Компьютерные сети. 6-е изд.

4.6. DOCSIS

Хотя изначально сети кабельного телевидения предназначались для трансляции телевизионных программ, теперь они также широко используются в качестве альтернативного способа подключения квартир и домов к интернету вместо телефонных сетей. Далее мы рассмотрим «подуровень MAC» стандарта DOCSIS, который используется большинством провайдеров кабельного телевидения.

4.6.1. Общие сведения

Спецификация DOCSIS также предусматривает наличие подуровня MAC, однако он не так явно отделен от канального уровня по сравнению с другими протоколами, которые мы изучали в предыдущих главах. В то же время в DOCSIS выполняется целый ряд стандартных задач подуровня MAC, включая распределение канала (путем удовлетворения запросов), настройку QoS и уникальную модель пересылки. В данном разделе мы коснемся каждой из этих трех задач. В последних полнодуплексных версиях стандарта DOCSIS 3.1 и DOCSIS 4.0 были введены новые методы планирования и исключения помех.

DOCSIS использует стандартный формат фреймов MAC. Помимо прочего, он содержит поля с данными о длине фрейма и контрольной сумме, а также расширенное поле заголовка для поддержки множества функций, включая защиту канального уровня. Некоторые заголовки поддерживают специальные функции, например синхронизацию входящего потока, регулирование мощности исходящей передачи, запрашивание пропускной способности и конкатенацию фреймов. Один из особых типов фрейма — фрейм запроса; с его помощью кабельный модем запрашивает пропускную способность (как будет описано далее).

4.6.2. Пристрелка

Кабельный модем передает запрос на пристрелку (ranging request). Это позволяет головной станции (CMTS) определить величину сетевой задержки для кабельного модема, а также выполнить необходимые настройки мощности. Пристрелка — это, по сути, периодическая настройка различных параметров передачи, в частности синхронизации, частоты и мощности. Получив от CMTS сигнал опроса, кабельный модем отправляет ей запрос на пристрелку. На основе этого сообщения CMTS выдает ответ, позволяющий модему настроить параметры синхронизации и мощности сигнала. По умолчанию запрос производится с интервалом в 30 с, но его можно уменьшить; обычно его величина составляет от 10 до 20 с.

4.6.3. Распределение пропускной способности каналов

Для распределения пропускной способности между всеми кабельными модемами головная станция DOCSIS использует процесс удовлетворения запросов. Обычно каждый исходящий или входящий поток трафика получает служебный поток, для которого CMTS выделяет некоторую полосу.

Служебные потоки

Выделение каналов в DOCSIS обычно предполагает их распределение между CMTS и одним или несколькими кабельными модемами в домах абонентов. CMTS должна обслуживать все исходящие и входящие каналы и отбрасывать любые фреймы, исходный MAC-адрес которых не принадлежит модемам в группе. Центральную роль в MAC-уровне стандарта DOCSIS играет концепция служебного потока (service flow). Он позволяет обеспечить управление QoS для исходящих и входящих потоков. С каждым кабельным модемом ассоциируются идентификаторы одного или нескольких служебных потоков, которые выбираются на этапе регистрации модема. На каждый поток могут накладываться разные ограничения в зависимости от типа трафика. Так, служебный поток может иметь ограничение по размеру пакета или предназначаться только для определенных приложений, например, с постоянной скоростью потока. Любой кабельный модем должен поддерживать минимум по одному исходящему и входящему служебному потоку, которые называются «основными».

Процесс удовлетворения запросов и DOCSIS с низкой задержкой

Когда у кабельного модема появляются данные для передачи, он отправляет CMTS короткий запрос с информацией о количестве этих данных. Затем он ждет сообщения о выделении пропускной способности с описанием доступных отправителю возможностей для исходящей передачи.

Распределение полосы обеспечивается путем разделения исходящей передачи на дискретные интервалы, называемые мини-слотами (minislots). Мини-слот — это просто подходящая в данном случае единица времени для исходящего трафика, обычно с шагом увеличения 6,25 мкс. В первых версиях стандарта DOCSIS размер мини-слота должен был равняться произведению минимального приращения на степень двойки, однако в последних версиях это ограничение было снято. Регулируя размер мини-слотов, предоставленных конкретному служебному потоку, CMTS может тем самым обеспечивать QoS и приоритизацию для различных потоков трафика.

Как правило, QoS позволяет CMTS выделять больше пропускной способности отдельным кабельным модемам (предоставляя более качественный сервис абонентам, относящимся к более высокому классу обслуживания). В последних версиях стандарта DOCSIS также появилась возможность предоставления дифференцированного обслуживания для приложений, чувствительных к задержкам. В частности, новая версия протокола DOCSIS позволяет снизить величину задержки за счет использования спецификации под названием DOCSIS с низкой задержкой (Low-Latency DOCSIS, LLD). LLD учитывает то, что для многих интерактивных приложений (например, игр и видеоконференций) низкая задержка столь же важна, как и высокая пропускная способность. В существующих сетях DOCSIS значение задержки для некоторых потоков часто может быть достаточно большим, что может объясняться затратами времени на получение доступа к среде передачи данных и на формирование очереди.

LLD решает эти проблемы, уменьшая циклическую задержку, связанную с процессом удовлетворения запросов, а также используя две очереди (одна для чувствительного к задержкам трафика приложений, вторая — для нечувствительного). Уменьшение задержки процесса удовлетворения запросов позволяет CMTS сократить длительность планирования с 2–4 мс до 1 мс. Для полного устранения задержки, вызываемой удовлетворением запросов, LLD использует механизмы проактивного планирования выделения каналов сервисным потокам. LLD позволяет приложениям указать, имеются ли у них пакеты, которые нельзя поставить в очередь, используя маркировку поля дифференцированного обслуживания во фрейме DOCSIS. Более подробные сведения о LLD можно найти в работе Уайта (White, 2019).