Upoznajte EuroDOCSIS #1: neznani junak brzog kablovskog Interneta
Serbian, Networking, Technology

Upoznajte EuroDOCSIS #1: neznani junak brzog kablovskog Interneta

Idealni način da se izgradi nacionalna broadband mreža za pristup Internetu je putem dvosmernih kablova velikog propusnog opsega od “centrale” do domova pojedinačnih korisnika. Međutim, nekada moramo da radimo sa onime što imamo, a ono što imamo su mreže za kablovsku televiziju. Ove mreže imaju propusni opseg, ali ne i dvosmernost koja je neophodna za funkcionisanje Interneta. Još gore, kablovi koji idu kod više korisnika se na kraju svi spajaju na jedan kabl, stoga nije moguće poslati signal samo jednom domu. Svejedno, kablovski provajderi uspevaju da pruže preko 100 Mbps protoka korisnicima kablovskih servisa koristeći ovu nesavršenu infrastrukturu, i rade to bez kompromitovanja postojećih servisa kablovske televizije. “Magična” tehnologija koja sve ovo omogućava zove se DOCSIS – Data Over Cable Service Interface Specification (Specifikacija interfejsa za prenos podataka putem kablovskog servisa).

U ovom članku baviću se detaljima DOCSIS standarda – kako radi, kako je nastao i šta možemo da očekujemo u budućnosti. Ako ste želeli da znate kako kablovski provajderi uspevaju da korisnicima pruže sve veće i veće brzine preko postojeće, zastarele i nesvrsishodne infrastrukture, nastavite da čitate :)

Priča, naravno, ne počinje sa 100 Mbps po korisniku. Prvi pokušaji da se pruži širokopojasni pristup Internetu (širokopojasni je malo prejaka reč u ovom kontekstu) putem koaksijalnog kabla za CATV (skraćenica, kablovska televizija) je putem jednosmernih sistema koji su koristili telefonsku liniju kao putanju za povratne informacije (tzv. upload). Prvi pravi kablovski širokopojasni sistem pristupa Internetu zvao se LANcity. LANcity modemi koriste koaksijalni kabl kao jedan veliki Ethernet segment, gde je maksimalna brzina kroz kabl 10 Mbps, deljeno sa svim korisnicima.

Koaksijalni kabl

Stari 10 Mbps Ethernet standard koristio je koaksijalni kabl sličan kablu koji koristimo za CATV. Koaksijalni kabl se sastoji od jezgra, jednožilnog provodnika, obavijenog plastičnim izolatorom, koga obavija mrežasta struktura spoljnog provodnika, a sve to je još jednom izolovano elastičnom plastikom ili gumom. Unutrašnji provodnik je zaštićen od smetnja i elektromagnetnog zračenja efektom Faradejevog kaveza, koji se stvara spoljnim provodnikom, a spoljni provodnik je uzemljen čime je imun na smetnje. Ovo je omogućilo da se iste frekvencije koje se koriste za analognu OTA (over the air – zemaljska televizija) televiziju koriste i za kablovsku televiziju, čime je omogućen prijem kablovskog signala sa “običnim” analognim televizorima.

Velika razlika između Ethernet over Coax i Data over CableTV je što Ethernet direktno moduliše signal naponom u kablu. Promene napona obrazuju binarni digitalni signal – 1 i 0. Ovaj, jednostavniji, način rada zove se baseband prenos podataka, usled čega se i sam standard Ethernet-a zove 10BASE2 (10 Mbps baseband prenos podataka do 200 metara).

Baseband prenos podataka je jednostavniji za implementaciju, ali ima jednu veliku negativnu osobinu – u bilo kom trenutku samo jedan signal može da se šalje kablom. Sa više sistema prikačenih na isti kabl, svaki sistem mora da implementira RTS/CTS (Request to Send / Clear to Send – sličan sistem se koristi kod 802.11n WiFi-ja) sistem, gde svaki uređaj šalje RTS zahtev, čeka da svi ostali uređaji prestanu da šalju, i kada dobije CTS, onda šalje podatke. Alternativno, sistem može da čeka period mirovanja mreže, kada niko ne šalje, nakon čega će poslati signal. Ukoliko se desi da dva uređaja šalju u istom trenutku, oba će deklearisati “sudar” (collision) i pokušati ponovo kasnije. Sistemi koriste nasumično određeno vreme čekanja, usled čega obično ne dolazi do kolizija prilikom slanja.

Kablovske Internet mreže rade drugačije. Kako bi mogle da funkcionišu sa klasičnim CATV signalom na istom kablu, digitalni signali se modulišu u kanale (6 MHz kod klasičnog DOCSIS u Americi, 8 MHz kod EuroDOCSIS u Evropi), kao i TV kanali. U download smeru informacije se prenose putem neiskorišćenih frekvencija za TV kanale.

Problematično je slati podatke od korisnika do kablovskog operatera, tj. u upload smeru. Srećom, kablovske mreže poseduju neiskorišćen kapacitet u upstream smeru, koji se naziva “subband”. Ovo je najniži deo frekvencijskog opsega koji se koristi za kablovsku TV, i ranije je korišćen za prenos dijagnostičkih informacija od “ormarića” za distribuciju signala do centralnog operacionog sistema kablovskog operatera. Frekvencije od 5 do 65 MHz kod EuroDOCSIS (42 MHz kod DOCSIS) se koriste za upstream prenos podataka, dok se frekvencije u GHz opsegu koriste za downstream prenos i TV servise.

Timeshare

Imamo veliki propusni opseg i bidirekcionalnost. Ostao je još jedan problem – činjenica da su svi korisnici povezani na jedan kabl. U downstream smeru to nije problem, jer, kao i kod Ethernet mreža, svaki paket ima adresu primaoca, i svi ignorišu pakete koji nisu njima namenjeni.

Upstream smer predstavlja problem. Šta ako više korisnika šalje podatke u istom trenutku? Klasična Ethernet over Cable metoda detekcije “sudara” nije prikladna za velike dužine kablova i veliki broj korisnika, i smanjuje maksimalnu moguću brzinu prenosa podataka. Umesto toga, DOCSIS koristi TDMA (Time Division Multiplex Access) metodu koja se koristi i kod mobilnih mreža. Sa TDMA, jedan kanal se deli u male vremenske “slotove” – minislots – koji se dodeljuju CM-ovima (Cable Modem) od strane operaterovog CMTS (Cable Modem Termination System). Obično treba nekoliko minislotova da se prenese jedan IP paket. Dodelivši kablovskom modemu više ili manje minislotova, CMTS može da odredi koliko protoka može da iskoristi jedan modem.

Tajming i brzina svetlosti

Minislotovi su jako mali – jedna sekunda sadrži 40 000 minislotova – tajming transmisija je kritičan. Ako određeni modem pošalje podatak prerano, “upašće” u minislot prethodnog modema. Ako šalje prekasno, u njegov minislot će upasti drugi modem. Svaki kablovski modem mora da ima precizno definisan sat i mora da bude sinhronizovan sa CMTS-om kako ne bi došlo do “sudara” pri slanju.

Problem je što različiti modemi nisu iste razdaljine od CMTS-a. Jedan minislot traje samo 25 mikrosekundi, usled čega se ne može ignorisati brzina svetlosti – par kilometara razdaljine između dva modema može da izazove “sudare” pri slanju podataka.

Kako bismo to rešili, kada modem inicijalno kontakira CMTS, od CMTS-a dobija informaciju o tome koliko je potrebno signalu od modema da stigne, kako bi modem mogao da koriguje tajming transmisija i ostane u svojim definisanim minislotovima. Kada se procedura merenja i sinhronizacije uspešno obavi, modem se smatra povezanim na CMTS i nastavlja se procedura autorizacije, dodeljivanja IP adrese i slično.

DOCSIS u sitna crevca

Inicijalna DOCSIS 1.0 specifikacija razvijena je 1997 od strane CableLabs u S.A.D., i sertifikovana je 1999. DOCSIS 1.1 je sledio u 1999/2001., a 2.0 2001/2002. Benefit DOCSIS 2.0 u poređenju sa 1.0 je u većoj brzini u upstream smeru (povećanjem frekvencijskog opsega i boljom modulacijom podataka).

Standard Upstream Upload Brzina Downstream Download Brzina
DOCSIS 1.0 i 1.1 200 - 3200 kHz, QPSK ili 16QAM 0.4 - 13 Mbps QAM64 ili QAM256 36 ili 43 Mbps
DOCSIS 2.0 200 - 6400 kHz, QPSK ili 128QAM 0.4 - 36 Mbps QAM64 ili QAM256 36 ili 43 Mbps
DOCSIS 3.0 n * 200 - 6400 kHz, QPSK ili 128 QAM max. n * 36 Mbps n * QAM64 ili QAM256 36 do 172 Mbps (sa 4 kanala)

Upload brzine kod DOCSIS 2.0 standarda su, osim dupliranjem frekvencijskog opsega, dodatno poboljšane boljom modulacijom, koja uspeva da “smesti” više bitova u svakom “simbolu”. Dodat je i potpuno novi način za podelu upstream frekvencija – S-CDMA (Synchronous Code Division Multiplex Access) . S-CDMA omogućava da više kablovskih modema šalju podatke u isto vreme, a dodatno je poboljšano uklanjanje grešaka i smanjena osetljivost na šum na frekvencijama ispod 20 MHz.

QAM modulacija

Za one koji nisu “preživeli” Dial-Up, a nisu ni elektroničari, objasniću situaciju kod prenosa više od 1 bita-po-simbolu. Sa ne-baseband prenosom podataka, signal koji želimo da prenesmo se moduliše na noseći signal. Ovom metodom prenosa, svaka transmisija dobija svoju frekvenciju, i ne “smeta” drugim transmisijama. Međutim, svaka promena podataka u data signalu uništava čistoću (purity) nosioca, čime se nosioc rasipa po frekvencijskom spektru. Uticaj ovog rasipanja zavisi od frekvencije signala koji modulišemo na nosioca, kao i od učestanosti promena korisnog signala.

Frekvencijski opseg koji koristimo zapravo ograničava koliko često možemo da menjamo korisni signal. Iz ovog razloga, nije moguće preneti podatke većom brzinom od 2400 bauda (bit per second – bitova po sekundi) putem telefonske linije (koja ima frekvencijski opseg od 300 do 3400 Hz). Međutim, kao što često bude, postoji rešenje kojim se može zaobići ovaj problem – ne postoji razlog zašto ne možemo da pošaljemo više promena (informacija) jednim simbolom.

Umesto što na naš nosilac enkodiramo 1 i 0, možemo da enkodiramo veći broj 1 i 0 na u jedan simbol. Na primer, V.32 standard dial-up pristupa Internetu koristi standardni prenos od 2400 *simbola *u sekundi, međutim, svaki od tih 2400 simbola nosi 4 bitova, usled čega ukupna brzina prenosa iznosi 9600 bitova u sekundi.

Sasvim slučajno, jedna od modulacionih metoda za upstream smer kod DOCSIS je ista kao i kod 9600 baud modema. Ali, sa mnogo većim frekvencijskim opsegom (160 do 5120 KHz) i većim brojem bitova po simbolu (*Quadrature Phase Shift Keying – *2 bita po simbolu, 8QAM – 3 bita po simbolu, 128QAM – 7 bita po simbolu).

QAM – Quadrature Amplitude Modulation – predstavlja sistem gde se simbol enkodira kao promena u fazi i amplitudi signala. Na primer, 16QAM ima 4 različita fazna pomeraja i 4 različite promene amplitude. Ovo se najčešće označava kao sazvežđe – constellation, koji prikazuje sve moguće kombinacije (prikazano na slici).

QAM Constellation

QAM u downstream smeru

Gore navedeno se primenjuje samo za upstream smer prenosa. Za downstream, DOCSIS “pakuje” IP pakete u MPEG-TS (transport stream), koji se inače koristi za prenos TV ili radio programa. QAM enkodiranje se takođe koristi u ovom slučaju. Iz tog razloga Vam je možda poznat termin QAM u kontekstu digitalne televizije.

U downstream smeru, 64QAM ili 256QAM modulacija se koristi za maksimalni prenos od 56 Mbps kod EuroDOCSIS (43 Mbps u Americi kod DOCSIS standarda sa širinom kanala od 6 MHz). U *download *smeru možemo iskoristiti veći deo frekvencijskog opsega dodeljenog kablovskoj televiziji, jer CMTS kontroliše slanje podataka, za razliku od upstream smera, stoga nam nije potreban sistem detekcije “sudara” i multiplex sistemi. Fizički sloj koristi FEC (forward error correction) sa Reed-Solomon kodovima, Trellis encoding kao i MPEG kontejner što povećava količinu podataka za 14% (overhead). Datalink sloj, koji šalje IP pakete, dodaje dodatan overhead u vidu DOCSIS i Ethernet header-a.

Bezbednost

DOCSIS 1.1 i 2.0 koriste mehanizam BPI+ (Baseline Privacy Plus) da zaštiti protok podataka kroz kablovsku mrežu od prisluškivanja, kao i da zaštiti kablovskog operatera od krađe servisa (ilegalnog/neautorizovanog priključenja). Enkripcija se zasniv na DES standardu iz 70-ih godina, koji koristi 56-bitni ključ, i može se lako “krekovati” sa modernim računarima. BPI+ omogućava da CMTS šalje enkripcioni ključ modemu na osnovu jedinstvenog X.509 seritifikata svakog modema koji se generiše pri proizvodnji modema. Samo uz odgovarajući sertifikat koji prepoznaje CMTS, kablovski modem može da primi i iskoristi enkripcioni ključ kako bi se omogućila komunikacija na mreži. Ovo sprečava priključivanje neovlašćenih korisnika na mrežu.

Međutim, u današnje vreme, BPI+ nije dovoljna zaštita, usled čega je DOCSIS 3.0 prešao na SEC mehanizam zaštite. SEC koristi 128-bitnu AES enkripciju, koja je trenutno neprobojna.

Nažalost, problem se javlja u tome što su svi CMTS sistemi unazad-kompatibilni sa svim ranijim DOCSIS standardima, stoga je moguće na modernu mrežu priključiti stari modem i izvršiti neovlašćeno priključivanje.

Kablovska je Ethernet

Sa korisničke tačke gledišta, DOCSIS sistem izgleda isto kao Ethernet mreža. Ethernet paketi se enkapsuliraju unutar DOCSIS paketa od strane modema, nakon čega se šalju kablovskom mrežom do CMTS-a koji ih raspakuje i prosleđuje putem IP mreže do odredišta.

Kablovski modemi mogu da rade u Router režimu, gde modem dobija IP adresu od CMTS-a, pri čemu se vrši NAT (Network Address Translation). Ruter pakete usmerene lokalnoj mreži drži sa jedne strane, a pakete namenjene Internetu šalje putem kablovske mreže. CM u Modem režimu (takođe nazvan i Bridge mode) dodeljuje IP adresu jednom uređaju u lokalnoj mreži, pri čemu taj uređaj direktno šalje pakete CMTS-u, a kablovski modem služi samo da ih enkapsulira u DOCSIS pakete.

HFC mreže

Ranije kablovske mreže su bile potpuno koaksijalne. Mana koaksijalnog kabla je gubitak signala na velikim razdaljinama (attenuation). U zavisnosti od vrste i kvaliteta kabla, 100 metara kabla gubi polovinu jačine signala (3 dB) kod niskih frekvencija i do 40 dB (10 000 puta) pri visokim frekvencijama. Ovo se može rešiti pojačavačima, ali svaki pojačavač degradira signal.

Rešenje ovog problema su Hybrid-Fiber-Coaxial mreže, koje u Srbiji SBB reklamira kao “Giga mreža” u “Giga gradovima”. Ove mreže značajno povećavaju maksimalnu brzinu Interneta svakom korisniku, jer se najveću razdaljinu signal prenosi putem optičkog kabla, a poslednji 50-100 metara se prenosi koaksijalnim kablovima.

Blizu korisnika se nalaze konvercione stanice, koje pretvaraju optički signal u električni koji se prenosi putem koaksijalnog kabla. Ovo omogućava da se korisnicima dodeli mnogo veći frekvencijski opseg, jer jedan koaksijalni kabl ne deli 50-100 korisnika već npr. 10 korisnika.

HFC mreže su sporije od all-fiber mreža, ali su znatno brže od koaksijalnih mreža, i predstavljaju znatan skok u modernizaciji kablovske infrastrukture, do konačnog dolaska optičke mreže do svakog pojedinačnog korisnika.


U sledećem članku ću se baviti skokom sa DOCSIS 2.0 na DOCSIS 3.0, kao i budućem skoku na verziju 3.1, ograničenjima last-mile prenosa putem koaksijalnog kabla kao i profitabilnoću kablovskog Interneta. Stay tuned :)

Author

Milan Kragujević

I’m a 19 year old programmer from Serbia. I’ve graduated the Electrotechnic School “Nikola Tesla” in Kostolac, as an “Electronics technician”, and am currently studying at Visoka škola strukovnih studija za informacione tehnologije - ITS (Information Technologies) in Belgrade, where I now live. I love programming, networking, electronics and DIY.

View Comments
Previous Post

m:sat TV + mt:s 4G Internet — Dobitna kombinacija?

Next Post

5G ti neće "spržiti" mozak