Доступ к Internet по кабельной TV-сети

     Несмотря на то что количество подключений к Internet экспоненциально растет, оно сегодня представляет лишь верхушку айсберга, которым является емкость рынка потенциальных домашних пользователей. Основной причиной, сдерживающей развитие этого сектора рынка, является неудовлетворительная на фоне многомегабитовых каналов ядра Сети скорость доступа по телефонным каналам, составляющая в типичном случае 28,4—33,6 Kbps и обусловленная известной проблемой "последней мили", или абонентского шлейфа. Именно из-за нее разрекламированная фантастическая интерактивность серфинга по Всемирной Сети превращается в процесс, метко названный пользователями "щелкни мышью и жди". Растущее разочарование подстегивает производителей и провайдеров разрабатывать альтернативные традиционным технологии доступа к Internet. Определенные надежды возлагались на сервис ISDN, который обеспечивал скорость до 128 Kbps. Однако сейчас на авансцену выступили технологии xDSL, способные доставлять данные со скоростью 6 Mbps и выше. Другие альтернативы включают спутниковые каналы, беспроводные сети и, конечно же, высокоскоростные кабельные модемы, о которых и пойдет далее речь. Доступ к Internet по каналам кабельного телевидения имеет хорошие перспективы не только потому, что предоставляет скорость до 36 Mbps для входного (по отношению к РС) потока данных, но и вследствие широкого распространения КТВ. К примеру, в Северной Америке более 70% ТВ-приемников подключено к кабельным сетям.

     Первоначально кабельные системы разрабатывались с целью более эффективной доставки широковещательного телевизионного сигнала в дома абонентов. Для того чтобы потребитель мог использовать при подключении к кабельной сети те же телевизионные приемники, что и при получении телесигнала по воздуху, операторы воссоздавали часть радиочастотного спектра в коаксиальном кабеле. Традиционные кабельные сети в типичном случае оперируют на частотах до 330—450 MHz, в то время как современные гибридные системы, использующие оптоволокно и коаксиальный кабель, расширяют диапазон до 750 MHz или даже больше. Каждый телевизионный канал занимает полосу 6 MHz (8 MHz для стандарта РАL) радиочастотного спектра. Таким образом, традиционные системы могут обеспечить доставку 60 ТВ-каналов, а гибридные примерно 110.
     

     Особенности доступа по кабельным сетям

     Для доставки данных пользователю по кабельным сетям выделяется один канал из диапазона 50—750 MHz, а для выходящего потока — 5—42 MHz. Оконечная система на центральном узле оператора использует эти каналы для связи с кабельными модемами, установленными в домах абонентов, образуя виртуальную локальную сеть. Доступ к сети определяется набором протоколов уровня 1 (физического) и уровня 2 (управления доступом к среде и логическим каналом) эталонной модели OSI. Таким образом, кабельные модемы являются прозрачными для уровня 3 (сетевого) и выше, обеспечивая доставку IP-трафика конечному пользователю.

     В кабельных коммуникациях используются несколько схем модуляции, однако наибольшее распространение получили методы многопозиционной квадратурно-амплитудной модуляции QAM (Quadrature Amplitude Modulation) и многопозиционной фазоразностной модуляции QPSK (Quadrature Phase Shift Keying). QAM более быстрые, однако менее помехоустойчивые. Они обычно применяются для модуляции входного потока. При этом один телевизионный канал шириной 6 MHz обеспечивает скорость до 27 Mbps в случае использования схемы 64QAM и до 36 Mbps — при 256QAM. Как уже упоминалось, выходной поток передается в диапазоне частот 5—42 MHz, который чрезвычайно чувствителен к внешним помехам. В связи с этим здесь применяются схемы модуляции, являющиеся более помехоустойчивыми, хотя и менее эффективными. Обычно это QPSK, которая позволяет достичь скорости 10 Mbps, реже — 16QAM.

     Одна из причин, препятствующих широкому распространению данной технологии, заключается в том, что большинство кабельных сетей спроектировано для однонаправленной (симплексной) передачи сигнала. Для того чтобы обратный трафик не блокировался ранее установленными однонаправленными усилителями, необходимо примерно через каждые полкилометра размещать дополнительные усилители для разделения применяемого диапазона частот. Однако выход имеется и тогда, когда кабельный оператор не обеспечивает дуплексной передачи. В этом случае для передачи обратного потока служит обычный телефонный модем, с помощью которого осуществляется связь через телефонные сети общего пользования. Правда, при этом теряется одно из ключевых преимуществ дуплексного доступа по кабельным сетям — постоянное подключение и свободная телефонная линия.

     Для большинства систем кабельные сети являются разделяемой средой передачи, и поэтому все активные в данный момент абоненты одного кабельного сегмента делят пропускные способности как входного, так и выходного потоков. Поэтому при увеличении количества подключений эффективность доступа снижается. На первый взгляд может показаться, что, скажем, на каждого из двухсот подключенных абонентов, разделяющих полосу 27 Mbps, приходится около 135 Kbps, виртуально та же скорость, что и при использовании 128 Kbps ISDN. Реально же картина более обнадеживающая. В отличие от коммутируемых телефонных сетей, где каждый абонент занимает выделенный (коммутируемый) канал, абоненты кабельных модемов не задействуют в течение сеанса фиксированную полосу пропускания. В действительности они используют сетевой ресурс только в моменты приема или передачи данных. Поэтому в течение короткого отрезка времени определенный пользователь может захватить всю полосу пропускания, что при скоростях в десятки мегабит в секунду позволит принять "достаточное количество пакетов". В случаях жестокой перегрузки оператор может просто добавить еще один видеоканал шириной 6 MHz, удваивая полосу пропускания для входного потока.

     Кабельный модем.
     Функции и подключение

     Рассматриваемые устройства являются модемами в полном смысле этого слова, т. е. они модулируют и демодулируют сигналы. На этом, пожалуй, их сходство с телефонными модемами и заканчивается. В отличие от последних, которые оперируют с аналоговыми тоновыми сигналами, кабельные модемы имеют дело с сигналами радиочастотного спектра. На рис. 1 представлена функциональная схема кабельного модема, из которой видно, что он является комбинацией модема, кодировочного устройства, тюнера, моста, маршрутизатора, сетевой карты, концентратора Ethernet и агента SMNP.

     Поскольку кабельный модем применяется для доступа к Internet, то на компьютере пользователя должен быть установлен стек протоколов TCP/IP. Входящий сигнал преобразуется модемом в последовательность IP-пакетов, "понятных" для компьютера.

     Рассмотрим в общих чертах схему подключения компьютера к кабельной сети. Внешний кабель в доме абонента подводится к фильтру, который расщепляет телевизионный сигнал и поток данных и направляет каждый из них к соответствующему устройству (рис. 2). Кабельный модем подсоединяется к фильтру посредством коаксиального кабеля через F-коннектор. Компьютер пользователя подключается к кабельному модему с помощью стандартного интерфейса 10Base-T, т. е. в нем должна быть установлена соответствующая карта. Физическое соединение обычно выполняется с помощью витой пары UTP 5 и модульного разъема RJ-45, однако вскоре должны появиться кабельные модемы, использующие стандарт USB. На рис. 3 приведена схема подключения к кабельной сети небольшого офиса, которая, вероятно, не нуждается в комментариях.
     

     Стандарты и поставщики

     Существуют два основных стандарта, регулирующих технологию доступа к Internet по телевизионным кабельным сетям. Прежде всего, это Data Over Cable Service Interface Specification (DOCSIS), разработанный группой лидирующих компаний, объединившихся под названием Multimedia Cable Network Systems (MCNS), и 802.14 от IEEE. Каждый из стандартов отражает приоритеты предложивших их организаций. В спецификации MCNS больше внимания уделяется стоимости продуктов и текущему состоянию рынка, в то время как стандарт IEEE 802.14, скорее, направлен в будущее и предусматривает мощные индустриальные технологии. В частности, для МАС-уровня, который устанавливает правила доступа к среде передачи, 802.14 специфицирует по умолчанию технологию АТМ на отрезке от центрального узла до кабельного модема. MCNS же выбрала другой путь. Ее спецификация предусматривает пакеты нефиксированной длины, лучше соответствующие особенностям IP-трафика.

     Следует отметить, что кабельные модемы производятся практически всеми крупнейшими компаниями, присутствующими на рынке информационных технологий. В их весьма длинный список входят 3Com, Cisco, Motorola, Nortel Networks, Samsung Telecommunications America, Thomson Consumer Electronics, Zenith.