Сеть кабельного телевидения как среда для высокоскоростного доступа в Internet.
Конечно, в России КТВ не имеет такого широкого распространения, как в США и Европе. Однако в некоторых, особенно небольших, городах в нашей стране уровень охвата кабельным телевидением оказывается порой выше, чем уровень телефонизации. Это открывает перед операторами КТВ перспективу предоставления не только услуг доступа, но и голосовых услуг. Тем не менее, несмотря на успешные единичные примеры (см. статью А. Авдуевского «Программа передач» в декабрьском номере LAN за прошлый год), они не спешат воспользоваться открывающимися возможностями. Отсутствие широкого предложения связано, в первую очередь, с невостребованностью подобных услуг из-за низкой платежеспособности населения. Помимо этого, для поддержки двусторонней передачи кабельную сеть обычно требуется модернизировать, а это опять же ставит на повестку дня вопрос финансов. Как бы то ни было, такие решения, в принципе, возможны.
ИНФРАСТРУКТУРНЫЕ ПРОБЛЕМЫ
Прежде чем переходить к описанию передачи данных по сети КТВ, все же необходимо хотя бы кратко коснуться того, что эта сеть собой представляет и каковы ее недостатки с точки зрения цифровой передачи.
Изначально сеть КТВ предназначалась исключительно для аналогового телевещания. Это предопределило ее однонаправленный характер, т. е. она была рассчитана на распространение сигнала только в одну сторону. Установленные в сети усилители сигнала действовали только в одном направлении. Таким образом, для обеспечения двусторонней передачи такие усилители, при их наличии, необходимо заменить на двунаправленные.
В принципе, передача цифрового сигнала по аналоговой сети не составляет особых трудностей, для этого несущий сигнал можно модулировать множеством способов. Однако он оказывается гораздо чувствительнее к различным шумам, чем аналоговый сигнал, особенно при большой протяженности коаксиального кабеля. Поэтому для увеличения дальности передачи оператору, возможно, придется от коаксиальной инфраструктуры перейти к смешанной оптико-коаксиальной. При этом волокно прокладывается от головной станции (head-end) до оптического распределительного узла (fiber node), а дальше уже до подписчиков идет, как обычно, коаксиальный кабель.
Помимо однонаправленных усилителей передаче в направлении от абонента к оператору препятствует и свойственная сети КТВ древовидная топология. Она ведет к «накоплению входных шумов», т. е. на пути к головной станции шумы от разных источников суммируются и заглушают полезный сигнал. Источниками подобных шумов могут быть некачественные или просто неплотно вставленные соединители, наводки от работающих электромоторов и радиоприемников и т. п. Наиболее подвержен таким шумам низкочастотный диапазон, поэтому для передачи телевизионного сигнала он не используется. Но именно этот диапазон был выбран для организации обратного канала. Одно из возможных решений состоит в установке высокочастотного фильтра. Фильтр позволяет блокировать низкочастотные шумы и таким образом избежать их распространения. Вообще же, принципиальным решением данной проблемы является применение соответствующих методов модуляции.
Кроме того, для обратных потоков характерна проблема конкуренции за доступ к среде передачи между кабельными модемами. Вследствие наличия только одной оконечной системы кабельных модемов в прямом направлении она отсутствует. (В данной статье под прямым направлением мы будем подразумевать передачу от оператора к подписчику (downstream), а под обратным направлением — от подписчика к оператору (upstream). Конечно, с точки зрения конечного пользователя, логичнее было бы эти определения поменять местами, но для операторов, как для распространителей сигнала, именно они являются естественными.)
ОБЩАЯ АРХИТЕКТУРА
Как уже упоминалась, топология сети кабельного телевидения имеет древовидную структуру. В корне дерева, т. е. на головной станции оператора, располагается оконечная система кабельных модемов (Cable Modem Termination System, CMTS), а на его листьях, т. е. в доме или на квартире у подписчиков, находятся собственно кабельные модемы, иногда называемые также абонентскими устройствами. Связывающая их инфраструктура представляет собой коаксиальную или гибридную (Hybrid Fiber-Coaxial, HBC) сеть.
С противоположной стороны кабельные модемы подключаются к оборудованию в помещении заказчика. Таким оборудованием является обычно одиночный ПК. Вообще говоря, кабельные модемы позволяют обеспечить доступ в Internet и для небольшой домашней сети. Наиболее популярным интерфейсом для подключения ПК является Ethernet на 10 Мбит/с.
Оконечная система на головной станции передает поступающие от кабельных модемов запросы на маршрутизатор IP. От него же она получает данные для передачи абонентским устройствам. Такая передача осуществляется в широковещательной рассылке, и каждый из модемов извлекает предназначенные для него данные. При передаче данные объединяются с телевизионными сигналами.
CMTS и маршрутизатор составляют минимальную сетевую конфигурацию для передачи данных на головной станции; вместе они называются распределительным концентратором (Distribution Hub). Кроме того, на головной станции могут располагаться кэширующие серверы для ускорения предоставления информационного наполнения и снижения нагрузки на магистральные каналы доступа.
Общая архитектура системы передачи данных на базе сети кабельного телевидения представлена на Рисунке 1. Помимо перечисленных основных компонентов она включает также компоненты для управления сетью. Система управления может иметь иерархическую структуру, при этом управление осуществляется из единого регионального центра, где располагаются системы управления сетью и обеспечения функционирования, серверы DHCP и DNS и т. п.
ОБРАТНЫЙ ТЕЛЕФОННЫЙ КАНАЛ
В качестве паллиатива, например при нежелании заменять усилители, некоторые операторы используют вместо обратного канала обычное модемное соединение. Соответствующие кабельные модемы рассчитаны на работу с обычными аналоговыми модемами для передачи запросов на оконечную систему по телефонной линии.
Ввиду асимметричной природы многих приложений Internet, таких, как серфинг Web и загрузка файлов, данное решение оказывается вполне возможным. Действительно, как показывает статистика, соотношение между объемами трафика в подобных приложениях часто превышает 10:1, поэтому скорость запроса может быть на порядок меньше скорости доставки. Таким образом, операторы получают возможность предоставить абонентам высокоскоростной доступ в Internet без модернизации своей инфраструктуры.
Однако данное решение может рассматриваться только в качестве временной меры. Для пользователей оно имеет целый ряд неудобств. Для работы в Internet им по-прежнему нужна будет телефонная линия, а это не может не вызывать недовольство других домочадцев. Кроме того, им придется ждать какое-то время, пока будет установлено модемное соединение, тем самым они лишатся такого преимущества использования кабельных модемов, как мгновенный доступ. Наконец, это решение недостаточно или вообще непригодно для симметричных приложений — ICQ, видеоконференции и т. п.
Использование обратной телефонной линии может причинять неудобства и самому оператору. Это и усложнение конфигурации системы, и необходимость выделения двух портов маршрутизатора для одного клиента, и усложнение диагностирования и поддержки системы.
УСТРОЙСТВО КАБЕЛЬНОГО МОДЕМА
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 конструкции, все модемы имеют одну и ту же базовую архитектуру (см. Рисунок 2).
 |
| Рисунок 2. Схема подключения и устройства кабельного модема. |
К разделителю (фактически — телевизионной антенне) модем подключается через тюнер. Обычно тюнер имеет встроенный диплексер 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.
ДИАПАЗОНЫ И СКОРОСТИ
Весь поддерживаемый коаксиальным телевизионным кабелем диапазон рабочих частот разбит на два поддиапазона. Нижний поддиапазон, от 5 до 42 МГц в США и от 5 до 65 МГц в Европе, предназначен для передачи данных в обратном направлении. Верхний диапазон, от 42 (65) МГц до 850 МГц, отводится для передачи данных и телевизионных каналов в прямом направлении. (Различия в границе между поддиапазонами связаны с разной шириной каналов в США и Европе — 6 и 8 МГц, соответственно.)
Для модулирования сигнала в прямом направлении используются алгоритмы 64-QAM и 256-QAM, а для модулирования сигнала в обратном направлении — QPSK и 16-QAM. Квадратурная амплитудная модуляция 64-QAM и 256-QAM предполагает кодирование сигнала в виде 6- и 8-битовых символов, соответственно, а квадратурная фазовая манипуляция QPSK и 16-QAM — в виде 2- и 4-битовых символов, соответственно. Чем больше число бит в символе, тем выше эффективность кодирования, но и тем чувствительнее схема к помехам.
Таким образом, поддерживаемая скорость зависит от выделенного для канала диапазона частот и применяемой схемы модуляции. В прямом направлении, с учетом накладных расходов на обрамление, коррекцию ошибок и т. п., совокупная пропускная способность может достигать 38 Мбит/с в случае 64-QAM и 52 Мбит/с в случае 256-QAM (данные для Европы). В обратном направлении аналогичная величина варьируется от 0,32 до 5,12 Мбит/с в случае QPSK и от 0,64 до 10,24 Мбит/с в случае 16-QAM. Меньшие поддерживаемые скорости в обратном направлении связаны, помимо меньшей эффективности применяемых схем модуляции ввиду большой зашумленности, с меньшей шириной выделяемого канала, обычно от 200 кГц до 3,2 МГц.
А КОРОЛЬ-ТО ГОЛЫЙ
Разделяемая природа среды передачи кабельного телевидения ставит две принципиальные задачи перед операторами и пользователями. Первая из них состоит в снижении пропускной способности в расчете на одного пользователя при увеличении общего числа абонентов. Вторая — в видимости всех действий для других пользователей.
Типичное число абонентов одного распределительного узла не превышает обычно одной тысячи. Хотя далеко не все они подписываются на услуги высокоскоростного доступа, а из подписавшихся далеко не все работают в Internet одновременно, тем не менее в часы пик производительность может значительно снижаться.
Эту проблему можно решить либо путем выделения дополнительного канала (каналов) для услуг передачи данных, либо посредством вынесения распределительного узла ближе к потребителям. Однако оба названных решения обходятся весьма дорого; кроме того, выделение дополнительного канала в прямом направлении никак не способствует снижению конкуренции за доступ в обратном направлении. В результате операторы вынуждены прибегать к таким непопулярным мерам, как ограничение пропускной способности в обратном направлении определенной величиной. Иногда введение жестких ограничений вызывается также злоупотреблениями пользователей, устанавливающих у себя серверы Web, несмотря на запрет.
Все же даже если вся тысяча абонентов вдруг решат одновременно заняться серфингом в Web, то с учетом асимметричности данного приложения приходящейся на каждого доли пропускной способности будет вполне достаточно для подачи запроса, меж тем как скорость доставки будет теоретически составлять около двух-трех сотен килобит в секунду. Поэтому более реальной проблемой является узость каналов доступа в Internet самих операторов КТВ — мало кто из них имеет выход в Internet с адекватной суммарной пропускной способностью.
Другой, чреватой куда более серьезными последствиями, чем замедление скорости доступа, проблемой может оказаться видимость всего трафика в сети. Любой пользователь с анализатором протоколов может видеть весь трафик в пределах зоны обслуживания своей оконечной системы. Если трафик передается открытым текстом, то такой пользователь может перехватить чужие пароли, узнать финансовую информацию и т. п. Однако одно то, что кто-то может подглядывать за твоими действиями, уже неприятно.
Данная проблема усугубляется в случае, когда пользователи Windows или Macintosh создают одноранговую сеть для совместного использования файлов. Файлы в общих каталогах и папках будут видны всем абонентам данного распределительного узла. В результате какой-нибудь «шутник» может их стереть, изменить и т. п. Поэтому если кто-то захочет создать собственную небольшую домашнюю сеть и подключить ее к кабельному модему, то ему придется установить либо брандмауэр между модемом и сетью, либо сервер с развитыми функциями контроля доступа.
Впрочем, последние версии имеющихся стандартов на кабельные модемы предусматривают шифрование трафика. Однако оно опирается на такие методы, как американский стандарт DES, поэтому для России данная проблема все равно остается актуальной. Кроме того, даже шифрование не спасает от подмены IP-адресов и других подобных проблем.
СТАНДАРТЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ
К сожалению, в одной небольшой статье невозможно даже кратко осветить основные, связанные с кабельными модемами проблемы. Из-за недостатка места нам пришлось оставить в стороне такие интересные технические вопросы, как разрешение конкуренции за среду передачи, и такие важные темы, как стандарты на кабельные модемы. Как высокоскоростной способ доступа, кабельные модемы рассматриваются также в качестве средства передачи голоса. Кроме того, заложенные в них принципы применяются при разработке модемов для широкополосного беспроводного доступа. Если не все, то, по крайней мере, часть из этих вопросов мы намереваемся рассмотреть в следующей статье.
Дмитрий Ганьжа — ответственный редактор LAN. С ним можно связаться по адресу: diga@lanmag.ru.