Советы и информация по организации кабельных сетей и доступа в Интернет посредством кабельных модемов

Для кого могут представлять интерес кабельные модемы? Возможно, для сервис-провайдеров Интернет, как вариант "последней мили". А мы считаем, что в первую очередь - для кабельных операторов. Это интересная, качественно новая услуга абонентам кабельных сетей. Большинство же статей о кабельных модемах написано для компьютерщиков. В них подробно освещаются проблемы организации обратного канала, схемы модуляции, и подобные вопросы, которые опытным кабельщикам и так близки и понятны. А вот вопросы организации системы в целом, как компьютерной сети, либо опущены, как сами собой разумеющиеся, либо обозначены схематично. Поэтому наиболее перспективные (на наш взгляд) потенциальные покупатели кабельных модемов не имеют о них исчерпывающей информации. В результате в нашей стране не так много систем кабельных модемов, как могло бы быть.

Кабельщику, чтобы стать специалистом по компьютерным сетям, надо освоить массу информации. Мы не ставили себе задачу собрать и разместить на нашей страничке такой материал. В достаточном объеме его можно получить самостоятельно, посетив домашнюю страничку Центра Информационных Технологий МГУ или прочитав учебник (http://www.citforum.ru/). Мы приводим здесь ответы на типичные вопросы, которые задают нам кабельные операторы. Выстроенные в логический ряд, эти ответы позволяют составить самое общее представление о принципах работы, назначении, возможностях и особенностях использования систем кабельных модемов.

Что такое система кабельных модемов?
Система кабельных модемов (СКМ) - одно из технических решений, которое позволяет предоставить высокоскоростной доступ в Интернет абонентам сети кабельного телевидения. Для этого необходимо решить, как минимум, две задачи:

Объединить ПК пользователей в компьютерную сеть, используя в качестве линий связи кабели сети кабельного телевидения (СКТВ). В принципе, такая сеть может функционировать, как законченная система, сама по себе, безо всякого Интернета - можно пользоваться общими библиотеками файлов, играть в сетевые игры, создавать внутри такой сети виртуальные частные сети, защищенные от доступа извне и т. п. Эта задача полностью решается оборудованием системы кабельных модемов (СКМ).
Обеспечить всем абонентам этой сети доступ в Интернет, для чего организовать шлюз из этой сети в другую, внешнюю сеть, входящую в Интернет. Эта задача может решаться как оборудованием самой СКМ (Cisco uBR72xx), так и внешним оборудованием (маршрутизатор с портом Fast Ethernet для работы с INA CS2501 от Hughes Network System).
Зачем вообще объединять компьютеры абонентов в сеть?
Такой, вполне резонный вопрос, задают кабельщики. Действительно, обходятся же без этого провайдеры, предоставляющие доступ в Интернет по телефонным линиям. При этом компьютер абонента не подключается к какой-либо компьютерной сети, используется другая технология - удаленный доступ. Почему бы не перенести ее и в сеть КТВ?

Теоретически это возможно, но очень неудобно. Действительно, каждый из абонентских телефонных модемов, подключенных к серверу провайдера, на время соединения безраздельно занимает отдельный физический канал связи - телефонную пару. Пары эти уже существуют в составе действующей городской телефонной сети общего пользования (ТСОП). Создать же в сети кабельного телевидения отдельный канал (например, с разделением по частоте) для каждого абонента весьма непросто и недешево. Специфике сетей кабельного телевидения гораздо больше соответствуют технологии локальных компьютерных сетей. Они основаны на использовании всеми подключенными ПКПК одного физического канала, разделяемого по времени. Чтобы максимально унифицировать подключение ПКПК пользователей к абонентским модемам СКМ по используемому оборудованию и программному обеспечению, в СКТВ средствами СКМ эмулируется компьютерная сеть, построенная по технологии Ethernet. Это означает, что все компьютеры и другие сетевые устройства (концентраторы, например) подключаются к модемам СКМ точно так же, как подключались бы к обычной, проводной сети Ethernet.

Что такое локальная сеть?
Локальные компьютерные сети (LAN - Local Area Network) объединяют компьютеры, находящиеся в непосредственной близости друг от друга. Как правило, все они находятся в одном здании и принадлежат одной организации. Локальная сеть может содержать до нескольких сотен узлов - компьютеров и других сетевых устройств. Благодаря малой протяженности линий связи локальные сети обладают огромными пропускными способностями. Так, для сетей на "витой паре" 10 Мбит/сек - уже вчерашний день, 100 Мбит/сек - сегодняшний, а 1 Гбит/сек - тоже сегодняшний. Наиболее популярные технологии локальных сетей - Ethernet, Token Ring и FDDI. Все технологии LAN основаны на совместном использовании всеми сетевыми устройствами одного физического канала связи, разделяемого по времени. В качестве адресов узлов в локальных сетях используются физические ("вшитые") адреса устройств, или, как их еще называют, МАС-адреса (Media Access Control - управление доступом к среде). МАС-адрес представляет собой уникальное 6-байтовое двоичное число. Он присваивается устройству производителем и не может быть изменен программным способом. Для построения локальной сети нужны сетевые адаптеры (компьютерные сетевые карты), кабельная система из медных или оптических кабелей и средства организации локальных сетей - концентраторы и коммутаторы. Это относительно простое и дешевое оборудование.

Что такое Ethernet?
Ethernet - наиболее распространенная, она же самая недорогая, технология локальных компьютерных сетей. Для подключения к сети Ethernet в компьютер должна быть установлена карта сетевого адаптера (или, попросту, "сетевая карта") Ethernet стоимостью около 10 долларов. Сеть Ethernet имеет топологию "общая шина". Грубо говоря, выходы сетевых карт всех компьютеров подключаются параллельно к одной паре проводов. В радиолюбительской терминологии такое соединение называется "монтажное ИЛИ". Такая технология делает подключение простым и дешевым. Данные передаются без какой-либо модуляции - логическим "0" и "1" соответствуют разные потенциалы этих проводов друг относительно друга. Говоря точнее, компьютеры подключаются не к паре проводов, а к разделяемой по времени физической среде, поскольку в разных спецификациях Ethernet используются разные кабели, в томи числе оптические.

Не так давно для соединения компьютеров в сеть Ethernet использовался коаксиальный кабель (спецификации Ethernet 10Base-2 и Ethernet 10Base-5), и компьютеры физически подключались параллельно к одному кабелю. В современных сетях Ethernet компьютеров бывает до нескольких сотен, и такое подключение весьма неудобно. Поэтому на сегодняшний день наиболее распространены сети спецификации Ethernet 10 Base-T (для соединений используется кабель, содержащий две неэкранированные витые пары). Сеть организуется специальными устройствами - концентраторами Ethernet (более популярное название - hub - "хаб"). Несколько компьютеров подключаются отдельными кабелями к портам каждого концентратора, а сами концентраторы соединяются друг с другом. Сути это не меняет. Концентратор - устройство физического уровня. Он не содержит никаких "мозгов" и не производит с сигналом никаких интеллектуальных операций - просто дублирует сигнал, поступивший на один из портов, на все другие порты. В терминологии компьютерных сетей это звучит так: концентратор позволяет организовать сеть с физической топологией "звезда" или "дерево", сохранив при этом логическую топологию "общая шина".

Что такое метод CSMA/CD?
Чтобы множество компьютеров могли совместно использовать общую физическую среду, доступ каждого компьютера к этой среде осуществляется по определенным правилам. В сети Ethernet эти правила определяются методом CSMA/CD (Carrier Sense Multiply Access with Collision Detection) - методом "коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий". Данные, которые необходимо передать по сети, упаковываются в кадр определенного формата и снабжаются адресом получателя. Перед тем, как передать данные, сетевой адаптер "прослушивает" среду, чтобы определить ее занятость (Carrier Sense). Занятость определяется по наличию или отсутствию на входе сетевой карты первой гармоники сигнала, частота которой для скорости передачи 10 Мбит/сек изменяется в пределах 5-10 МГц, в зависимости от чередования "1" и "0" в передаваемой последовательности.

Если среда свободна, данные передаются. Так как все сетевые адаптеры подключены к общей шине, они все без исключения принимают сигнал передающего узла. Тот сетевой адаптер, который обнаруживает в заголовке кадра собственный МАС-адрес, записывает содержимое кадра в буфер и передает для обработки "наверх" - программному обеспечению своего компьютера. Остальные адаптеры, не найдя в заголовке своего МАС-адреса, сбрасывают кадр.

Если среда занята, узел дожидается, пока она освободится, и передает данные. Однако сигнал распространяется по среде не мгновенно. Один узел может начать передачу, не зная, что среда уже занята другим узлом, потому что сигнал до него еще не дошел. Возникнет ошибка передачи - коллизия. Она обнаруживается передающим узлом (Collision Detection). Для этого передающий узел во время собственной передачи продолжает "прослушивать" шину. Если передающий узел пытается создать на шине потенциал логической "1", а фактически на шине потенциал логического "0" (созданный другим передающим узлом), налицо коллизия. Чтобы коллизия была надежно обнаружена всеми узлами сети, узел, обнаруживший ее первым, усугубляет ее - передает на шину специальный сигнал, отличающийся от передаваемых данных. Неудачно переданный кадр передается повторно, однако, прежде чем предпринять следующую попытку захвата среды, передающий узел выжидает время, которое определяется по случайному закону. Такое ожидание приводит к простоям среды. Однако, если бы передающие узлы после неудачной попытки передачи возобновляли бы ее немедленно, либо через равные промежутки времени, повторная передача неизбежно привела бы к повторной коллизии.

Коллизии и простои - нормальное явление в сети Ethernet. Они существенно снижают реальную скорость передачи данных по сравнению с битовой (физической) скоростью передачи 10 или 100 Мбит/сек, особенно при большом числе подключенных компьютеров и при интенсивном обмене между ними. Все равно пропускной способности сетей, как правило, достаточно для того, чтобы снижение скорости осталось для пользователя незамеченным.

Чем физическая среда СКТВ принципиально отличается от физических сред LAN?
Теперь представим себе задачу - организовать подобную компьютерную сеть, в которой в качестве разделяемой физической среды будет использоваться существующая сеть кабельного телевидения. Налицо одно существенное отличие кабелей СКТВ от любой традиционной физической среды LAN. В компьютерной сети среда используется только для передачи данных. В СКТВ передача данных - услуга не единственная и даже не основная. Одновременно с данными в сети должны существовать сигналы нескольких каналов телевидения. Разделить их сигналами других услуг по времени невозможно - сигналы аналоговые, они должны существовать во времени непрерывно. Остается разделение по частоте. Это означает, что при передаче данных должна использоваться модуляция, а при приеме - демодуляция. Отсюда название системы кабельных модемов, хотя, как будет видно из дальнейшего, модуляция-демодуляция - только одна из многочисленных функций устройств СКМ.

Второе отличие - асимметричность СКТВ. В традиционных ЛВС сигнал любой сетевой карты распространяется одинаково во всех направлениях (условно: и вправо и влево по общей шине). Кабельщики обычно заявляют с гордостью: "Наша сеть - двунаправленная", имея в виду обратный канал. При этом они забывают, что, действительно, в такой сети сигналы могут распространяться в двух направлениях, но это разные сигналы. Сигналы на частотах прямого канала (47-868 МГц) могут передаваться только "вниз" по сети - в направлении от головной станции к абонентам. Сигналы на частотах обратного канала (5-30 МГц) распространяются только "вверх" - в направлении от абонентов к головной станции. Поэтому, в каких бы двух разных точках кабельной сети не были подключены два абонентских кабельных модема, кратчайший путь между ними всегда будет лежать через головную станцию. Понятно, что абонентский модем должен принимать данные на частоте прямого канала, а передавать - на частоте обратного. Следовательно, два абонентских модема не могут связаться друг с другом без участия головного модема, который принимает данные от абонентских модемов на частоте обратного канала, и передает их уже на частоте прямого канала. Это одна задача головного кабельного модема, вторая - организовать совместное использование одной среды многими абонентскими модемами одновременно.

Что такое метод TDM/TDMA?
Так как прямой и обратный каналы разделены, речь идет об организации совместного доступа не к одной общей среде передачи данных, а к двум средам: к среде передачи и среде приема. В сети Ethernet действуют множество передатчиков, и их доступ к среде регламентируется методом CSMA/CD. В системах кабельных модемов "на границе" прямого и обратного каналов установлен головной кабельный модем. Таким образом, сеть на основе СКМ имеет топологию не "шина", а "звезда", и головной модем - центр этой "звезды". Для прямого канала он является единственным передатчиком, поэтому прямой канал используется совместно всеми абонентскими модемами по принципу TDM (Time Division Multiplexing - разделение по времени). Сообщения, адресованные всем модемам сети, передаются головным модемом на одной несущей частоте, в одном непрерывном цифровом потоке с разделением по времени. Таким же образом в стандарте DVB передаются на одной несущей данные нескольких программ телевидения и радио. Для мультиплексирования в один цифровой поток передаваемые данные необходимо синхронизировать. Поэтому головной кабельный модем не просто конвертирует сигнал обратного канала в сигнал прямого канала, а принимает данные от абонентских модемов на разных частотах, в разное время, синхронизированные разными тактовыми генераторами; записывает их в буферную память, и затем считывает синхронно с собственной тактовой частотой и передает в диапазоне прямого канала. Так формируется нисходящий поток.

С обратным каналом сложнее: приемник (головной модем) единственный, а передатчиков (абонентских модемов) множество. Один абонентский модем "не слышит", передает ли в это время другой абонентский модем, потому что все модемы "слушают" прямой канал СКТВ, а передают - в обратном канале. Поэтому в обратном канале реализован другой принцип совместного использования среды - TDMA (Time Division Multiple Access - поочередный доступ). Каждый абонентский модем передает только после того, как получит разрешение на передачу от головного модема по прямому каналу. Таким образом, формируются восходящие потоки. Чтобы один абонентский модем не занимал канал надолго, головной модем назначает каждому абонентскому модему временное окно (тайм-слот) ограниченного размера. Тайм-слоты распределяются только между модемами, активными в данное время - это позволяет использовать ограниченную пропускную способность максимально эффективно. Специальные тайм-слоты предназначены для вновь подключаемых абонентских модемов. При включении абонентский модем использует такой тайм-слот, чтобы оповестить головной модем о своем присутствии в сети. Далее он работает на передачу уже в своих "персональных" тайм-слотах.

Такой комбинированный метод доступа называется TDM/TDMA и является типичным для компьютерных сетей с топологией "звезда". По этому же принципу организованы, например, многие спутниковые сети VSAT.

Что делает головной модем?
Частотный план СКТВ складывался исторически. Интерактивные услуги в кабельных сетях появились сравнительно недавно, и обратному каналу "достался" не лучший участок частотного диапазона - от 5 до 60 МГц (в странах, где телевизионный диапазон начинается с 45 МГц - от 5 до 30 МГц). Низкочастотный обратный канал более подвержен действию шумов и индустриальных помех. Поэтому в прямом канале используются высокоинформативные схемы модуляции (256 и 64 QAM), а в обратном канале - менее информативные, но более защищенные от воздействия помех - 16QAM и QPSK (она же - 4QAM). Крупные кабельные сети, особенно гибридные, как правило, сегментированы. Сигнал центральной головной станции делится между несколькими оптическими узлами или кустовыми головными станциями. От каждого такого узла или станции на центральную головную станцию приходит отдельный кабель (или волокно) обратного канала. Раз обратные каналы разных кустов кабельной сети физически разделены, можно использовать в них одни и те же частоты. Поэтому у головного модема на один модулятор нисходящего потока может приходиться несколько демодуляторов восходящего потока.