Интерфейс между модемом и компьютером довольно традиционен. Обычно это Ethemet или, иногда, USB. Второй интерфейс более сложный, так как он использует FDM, TDM и CDMA для разделения между пользователями пропускной способности кабеля.
При включении кабельного модема он начинает прослушивать входящий канал в поисках специального пакета, время от времени посылаемого распределителем, чтобы получить системные параметры для модемов, только что включившихся в работу. После обнаружения данного пакета новый модем объявляет о своем появлении по одному из исходящих каналов. Распределитель отвечает, присваивая модему входящий и исходящий канал. Это распределение каналов может быть динамически изменено распределителем, если он решит, что необходимо сбалансировать нагрузку.
Использование каналов на 8 МГц или на 6 МГц — дело частотного уплотнения. Каждый кабельный модем посылает данные по одному восходящему и одному нисходящему каналу или по нескольким каналам при DOCSIS 3.0. Обычная схема состоит в том, чтобы взять каждые 6 (или 8) МГц нисходящего канала и промодулировать их QAM-64 или, если качество кабеля исключительно хорошо, QAM-256. С каналом на 6 МГц и QAM-64 мы получаем приблизительно 36 Мбит/с. За вычетом служебных сигналов, полезная нагрузка сети — приблизительно 27 Мбит/с. С QAM-256 полезная нагрузка сети — приблизительно 39 Мбит/с. Европейские значения на 1/3 больше.
Для восходящих каналов имеется больше радиочастотного шума, потому что система не была первоначально разработана для данных, и шум от многих пользователей направляется к распределителю, поэтому используется более консервативная схема. Она колеблется от QPSK до QAM-128, где некоторые из символов используются для защиты от ошибок с решетчатой кодированной модуляцией (Треллис-модуляцией). С меньшим количеством битов на символ для восходящих данных, асимметрия между скоростью восходящего и нисходящего каналов намного выше, чем показано рис. 2.46.
Чтобы совместно использовать полосу пропусканя для восходящих данных многих пользователей, используется уплотнение с разделением времени. Иначе их передачи столкнулись бы в распределителе. Время работы делится на мини-слоты (minislots), и разные пользователи отправляют данные в разные мини-слоты. Для этого модем определяет, на каком расстоянии от распределителя он находится. Для этого посылается специальный пакет и высчитывается время, через которое приходит ответ. Этот процесс называется измерением дальности (ranging). Модему необходимо знать эти данные, чтобы правильно синхронизироваться. Каждый исходящий пакет должен умещаться в один или несколько соседних мини-слотов. Распределитель анонсирует каждое начало цикла мини-слотов, однако этот «стартовый выстрел» модемы слышат не одновременно, поскольку они находятся на разных расстояниях. Зная свое удаление от распределителя, модем может вычислить, когда на самом деле был послан принятый им сигнал начала мини-слота. Длина мини-слота зависит от сети. Обычно объем полезной информации в нем равен 8 байт.
Во время инициализации распределитель также присваивает модему мини-слот для запроса полосы пропускания восходящего канала. Когда компьютер хочет отослать пакет данных, он передает его модему, который запрашивает необходимое количество мини-слотов для него. Если запрос принят, то распределитель посылает подтверждение по нисходящему каналу. После этого пакет отправляется, начиная с первого «своего» мини-слота. Используя специальное поле заголовка, можно сообщить о необходимости передать дополнительные пакеты.
Как правило, одному и тому же мини-слоту запроса соответствует несколько модемов, что приводит к конкуренции между ними. Для решения этой проблемы существует две возможности. Первая — использовать множественный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA), чтобы пользователи совместно использовали мини-слот. Это решает проблему конкуренции, потому что все пользователи с помощью CDMA могут посылать данные одновременно, хотя и с меньшей скоростью. Вторая возможность — не использовать CDMA, в этом случае может не быть никакого подтверждения запроса, из-за столкновения. Тогда модем может повторить попытку только через случайный промежуток времени. Если при повторной попытке снова возникла коллизия, то случайный промежуток удваивается. (Для читателей, уже немного знакомых с сетевыми технологиями: это интервальный метод ALOHA с экспоненциальной двоичной отсрочкой передачи. Ethernet не может использоваться в качестве кабельного интерфейса, поскольку станции не могут прослушивать линию. Мы вернемся к этим вопросам в главе 4.)
Нисходящие каналы управляются не так, как восходящие. Во-первых, отправитель в этом случае только один — распределитель, поэтому не возникает никакой борьбы за линию и нет необходимости в мини-слотах, которые, на самом деле, являются разновидностью статистического временного уплотнения. Во-вторых, трафик нисходящего канала обычно гораздо выше, чем восходящего, поэтому используются пакеты фиксированного размера — 204 байта. Часть пакета — код коррекции ошибок Рида—Соломона, плюс еще некоторая служебная информация. Собственно данные занимают в пакете 184 байта. Эти числа были выбраны из соображений совместимости с цифровым телевидением, использующим MPEG-2, так что телевизионный и входящий информационный каналы имеют один и тот же формат. Логическая структура соединения показана на рис. 2.47.
Рис. 2.47. Типичная схема входящего и исходящего каналов, принятая в США
2.8.5. ADSL или кабель?
Что лучше, ADSL или кабельная сеть? С тем же успехом можно спорить о том, какая операционная система лучше. Или какой язык. Или какая религия. Ответ зависит от того, кого вы спрашиваете. Давайте сравним ADSL и кабельные сети по нескольким параметрам. И та и другая система в качестве магистрального носителя использует оптическое волокно, однако на его концах используются разные типы носителей. В кабельных сетях это коаксиал, в ADSL — витая пара. Теоретически пропускная способность коаксиального кабеля в сотни раз выше, чем у витой пары. Тем не менее полная пропускная способность все равно недоступна пользователям кабельных систем, потому что большая часть полосы пропускания занята совершенно бесполезными вещами — телевизионными программами.
На практике довольно трудно говорить о реальной эффективной емкости каналов. Провайдеры ADSL заявляют некоторую пропускную способность (например, 1 Мбит/с по нисходящему каналу, 256 Кбит/с по восходящему) и обычно достигают примерно 80 % от нее. Провайдеры кабельных сетей могут искусственно ограничивать пропускную способность каждому пользователю, чтобы помочь предсказать качество работы, но они не могут действительно дать гарантии, потому что эффективная емкость зависит от того, сколько людей в настоящее время активно на кабельном сегменте пользователя. Иногда скорость будет выше, чем в ADSL, иногда — ниже. Раздражает в данном случае непредсказуемость. Если сейчас все «летает», это не означает, что через минуту будет так же, потому что не исключено, что именно сейчас самый большой свинтус в районе, занимающий своим трафиком всю пропускную способность сегмента, включает свой компьютер.
По мере привлечения в ADSL все большего числа пользователей, качество обслуживания практически не снижается, поскольку каждый абонент имеет выделенное соединение. В кабельной системе каждый новый пользователь сегмента снижает качество обслуживания в целом. Единственный выход из данной ситуации — разбивать загруженные участки на более мелкие и подсоединять их напрямую к оптическому кабелю. Это стоит довольно дорого, поэтому операторы всячески стараются избежать таких ситуаций.
Мы, между прочим, уже изучили одну систему с совместно используемым каналом — это мобильная телефонная система. Там тоже имеются группы пользователей, находящихся в одной ячейке, каждый из которых занимает какую-то часть пропускной способности. Обычно существует жесткое разделение используемых ресурсов, для этого применяется частотное и временное уплотнение, потому как речевой трафик обычно довольно ровный. Однако применять жесткое разделение ресурсов при передаче данных оказывается крайне неэффективным, потому что зачастую канал вообще простаивает, тогда зарезервированные ресурсы тратятся просто так. С кабелем используется более динамическое средство для распределения совместно используемой пропускной способности. Несмотря на все это, в этом смысле кабельная система гораздо ближе к мобильной телефонии, чем к стационарным системам.
