Компьютерные сети. 6-е изд.

2.7. Кабельные сети

Стационарные и беспроводные телефонные системы, безусловно, сыграют важную роль в сетевых технологиях будущего, но на сети широкополосного доступа немалое влияние окажут и кабельные системы. Сегодня многие пользователи получают по кабелю услуги телевидения, телефона и интернета. В следующих разделах мы подробно рассмотрим сеть кабельного телевидения и сравним ее с уже изученными телефонными системами. Больше информации вы можете найти в работе Харте (Harte, 2017), а также в стандарте DOCSIS 2018 (в частности, относительно архитектур современных кабельных сетей).

2.7.1. История кабельных сетей: ТВ-системы коллективного приема

Кабельное телевидение возникло в конце 1940-х как способ улучшения телевизионного сигнала в сельской или горной местности. Изначально система состояла из большой антенны, установленной на возвышенности и принимающей телевизионный сигнал из эфира, усилителя — так называемой головной станции (headend) — и коаксиального кабеля, ведущего к домам абонентов (илл. 2.44).

Илл. 2.44. Первые системы кабельного телевидения

Сначала кабельное телевидение называлось ТВ-системами коллективного приема (Community Antenna Television, CATV) и было, по сути, семейным бизнесом. Любой разбирающийся в электронике человек мог настроить телевидение для жителей своего города, готовых оплатить расходы. По мере роста числа абонентов к первоначальной линии подсоединялись дополнительные кабели, а в случае необходимости добавлялись усилители. Передача была односторонней, от головной станции — пользователям. К 1970 году уже существовали тысячи независимых систем.

В 1974 году компания Time Inc. запустила новый канал телевидения Home Box Office, работающий исключительно через кабельную сеть. Затем появились и другие кабельные каналы: спортивные, новостные, кулинарные, исторические, научно-популярные, детские, каналы с фильмами и многие другие. Это привело к двум серьезным изменениям в отрасли. Во-первых, крупные корпорации начали скупать уже существующие кабельные системы и прокладывать новые кабели для привлечения новых пользователей. Во-вторых, возникла потребность в соединении множества систем, зачастую расположенных в разных городах, для распространения новых кабельных каналов. Операторы кабельного телевидения начали прокладывать магистрали между городами, чтобы соединить их в единую систему. Все это напоминало события в телефонной отрасли, происходившие за 80 лет до этого, когда изолированные друг от друга оконечные телефонные станции соединялись, чтобы можно было звонить по межгороду и в другие страны.

2.7.2. Широкополосный доступ в интернет по кабелю: сети HFC

Шли годы, кабельные системы росли, а кабели между городами сменились оптоволокном с широкой полосой пропускания, аналогично тому, как это происходило в телефонных системах. Системы, в которых на больших расстояниях прокладывается оптоволокно, а к домам ведут коаксиальные кабели, называются комбинированными оптокоаксиальными сетями (Hybrid Fiber Coax, HFC). Именно такая архитектура сегодня преобладает в современных кабельных сетях. Оптоволокно проводится все ближе и ближе к домам абонентов, как было описано в разделе, посвященном FTTX. Электронно-оптические преобразователи, служащие интерфейсом между оптоволоконной и электрической частями сети, называются оптоволоконными узлами (fiber node). А поскольку пропускная способность оптоволоконного кабеля гораздо выше, чем коаксиального, один оптоволоконный узел может раздавать поток данных на несколько коаксиальных кабелей. Часть современной системы HFC показана на илл. 2.45 (а).

Илл. 2.45. (а) Комбинированная оптокоаксиальная кабельная сеть. (б) Стационарная телефонная система

В конце 1990-х многие кабельные операторы начали предоставлять услуги телефонии и доступа в интернет. Для этого им пришлось учесть различия между кабельной и телефонной проводкой. Прежде всего нужно было заменить все односторонние усилители двусторонними для поддержки как исходящей, так и входящей передачи данных. В ранних системах интернет-доступа для входящей передачи данных использовалась кабельная телевизионная сеть, а для исходящей — модемное соединение через телефонную сеть. Это было временное и топорное, но рабочее решение.

Полностью прекратить телевещание и использовать кабельную инфраструктуру исключительно для доступа в интернет операторы не решались. Это вызвало бы гнев немалого числа пользователей (в основном старшего поколения, так как молодежь уже сама отказалась от телевизора). К тому же городские власти зачастую жестко регулируют кабельный контент, так что компании при всем желании не смогли бы этого сделать. В результате пришлось искать способ мирного сосуществования телевидения и интернета в одном кабеле.

Решением проблемы стало мультиплексирование по частоте. Каналы кабельного телевидения в Северной Америке занимают полосу в 54–550 МГц (за исключением FM-радио в диапазоне 88–108 МГц). Ширина этих каналов — 6 МГц, включая защитные полосы; они могут нести сигнал одного обычного аналогового телевизионного канала или нескольких цифровых. В Европе нижняя граница этого диапазона обычно около 65 МГц, а ширина каналов 6–8 МГц (для повышенного разрешения PAL и SECAM), в остальном же схема выделения частот такая же. Нижняя часть полосы частот не используется. Современные кабели отлично себя проявляют на частоте более 550 МГц, иногда даже до 750 МГц или выше. Было принято решение организовать исходящие каналы в полосе 5–42 МГц (в Европе чуть больше), а частоты в конце диапазона использовать для входящих сигналов. Кабельный спектр показан на илл. 2.46.

Илл. 2.46. Распределение частот в типовой системе кабельного телевидения, используемой для доступа в интернет

Поскольку все телевизионные сигналы — входящие, можно использовать исходящие усилители, работающие только в диапазоне 5–42 МГц, и входящие, работающие только в диапазоне 54 МГц и выше, как показано на рисунке. Возникает асимметрия входящей и исходящей полос пропускания, ведь в более высокой полосе (по сравнению с телевизионной) частот доступно больше, чем в более низкой. С другой стороны, большинству пользователей требуется больше входящего трафика, чем исходящего, так что кабельных операторов этот факт вполне устраивает. Как мы видели выше, телефонные компании, как правило, представляют асимметричный DSL-сервис, хотя технических причин для этого у них нет. Операторам приходится обновлять не только усилители, но и головные станции — на смену примитивным усилителям приходят интеллектуальные цифровые компьютерные системы с широкополосным оптоволоконным интерфейсом подключения к провайдеру. Подобные усовершенствованные головные станции иногда называют оконечной системой кабельных модемов (Cable Modem Termination System, CMTS).

2.7.3. DOCSIS

Для подключения на «последней миле» кабельные компании используют технологию физического уровня HFC, а также оптоволокно и беспроводные соединения. Технология HFC широко распространена в США, Канаде, Европе и в других странах. В ней используются DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification) — стандарты передачи данных по коаксиальному кабелю, разработанные CableLabs.

Версия 1.0 стандарта DOCSIS была выпущена в 1997 году. Ограничения по входящей и исходящей скорости для DOCSIS 1.0 были 38 Мбит/с, для DOCSIS 1.1 — 9 Мбит/с. С появлением DOCSIS 2.0 (2001) исходящая пропускная способность увеличилась втрое. Поддержка IPv6 и «склейки» каналов исходящего и входящего трафика в DOCSIS 3.0 (2006) резко повысила потенциальную пропускную способность для каждого абонента до сотен мегабит в секунду. DOCSIS 3.1 (2013), в котором появилось мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM), расширилась полоса пропускания и повысилась эффективность, позволил достичь входящей скорости более чем 1 Гбит/с для каждого абонента. Позднее в стандарт DOCSIS 3.1 были внесены обновления. Среди них — полнодуплексные операции (2017), благодаря которым стала возможна мультигигабитная симметричная входная/выходная пропускная способность, а также DOCSIS Low Latency (2018) и прочий функционал для снижения времени задержки.

Комбинированная оптокоаксиальная часть сети (HFC) очень динамична, поскольку операторы кабельных сетей регулярно производят разделение оптоволоконных узлов. Благодаря этому оптоволокно оказывается все ближе к домам абонентов, а число домов в одном узле сокращается. В результате пропускная способность для каждого дома повышается. В некоторых случаях HFC на последнем участке заменяется на «оптоволокно в дом», а многие новые сети сразу строятся по этому принципу.

Абонентам кабельного интернета необходим кабельный модем DOCSIS, играющий роль узла сопряжения домашней сети и сети ISP. Каждый кабельный модем передает данные по одному входящему и одному исходящему каналу. Выделение каналов происходит с помощью FDM. В DOCSIS 3.0 используется несколько каналов. Обычная схема работы выглядит так: входящий канал шириной 6 или 8 МГц модулируется при помощи QAM-64 (в случае кабеля высокого качества — QAM-256). Использование канала 6 МГц и QAM-64 дает скорость около 36 Мбит/с. С учетом передачи служебных сигналов пропускная способность сети составляет около 27 Мбит/с. При использовании QAM-256 скорость передачи полезных данных равна приблизительно 39 Мбит/с. В Европе значения больше примерно на треть из-за большей полосы пропускания.

Интерфейс между модемом и домашней сетью довольно прост: обычно это Ethernet-соединение. Сегодня многие пользователи интернета подключают кабельный модем к точке доступа Wi-Fi для создания домашней беспроводной сети. В некоторых случаях провайдер предоставляет клиенту отдельное устройство, сочетающее в себе кабельный модем и беспроводную точку доступа. Интерфейс между модемом и остальной сетью ISP сложнее, поскольку требует согласования совместного использования ресурсов множеством абонентов кабельной сети, подключенных к одной головной станции. Совместное использование происходит на канальном, а не физическом уровне, но мы обсудим его в этой главе, чтобы соблюсти последовательность.

2.7.4. Совместное использование ресурсов в сетях DOCSIS: узлы и мини-слоты

Существует важное принципиальное различие между HFC-системой с илл. 2.45 (а) и телефонной системой с илл. 2.45 (б). В отдельном жилом микрорайоне один кабель совместно используют многие дома, в то время как в телефонной системе у каждого здания — свой абонентский шлейф. Совместное использование кабелей для телевещания выглядит вполне естественным. Все программы транслируются по кабелю, и неважно, сколько зрителей их смотрит, 10 или 10 000. Однако при совместном использовании того же кабеля для выхода в интернет число пользователей имеет большое значение. Если один из них решит скачать очень большой файл или просмотреть в потоковом режиме фильм в 8K, для остальных эта полоса пропускания будет недоступна. Чем больше пользователей совместно использует один кабель, тем выше конкуренция за полосу пропускания. В телефонных системах этой особенности нет: если вы скачиваете большой файл по ADSL-каналу, это не приносит вашим соседям никаких неудобств. С другой стороны, пропускная способность коаксиального кабеля намного выше, чем у витой пары. На практике в каждый конкретный момент доступная пользователю полоса пропускания во многом зависит от трафика других абонентов, подключенных к тому же кабелю. Далее мы поговорим об этом подробнее.

Кабельные ISP решили эту проблему за счет разделения длинных кабелей и подключения каждого из них напрямую к оптоволоконному узлу. Полоса пропускания между головной станцией и оптоволоконными узлами достаточно велика, так что при небольшом числе абонентов в каждом сегменте кабеля он способен справиться с нужным объемом трафика. Типичный узел 10–15 лет назад охватывал 500–2000 домов, хотя число домов на узел продолжает снижаться в целях увеличения скорости доступа. Рост числа пользователей и объема трафика за последнее десятилетие привел к необходимости все больше разделять кабели и добавлять все новые оптоволоконные узлы. К 2019 году типичный узел охватывал около 300–500 домов, хотя в некоторых местах провайдеры реализовали архитектуры N + 0 HFC (так называемые «Fiber Deep»), позволяющие снизить это число чуть ли не до 70. Благодаря этому можно отказаться от каскадов усилителей и прокладывать оптоволокно от головных станций сети непосредственно к узлам на последнем сегменте коаксиального кабеля.

После подключения кабельный модем начинает просматривать входящие каналы в поисках специального пакета, периодически отправляемого головной станцией. Пакет содержит системные параметры для модемов, только что начавших работу в сети. При получении этого пакета новый модем оповещает о своем появлении по одному из исходящих каналов. В ответ на это головная станция назначает для него входящий и исходящий каналы. Позже она может их переназначить, если это понадобится для балансировки нагрузки.

В исходящем направлении радиочастотного шума больше, чем во входящем, поскольку система изначально не была рассчитана на передачу данных. Помехи от множества абонентов направляются к головной станции, поэтому в модемной связи используются более консервативные подходы от QPSK до QAM-128, в которых часть символов используется для защиты от ошибок с помощью треллис-модуляции. Благодаря меньшему числу битов на символ в исходящем направлении асимметрия входящей и исходящей скоростей оказывается намного сильнее, чем на илл. 2.46.

Современные DOCSIS-модемы запрашивают временные слоты для передачи, а CMTS выделяет один или несколько слотов в зависимости от загруженности. Одновременные пользователи конкурируют за входящий и исходящий доступ. Для совместного использования исходящей полосы пропускания сеть применяет TDM. Время делится на мини-слоты; каждый абонент производит обмен данными в свой мини-слот. Периодически головная станция объявляет о начале нового цикла мини-слотов. Однако модемы получают это оповещение в разное время по мере распространения сигнала по кабелю. Каждый модем сам вычисляет начало первого мини-слота, исходя из своей удаленности от головной станции.

Для правильного расчета времени модему важно определить точное расстояние до головной станции. Для этого он отправляет специальный пакет и засекает время получения ответа. Этот процесс называется пристрелкой (ranging). Любой исходящий пакет при достижении головной станции должен попасть в один или несколько последовательных мини-слотов. Длительность мини-слотов в разных сетях различается. Полезная нагрузка обычно составляет 8 байт.

Во время инициализации головная станция выделяет каждому модему мини-слот для запроса исходящей полосы пропускания. Чтобы отправить пакет, компьютер передает его модему и тот запрашивает необходимое число мини-слотов. Если головная станция одобряет запрос, она посылает по входящему каналу оповещение, сообщающее модему о зарезервированных для его пакета мини-слотах. Далее начинается отправка пакета в выделенном для него мини-слоте. Посредством специального поля в заголовке можно запросить передачу дополнительных пакетов.

Как правило, нескольким модемам назначается один и тот же мини-слот, что приводит к конфликту (несколько модемов пытается отправить данные одновременно). CDMA разрешает нескольким абонентам совместно использовать один и тот же мини-слот, хотя в результате доступная каждому из них скорость снижается. Можно не использовать CDMA, но тогда подтверждение запроса, вероятно, не будет получено из-за конфликта. В этом случае модем просто ждет некоторое время и повторяет попытку. После каждой последующей неудачи время ожидания удваивается. Для читателя, знакомого с теорией компьютерных сетей: этот алгоритм представляет собой слотированную версию ALOHA c двоичной экспоненциальной задержкой. Использовать Ethernet в кабельной системе не получится, поскольку станции не могут прослушивать такую среду передачи. Мы вернемся к этому вопросу в главе 4.

Входящие каналы работают иначе, чем исходящие. Данные отправляет только головная станция, так что никакой конкуренции и необходимости в мини-слотах нет. Объем входящего трафика обычно намного больше, чем объем исходящего, поэтому размер пакетов фиксирован — 204 байта. Часть этих 204 байт составляет код коррекции ошибок Рида — Соломона и еще некоторые служебные данные. Для пользовательских данных остается 184 байта. Эти значения были выбраны из соображений совместимости с цифровым телевидением, использующим MPEG-2, так что формат телевизионных и входящих каналов данных одинаков. Общая логика соединений показана на илл. 2.47.

Илл. 2.47. Типовой вид исходящих и входящих каналов в Северной Америке