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.
