов.

3.5 Организация защиты [10]

Операторам кабельных сетей приходилось принимать защитные меры и ранее при предоставлении таких услуг, как «платный просмотр». Однако высокоскоростная передача данных ставит намного более серьезные проблемы с точки зрения защиты.

Главная из них связана с широковещательной природой сетей КТВ: любая передача по сети может быть без труда подслушана. Поэтому трафик следует в первую очередь защитить от перехвата. Для этого уже в самой первой версии стандарта DOCSIS 1.0 было предусмотрено шифрование передаваемых данных. Применяемый в DOCSIS базовый интерфейс обеспечения конфиденциальности (Baseline Privacy Interface, BPI) поддерживает шифрование в соответствии с режимом сцепления шифруемых блоков (Cipher Block Chaining, CBC) стандарта DES с 56-разрядным ключом, а также обмен ключами с применением 768-разрядного шифрования RSA.

Однако BPI и DOCSIS 1.0 не обеспечивали защиты от двойников, поэтому в DOCSIS 1.1 была включена расширенная версия BPI. BPI+, так она называется, поддерживает аутентификацию с помощью сертификатов. Кабельный модем должен предоставить сертификат, удостоверяющий, что MAC-адрес и открытый ключ RSA действительно принадлежат ему.

Обеспечивая конфиденциальность передачи и идентификацию подписчиков, BPI и BPI+ не в состоянии защитить, например, от атак типа «отказ в обслуживании», когда какой-либо злонамеренный пользователь забивает шумом или мусором весь обратный канал.

   3.6  Голос по кабелю [5,11]

Как и другие конкурирующие технологии, такие, как DSL, благодаря высоким поддерживаемым скоростям кабельные модемы открывают потенциальную возможность для оказания голосовых услуг. Однако для их предоставления с надлежащим качеством операторам и производителям предстоит преодолеть ряд проблем. Часть из них является общей для всех альтернативных технологий передачи речи по пакетным сетям, часть же специфична для сети КТВ.

Одна из таких специфических проблем характерна не только для передачи голоса, но и вообще для передачи данных с помощью кабельных модемов — это однонаправленная широковещательная природа сети КТВ. Однако если в случае передачи данных ввиду несимметричности доступа в Internet ее можно обойти посредством организации обратного канала по телефонной линии, то для оказания голосовых услуг преобразование сети КТВ в двунаправленную среду передачи посредством замены усилителей является обязательным условием.

Типичной проблемой для пакетных сетей является большая (и варьирующаяся) задержка при передаче пакетов. Эта задержка складывается из задержки на выборку, задержки на оцифровку и задержки на передачу по сети. В кабельных сетях к этой сумме добавляется еще задержка на опрос. Она связана с особенностями передачи пакетов кабельными модемами. Чтобы отправить голосовые пакеты, агенту приходится ждать, пока, оконечная станция опросит всех остальных агентов о наличии у них пакетов для передачи. Поэтому, в целях минимизации задержки, оборудование с поддержкой голосовых услуг должно уметь прогнозировать момент следующего опроса и подготавливать к этому времени голосовые пакеты.

Появившаяся в 1999 г. версия DOCSIS за номером 1.1 предусматривает меры по обеспечению QoS и предоставлению приоритета определенным видам трафика. Однако она не решает всех технических вопросов, связанных с оказанием голосовых услуг на базе кабельных модемов. Чтобы восполнить имеющиеся пробелы, консорциум американских кабельных операторов разработал спецификацию протокола сигнализации вызовов по сети (Network-Based Call Signaling, NCS). Она базируется на существующем протоколе управления шлюзом между различными средами (Media Gateway Control Protocol, MGCP), поэтому ее иногда называют также MGCP NCS. Кроме того, NCS предусматривает дополнительные меры защиты, помимо принятых в DOCSIS 1.0 и 1.1 для обеспечения конфиденциальности разговоров, в частности использование IPSec.

Таблица 1

3.7 Требования стандартов [7, 8]

4. Планирование сети

4.1Анализ производителей модемов [2]

Hybrid Networks

кабельные модемы  компании Hybrid Network марки Series 2000 используют HFC сеть, чтобы передавать данные клиентам, и предполагают, что upstream данные передаются с помощью, телефонного кабеля (асимметричная архитектура).

Downstream передаётся со скоростью 10 Mbps на 2Mhz канале, вместо обычного 6Mhz канала. Модем Hybrid Networks использует алгоритм оптимизации IP пакетов, чтобы  свести на нет риск замедления upstream при большой производительности downstream.Это позволяет 10 Mbps для downstream интерполировать к 56.6 Kbps для upstream.

С двухсторонним использованием кабеля (симметричная архитектура (понадобится лишь небольшой модуль апгрейда)), при помощи QPSK можно увеличить скорость upstream с 56.6 Kbps до 5Mbps

Модем Hybrid Networks, имеет большие преимущества при использовании  асимметричной архитектуры.

Схемы Series 2000 минимизируют потребность в заводской модернизации. Hybrid Networks заявляет, что  при использовании их схем модуляции в большом бизнесе можно преобразовать инфраструктуру бизнес компьютеров до кабельных модемов их компании, и увеличить тем самым будущий рост и усовершенствование компании (не точный перевод)

Один  многопользовательский кабельный модем router компании Hybrid Networks может обслуживать целых двадцать компьютеров, что означает малую цену услуги на абонента. На базе Series 2000 вполне можно организовать безопасную сеть кокой либо не очень большой компании, причем любой сотрудник сможет получить доступ к этой сети прямо из дома используя модем Series 2000.

Motorola

Компания Motorola также приложила усилия, чтобы создать кабельный модем, который назвала Cybersurfer этот модем - часть программы Motorola Cable Data. Программа Motorola Cable Data была разработана для предоставления быстродействующих коммуникаций для on-line услуг, таких как: доступ в Интернет, телеконференции и других услуг для домашнего и делового использования.

CyberSURFER, как и многие другие модемы оснащен 10 Base T Ethernet соединением. При помощи Ethernet wiring hub интерфейса, один CyberSURFER может давать IP адреса сразу нескольким персональным компьютерам. Передатчик RF и приемник в CyberSURFER обеспечивают соединение через HFC сеть.

Данные от абонента(upstream) передаются на скорости 768 kbps по 600 кГц каналу. downstream - 30 Mbps канал, который использует 6 MHz  диапазон и обеспечивает максимум 10 Mbps производительность каждому абоненту.

Системы модуляции использованные в CyberSURFER - DQPSK для upstream, и 64 QAM для downstream.

Phasecom

SpeedDemon Phasecom как и большинство других модемов использует Ethernet 10Base T

Интерфейс, для соединения с HFC. Модем использует QAM модуляцию для downstream и QPSK модуляцию для upstream. В SpeedDemon применена Time Division Multiple access (TDMA) технология, с помощью которой достигается скорость в 30 Mbps  downstream, и 2.56 Mbps для upstream.Модем требует ширину диапазона в 6 MHz для downstream и 2 MHz upstream. Этот модем был разработан для использования в  малых офисах и для домашних компьютеров. Также модем может функционировать как мост, таким образом, позволяя нескольким пользователям получить соединение, использовав лишь один клиентский модем.

BayNetwork LANcity(последнее - подразделение BayNetwork)

компания BayNetworks имеет широкий диапазон изделий, которые включают кабельные модемы, аппаратные маршрутизаторы switchи. Их кабельные модемы обеспечивают 10 Mbps для downstream и достаточно большой upstream. Эти скорости могут стабильно поддерживаться на расстоянии до 200 миль, без каких либо потерь данных. Модемы компании BayNetwork LANcity  поддерживают технологию plug and play(в операционных системах windows98 и старше не требуют установки каких либо специальных драйверов, а  могут потребовать лишь перезагрузки, для того чтобы операционная система "увидела" их), они используют SNMP-агента  и имеют встроенную Operations Support Systems / Business Support System (OSS/BSS). Предпринимая подобный шаг, компания  BayNetworks пыталась обеспечить низкую цену на установку и обслуживание их изделий.

Кабельный модем LANcity поддерживает до 16 пользователей.

3COM [1]

Системные и коммуникационные возможности.Поддерживает различные стандартные сетевые протоколы, включая , IPX, AppleTalk и NETBEUI.Поддерживает любые приложения, взаимодействующие с поддерживаемыми уровнями TCP или UDP

Физические интерфейсы
Компьютер: RJ-45 (10BASE-T) и USB
Абонентская линия кабельного телевидения: разъем F-типа, гнездо
Питание: от внешнего источника постоянного тока (в комплекте)
Светодиодные индикаторы: питание, установка соединения, передача данных, многофункциональный индикатор для функций, заданных оператором (FCN)

Входящая связь
Диапазон частот: 91-857 МГц
Полоса частот канала: 6 МГц
Модуляция: 64 QAM или 256 QAM
Скорость передачи: 5.056 млн. символов/с или 5.361 млн. символов/с
Скорость передачи информации: 23.96 Мбит/с или 30.8 Мбит/с
Рабочий диапазон приемника: от +15 до -15 дБмВ
Номинальный уровень входного сигнала: +0 дБмВ
Импеданс: 75 Ом (номинальное значение)
Коррекция ошибок: ITU J.83-B по MCNS-RFI
Частота ошибок с учетом коррекции (BER): 10-8 при отношении сигнал/шум 23.5 дБ для 64 QAM, 10-8 при отношении сигнал/шум 30.0 дБ для 256 QAM

Исходящая связь
Диапазон частот: 5-42 МГц
Полоса частот канала: 200-3200 Кгц
Модуляция: QPSK или 16 QAM
Скорость передачи символов: 160-2560 тыс. символов/c
Скорость передачи информации: 128 - 9000 Кбит/с
Диапазон сигналов передатчика: От +8 до +58 дБмВ
Импеданс: номинал 75 Ом
Коррекция ошибок: Код Рида-Соломона
Частота ошибок с учетом коррекции (BER): 10-8 при отношении сигнал/шум 16 дБ

Соответствие стандартам
Электромагнитное излучение FCC Part 15, Class B EU EMC Directive VCCI
Безопасность UL CSA TUV
Стандарты DOCSIS SP-CMCI SP-CMTRI SP-OSSI P-RFI SP-BPI

Технические тесты (источник журнал CMPC)

Одновременная передача данных в двух направлениях

   Рис.5 График теста на скорость и производительность  различных

 модемов при  передаче данных в двух направлениях                                                                                   

Downstream

Рис.6 График теста на скорость и производительность  различных

модемов при  передаче данных в прямом направлении

FTP-HTTP

   Рис.7 График теста на скорость и производительность  различных

 модемов при  использовании FTP и HTTP протоколов

Upstream

Рис.8 График теста на скорость и производительность  различных

 модемов при  передаче данных в обратном направлении

Как можно видеть из приведённых графиков по параметрам Upstream, Downstream, а также по двунаправленной передачи данных модемы компании BayNetwork (LANcity) уступают модемам других производителей, но по более важному параметру – скорости при использовании FTP-HTTP протоколов модемы этой фирмы намного опережают своих конкурентов, невысокая цена этих модемов (около 260 долларов США), а так же головного оборудования (порядка 1600 долларов США(HUB на 250 абонентов)), наличие огромного числа сервисных функций, а так же высокая интегрированность этой фирмы  на Российский рынок, склоняют к использованию модемов именно этой фирмы.

4.2 Устройство  и функции кабельного модема. [5]

Основной функцией кабельных модемов является передача данных по сети КТВ. Подключение кабельного модема осуществляется обычно через разделитель. Разделитель, в соответствии со своим названием, делит сигнал между телевизором и кабельным модемом. К одному из выходов разделителя и подключается кабельный модем. Несмотря на многочисленные отличия в

Рис. 9. Устройство кабельного модема

конструкции, все модемы имеют одну и ту же базовую архитектуру

К разделителю (фактически — телевизионной антенне) модем подключается через тюнер. Обычно тюнер имеет встроенный диплексор для приема и передачи сигналов. Принятый сигнал подается на демодулятор. Данный блок выполняет функции преобразования сигнала из аналоговой в цифровую форму, демодуляции QAM-64/256, синхронизации кадров MPEG и коррекции ошибок в соответствии с кодом Рида-Соломона.

Его двойником является пакетный модулятор; он соответствующим образом модулирует сигнал для его последующей передачи на оконечную станцию и выполняет все те же операции, но в обратной последовательности. Исходящий сигнал пропускается через задающий усилитель для обеспечения требуемой мощности сигнала. Часто и демодулятор, и модулятор реализуются в виде одной микросхемы.

Блок контроля доступа к среде передачи (Media Access Conrol, MAC) служит, с одной стороны, начальной точкой для исходящего пути, а с другой — конечной точкой для входящего пути. Ввиду сложности применяемых алгоритмов реализация функций уровня MAC требует применения микропроцессоров. Для этого используются микропроцессоры PowerPC компании Motorola или другие RISC-процессоры.

После обработки в блоке MAC данные передаются на компьютер через интерфейс. Помимо Ethernet на 10 Мбит/с это может быть также USB, PCI (в случае встроенного модема) и др.

4.3 Устройство сети [13]

Топология сети кабельного телевидения имеет древовидную (графа без циклов) структуру. В узлах дерева (не листьях), т. е. на головных станциях операторов, располагаются оконечные системы кабельных модемов (Cable Modem Termination System, CMTS), а на его листьях, т. е. в доме или на квартире у подписчиков, находятся собственно кабельные модемы. Связывающая их инфраструктура представляет собой коаксиальную или гибридную (Hybrid Fiber-Coaxial, HFC) сеть.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6