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.
Кабельные ISP решили эту проблему за счет разделения длинных кабелей и подключения каждого из них напрямую к оптоволоконному узлу. Полоса пропускания между головной станцией и оптоволоконными узлами достаточно велика, так что при небольшом числе абонентов в каждом сегменте кабеля он способен справиться с нужным объемом трафика. Типичный узел 10–15 лет назад охватывал 500–2000 домов, хотя число домов на узел продолжает снижаться в целях увеличения скорости доступа. Рост числа пользователей и объема трафика за последнее десятилетие привел к необходимости все больше разделять кабели и добавлять все новые оптоволоконные узлы. К 2019 году типичный узел охватывал около 300–500 домов, хотя в некоторых местах провайдеры реализовали архитектуры N + 0 HFC (так называемые «Fiber Deep»), позволяющие снизить это число чуть ли не до 70. Благодаря этому можно отказаться от каскадов усилителей и прокладывать оптоволокно от головных станций сети непосредственно к узлам на последнем сегменте коаксиального кабеля.
После подключения кабельный модем начинает просматривать входящие каналы в поисках специального пакета, периодически отправляемого головной станцией. Пакет содержит системные параметры для модемов, только что начавших работу в сети. При получении этого пакета новый модем оповещает о своем появлении по одному из исходящих каналов. В ответ на это головная станция назначает для него входящий и исходящий каналы. Позже она может их переназначить, если это понадобится для балансировки нагрузки.
В исходящем направлении радиочастотного шума больше, чем во входящем, поскольку система изначально не была рассчитана на передачу данных. Помехи от множества абонентов направляются к головной станции, поэтому в модемной связи используются более консервативные подходы от QPSK до QAM-128, в которых часть символов используется для защиты от ошибок с помощью треллис-модуляции. Благодаря меньшему числу битов на символ в исходящем направлении асимметрия входящей и исходящей скоростей оказывается намного сильнее, чем на илл. 2.46.
Современные DOCSIS-модемы запрашивают временные слоты для передачи, а CMTS выделяет один или несколько слотов в зависимости от загруженности. Одновременные пользователи конкурируют за входящий и исходящий доступ. Для совместного использования исходящей полосы пропускания сеть применяет TDM. Время делится на мини-слоты; каждый абонент производит обмен данными в свой мини-слот. Периодически головная станция объявляет о начале нового цикла мини-слотов. Однако модемы получают это оповещение в разное время по мере распространения сигнала по кабелю. Каждый модем сам вычисляет начало первого мини-слота, исходя из своей удаленности от головной станции.
Для правильного расчета времени модему важно определить точное расстояние до головной станции. Для этого он отправляет специальный пакет и засекает время получения ответа. Этот процесс называется пристрелкой (ranging). Любой исходящий пакет при достижении головной станции должен попасть в один или несколько последовательных мини-слотов. Длительность мини-слотов в разных сетях различается. Полезная нагрузка обычно составляет 8 байт.
Во время инициализации головная станция выделяет каждому модему мини-слот для запроса исходящей полосы пропускания. Чтобы отправить пакет, компьютер передает его модему и тот запрашивает необходимое число мини-слотов. Если головная станция одобряет запрос, она посылает по входящему каналу оповещение, сообщающее модему о зарезервированных для его пакета мини-слотах. Далее начинается отправка пакета в выделенном для него мини-слоте. Посредством специального поля в заголовке можно запросить передачу дополнительных пакетов.
Как правило, нескольким модемам назначается один и тот же мини-слот, что приводит к конфликту (несколько модемов пытается отправить данные одновременно). CDMA разрешает нескольким абонентам совместно использовать один и тот же мини-слот, хотя в результате доступная каждому из них скорость снижается. Можно не использовать CDMA, но тогда подтверждение запроса, вероятно, не будет получено из-за конфликта. В этом случае модем просто ждет некоторое время и повторяет попытку. После каждой последующей неудачи время ожидания удваивается. Для читателя, знакомого с теорией компьютерных сетей: этот алгоритм представляет собой слотированную версию ALOHA c двоичной экспоненциальной задержкой. Использовать Ethernet в кабельной системе не получится, поскольку станции не могут прослушивать такую среду передачи. Мы вернемся к этому вопросу в главе 4.
Входящие каналы работают иначе, чем исходящие. Данные отправляет только головная станция, так что никакой конкуренции и необходимости в мини-слотах нет. Объем входящего трафика обычно намного больше, чем объем исходящего, поэтому размер пакетов фиксирован — 204 байта. Часть этих 204 байт составляет код коррекции ошибок Рида — Соломона и еще некоторые служебные данные. Для пользовательских данных остается 184 байта. Эти значения были выбраны из соображений совместимости с цифровым телевидением, использующим MPEG-2, так что формат телевизионных и входящих каналов данных одинаков. Общая логика соединений показана на илл. 2.47.
Илл. 2.47. Типовой вид исходящих и входящих каналов в Северной Америке
2.8. Спутники связи
В 1950-х и начале 1960-х годов предпринимались попытки построения систем связи путем отражения сигналов от покрытых металлом метеозондов. К сожалению, принимаемый сигнал был слишком слаб. Затем ВМФ США обратили внимание на своеобразный метеозонд, который постоянно находится в небе, — Луну. В итоге была создана действующая система связи «корабль — берег», основанная на отражении сигналов от естественного спутника Земли.
Продвинуться в этой сфере дальше стало возможно только после запуска первого спутника связи. Ключевое отличие между искусственным и естественным спутником в том, что искусственный способен усиливать сигналы перед отправкой назад на землю, в результате чего эта диковинная технология превращается в мощную систему связи.
Спутники связи обладают интересными свойствами, делающими их заманчивыми для многих прикладных задач. Проще всего представить спутник связи как своего рода большой повторитель микроволн, висящий в небе. Он содержит несколько транспондеров (transponder), каждый из которых прослушивает свою долю спектра и усиливает полученные сигналы с последующей их ретрансляцией на другой частоте во избежание взаимных помех со входящим сигналом. Подобный режим работы называется прямой ретрансляцией (bent pipe)24. Чтобы управлять отдельными потоками данных в общем диапазоне и перенаправлять их, можно добавить цифровую обработку. Кроме того, спутник может получать цифровую информацию и ретранслировать ее. Такой способ восстановления сигналов повышает эффективность работы по сравнению с прямой ретрансляцией, ведь при этом спутник не усиливает содержащийся в сигнале шум. Пучки сигналов от спутника могут быть довольно широкими и покрывать значительную долю земной поверхности или узкими, охватывая область лишь в несколько сотен километров в диаметре.