Кабельным операторам о кабельных модемах

Для кого могут представлять интерес кабельные модемы? Возможно, для сервис-провайдеров Интернет, как вариант "последней мили". А мы считаем, что в первую очередь - для кабельных операторов. Это интересная, качественно новая услуга абонентам кабельных сетей. Большинство же статей о кабельных модемах написано для компьютерщиков. В них подробно освещаются проблемы организации обратного канала, схемы модуляции, и подобные вопросы, которые опытным кабельщикам и так близки и понятны. А вот вопросы организации системы в целом, как компьютерной сети, либо опущены, как сами собой разумеющиеся, либо обозначены схематично. Поэтому наиболее перспективные (на наш взгляд) потенциальные покупатели кабельных модемов не имеют о них исчерпывающей информации. В результате в нашей стране не так много систем кабельных модемов, как могло бы быть.

Кабельщику, чтобы стать специалистом по компьютерным сетям, надо освоить массу информации. Мы не ставили себе задачу собрать и разместить на нашей страничке такой материал. В достаточном объеме его можно получить самостоятельно, посетив домашнюю страничку Центра Информационных Технологий МГУ или прочитав учебник (1). Мы приводим здесь ответы на типичные вопросы, которые задают нам кабельные операторы. Выстроенные в логический ряд, эти ответы позволяют составить самое общее представление о принципах работы, назначении, возможностях и особенностях использования систем кабельных модемов.

Что такое система кабельных модемов?

Система кабельных модемов (СКМ) - одно из технических решений, которое позволяет предоставить высокоскоростной доступ в Интернет абонентам сети кабельного телевидения. Для этого необходимо решить, как минимум, две задачи:

1. Объединить ПК пользователей в компьютерную сеть, используя в качестве линий связи кабели сети кабельного телевидения (СКТВ). В принципе, такая сеть может функционировать, как законченная система, сама по себе, безо всякого Интернета - можно пользоваться общими библиотеками файлов, играть в сетевые игры, создавать внутри такой сети виртуальные частные сети, защищенные от доступа извне и т. п. Эта задача полностью решается оборудованием системы кабельных модемов (СКМ).
2. Обеспечить всем абонентам этой сети доступ в Интернет, для чего организовать шлюз из этой сети в другую, внешнюю сеть, входящую в Интернет. Эта задача может решаться как оборудованием самой СКМ (Cisco uBR72xx), так и внешним оборудованием (маршрутизатор с портом Fast Ethernet для работы с INA CS2501 от Hughes Network System).

Зачем вообще объединять компьютеры абонентов в сеть?

Такой, вполне резонный вопрос, задают кабельщики. Действительно, обходятся же без этого провайдеры, предоставляющие доступ в Интернет по телефонным линиям. При этом компьютер абонента не подключается к какой-либо компьютерной сети, используется другая технология - удаленный доступ. Почему бы не перенести ее и в сеть КТВ?

Теоретически это возможно, но очень неудобно. Действительно, каждый из абонентских телефонных модемов, подключенных к серверу провайдера, на время соединения безраздельно занимает отдельный физический канал связи - телефонную пару. Пары эти уже существуют в составе действующей городской телефонной сети общего пользования (ТСОП). Создать же в сети кабельного телевидения отдельный канал (например, с разделением по частоте) для каждого абонента весьма непросто и недешево. Специфике сетей кабельного телевидения гораздо больше соответствуют технологии локальных компьютерных сетей. Они основаны на использовании всеми подключенными ПКПК одного физического канала, разделяемого по времени. Чтобы максимально унифицировать подключение ПКПК пользователей к абонентским модемам СКМ по используемому оборудованию и программному обеспечению, в СКТВ средствами СКМ эмулируется компьютерная сеть, построенная по технологии Ethernet. Это означает, что все компьютеры и другие сетевые устройства (концентраторы, например) подключаются к модемам СКМ точно так же, как подключались бы к обычной, проводной сети Ethernet.

Что такое локальная сеть?

Локальные компьютерные сети (LAN - Local Area Network) объединяют компьютеры, находящиеся в непосредственной близости друг от друга. Как правило, все они находятся в одном здании и принадлежат одной организации. Локальная сеть может содержать до нескольких сотен узлов - компьютеров и других сетевых устройств. Благодаря малой протяженности линий связи локальные сети обладают огромными пропускными способностями. Так, для сетей на "витой паре" 10 Мбит/сек - уже вчерашний день, 100 Мбит/сек - сегодняшний, а 1 Гбит/сек - тоже сегодняшний. Наиболее популярные технологии локальных сетей - Ethernet, Token Ring и FDDI. Все технологии LAN основаны на совместном использовании всеми сетевыми устройствами одного физического канала связи, разделяемого по времени. В качестве адресов узлов в локальных сетях используются физические ("вшитые") адреса устройств, или, как их еще называют, МАС-адреса (Media Access Control - управление доступом к среде). МАС-адрес представляет собой уникальное 6-байтовое двоичное число. Он присваивается устройству производителем и не может быть изменен программным способом. Для построения локальной сети нужны сетевые адаптеры (компьютерные сетевые карты), кабельная система из медных или оптических кабелей и средства организации локальных сетей - концентраторы и коммутаторы. Это относительно простое и дешевое оборудование.

Что такое Ethernet?

Ethernet - наиболее распространенная, она же самая недорогая, технология локальных компьютерных сетей. Для подключения к сети Ethernet в компьютер должна быть установлена карта сетевого адаптера (или, попросту, "сетевая карта") Ethernet стоимостью около 10 долларов. Сеть Ethernet имеет топологию "общая шина". Грубо говоря, выходы сетевых карт всех компьютеров подключаются параллельно к одной паре проводов. В радиолюбительской терминологии такое соединение называется "монтажное ИЛИ". Такая технология делает подключение простым и дешевым. Данные передаются без какой-либо модуляции - логическим "0" и "1" соответствуют разные потенциалы этих проводов друг относительно друга. Говоря точнее, компьютеры подключаются не к паре проводов, а к разделяемой по времени физической среде, поскольку в разных спецификациях Ethernet используются разные кабели, в томи числе оптические.

Не так давно для соединения компьютеров в сеть Ethernet использовался коаксиальный кабель (спецификации Ethernet 10Base-2 и Ethernet 10Base-5), и компьютеры физически подключались параллельно к одному кабелю. В современных сетях Ethernet компьютеров бывает до нескольких сотен, и такое подключение весьма неудобно. Поэтому на сегодняшний день наиболее распространены сети спецификации Ethernet 10 Base-T (для соединений используется кабель, содержащий две неэкранированные витые пары). Сеть организуется специальными устройствами - концентраторами Ethernet (более популярное название - hub - "хаб"). Несколько компьютеров подключаются отдельными кабелями к портам каждого концентратора, а сами концентраторы соединяются друг с другом. Сути это не меняет. Концентратор - устройство физического уровня. Он не содержит никаких "мозгов" и не производит с сигналом никаких интеллектуальных операций - просто дублирует сигнал, поступивший на один из портов, на все другие порты. В терминологии компьютерных сетей это звучит так: концентратор позволяет организовать сеть с физической топологией "звезда" или "дерево", сохранив при этом логическую топологию "общая шина".

Что такое метод CSMA/CD?

Чтобы множество компьютеров могли совместно использовать общую физическую среду, доступ каждого компьютера к этой среде осуществляется по определенным правилам. В сети Ethernet эти правила определяются методом CSMA/CD (Carrier Sense Multiply Access with Collision Detection) - методом "коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий". Данные, которые необходимо передать по сети, упаковываются в кадр определенного формата и снабжаются адресом получателя. Перед тем, как передать данные, сетевой адаптер "прослушивает" среду, чтобы определить ее занятость (Carrier Sense). Занятость определяется по наличию или отсутствию на входе сетевой карты первой гармоники сигнала, частота которой для скорости передачи 10 Мбит/сек изменяется в пределах 5-10 МГц, в зависимости от чередования "1" и "0" в передаваемой последовательности.

Если среда свободна, данные передаются. Так как все сетевые адаптеры подключены к общей шине, они все без исключения принимают сигнал передающего узла. Тот сетевой адаптер, который обнаруживает в заголовке кадра собственный МАС-адрес, записывает содержимое кадра в буфер и передает для обработки "наверх" - программному обеспечению своего компьютера. Остальные адаптеры, не найдя в заголовке своего МАС-адреса, сбрасывают кадр.

Если среда занята, узел дожидается, пока она освободится, и передает данные. Однако сигнал распространяется по среде не мгновенно. Один узел может начать передачу, не зная, что среда уже занята другим узлом, потому что сигнал до него еще не дошел. Возникнет ошибка передачи - коллизия. Она обнаруживается передающим узлом (Collision Detection). Для этого передающий узел во время собственной передачи продолжает "прослушивать" шину. Если передающий узел пытается создать на шине потенциал логической "1", а фактически на шине потенциал логического "0" (созданный другим передающим узлом), налицо коллизия. Чтобы коллизия была надежно обнаружена всеми узлами сети, узел, обнаруживший ее первым, усугубляет ее - передает на шину специальный сигнал, отличающийся от передаваемых данных. Неудачно переданный кадр передается повторно, однако, прежде чем предпринять следующую попытку захвата среды, передающий узел выжидает время, которое определяется по случайному закону. Такое ожидание приводит к простоям среды. Однако, если бы передающие узлы после неудачной попытки передачи возобновляли бы ее немедленно, либо через равные промежутки времени, повторная передача неизбежно привела бы к повторной коллизии.

Коллизии и простои - нормальное явление в сети Ethernet. Они существенно снижают реальную скорость передачи данных по сравнению с битовой (физической) скоростью передачи 10 или 100 Мбит/сек, особенно при большом числе подключенных компьютеров и при интенсивном обмене между ними. Все равно пропускной способности сетей, как правило, достаточно для того, чтобы снижение скорости осталось для пользователя незамеченным.

Чем физическая среда СКТВ принципиально отличается от физических сред LAN?

Теперь представим себе задачу - организовать подобную компьютерную сеть, в которой в качестве разделяемой физической среды будет использоваться существующая сеть кабельного телевидения. Налицо одно существенное отличие кабелей СКТВ от любой традиционной физической среды LAN. В компьютерной сети среда используется только для передачи данных. В СКТВ передача данных - услуга не единственная и даже не основная. Одновременно с данными в сети должны существовать сигналы нескольких каналов телевидения. Разделить их сигналами других услуг по времени невозможно - сигналы аналоговые, они должны существовать во времени непрерывно. Остается разделение по частоте. Это означает, что при передаче данных должна использоваться модуляция, а при приеме - демодуляция. Отсюда название системы кабельных модемов, хотя, как будет видно из дальнейшего, модуляция-демодуляция - только одна из многочисленных функций устройств СКМ.

Второе отличие - асимметричность СКТВ. В традиционных ЛВС сигнал любой сетевой карты распространяется одинаково во всех направлениях (условно: и вправо и влево по общей шине). Кабельщики обычно заявляют с гордостью: "Наша сеть - двунаправленная", имея в виду обратный канал. При этом они забывают, что, действительно, в такой сети сигналы могут распространяться в двух направлениях, но это разные сигналы. Сигналы на частотах прямого канала (47-868 МГц) могут передаваться только "вниз" по сети - в направлении от головной станции к абонентам. Сигналы на частотах обратного канала (5-30 МГц) распространяются только "вверх" - в направлении от абонентов к головной станции. Поэтому, в каких бы двух разных точках кабельной сети не были подключены два абонентских кабельных модема, кратчайший путь между ними всегда будет лежать через головную станцию. Понятно, что абонентский модем должен принимать данные на частоте прямого канала, а передавать - на частоте обратного. Следовательно, два абонентских модема не могут связаться друг с другом без участия головного модема, который принимает данные от абонентских модемов на частоте обратного канала, и передает их уже на частоте прямого канала. Это одна задача головного кабельного модема, вторая - организовать совместное использование одной среды многими абонентскими модемами одновременно.

Что такое метод TDM/TDMA?

Так как прямой и обратный каналы разделены, речь идет об организации совместного доступа не к одной общей среде передачи данных, а к двум средам: к среде передачи и среде приема. В сети Ethernet действуют множество передатчиков, и их доступ к среде регламентируется методом CSMA/CD. В системах кабельных модемов "на границе" прямого и обратного каналов установлен головной кабельный модем. Таким образом, сеть на основе СКМ имеет топологию не "шина", а "звезда", и головной модем - центр этой "звезды". Для прямого канала он является единственным передатчиком, поэтому прямой канал используется совместно всеми абонентскими модемами по принципу TDM (Time Division Multiplexing - разделение по времени). Сообщения, адресованные всем модемам сети, передаются головным модемом на одной несущей частоте, в одном непрерывном цифровом потоке с разделением по времени. Таким же образом в стандарте DVB передаются на одной несущей данные нескольких программ телевидения и радио. Для мультиплексирования в один цифровой поток передаваемые данные необходимо синхронизировать. Поэтому головной кабельный модем не просто конвертирует сигнал обратного канала в сигнал прямого канала, а принимает данные от абонентских модемов на разных частотах, в разное время, синхронизированные разными тактовыми генераторами; записывает их в буферную память, и затем считывает синхронно с собственной тактовой частотой и передает в диапазоне прямого канала. Так формируется нисходящий поток.

С обратным каналом сложнее: приемник (головной модем) единственный, а передатчиков (абонентских модемов) множество. Один абонентский модем "не слышит", передает ли в это время другой абонентский модем, потому что все модемы "слушают" прямой канал СКТВ, а передают - в обратном канале. Поэтому в обратном канале реализован другой принцип совместного использования среды - TDMA (Time Division Multiple Access - поочередный доступ). Каждый абонентский модем передает только после того, как получит разрешение на передачу от головного модема по прямому каналу. Таким образом, формируются восходящие потоки. Чтобы один абонентский модем не занимал канал надолго, головной модем назначает каждому абонентскому модему временное окно (тайм-слот) ограниченного размера. Тайм-слоты распределяются только между модемами, активными в данное время - это позволяет использовать ограниченную пропускную способность максимально эффективно. Специальные тайм-слоты предназначены для вновь подключаемых абонентских модемов. При включении абонентский модем использует такой тайм-слот, чтобы оповестить головной модем о своем присутствии в сети. Далее он работает на передачу уже в своих "персональных" тайм-слотах.

Такой комбинированный метод доступа называется TDM/TDMA и является типичным для компьютерных сетей с топологией "звезда". По этому же принципу организованы, например, многие спутниковые сети VSAT.

Что делает головной модем?

Частотный план СКТВ складывался исторически. Интерактивные услуги в кабельных сетях появились сравнительно недавно, и обратному каналу "достался" не лучший участок частотного диапазона - от 5 до 60 МГц (в странах, где телевизионный диапазон начинается с 45 МГц - от 5 до 30 МГц). Низкочастотный обратный канал более подвержен действию шумов и индустриальных помех. Поэтому в прямом канале используются высокоинформативные схемы модуляции (256 и 64 QAM), а в обратном канале - менее информативные, но более защищенные от воздействия помех - 16QAM и QPSK (она же - 4QAM). Крупные кабельные сети, особенно гибридные, как правило, сегментированы. Сигнал центральной головной станции делится между несколькими оптическими узлами или кустовыми головными станциями. От каждого такого узла или станции на центральную головную станцию приходит отдельный кабель (или волокно) обратного канала. Раз обратные каналы разных кустов кабельной сети физически разделены, можно использовать в них одни и те же частоты. Поэтому у головного модема на один модулятор нисходящего потока может приходиться несколько демодуляторов восходящего потока.

Конструктивно головной кабельный модем представляет собой специализированный высокопроизводительный компьютер с мощным процессором, быстродействующей памятью и интерфейсами кабельной сети: модулятором прямого и демодуляторами обратного канала. Все блоки связаны высокоскоростной внутренней шиной. Совершенно логично, что к этой же шине подключается интерфейс, через который можно организовать выход во внешнюю сеть или доступ к общему серверу. Как правило, это интерфейс Ethernet спецификации 100Base-TX (100Мбит/сек) - он является проводным, "настоящим" продолжением сети Ethernet, эмулированной в СКТВ.

Головной модем СКМ является сложным устройством, намного более интеллектуальным, чем абонентский модем. Функции абонентского модема:

• Демодуляция несущей в прямом канале, передача данных, предназначенных абонентским компьютерам, в порт Ethernet
• Прием данных от абонентских компьютеров через порт Ethernet, модуляция несущей в обратном канале и передача данных головному модему в назначенном тайм-слоте Функции головного модема:
• Демодуляция нескольких несущих в обратном канале и прием данных от абонентских модемов
• Формирование нисходящего потока данных и модуляция несущей в прямом канале
• Управление передачами абонентских модемов
• Подключение компьютерной сети, образованной СКМ, к внешней сети и внешним устройствам. Или, попросту, подключение к Интернет. Вот этот последний момент заслуживает особого объяснения.

Что такое Интернет?

Мы постоянно слышим и читаем, что Интернет - компьютерная сеть. Наверное, поэтому многим Интернет представляется некоей однородной физической сетью: вроде сети кабельного телевидения или сети освещения 220 вольт. Подключай компьютер к любой точке такой сети определенным кабелем - и получай все предусмотренные в ней услуги. Клиенты, которые заказывают нам слаботочные сети квартир и коттеджей, говорят нам: "А вот к этой розетке подведите мне, пожалуйста, Интернет". Чтобы понять, какие устройства обеспечивают доступ в Интернет абонентам СКМ, как они работают и как подключаются, стоит взглянуть на Интернет с "железной" точки зрения.

На самом деле Интернет - технология, которая позволяет создать единую логическую сеть, используя инфраструктуру разнородных компьютерных сетей. Таким образом, Интернет - составная сеть, или интерсеть (internetwork, internet), и состоит из множества отдельных компьютерных сетей (подсетей составной сети). Технология, топология, физическая среда и способы адресации в каждой из подсетей могут быть любыми.

Интернет не строился, как сеть - он объединил уже существовавшие компьютерные сети. Естественными географическими факторами определяется иерархия сетей, составляющих Интернет.

На нижнем "этаже" Интернет располагаются LAN - локальные компьютерные сети, уже упоминавшиеся выше. Они были разработаны специально для передачи компьютерных данных, стоят относительно дешево и создаются "на пустом месте". Верхние "этажи" Интернет образуют сети глобальные (WAN - Wide Area Network). Они соединяют друг с другом локальные сети и другие глобальные сети, реже - отдельные компьютеры. Логично было бы предположить, что пропускные способности глобальных сетей должны быть еще выше, чем у сетей локальных. На самом деле все наоборот. WAN объединяют города, страны и континенты. Протяженность их линий связи составляет десятки, сотни и тысячи километров. Сами эти линии работают со слабыми сигналами в условиях сильных помех, поэтому пропускные способности глобальных сетей весьма скромные. Глобальные сети очень дороги, и самая дорогая их часть - магистральные каналы связи. Поэтому большинство WAN используют каналы связи, построенные ранее для других целей, - как правило, для передачи телефонных переговоров. Это аналоговые или цифровые выделенные линии.

Что такое PDH и SDH /SONET? Что такое цифровой канал E1/T1? Что такое каналы STM-n, STS-n, OC-n?

Ненагруженная аналоговая выделенная линия представляет собой физическую линию (например, проводную), не проходящую через промежуточную усилительную и коммутационную аппаратуру. Нагруженные аналоговые линии проходят через аппаратуру частотного уплотнения, в которой объединяются с другими такими же линиями для передачи между аналоговыми АТС (например, по коаксиальным кабелям). Эта аппаратура ограничивает полосу частот сигнала одного абонентского канала до 3,1 кГц ("канал тональной частоты"). Для работы на аналоговых выделенных линиях на их окончаниях устанавливаются модемы, они преобразуют данные в аналоговый сигнал и наоборот.

Цифровые выделенные линии формируются в цифровых первичных сетях двух поколений - сетях с плезиохронной (почти синхронной) цифровой иерархией PDH (Plesiochronic Digital Hierarchy) и синхронной цифровой иерархией SDH (Synchronous Digital Hierarchy). В Северной Америке технология сетей с синхронной иерархией называется SONET (Synchronous Optical NETwork -синхронная оптическая сеть). Это сети, связывающие между собой крупные коммутаторы телефонных сетей. Каждый канал голоса оцифровывается с тактовой частотой 8 кГц при 8-ми разрядном квантовании, без сжатия. Получается абонентский цифровой канал со скоростью 64 Кбит/сек. Первичные мультиплексоры PDH уплотняют несколько абонентских каналов по времени в базовый цифровой канал со скоростью Т1 = 1,544 Мбит/сек (американский стандарт, 24 абонентских канала) или Е1 = 2,048 Мбит/сек (европейский стандарт, 30 каналов). В нашей стране для канал со скоростью E1 принято обозначение "ИКМ-30". Мультиплексоры более высокого уровня уплотняют по времени уже несколько каналов Т1/Е1, образуя каналы T2/E2 и T3/Е3. Таким образом, формируются цифровые каналы с иерархией скоростей. На уровне PDH американские каналы T-n и европейские E-n несовместимы. Сети SDH продолжают иерархию PDH до скорости 2,488 Гбит/сек. Они позволяют мультиплексировать как каналы T-n, так и каналы E-n. Скорости в иерархии SDH обозначаются STM-n (Synchronous Transport Module level n). Скорости SONET имеют двойное обозначение: STS-n для передачи по медным кабелям, OC-n для передачи по оптическим кабелям. Несмотря не разницу в обозначениях, SONET/SDH считается единой технологией и поддерживается одной и той же аппаратурой.

Магистрали цифровых первичных сетей образуются цифровыми кросс-коннекторами (DCC, Digital Cross-Connect). Если представить, что цифровые каналы высокого уровня - многопарные телефонные кабели, а каналы T1/E1 - отдельные пары, то DCC выполняет функции кросса, обеспечивая постоянную коммутацию пар из разных кабелей друг с другом. Другие устройства - мультиплексоры - собирают высокоскоростные каналы из низкоскоростных и разбирают их обратно. Так формируются сети масштаба города, региона, страны. Цифровой канал любого уровня иерархии может быть использован в качестве цифровой выделенной линии. Для работы на цифровых выделенных линиях используются специальные устройства - DSU/CSU (Data Service Unit/Channel Service Unit). Они преобразуют формат данных из компьютерного в "цифровой телефонный" и обратно и формируют электрические/оптические сигналы с необходимыми характеристиками.

Сами первичные сети PDH и SDH/SONET можно было бы использовать, как собственно компьютерные сети, если бы не одно "но": коммутация в этих сетях постоянная. Если цифровая выделенная линия соединяет точку А и точку Б, то, чтобы переключить ее в точку С, необходимо изменить конфигурацию и/или настройку цифровых кросс-коннекторов. Поэтому глобальные компьютерные сети используют отдельные цифровые каналы первичных сетей "точка-точка" - цифровые выделенные линии. Они соединяются в сеть коммутаторами или мультиплексорами глобальных сетей, у каждой технологии WAN эти устройства свои. Наиболее популярные технологии глобальных сетей - ISDN, X.25, frame relay, ATM. Они гораздо менее похожи друг на друга, чем технологии локальных сетей.

Какие задачи решает стек протоколов TCP/IP?

Сети, составляющие Интернет, сильно отличаются друг от друга. Они построены по разной топологии ("звезда", "кольцо", "шина", "точка-точка"), используют разные физические линии связи (медные и оптические кабели, наземные и спутниковые радиолинии) и предполагают разные стеки протоколов, то есть разные правила, по которым данные передаются от одного узла другому. Например, в локальных сетях FDDI длина блока данных, передаваемых непрерывно одним узлом, может изменяться от 29 до 4500 байт, а в сетях ATM она фиксирована и составляет 53 байта. Кроме того, разные технологии используют разные системы адресов. В локальных сетях в качестве адресов узлов используются их физические адреса - MAC-адреса с фиксированной длиной 6 байт. В технологиях глобальных сетей применяются иные системы адресов. Например, в сетях X.25 используются логические адреса, длина которых может достигать 16 байт. Адреса, присвоенные узлам подсетей в соответствии с технологиями этих подсетей, называются локальными адресами.

Интернет предоставляет средства для обмена данными между двумя любыми компьютерами, подключенными к разным сетям одной составной сети. Одно из этих средств - стек протоколов TCP/IP. Термин "стек протоколов" (stack - стопка) подчеркивает, что протоколы не просто сведены в один пакет, а работают "друг над другом". TCP (Transport Control Protocol) - протокол управления передачей. Он разбирает единый массив информации, который необходимо передать по сети (документ, файл, рисунок, сообщение и т. п.), на отдельные небольшие сегменты, и организует их в IP-пакеты, каждый из которых "добирается" до компьютера-адресата независимо от остальных, используя уже средства протокола IP. На принимающем компьютере TCP собирает IP-пакеты обратно в единое целое. Зачем это нужно? Во-первых, любые данные, независимо от того, откуда и куда они направляются, и какую информацию содержат, имеют стандартный вид и доставляются через составную сеть по единым правилам. Во-вторых, можно одновременно передавать по одной сети данные от разных компьютеров, чередуя их пакеты. Любой компьютер, подключенный к сети, всегда имеет право на передачу данных с ненулевой скоростью, независимо от того, насколько сеть в этот момент загружена передачей данных других компьютеров. С другой стороны, как только интенсивность передачи любого компьютера снижается, освободившуюся пропускную способность перераспределяют между собой другие передающие компьютеры. Такой принцип организации сети называется принципом коммутации пакетов и позволяет максимально эффективно использовать пропускные способности компьютерных сетей в условиях "пульсирующего" компьютерного трафика. И, в-третьих, такой метод передачи обеспечивает повышенную надежность при наличии в сети избыточных связей. Если выделенная линия на пути от отправителя к адресату выведена из строя или перегружена, можно "обойти" ее другим путем. При этом неважно, что часть IP-пакетов достигнет места назначения раньше, а часть - позже, и, что вполне вероятно, нарушится их очередность - TCP восстановит нужную последовательность, проверит наличие и целостность всех пакетов, и, если обнаружит отсутствие или неустранимую ошибку в одном из них, запросит его повторную передачу.

Сам IP-пакет представляет собой универсальный транспортный контейнер. С одной стороны, он пригоден для помещения в него любых данных, с другой стороны, он хорошо приспособлен для путешествий по составной сети. Он может иметь разную длину, кроме того, IP-пакет может быть разбит (фрагментирован) на части и вновь собран (дефрагментирован) прямо в пути, на промежуточных узлах, без участия TCP или других протоколов более высокого уровня. Эта способность используется для продвижения IP-пакетов в сетях, максимально допустимый размер кадра в которых меньше длины IP-пакета. Заголовок IP-пакета содержит флаги и признаки, по которым определяется приоритет пакетов. Это позволяет использовать IP для данных, критичных к времени задержки - голоса, видео и т. п. В заголовке также содержатся IP-адрес отправителя и IP-адрес получателя пакета. Каждому узлу Интернет, кроме его локального адреса в локальной или глобальной сети, к которой он подключен физически, присваивается логический адрес более высокого уровня - IP-адрес. Этот адрес имеет длину 4 байта и состоит из двух частей - номера сети и номера узла в сети. Таким образом, IP-адреса компьютеров, принадлежащих к одной физической сети, имеют один и тот же номер сети и отличаются только номером узла.

IP (Internet Protocol) - протокол межсетевого взаимодействия. Он отвечает за доставку IP-пакетов через составную сеть. Если протокол TCP работает только на компьютере-отправителе и компьютере-получателе, то протокол IP выполняется, кроме того, всеми транзитными узлами всех сетей на пути следования IP-пакетов. Как правило, эти транзитные узлы - маршрутизаторы.

Зачем нужны маршрутизаторы вообще?

Маршрутизатор является узлом одновременно двух или более сетей, поэтому каждый из его портов, подключенных к этим сетям, имеет свой IP-адрес. Кроме того, каждый порт имеет свой собственный локальный адрес в той сети, к которой он подключен.

Основная задача маршрутизатора - выбор и назначение маршрута каждому пакету данных, поступившему на любой его порт. Зачем это нужно? Действительно, представим себе, что весь Интернет был бы действительно единой сетью, организованной, подобно локальной сети Ethernet, по принципу "общей шины". В этом случае пакет данных, посланный в сеть любым компьютером, был бы обязателен для приема всеми остальными компьютерами. Но в локальных сетях компьютеров обычно до нескольких сотен, а в Интернет - миллионы. Понятно, что никакие сети, в первую очередь глобальные, не выдержали бы такого трафика. Поэтому необходимо локализовать данные, передаваемые одним узлом другому, в пределах минимально необходимого количества транзитных сетей. Это можно сделать, только определив для любой пары узлов единственно возможный путь следования пакетов от одного узла к другому. Попав в любую сеть со стороны узла - отправителя, пакет должен покинуть эту сеть в единственном направлении - в направлении узла - получателя. Путь от отправителя к получателю данных должен быть наиболее коротким (по количеству транзитных сетей), либо соответствовать специфическим требованиям, указанным отправителем (минимальное время доставки, максимальная надежность и пр.). Выбор такого пути и называется маршрутизацией.

В принципе, сам компьютер-отправитель данных может задавать маршрут их следования через те или иные транзитные сети. Такой способ маршрутизации используется в некоторых частных случаях и называется "маршрутизацией от источника". Принципиально любой компьютер в Интернет может обмениваться данными с любым другим компьютером. Для этого каждый компьютер должен обладать информацией о пути до всех остальных компьютеров в Интернет. Во-первых, их огромное множество, и такая база информации заняла бы большой объем памяти. Во-вторых, ежечасно и ежеминутно состав подключенных к Интернет компьютеров меняется, поэтому такую базу пришлось бы постоянно обновлять, что тоже очень неудобно. Поэтому выбор маршрута осуществляется децентрализовано. В нем участвуют все маршрутизаторы по пути следования пакета, каждый из них определяет маршрут только на одном участке - до следующего транзитного маршрутизатора, или на одном "хопе".

Конструктивно маршрутизатор представляет собой высокопроизводительный узкоспециализированный компьютер. Функционирование маршрутизатора обеспечивается центральным процессором, который работает под управлением операционной системы. Сама операционная система и постоянные данные хранятся на виртуальном диске - в массиве ИМС энергонезависимой памяти (флэш-памяти). Для хранения изменяющихся данных используются ИМС оперативной памяти. Эти устройства связывает высокоскоростная параллельная внутренняя шина. Кроме типичных функциональных узлов компьютера, у маршрутизатора имеются несколько портов. Их тип и число определяются технологиями и числом компьютерных сетей, к которым маршрутизатор может быть подключен.

Маршрутизатор имеет специальную базу IP-адресов сетей - таблицу маршрутизации. Каждая строка этой таблицы содержит IP-адрес сети назначения, выходной порт и следующий маршрутизатор на пути к этой сети. Если таких путей несколько, то за каждым IP-адресом сети назначения закрепляются несколько строк таблицы. В этом случае каждая строка должна содержать один или несколько количественных показателей, по которым может быть выбран тот или иной путь (чаще всего - количество транзитных маршрутизаторов до сети назначения). Согласно таблице маршрутизации IP-пакет, поступивший на любой порт маршрутизатора, направляется маршрутизатором на другой порт, в другую сеть, и адресуется в этой следующей сети другому маршрутизатору. Работа маршрутизатора по продвижению IP-пакетов происходит на трех уровнях: физическом, канальном и сетевом.

• На физическом уровне происходит прием электрических или оптических сигналов с определенными характеристиками. Полученный кадр данных передается "наверх" канальному уровню. Обработанный на канальном уровне кадр передается электрическими или оптическими сигналами с другими характеристиками через другой порт.
• На канальном уровне: От физического уровня принимается пакет данных одной из сетевых технологий LAN или WAN. Заголовок пакета содержит локальный адрес. Это должен быть адрес маршрутизатора, в противном случае пакет игнорируется. Если пакет адресован маршрутизатору, последний проверяет, содержится ли внутри этого кадра IP-пакет. Если да, то кадр "распаковывается". Заголовок и другая служебная информация, связанная с конкретной сетевой технологией, отбрасываются. "Чистый" IP-пакет передается "наверх" сетевому уровню. От сетевого уровня принимается обработанный IP-пакет и указания, куда этот пакет передать дальше. Канальный уровень вновь "упаковывает" IP-пакет в кадр уже другой сетевой технологии, которая используется в следующей сети по пути пакета. В заголовке кадра указывается локальный адрес следующего маршрутизатора.
• На сетевом уровне: От канального уровня принимается IP-пакет. По его заголовку определяется IP-адрес сети назначения. По таблице маршрутизации определяется порт, через который этот пакет должен покинуть маршрутизатор, и локальный адрес следующего маршрутизатора. Пакет передается "вниз" канальному уровню для передачи в следующую сеть, вместе с указаниями, в какую сеть и какому маршрутизатору (или конечному узлу) этот пакет передать.

В следующей сети пакет принимается следующим маршрутизатором, и история повторяется. В каждой новой сети IP-пакет меняет "оболочку" - он упаковывается в кадры соответствующей сетевой технологии и в заголовке этих кадров указывается локальный адрес ближайшего следующего маршрутизатора. Внутри этой "оболочки" остается неизменным IP-адрес компьютера-получателя данных. Каждый маршрутизатор принимает решение по продвижению пакета только через одну транзитную сеть (на одном "скачке", или "хопе"). Однако и такая задача на первый взгляд кажется трудно разрешимой. Выходит, что в таблице маршрутизации должны содержаться сведения обо всех сетях, имеющих свой IP-адрес сети, а их - многие тысячи. Кроме того, конфигурация огромной составной сети постоянно меняется, значит, эти сведения должны обновляться. Реальные таблицы большинства маршрутизаторов имеют весьма небольшой объем.

В них содержатся только сведения о сетях, расположенных "ниже", либо "на одном уровне" с данным маршрутизатором. Для всех других сетей используется единственная запись таблицы - запись "по умолчанию". Согласно этой записи, все пакеты, адрес сети назначения которых маршрутизатору неизвестен, направляются в сеть более высокого уровня - пусть с ними разбирается более мощный маршрутизатор. Таким образом, чем "ниже" в иерархии Интернет стоит маршрутизатор, тем меньше его маршрутная таблица: она содержит полные сведения о сетях, находящихся ниже "по его ветке" и одну запись "по умолчанию" для всех остальных сетей.

Таблицы маршрутизации могут быть созданы администратором сети вручную, но это очень долго и неудобно. Кроме того, в составной сети постоянно происходят изменения, значит, таблицу надо постоянно корректировать. Поэтому, как правило, маршрутизаторы сами заботятся о создании и поддержке таблиц маршрутизации. Во-первых, они "обучаются", накапливая и анализируя опыт продвижения пакетов в ту или иную сеть. Во-вторых, с помощью специальных протоколов маршрутизации маршрутизаторы постоянно обмениваются друг с другом информацией о топологии составной сети, а затем, анализируя эти данные, определяют маршруты, наилучшие по тем или иным критериям.

Что такое "dial-up" и удаленный доступ?

Как и положено настоящей, реальной технологии, в Интернет больше исключений, чем правил. Большая часть компьютеров подключаются к Интернет, не будучи подключенными ни к одной компьютерной сети, входящей в Интернет. Подключаются они через коммутируемую телефонную сеть общего пользования (ТСОП или PSTN - Public Switched Telephone Networks). Такой способ доступа в Интернет называется dial-up ("dial" - диск, номеронабиратель; глагол "to dial" - набирать номер, звонить). Телефонный канал связи - аналоговый, поэтому на обоих концах его устанавливаются модемы. Это знакомые всем "телефонные" модемы, они подключаются с одной стороны к аналоговой телефонной линии, а с другой стороны - к компьютеру через последовательный порт ("внешние" модемы) или прямо к внутренней параллельной шине компьютера ("встроенные" или "внутренние" модемы). Со стороны абонента модем действительно подключается к компьютеру. Со стороны сервис-провайдера Интернет используется не один модем, а модемный пул - стойка, объединяющая от нескольких штук до нескольких сотен модемов. Каждый из них подключен к отдельной аналоговой телефонной линии. Как правило, всем этим линиям соответствуют три-четыре многоканальных телефонных номера, - иначе абоненту придется перебирать массу номеров, чтобы дозвониться до свободного модема. Модемы подключены не к компьютеру, а к специальному устройству- серверу удаленного доступа RAS (Remote Access Server). Это устройство оборудовано множеством последовательных портов, к которым подключаются модемы пула, и одним или несколькими портами для соединения с сетью IP. Физически этот порт соединяется либо с локальной сетью (Ethernet, например), либо с выделенной линией (каналом E1, например), к которым, в свою очередь, подключен маршрутизатор провайдера более высокого уровня. RAS выполняет сразу несколько функций:

• Управляет работой модемов модемного пула. Такой модем, получив от абонентского модема сигнал вызова по телефонной линии, должен "снять трубку" - сформировать соответствующий сигнал, и установить связь с модемом абонента.
• Идентифицирует абонентов, аутентифицирует их и учитывает трафик каждого. После установления соединения RAS обращается к специальной программе компьютера абонента - программе удаленного доступа к сети, и запрашивает имя и пароль пользователя. Убедившись, что абонент "свой", и что он своевременно заплатил за услуги доступа, RAS фиксирует время начала и конца работы.
• Назначает абоненту временный IP-адрес из некоторого числа IP-адресов, выделенных этому сервис-провайдеру. Такой IP-адрес действует только на время соединения и называется динамическим IP-адресом. После разрыва соединения адрес оказывается свободным и может быть назначен другому абоненту. Таким образом, ограниченное число IP-адресов используется наиболее рационально, без "простоев". По желанию абонента за отдельную плату ему может быть назначен постоянный (статический) IP-адрес.
• На все время соединения RAS работает маршрутизатором IP, продвигая IP-пакеты абонента от порта модема через "внешний" порт к следующему маршрутизатору и наоборот.
• Ведет статистику, по данным которой абонентам выставляются счета за услуги.

Что делает маршрутизатор в системе кабельных модемов?

Система кабельных модемов - частный случай технологии локальных сетей. Так как головной модем предоставляет обычный интерфейс 10Base-T/100Base-TX Ethernet, то можно забыть о системе кабельных модемов вообще и считать, что мы имеем просто локальную сеть Ethernet. Всем компьютерам, подключенным к этой сети, необходимо обеспечить доступ в Интернет. Для этого к сети Ethernet подключается маршрутизатор. Один порт маршрутизатора должен иметь интерфейс сети Ethernet той спецификации, которая используется в локальной сети. В нашем примере это должен быть интерфейс головного кабельного модема (100Base-TX, "витая пара", разъем RJ45). Работу порта обеспечивает сетевой адаптер, имеющий свой уникальный МАС-адрес. Он используется в качестве локального адреса маршрутизатора в сети Ethernet. Чтобы связать сеть Ethernet с другой, внешней сетью, у маршрутизатора должен быть как минимум еще один порт. Этот порт должен иметь интерфейс той сети, к которой он подключен.

Возможно, оборудование провайдера предыдущего уровня находится в том же здании, что и головная станция СКТВ, или неподалеку от него. Тогда лучше всего подойдет подключение по той же технологии Ethernet, разумеется, если провайдер предоставляет такую возможность. Это будет стоить дешево (потребуется всего лишь отрезок кабеля) и обеспечит высокие скорости обмена. Соответственно, маршрутизатор должен быть оборудован вторым портом Ethernet. Однако, это оборудование может находиться на значительном расстоянии, возможно, даже в другом городе. В этом случае использовать для подключения технологии LAN невозможно, - все они ограничены расстояниями в единицы километров. Тогда используется подключение по технологиям глобальных сетей, по аналоговой выделенной линии. В этом случае "внешний" порт маршрутизатора должен иметь интерфейс модема, например, V.35.

Во "внешней" сети маршрутизатор имеет собственный МАС-адрес, отличный от МАС-адреса во "внутренней" сети, и собственный логический адрес - локальный адрес. Если один компьютер локальной сети Ethernet передает данные другому компьютеру этой же сети, он передает в сеть пакет данных, в заголовке которого указан МАС-адрес компьютера-адресата. Сетевой адаптер маршрутизатора также принимает этот пакет, поскольку сеть имеет топологию "шина" и любая передача обязательна для приема всеми узлами сети. Однако маршрутизатор, не найдя в заголовке пакета своего МАС-адреса, игнорирует пакет, то есть не принимает участия в его продвижении от отправителя к получателю. Если компьютер - адресат находится за пределами локальной сети, то компьютер отправитель должен сформировать пакет данных по правилам межсетевого протокола (для Интернет -IP- пакет), в его заголовке указать сетевой адрес получателя (для Интернет - IP-адрес), затем упаковать этот пакет в кадр Ethernet, в заголовке кадра указать МАС-адрес маршрутизатора. Такой пакет передается в локальную сеть. Физически его принимают все узлы, подключенные к сети, но воспринимает только тот узел, локальный адрес которого указан в заголовке - маршрутизатор. Он "снимает" с кадра "оболочку" Ethernet, затем анализирует заголовок пакета IP. На основании таблицы маршрутизации маршрутизатор принимает решение о дальнейшем продвижении пакета, вновь упаковывает его, уже по правилам той технологии, которая используется во внешней сети, и указывает в заголовке нового кадра новый локальный адрес - адрес следующего маршрутизатора во "внешней" сети.

Неспециалисты часто путают маршрутизацию с коммутацией, они считают, что задача маршрутизатора - перенаправление пакетов на тот или иной физический порт. Наш пример как раз демонстрирует обратное. Если и "внутренний" и "внешний" порты маршрутизатора - оба порты Ethernet, то все пакеты, направляемые из "внутренней" сети во "внешнюю", проходят через маршрутизатор одним и тем же физическим путем. Однако, при этом меняется МАС-адрес в заголовке кадров Ethernet: из "внутренней" сети все кадры поступают с МАС-адресом этого маршрутизатора, во "внешнюю" сеть они передаются с МАС-адресами следующих маршрутизаторов, которых во внешней сети может быть несколько. Поэтому "внешнюю" сеть пакеты покидают в разных направлениях, именно благодаря работе первого маршрутизатора.

Обратный процесс - из внешней сети приходит пакет данных для одного из компьютеров "внутренней" сети. Он приходит на "внешний" порт маршрутизатора, упакованный в кадр технологии "внешней" сети, в заголовке кадра указан адрес маршрутизатора. Маршрутизатор, обнаружив свой адрес, распаковывает данные и анализирует IP-адрес. В отличие от транзитного маршрутизатора, конечный маршрутизатор должен направить пакет не в следующую сеть, а конкретному узлу - компьютеру-получателю. Но маршрутизатор связан с этим узлом сетью Ethernet, а в сети Ethernet адресом узла может быть только его МАС-адрес: сетевая карта Ethernet "не умеет" воспринимать другие адреса. Поэтому маршрутизатор должен упаковать полученный пакет в кадр технологии Ethernet, указав в заголовке именно МАС-адрес получателя. Для этого маршрутизатор, используя специальные служебные протоколы, составляет и постоянно поддерживает таблицу соответствия логических адресов узлов (IP-адресов) их физическим адресам (МАС-адресам), периодически посылая во внутреннюю сеть запросы и собирая и анализируя ответы.

Какие услуги могут предоставляться пользователям СКМ?

Таких услуг множество. Многие из них еще не придуманы, но уже заведомо осуществимы. Системы кабельных модемов - совершенно особенный род компьютерных сетей. Во-первых, они объединяют пользователей, географически разнесенных на километры и десятки километров, в сеть, скорости которой приближаются к скоростям проводных LAN. Во-вторых, эта сеть существует в сети кабельного телевидения и имеет общих с ней потребителей услуг - телезрителей. Поэтому технические средства СКМ могут быть использованы для придания обычному телевидению качественно новых свойств и возможностей.

Все услуги можно условно разделить две группы.

Группа первая - услуги, которые никак не связаны с телевидением. Они не требуют использования какого-либо дополнительного оборудования, кроме собственно системы кабельных модемов. Эти услуги уже сейчас востребованы и уже сейчас вполне осуществимы.

• Basic Internet Access - доступ в Интернет и услуги, использующие технологию Интернет - электронная почта, удаленный доступ к файлам и каталогам и т. п. Это услуги, которые может получить любой пользователь Интернет с любым подключением - вряд ли есть необходимость перечислять и описывать их. Специфическая особенность этих услуг в СКМ -автоматическая регистрация пользователей и настройка абонентского оборудования - модема и компьютера. Пользователи, которые подключаются к Интернет по телефонным линиям, настраивают модем и компьютер сами. Но они используют технологию (удаленный доступ) и оборудование (телефонный модем), которые поддерживаются всеми популярными операционными системами, в первую очередь, Windows™. Для кабельных модемов такой поддержки пока нет, поэтому ее берет на себя головной кабельный модем, точнее, его программное обеспечение. При первом подключении к сети абонентский модем автоматически настраивается на прием нисходящего потока и генерирует на экране монитора диалоговые окна, упрощая пользователю процесс настройки. Еще одна специфическая особенность СКМ: возможность автоматической загрузки новой версии программного обеспечения абонентских кабельных модемов через СКТВ и головной модем.
• VPN (Virtual Private Network) - виртуальные частные сети. Это технология, которая позволяет создать внутри одной локальной сети одну или несколько сетей, защищенных от доступа извне. Физически компьютеры такой сети подключены к абонентским модемам точно так же, как и компьютеры всех остальных абонентов, поэтому сети и называются виртуальными. Однако, данные, передаваемые между этими компьютерами, защищаются (кодируются). Для защиты могут быть использованы различные способы кодирования, как правило, это стандартный алгоритм DES. Кодирование выполняется средствами самой СКМ и только на участке от кабельного модема до кабельного модема. Компьютеры абонентов VPN не требуют каких-либо специальных настроек или дополнительного программного обеспечения: они работают друг с другом так, как будто их связывает обычная локальная сеть. Такое решение может быть использовано для создания сетей предприятий и организаций, связывающих удаленные офисы и компьютеры отдельных сотрудников. Для "домашних" пользователей такая услуга вряд ли нужна: на домашних компьютерах редко хранится важная коммерческая информация. Кроме того, пользователи домашних компьютеров не связаны общими задачами и интересами, поэтому редко "общаются друг с другом", гораздо чаще они обращаются к внешним ресурсам.
• VoIP (Voice over IP) - передача голоса по IP - сетям, или IP-телефония. Это технология передачи телефонных переговоров (голоса) и телефонной сигнализации (сигналов поднятия/опускания трубки, набора номера, готовности линии, занятости, вызова и другие) в компьютерных сетях с использованием протокола IP. Сама эта технология заслуживает отдельной главы (см. далее). В системах кабельных модемов предусмотрена поддержка IP-телефонии. Выпускается ряд абонентских индивидуальных кабельных модемов со встроенным телефонным кодеком и портом для подключения обычного аналогового телефона (разъем RJ-11), например, модемы фирмы Askey. В других СКМ предусмотрены коллективные абонентские модемы с несколькими портами для подключения аналоговых телефонов (оборудование фирмы Motorola). Владельцы таких модемов могут получить услуги IP-телефонии, не используя ни аналоговую телефонную линию, ни компьютер с дополнительной картой кодека. Достаточно подключить обычный телефонный аппарат к порту кабельного модема. Правда, одновременно использовать этот телефон по прямому назначению нельзя.
• Telco Return - работа с телефонным обратным каналом. Это технология, которая позволяет использовать СКМ в кабельных сетях без обратного канала. Все выпускаемые СКМ могут поддерживать одновременно и "кабельный" и "телефонный" обратный каналы. Такая особенность позволяет внедрить СКМ в СКТВ без обратного канала, а затем поэтапно модернизировать сеть, делая участок за участком двунаправленными. Для работы с телефонной линией у абонента СКТВ, кроме абонентского кабельного модема, должен быть еще и обычный телефонный модем. Он может быть внешним, внутренним (в виде компьютерной карты), а может быть встроенным в абонентский кабельный модем. Кабельные абонентские модемы со встроенным телефонным модемом называют "3-направленными" ("3-Way"). Через телефонный модем компьютер абонента соединяется с провайдером услуги dial-up . Таким образом, компьютер, подключенный к Интернет через СКМ с телефонным обратным каналом, имеет два разных IP-адреса: один из них присваивается администратором сети СКМ, другой - сервером удаленного доступа "телефонного" провайдера. Условно назовем их "кабельный" и "телефонный" IP-адрес. Запрос какой-либо информации из Интернет отправляется компьютером абонента по телефонному каналу. Запрошенная информация должна быть получена через головной модем, следовательно, в запросе должен быть указан "кабельный" IP-адрес источника. Однако, серверы удаленного доступа телефонных провайдеров имеют механизм защиты от "спуфинга" (spoofing - обман, надувательство). Они не отправят в Интернет запрос, если указанный в нем IP-адрес для ответа отличается от IP-адреса отправителя, то есть, если это не "телефонный" IP-адрес. Поэтому запрос в Интернет отправляется не напрямую, а через головной модем. Телефонный канал связи с Интернет используется в качестве IP-туннеля для доставки запроса от компьютера абонента головному модему СКМ. Туннель организуется инкапсуляцией (вставкой) IP-пакетов. Компьютер формирует IP-пакет с запросом, адресованный удаленному серверу в Интернет. В качестве IP-адреса получателя указывается IP-адрес удаленного сервера, в качестве IP-адреса источника - "кабельный" IP-адрес компьютера абонента. Этот пакет инкапсулируется внутрь другого пакета, в котором в качестве IP-адреса получателя указывается IP-адрес головного модема, а в качестве адреса источника - "телефонный" IP-адрес компьютера абонента. Этот пакет через телефонный модем, сервер удаленного доступа и Интернет доставляется головному модему СКМ. Головной модем извлекает "внутренний" IP-пакет и отправляет его в Интернет обычным порядком. Понятно, что организация сети с обратным каналом через ТСОП более сложная, чем в двунаправленной СКТВ, и требует дополнительных затрат. У абонента, кроме телефонного модема, должно быть установлено дополнительное программное обеспечение, отвечающее за инкапсуляцию IP. На головном кабельном модеме должно быть установлено дополнительное программное обеспечение, снимающее инкапсуляцию. Сервер удаленного доступа провайдера dial-up должен быть дополнительно сконфигурирован так, чтобы кратчайшим путем направлять запросы от телефонных модемов абонентов СКТВ головному модему СКМ. Поэтому использовать телефонный обратный канал, как постоянную схему, нецелесообразно. По этой причине все серийно выпускаемые головные и абонентские кабельные модемы поддерживают кабельный обратный канал, независимо от того, поддерживают они телефонный обратный канал или нет.

Вторая группа - услуги, связанные с телевидением. Они предполагают наличие у абонента не просто кабельного модема, а интерактивного мультимедийного кабельного терминала (Interactive Set Top Box). Это гибрид цифрового кабельного приемника DVB-C, кабельного модема (DVB или DOCSIS) и персонального компьютера. Управляя терминалом с помощью ПДУ(возможно, клавиатуры, мыши), абонент может не просто выбирать "картинку", но и активно влиять на ее содержание. Именно такие услуги имеются в виду под "интерактивным телевидением". Со стороны оператора сети они обеспечиваются набором специализированных компьютеров (серверов). Например, VoD Server (Video-on-Demand - видео по заказу) хранит на жестком диске или дисковом массиве сжатые в MPEG фильмы и другие видеоматериалы, и по запросу абонента "проигрывает" их. Local Content Server (Local Content - местное наполнение) хранит и выдает документы и программы, например, справочную информацию по городу. Как правило, это гипертекстовые документы (HTML) - обычные интерактивные странички Интернет. Mediacast Server (Media - информационные услуги, casting - распределение, вещание) поддерживает "не интерактивных" абонентов. Он хранит, периодически обновляет и выдает по своей инициативе, по принципу "карусели", наиболее популярные видеоматериалы и гипертекстовые странички. Transcoder Server преобразует видеоматериалы, аудиозаписи и документы из разных форматов в DVB, например, видео из Video-over-IP в телевизионный канал DVB, гипертекстовый документ в картинку DVB, файл аудио MP3 в звук DVB и т. п. При этом необходимо сформировать транспортный поток DVB: назначить каждой "картинке" и "звуковой дорожке" идентификатор пакетов DVB (Audio-PID, Video-PID), снабдить эти каналы служебной информацией (метки времени, номера и названия каналов) и дополнительной информацией (субтитры, телетекст, электронный гид). Абонентский терминал может принимать не только цифровые каналы DVB на радиочастотах цифровых каналов, но и Video-over-IP и Audio-over-IP - вещание в реальном времени в компьютерной сети IP (в Интернет). Поэтому может возникнуть необходимость и в обратном преобразовании. Все серверы объединяются высокоскоростной локальной компьютерной сетью - Fast Ethernet или Gigabit Ethernet (100 или 1000 Мбит/сек). Головной кабельный модем обеспечивает всем абонентским модемам подключение к этой сети через СКТВ. К этой же сети подключается маршрутизатор, обеспечивающий связь с внешним миром (с Интернет). Как правило, связь осуществляется через высокоскоростную оптическую транспортную сеть, объединяющую несколько головных станций с Центральной Головной Станцией. Такой сетью может быть собственная сеть SDH/SONET или сеть ATM, использующая цифровые выделенные линии SDH/SONET. Масштабируемые платформы Cisco uBR7223 и Cisco uBR7246 сочетают головной кабельный модем и маршрутизатор. Поэтому с оборудованием Cisco uBR72XX такая головная станция физически конфигурируется очень удобно. uBR7246 является "сердцем" ГС, к его "внешнему" порту подключается оптическая транспортная сеть, к "внутреннему" порту - коммутатор или концентратор станционной сети Ethernet, к кабельным портам - лазерный передатчик прямого канала и приемники обратных каналов.

Эти услуги требуют слишком дорогого оборудования и мощной поддержки, поэтому на сегодня практически не реализуются. Вот некоторые из них:

• Movies on Demand (MoD) - фильмы по заказу. Абонент может просмотреть перечень фильмов, хранящихся на сервере VoD, выбрать и запустить любой из них. При этом поддерживается полный набор функций удаленного видеомагнитофона: пауза, перемотка вперед-назад, стоп-кадр, счетчик времени, расстановка пользовательских марок, быстрый переход к нужной марке.
• Teleshopping - интерактивный телемагазин. Эта услуга сочетает достоинства обычного телемагазина (живое видео и звук с высоким качеством, консультации живого продавца в реальном времени) и традиционного Интернет-магазина (возможность немедленно заказать нужный товар и оплатить его по системе электронных расчетов).
• Broadcasting - доставка видео и аудио по сети IP. С одной стороны, в СКТВ такая услуга кажется нецелесообразной. Действительно, зачем в сети кабельного телевидения создавать сеть передачи данных, чтобы потом в этой сети в виде данных раздавать телевидение? С другой стороны, набор "готовых" каналов ТВ и радио ограничен оператором сети, а real-video и real-audio можно получать теоретически от любого сервера, подключенного к Интернет. Вероятнее всего, телевидение будущего будет распределяться именно в компьютерных сетях.
• Near Video on Demand (NVoD) - "почти" видео по заказу. Этот сервис также называют Advanced Pay-Per-View/Enhanced Pay-Per-View. (О Pay-Per-View читайте в нашей статье "Системы ограничения доступа к просмотру программ кабельного телевидения"). NVoD позволяет выбрать не любой фильм из фильмотеки сервера, а один из пяти-шести фильмов "горячего" списка. Зато не требуется передача какой-либо информации от абонента по обратному каналу. Одна и та же последовательность фильмов (или вообще один фильм) "крутится" "по кольцу" одновременно на нескольких каналах со сдвигом по времени. В зависимости от числа каналов, используемых под NVoD, и числа фильмов в "горячем" списке величина временного сдвига (Stagger Time) выбирается от 5 до 30 минут (как правило, 10-15 минут). Это позволяет абоненту в любой момент времени запустить нужный ему фильм, правда, не мгновенно, а в течение Stagger Time. Режим "перемотки вперед", "перемотки назад" и "паузы" симулируется переключением с канала на канал - дискретность перемотки и минимальная длительность паузы также равны Stagger Time. Чтобы пользователю не пришлось вычислять нужный ему канал, NVoD обязательно поддерживается электронным гидом (EPG, Electronic Program Guide). Включив гид, абонент просо выбирает опцию "Назад на 15 минут", "Пауза 30 минут", "Вперед на 45 минут" и т. п., а терминал автоматически переключается на нужный канал.
• Delayed Broadcast (Delay - задержка) - запись нужного материала по заказу и доставка его абоненту в удобное время. Услуга симулирует удаленный видеомагнитофон с таймером. Абонент, используя EPG, заказывает запись того или иного сервиса (телевизионной передачи, радио передачи, живой трансляции в Интернет и т. п.). Сервер оператора записывает заказанный материал и затем доставляет его абоненту в либо в указанное время, либо по его запросу в режиме MoD.
• Games - игры. В общем случае эта услуга симулирует удаленную игровую приставку (подобную приставкам Sega, Dandy, Sony PlayStation и т. п.). Пользователь выбирает из меню игру и запускает ее. Далее события могут развиваться по двум вариантам: либо выбранная игра (компьютерная программа) загружается через СКМ и исполняется локально процессором абонентского терминала, либо она исполняется виртуальной игровой машиной на одном из серверов оператора. Это зависит от того, насколько интенсивным должен быть обмен между терминалом и головной станцией. В некоторых играх, например, в шахматах, достаточно изредка передавать очень небольшие порции информации - сведения о ходах, при этом небольшие временные задержки вполне допустимы. Зато логическая модель игры очень сложная, и для обработки каждого хода соперника требуется большой объем вычислений. Такие игры проще выполнять на удаленной машине. Игры типа "стрелялок", "бродилок" и "симуляторов" предполагают большой объем графики, динамически изменяющейся в процессе игры. При этом они рассчитаны на быструю реакцию, поэтому критичны к задержкам передачи. Такие игры удобнее выполнять на терминале абонента. Игры, выполняемые на сервере оператора, могут быть многопользовательскими - сразу несколько абонентов, живущих в разных районах, могут играть в одну игру, как с разных джойстиков обычной игровой приставки.
• Telework - различные услуги поддержки бизнеса. Электронная мультимедийная доска объявлений позволяет абоненту разместить на сервере оператора видео, аудио, графическую информацию либо файл, электронный документ, программу, которые затем могут быть получены любым другим абонентом. В любое время абонент, разместивший информацию, может редактировать и модифицировать ее. Служба рассылок позволяет доставить такую информацию группе определенных абонентов в кратчайший срок либо в назначенное время. Для случаев, когда информация предназначена ограниченному кругу лиц, предусмотрена аутентификация - проверка электронно-цифровой подписи абонента. Служба конференций делает возможной конференц-связь (в том числе голосовую, видео) в реальном времени между двумя или несколькими абонентами.
• Karaoke on Demand (KoD) - сетевая версия караоке. Абонент с помощью меню заказывает по каталогу одну из песен, хранящуюся на сервере оператора. Далее абонент выбирает одну из опций: только музыку (чтобы петь), только голос (чтобы подыгрывать на музыкальном инструменте), видеоряд, субтитры с текстом песен, субтитры с нотами или гитарными аккордами - или любую комбинацию из этих опций. Для некоторых песен возможны варианты аранжировки и выбор темпа. Конференц-версия KoD позволяет петь в хоре или играть в ансамбле, участники которого находятся в разных концах города.
• News on Demand - новости по заказу. Услуга, облегчающая оперативный поиск и подбор новостей по заданным критериям. Новости могут быть представлены в любом виде - аудио, видео, текстовый документ, гипертекстовый документ, графический документ и т. д. Для поддержки услуги используется система списков и каталогов, система поиска по заданным условиям (ключевые слова, время, язык, источник), система презентаций (предварительный просмотр или прослушивание коротких выдержек, характерных для всего материала). Расширение услуги предполагает дайджест - поиск и подборку новостей из разных источников по одному или нескольким пользовательским профилям (наборам критериев) на постоянной основе.
• TV Listing - версия электронного гида, поддерживаемая не абонентским терминалом, а серверами оператора сети. Услуга позволяет получить дополнительную информацию, которая с обычным EPG недоступна. Например, можно предварительно просмотреть фрагмент фильма, трансляция которого еще не началась. Можно, наоборот, ознакомиться с содержанием предыдущих серий "мыльной оперы" с живым видео и аудио комментарием.
• Distance Learning - дистанционное обучение. В отличие от обычных (не интерактивных) систем дистанционного образования, система на базе СКМ позволяет создать полнофункциональный виртуальный класс. Преподаватель знает каждого удаленного ученика и может обратиться персонально к нему с вопросом или заданием. Обучаемый может дать формализованный ответ (варианты A, B, C…), текстовый ответ (если терминал оборудован средствами ввода текста) или ответ голосом. При необходимости, ответ может сопровождаться живой картинкой видео, если ученику надо написать формулу или изобразить схему. Такая система обучения незаменима, например, для инвалидов, которые не могут посещать реальные занятия. В рамках этой же услуги могут быть организованы викторины, конкурсы, интеллектуальные игры вроде "Что? Где? Когда?".
• Home Banking - услуги домашнего банка. Программа, установленная на сервере оператора СКМ, берет на себя заботы о материальных средствах абонента. С разрешения абонента эта программа контролирует все операции с реальным счетом абонента в настоящем банке и по требованию выдает ему оперативную информацию о состоянии счета, текущих и планируемых расходах и доходах, а также прогнозы и рекомендации (например, меньше тратить на рестораны). Вся информация передается с использованием механизмов защиты от несанкционированного доступа.
• Telemedicine. Услуга предполагает комбинацию нескольких описанных выше услуг в специальном приложении - медицине. Например, рентгеновский снимок, либо "живое" изображение с экрана УЗИ, томографа, может быть доставлено специалистам в режиме VoD, а затем проведен консилиум в режиме конференции или видеоконференции. Для дистанционного обучения студентов-медиков можно организовать виртуальное интерактивное занятие в операционной или в анатомическом театре.
• Content Production - производство собственной мультимедийной продукции. Абонент может сам изготовить видеоклип, мультфильм, аудиоролик, игру, и разместить этот продукт на сервере оператора сети для свободного либо платного использования другими абонентами. Возможности современных компьютеров вполне достаточны для домашнего видеопроизводства, а возможности "живой" трансляции в Интернет ограничены только количественно - пропускными способностями компьютерных сетей. Возможно, в недалеком будущем каждый желающий сможет организовать личную телекомпанию с регионом вещания - планета Земля.

Какие преимущества у IP-телефонии перед традиционными технологиями?

В цифровых АТС голос оцифровывается с использованием самого простого метода кодирования - импульсно-кодовой модуляции. С частотой 8 кГц осуществляется выборка аналоговых значений мгновенного напряжения сигнала, каждое значение представляется 8-ми разрядным двоичным числом, затем это число передается в линию связи последовательно, разряд за разрядом. В результате передача голоса "телефонного" качества требует скорости цифрового потока 64 кбит/сек. Вместо того, чтобы каждый раз передавать абсолютное значение, можно передавать только величину разницы между текущим значением и предыдущим. Такой метод кодирования аналогового сигнала называется дифференциальным кодированием и позволяет уменьшить скорость цифрового потока на выходе кодера в два, и даже в четыре раза. Существуют другие, еще более эффективные методы кодирования, которые предполагают не только аналого-цифровое преобразование, но и информационное сжатие (исключение избыточной информации) - например, адаптивная дельта-модуляция (apt-X) или MPEG.

Кроме того: телефонные сети - сети с коммутацией каналов. Независимо от того, какой сигнал передается в данный момент от одного телефона к другому, быстрая речь или молчание (пауза), - на все время соединения полностью занимается канал 64 кбит/сек. IP-сети - сети с коммутацией пакетов. Пропускная способность канала связи динамически перераспределяется между всеми услугами, данные которых передаются по этому каналу. Там, где можно передать только один сигнал голоса традиционными аналоговыми или цифровыми средствами, средствами IP можно передать несколько сигналов голоса, значит, меньше стоимость аренды канала связи в пересчете на одно телефонное соединение. Соответственно, абоненту услуги телефонной связи по технологии IP обойдутся дешевле.

Телефонные сети общего пользования (ТСОП или PSTN - Public Switched Telephone Networks) повсеместно используют обычные АТС, а у абонентов установлены обычные аналоговые телефоны. Тем не менее, операторы IP-телефонии активно предлагают свои услуги во многих крупных городах. Они устанавливают специальную систему - шлюз IP-телефонии (PSTN/IP Gateway). Это специализированный компьютер, имеющий с одной стороны интерфейс IP-сети, а с другой стороны - интерфейс ТСОП. Абонент, заключивший договор с оператором IP-телефонии, набирает обычный городской телефонный номер и соединяется со шлюзом. По инструкциям программного автоответчика шлюза абонент набирает в тоновом режиме код города, номер абонента и, возможно, собственный пароль. Шлюз через IP-сеть соединяется с другим таким же шлюзом в другом городе, а тот - набирает нужный городской номер и соединяется с телефоном вызываемого абонента. Таким образом, для междугороднего звонка со стороны обоих абонентов задействуется только внутригородская связь. На участке между двумя шлюзами используются не дорогостоящие каналы междугородней телефонной связи, а IP-сети. В принципе, это может быть Интернет, хотя вовсе не обязательно: по такой же технологии может быть построена автономная сеть, принадлежащая предприятию или корпорации. Кодирование-декодирование голоса осуществляется аппаратурой и программным обеспечением шлюза, у абонента остается обычный аналоговый телефон, который для внутригородских звонков используется обычным порядком. При желании абонент может установить на собственный компьютер специальную карту (телефонный кодек), подключить к ней телефон или телефонную гарнитуру (головные телефоны и микрофон) и делать междугородние звонки, вообще минуя городскую телефонную сеть в своем городе - голос сразу преобразуется в IP-пакеты и направляется на шлюз оператора IP-телефонии по компьютерным сетям. Это сравнительно дорогое оборудование, и приобретать его есть смысл, только когда организация ведет многочисленные и продолжительные междугородние и международные переговоры.

Можно ли организовать сеть телефонной связи на базе СКМ?

Используя технологию IP-телефонии - только теоретически. Вероятно, в будущем и внутригородские переговоры будут передаваться по сетям IP. Сегодня такое решение вполне осуществимо, но экономически невыгодно. Действительно: звонок с одного аналогового телефона на другой через IP-шлюз в пределах города не имеет смысла - обоим телефонам необходимо устанавливать соединение со шлюзом через городские аналоговые АТС, точно так же, как они устанавливали бы его между собой непосредственно. Если телефон вызывающего абонента подключен к порту IP-телефонии кабельного модема, то для связи с обычным, аналоговым телефоном, ему, опять же, потребуются услуги шлюза. Но шлюз должен вызвать аналоговый аппарат через городские АТС (другого физического пути просто нет). Для этого шлюз должен иметь несколько аналоговых телефонных линий, соединяющих его с ТСОП, по числу одновременных соединений "IP-абонент" - "обычный" абонент. Получается, что "IP-абонент" так или иначе пользуется услугами городской телефонной сети "по полной схеме", только не напрямую, а через посредника, которому тоже надо заплатить. Миновать ТСОП можно, только если один "IP-абонент" соединяется с другим "IP-абонентом". Поскольку СКТВ никогда не охватывает 100% городских зданий, и обслуживает в основном жилища, а не офисы, большую часть городских телефонов еще долго будут составлять обычные телефоны. Это значит, что для большинства внутригородских звонков с IP-телефона при фиксированной абонентской плате за услуги ГТС выигрыш получится нулевой, а при повременной оплате - отрицательный. Поэтому системы IP-телефонии на базе СКМ не решают проблем с телефонизацией городов. Зато пользоваться услугами IP-телефонии для междугородних звонков через СКМ гораздо удобнее чем через городскую ТСОП. Не надо устанавливать дополнительное оборудование, обычная телефонная линия остается всегда свободной, и не надо выполнять каждый раз сложную процедуру соединения со шлюзом.

Еще одно использование IP-телефонии в СКМ - объединение телефонных сетей удаленных офисов одной организации. Для связи офисов могут использоваться закрытые каналы технологии VPN ,- это обеспечивает безопасность служебных переговоров.

Существуют альтернативные решения для телефонии в СКТВ, например, оборудование серии CableServe® фирмы Hughes Network Systems. Это оборудование не связано с системами кабельных модемов, хотя частично использует те же технические решения. Комплект состоит из Головного Блока Телефонии, который устанавливается на головной станции, и набора удаленных блоков телефонии. Головной Блок принимает от цифровой АТС до 12-ти базовых цифровых потоков Е1 (ИКМ-30) и транслирует их через СКТВ на удаленные блоки телефонии. Удаленный блок представляет собой модульную конструкцию, состоящую из модема и набора абонентских модулей. Модем преобразует радиочастотный сигнал прямого канала СКТВ в поток Е1 и наоборот. Абонентские модули формируют абонентские линии - обычные аналоговые или ISDN. Блок модема может быть использован и без абонентских модулей - для формирования выделенной линии Е1 (2 Мбит/сек) от абонентского модема до Головного Блока Телефонии. Это оборудование также не решает проблем телефонизации, потому что создает телефонные линии, но не телефонные номера. Коммутация телефонов абонентов все равно должна выполняться обычной АТС, и каждому телефону должен соответствовать отдельный линейный комплект и отдельный номер.

Чем отличается оборудование стандартов DVB/DAVIC и MCNS/DOCSIS?

Как это часто бывает в современном мире, для систем кабельных модемов практически одновременно были созданы два стандарта - европейский и американский. В настоящее время оба они используются и в той и в другой части света.

DVB (Digital Video Broadcast Project) - организация, создавшая семейство стандартов цифрового телевидения DVB. Два из них послужили основой стандарта для кабельных модемов: DVB-C (передача цифровых каналов телевидения с информационным сжатием MPEG-2 в сетях кабельного телевидения) и DVB-RCCL (Return Channel for Cable & LMDS - обратный канал в кабельных сетях и LMDS). DAVIC (Digital Audio Visual Council) - организация, специально созданная для разработки стандарта на кабельные модемы. Долгое время две организации работали параллельно, затем соединили свои усилия, в результате получился стандарт DVB-RCCL/DAVIC, ратифицированный впоследствии специализированным органом ООН - ITU (International Telecommunications Union - Международным Союзом Электросвязи) - в качестве международного.

Создателем другого стандарта, DOCSIS (Data Over Cable Standard Information System), стал MCNS - консорциум, образованный крупнейшими кабельными операторами Северной Америки: Comcast, Time Warner, TCI, MediaOne, Cox, Rogers CableLabs и Cablesystems. Эти компании не устраивал международный стандарт, и они решили объединенными силами разработать собственный, который можно было бы быстро внедрить в реальное оборудование и заставить приносить прибыль уже сегодня.

Мнения экспертов разделились, они не могут однозначно рекомендовать тот или иной стандарт. Многие известные производители сетевого оборудования, например, Cisco Systems, производит одновременно оборудование обоих стандартов - DOCSIS (Cisco uBR71XX, Cisco uBR72XX ) и DVB/DAVIC (Cisco INA2320). Стандарт DVB/DAVIC предусматривает более широкие возможности, однако, на практике все они еще не реализованы, и только предполагаются в перспективе. Между тем оборудование MCNS/DOCSIS дешевле, поэтому уверенно лидирует на рынке кабельных модемов.

Оба стандарта, и DAVIC и DOCSIS, в прямом канале используют схемы принятые в кабельном стандарте DVB-C: многоуровневая квадратурная амплитудная манипуляция QAM16 - QAM256. Это совершенно естественно: DVB предоставляет надежное и эффективное транспортное средство для передачи цифровых данных по кабелям СКТВ, незачем придумывать что-то новое. В DVB/DAVIC используется без изменений структура кадра и канальное кодирование DVB-C - укороченный код Рида-Соломона (204,188). Кадры DOCSIS короче, они защищаются от ошибок кодом Рида-Соломона (128,122), и, кроме того, треллисным кодом с избыточностью 14/15. Но основные отличия наблюдаются не на физическом, а на более высоких уровнях.

В DOCSIS в кадры DVB инкапсулируются (вставляются) непосредственно кадры Ethernet, целиком или по частям. Это упрощает технологию и удешевляет оборудование. В DVB/DAVIC кадры Ethernet предварительно фрагментируются таким образом, чтобы полученные фрагменты соответствовали ячейкам ("селам") перспективной сетевой технологии АТМ. В будущем переход на эту технологию не потребует аппаратных изменений оборудования. ATM - самая эффективная технология глобальных сетей. Она одинаково хорошо работает как пульсирующим компьютерным трафиком, так и с мультимедийным трафиком, критичным к времени задержек и надежности доставки. ATM серьезно рассматривается как универсальная технология и для глобальных, и для локальных сетей. Однако, на сегодня технология слишком сложная, не до конца стандартизированная и очень дорогая. По крайней мере, для использования ее в локальных сетях, следовательно, и в СКМ, просто еще не создано оборудование. Основной аргумент в пользу стандарта DVB/DAVIC - универсальный set-top-box (STB), единый абонентский терминал, способный работать и кабельным цифровым приемником DVB, и абонентским кабельным модемом одновременно. В DVB/DAVIC у двух частей такого STB больше общих функциональных узлов, соответственно, меньше стоимость. Увы, опытные образцы таких STB не вышли за пределы специализированных выставок, на рынке их сегодня нет. Возможно, не до конца решены все технические проблемы. Но, скорее всего, отсутствует коммерческий спрос на такой аппарат. Уж очень различаются по своему назначению мультимедийный терминал и кабельный модем. Просмотр "мыла" и серфинг по Интернету - слишком разные сервисы, они не заменяют друг друга и зачастую могут быть востребованы одновременно - разными членами семьи, например. Следовательно, от устройств, обеспечивающих то и это, требуется полная функциональная и конструктивная независимость. Выходит, универсальный STB не очень то и нужен.

Еще одно отличие касается не столько стандартов, сколько собственно головного оборудования СКМ и обусловлено, скорее всего, традицией производителей, чем технической необходимостью. В DVB/DAVIC основное устройство СКМ традиционно именуется Интерактивным Сетевым Адаптером (Interactive Network Adapter, INA) и представляет собой только собственно головной модем, с интерфейсом кабельной сети с одной стороны и интерфейсом проводной сети Ethernet/Fast Ethernet с другой стороны. Например, INA CS2501 фирмы Hughes Network Systems оборудован портом Ethernet 10Base-T/100Base-TX. В DOCSIS такое устройство именуется центром кабельных модемов (Cable Modem Termination System, CMTS), или универсальным широкополосным маршрутизатором (Universal Broadband Router, uBR) и представляет собой комбинацию головного кабельного модема и маршрутизатора, конструктивно выполненных на одной платформе и сообщающихся через высокоскоростную внутреннюю шину. С одной стороны uBR имеет интерфейс кабельной сети, с другой стороны - интерфейс внешней сети, локальной или глобальной. Например, для платформы uBR7223 фирмы Cisco Systems производится несколько типов сменных карт адаптера порта, в том числе с интерфейсами всех существующих технологий локальных сетей (Ethernet, Token Ring, FDDI) и наиболее популярных технологий глобальных сетей (V.35, G703, HSSI и др.).

Сложно однозначно определить, какое решение наиболее удачно. С одной стороны, например, для подключения uBR7223 к внешней сети не требуется отдельный маршрутизатор, а для CS2500 от HNS он необходим. С другой стороны, иногда администратору нужно подключить к локальной сети один или несколько серверов, например, сервера электронной почты. Подключать их к кабельной сети через абонентский кабельный модем нелогично и нецелесообразно. Однако физически подключить его, например, к uBR7111 можно только через маршрутизатор. Это неудобно - сервер окажется в другой сети, и весь его трафик потребует маршрутизации, включая обмен с компьютерами "внутренней" сети. В этом плане удобнее конструкция INA CS2501 от HNS. Его порт Ethernet/Fast Ethernet представляет собой обычное проводное продолжение сети, организованной в СКТВ средствами СКМ. То есть это шина Ethernet, к которой можно подключить несколько компьютеров. Логически все они будут подключены к той же сети Ethernet, что и компьютеры, подключенные через кабельные модемы, и могут "общаться" друг с другом напрямую, как если бы они были в одной проводной сети Ethernet. Для физического подключения нескольких компьютеров, да еще и внешнего маршрутизатора к одному порту INA используется обычный концентратор или коммутатор ("хаб" или "свитч") Fast Ethernet.

Можно ли обойтись без…

- головного модема?

В рамках технологий СКМ DVB и DOCSIS - нет, нельзя. Однако, в некоторых публикациях, например, в журнале "Телеспутник" номер 7 за 1998 год (Мотти Эфрон, "Передача данных через сети кабельного телевидения"), описываются модемы фирмы Phasecom, позволяющие связать друг с другом компьютеры через сеть СКТВ. При этом на головной станции используется примитивное устройство - трансвертор, которое просто переносит сигнал прямого канала в диапазон обратного канала и наоборот, не демодулируя сигнал. Система имеет совершенно другое назначение - соединить два отдельных компьютера или две локальных сети по схеме "точка-точка". Например, связать два подразделения одного предприятия, расположенные в разных районах города. Такое соединение не решает задачу доступа в Интернет для многих пользователей.

- маршрутизатора?

В принципе, можно. Во-первых, можно обойтись без маршрутизатора, как "железного" устройства, реализовав его программно. "Железный" маршрутизатор - это специализированный компьютер, у которого есть все атрибуты обычного компьютера - процессор, оперативная память, энергонезависимая память и высокоскоростная внутренняя шина, плюс интерфейсы как минимум двух сетей. Те же задачи может выполнять и обычный ПК, на котором установлены такие интерфейсы и специальное программное обеспечение. Например, для ОС Microsoft Windows NT существует программный маршрутизатор MPR Windows NT, а в ОС Unix программный маршрутизатор уже встроен в саму операционную систему. Компьютеры не созданы для работы маршрутизаторами, поэтому программный маршрутизатор будет работать медленнее и менее надежно, чем аппаратный.

Во-вторых, можно обойтись вообще без маршрутизатора и без маршрутизации, используя технологию proxy-сервера. Proxy-сервер - это программа, действующая по принципу "стола заказов". Компьютер, на котором устанавливается proxy-сервер, должен быть подключен к локальной сети, и одновременно иметь доступ в Интернет по любой технологии - неважно, какой именно. Локальная сеть получается полностью изолированной от внешних сетей. Компьютер локальной сети, отправляя запрос в Интернет, обращается по локальной сети к proxy-серверу, оставляя "заказ". Proxy-сервер запоминает, от какого узла локальной сети и к какому ресурсу был обращен запрос, затем, уже от своего собственного имени обращается к этому ресурсу через Интернет, получает ответ и направляет его тому ПК, от которого получил запрос.

Кроме того, proxy-сервер поддерживает полезную функцию - кэширование. Странички, документы или их части, которые наиболее часто запрашиваются компьютерами локальной сети, сохраняются на жестком диске сервера. При следующем запросе эта информация не запрашивается в Интернет, а грузится прямо с жесткого диска сервера. Из Интернет такая локальная сеть "видна", как один компьютер - тот, на котором установлен proxy-сервер. Он один имеет "реальный" IP-адрес. Остальные компьютеры локальной сети работают с IP-приложениями, поэтому также имеют IP-адреса. Это так называемые локальные адреса - они выбраны из специально отведенного диапазона и не являются уникальными, так как используются только внутри локальной сети. Proxy-сервер - типичное решение для подключения к Интернет компьютеров небольшой локальной сети. Если пользователям нужен только доступ к информационным ресурсам, эта технология вполне достаточна. Но у нее есть и ограничения. Отсутствие собственного IP адреса не позволяет, например, размещать домашние странички на дисках компьютеров локальной сети.

Один компьютер-сервер, и даже одна программа, могут сочетать proxy-сервер и программный маршрутизатор. Таким образом, часть компьютеров локальной сети может иметь собственные реальные IP-адреса и работать через "прозрачный" маршрутизатор, а другая часть - иметь локальные, "невидимые" IP-адреса и работать через посредника - proxy.

Можно ли использовать кабельные модемы в сети MMDS?

До недавнего времени считалось, что использовать в MMDS "обычную" СКМ нельзя. Это связано с особенностью распространения радиоволн диапазона MMDS (2500-2686 МГц). Для него характерно явление многолучевого приема (multipath) - в точку приема одновременно приходят несколько сигналов: "прямой" сигнал, излученный передающей антенной и отраженные сигналы, переизлученные элементами рельефа и застройки. В диапазоне MMDS уровень отраженных сигналов может быть значительным. В "обычных" СКМ в нисходящем потоке используется многоуровневая квадратурная модуляция (QAM). Две несущих на одной и той же частоте имеют постоянный фазовый сдвиг 90 градусов, кроме того, каждая из них скачкообразно может изменять фазу на 180 градусов принимать и одно из нескольких фиксированных значений амплитуды в зависимости от передаваемой комбинации битов. Например, при 256QAM амплитуда каждой несущей может принимать одно из 8-ми значений. Каждому значению амплитуды может соответствовать одно из двух состояний фазы, то есть каждая несущая может принимать одно из 16-ти состояний. Каждому из состояний одной несущей может соответствовать одно из 16-ти состояний другой несущей. Таким образом, возможны 162=256 мгновенных состояния сигнала, или символа. Одним символом передается log2(256) = 8 битов. Схемы модуляции и канальное кодирование в DVB-C подробно описаны в статье Л. А. Севальнева "Передача сигналов цифрового телевидения с информационным сжатием по кабельным линиям связи" ("Телеспутник", номер 1 за 1998 год).

Отраженный сигнал всегда слабее прямого, потому что при отражении значительная часть мощности рассеивается. Кроме того, прямой сигнал приходит с направления, соответствующего максимальному усилению приемной антенны, а отраженный сигнал - с другого направления. Тем не менее, при многолучевом приеме сигнала с QAM могут возникнуть условия, при которых мгновенная амплитуда отраженного сигнала больше амплитуды прямого сигнала. Допустим, что на приемную антенну воздействует прямой сигнал. Прямым сигналом передается символ, которому соответствует минимальное значение амплитуды одной из несущих. В это же время на антенну воздействует отраженный сигнал. Он проходит больший путь, поэтому оказывается задержанным по времени, и соответствует одному из предыдущих символов. Это может быть какой угодно символ, в том числе символ, которому соответствует максимальная амплитуда одной из несущих. В этом случае вполне вероятно, что мгновенная амплитуда отраженного сигнала окажется больше амплитуды прямого сигнала, в результате будет принята искаженная комбинация битов.

Понятно, что чем больше значений может принимать амплитуда несущих, тем больше информативность одного символа. Соответственно, большее количество информации можно передать полосе частот одного телевизионного канала. С другой стороны, чем больше возможных значений амплитуды, тем менее помехоустойчив сигнал. Восемь уровней амплитуды сложнее различить, чем два, например. В кабельных стандартах DVB/DAVIC и MCNS/DOCSIS используются - 64QAM (4 уровня амплитуды, 64 символа, 6 битов) и 256QAM (8 уровней амплитуды, 256 символов, 8 битов). В беспроводной среде из-за многолучевого приема помехоустойчивость высокоинформативных схем модуляции резко падает. Если в кабельной сети на сигнал воздействует только слабый шум, то в сети MMDS - еще и сильный отраженный сигнал.

Поэтому для беспроводных кабельных сетей (MMDS) была разработана специальная, беспроводная (wireless) версия стандарта MCNS DOCSIS - DOCSIS+ ("плюс"). Суть ее состоит в "распараллеливании" одного высокоскоростного потока на несколько потоков с меньшей скоростью и меньшей информативностью одного символа. Потоки разделяются по частоте, для этого в полосе одного телевизионного канала организуются два или три подканала (sub-channels) шириной 2-3 МГц. В каждом параллельном потоке используется, опять же, QAM. Но, во-первых, вместо высокоинформативной, но слабо защищенной 256QAM или 64 QAM используется 16QAM или 4QAM (второе название QPSK). Соответственно, амплитуда каждой несущей принимает только два или вовсе одно значение, поэтому отличить сильный прямой сигнал от слабого отраженного сигнала намного проще. Во-вторых, скорость каждого потока становится меньше, а время приема одного символа - больше. Так как дальность действия MMDS ограничена несколькими десятками километров, максимальная задержка отраженных сигналов также имеет конечную величину. Символьная скорость в подканалах выбирается с таким расчетом, чтобы максимальная задержка была не больше длительности одного символа. В результате к концу приема каждого символа все отраженные сигналы гарантированно соответствуют этому же символу, и не вносят неоднозначности. Технически оборудование DOCSIS+ реализуется сложнее, поэтому стоит дороже соответствующего оборудования DOCSIS в полтора-два раза.

В свое время в статье "Передача данных в сетях кабельного ТВ и MMDS" мы описали схему включения "обычной" СКМ DVB/DAVIC CS2501 фирмы Hughes Network Systems в систему MMDS - и были подняты на смех нашими коллегами из Москвы и Санкт-Петербурга. Мы провели некоторые исследования, чтобы окончательно расставить все точки над "й". В результате сегодня мы можем ответственно заявить: "обычная" СКМ с обычной, "кабельной" модуляцией 64QAM может работать в системе MMDS. Первоначально мы исходили из следующего: все отличия DOCSIS и DOCSIS+ касались исключительно прямого канала (нисходящего потока). В обратном канале и там и там используются малоинформативные схемы модуляции 16QAM и QPSK, очень стойкие к любым помехам, поэтому проблем с многолучевым приемом не возникает. Но прямой канал использует транспорт DVB. В спецификациях канальных передатчиков Thomcast-ComWave, которые мы уже предлагали на российском рынке к тому времени, указывалась опция - готовность к 64QAM, апгрейд до 256QAM. Значит, производители передатчиков гарантируют нормальную работу передатчиков MMDS с каналами цифрового телевидения DVB-C. Но телевизионный сигнал более критичен к качеству канала, чем компьютерные данные. Если пакет данных при передаче от компьютера к компьютеру потерялся из-за помех, компьютер - получатель обнаружит пропажу и попросит повторно передать пакет. Цифровое телевидение - приложение реального времени, однажды потерянные данные уже не восстановить. Значит, раз цифровое телевидение можно раздавать в MMDS с 64QAM, то данные в DOCSIS и DAVIC - тем более.

Далее: московская фирма "Телесет", бесспорный лидер по числу инсталляций MMDS в России, на выставке Cable&Satellite-2000 представила отечественный передатчик MMDS, групповой, мощностью 20 Вт. На презентации сотрудники фирмы заявили, что тестировали свой передатчик для передачи цифрового потока DVB-C (64QAM) и в пределах зоны уверенного приема сигналов MMDS не заметили каких-либо проблем - кабельные терминалы декодировали цифровой сигнал без срывов.

Осенью 2001 года мы сами провели подобный тест на действующей системе MMDS в г. Новоуральске Свердловской области (двухканальные передатчики фирмы EMCEE). В качестве источника сигнала с QAM использовался трансмодулятор OV95A от головной станции WISI Topline, на вход которого подавался поток с модуляцией QPSK и символьной скоростью 27500 тысяч символов в секунду со спутниковой антенны (один из открытых пакетов спутников Hot Bird 13,0E). После трансмодуляции сигнал 64QAM с символьной скоростью 6875 ксимв/сек усиливался усилителем базового блока OV50A Wisi Topline и подавался на вход передатчика. Для контроля использовалась приемная антенна MMDS, расположенная примерно в 400 метрах от передающей антенны, с конвертором MG-620фирмы Telelynx (диапазон выходных частот 470-656 МГц). Объективно качество принимаемого сигнала оценивалось по прибору Prolink-7 фирмы Promax с опцией QPSK/QAM в режиме BER-тестера, субъективно - фактическим приемом на кабельный цифровой терминал XCOM CDTV-300-C. Все каналы потока декодировались без видимых дефектов при BER=1е-5 сек-1.

Наконец, летом 2001 года, изучая рекламную спецификацию абонентского трансивера AirStream™ WCS Standalone Transceiver 520006-1 для беспроводных СКМ фирмы California Amplifier, мы обнаружили текст: "The AirStream transceiver, in conjunction with an MMDS antenna and broadband wireless modem or standard cable modem, represents the overall customers premises solution to provide high-speed data connectivity to the customer." "Трансивер AirStream, к которому подключена антенна MMDS и беспроводной кабельный модем, или обычный кабельный модем, представляет собой законченное решение для высокоскоростной доставки данных абоненту".

За разъяснениями мы обратились к господину Чарльзу Вудроу (Charles Woodrow) , торговому представителю California Amplifier в азиатско-тихоокеанском регионе. Он любезно переслал наше письмо инженерам компании. Они, в свою очередь, ответили, что мол, действительно, "беспроводные" кабельные модемы лучше работают в системах MMDS, но и обычные кабельные модемы вполне работоспособны. Далее они привели сведения об операторе MMDS из Бразилии, который использует в MMDS обычную СКМ, причем система находится уже в коммерческой эксплуатации. Мы легко нашли в Интернет координаты этого оператора - компании TVFilme (подразделение компании, обеспечивающее Интернет-часть системы - Link Express). Не надеясь на ответ, мы отправили письмо по электронному адресу, указанному на web-страничке компании. К нашему удивлению, практически в тот же день мы получили ответ от господина Алессандро Соуза (Alessandro Souza, Link Express, Projects & Network Manager), суть которого заключается в следующем. Инженеры компании провели технические и маркетинговые исследования, и пришли к выводу, что приобретать дорогостоящую систему беспроводных кабельных модемов нецелесообразно. Они протестировали две обычных СКМ, обе стандарта DOCSIS, производства 3Com и CiscoSystems. В результате по разным соображениям была выбрана СКМ фирмы 3Com, хотя по техническим показателям Cisco выглядела не хуже.

Ждет ли оператора СКМ коммерческий успех?

В нашей стране проекты, связанные, так или иначе, со средствами массовой информации (в том числе с распределительными сетями телевидения) зачастую имеют неординарные схемы финансирования. Нередки случаи, когда администрации различного уровня, предприятия, а то и вовсе частные лица финансируют заведомо убыточные проекты, руководствуясь не экономическими, а иными соображениями. Что ж, надо пожелать им удачи в сем благородном деле. Однако если у Вас нет такого источника финансирования, примите наши советы.

Первое. Не стоит воспринимать СКМ, как революцию в кабельном телевидении и, тем более, в технологиях широкополосного доступа. Во-первых, СКМ разработаны для передачи компьютерных данных в распределительных сетях, не предназначенных для этого, и поэтому имеют ограниченные возможности по сравнению с "нормальными" технологиями локальных сетей. Во-вторых, использование кабельных модемов экономически целесообразно далеко не в любой СКТВ (см. ниже). В-третьих, технология довольно дорогая, причем дорого не только головное, но и абонентское оборудование.

Второе. Кабельные модемы разработаны для существующих кабельных сетей. Они позволяют создать компьютерные сети, используя инфраструктуру СКТВ, которая уже построена и уже окупается сама по себе. То есть собственно сеть уже существует, не надо тратить деньги на ее строительство - достаточно установить на головной станции и у абонентов дополнительное оборудование, пусть и сравнительно дорогое. Нет смысла закладывать СКМ в проекты строящихся СКТВ. Так или иначе, придется прокладывать новые коммуникации. Если сразу предусмотреть параллельные линии связи для компьютерных сетей, стоимость транспортной системы увеличится весьма незначительно. Например, если использовать оптический кабель с числом волокон на полдюжины больше, чем надо для нужд СКТВ, стоимость его возрастет на несколько процентов, а стоимость работ по его прокладке и сварке - и того меньше. Зато оператор СКТВ получит оптическую транспортную систему, пригодную для любой из ныне существующих сетевых технологий и полностью независимую от кабельного телевидения. На ее базе можно построить современную компьютерную сеть, например, подобную описанной в статье А.О.Некучаева, Р.Р.Убайдуллаева "Последняя миля, последний СЕКАМ" ("Телеспутник" № 2 за 2001 г.). Такая сеть будет стоить дешевле, а работать лучше, чем СКМ, поскольку будет использовать физическую среду полностью, а не делить ее с телевидением. В конце концов, можно будет сдать эти волокна в аренду настоящим провайдерам, и получать доходы, не связываясь с "непрофильным" бизнесом. С другой стороны, в СКТВ не нужен будет обратный канал - а это означает дополнительную экономию на всех усилителях и на головной станции, плюс существенное упрощение процессов проектирования, настройки и эксплуатации сети.

Третье. Строительство СКМ целесообразно только при достаточно больших размерах сети КТВ. Стоимость головного кабельного модема в минимальном варианте - около 30 тысяч долларов. Стоимость абонентского кабельного модема - около 200 долларов. Если абонентов СКМ всего 100, то получится, что подключение одного абонента будет стоить не менее 500 долларов, а это существенная сумма даже для богатого россиянина. Получается, что абонентов должно быть намного больше, хотя бы пятьсот - тысяча. При этом менее 200 долларов одна инсталляция все равно стоить не будет. Значит, сеть должна охватывать достаточное количество абонентов с платежеспособностью намного выше средней. Если такие граждане проживают компактно (элитные жилые комплексы, поселки из коттеджей и т. п.), то проще и дешевле построить традиционную, проводную компьютерную сеть (сети) и организовать высокоскоростной канал связи до провайдера Интернет отдельно для каждой такой сети. Типичные примеры - проект Интернет-дом компании "Экском" в Екатеринбурге, или действующая домовая сеть САТПРО в жилом комплексе "Евромонолит". Если потенциальные абоненты распределены равномерно по всей сети, то сеть должна охватывать несколько десятков тысяч абонентов.

Действительно, из всех абонентов СКТВ только у нескольких процентов дома вообще есть компьютер, из них менее половины хотели бы пользоваться Интернет, и из них только несколько процентов готовы заплатить за это несколько сотен долларов. Такие сети могут быть только в крупных городах. Но в таких городах, как правило, существует несколько альтернативных вариантов высокоскоростного подключения - Radio-Ethernet, ADSL, ISDN (у нас в Екатеринбурге существуют все три названных услуги) и другие. Получается "вилка" - в маленьком городе не найдется достаточного числа абонентов, чтобы окупить затраты на СКМ, в большом городе этот способ подключения к Интернет, скорее всего, не выдержит конкуренции с беспроводными и "телефонными" технологиями.

Четвертое. Чтобы продать Интернет, надо купить Интернет. Мало приобрести, смонтировать и запустить оборудование, надо ежемесячно оплачивать услуги провайдера предыдущего уровня. Скорости обмена в СКМ могут быть значительными (более 50 Мбит/сек "вниз" и до 10 Мбит/сек "вверх"). Чтобы реализовать возможности СКМ в полной мере, необходим достаточно высокоскоростной канал доступа в Интернет. Опыт первых СКМ в России показывает, что уже на начальном этапе подключения со скоростью 128 кбит/сек оказывается недостаточно. Однако многие города с населением до 100 тысяч человек не имеют и такого подключения, на весь город! Спутниковые каналы связи дороги - канальный доступ в Интернет на той же скорости 128 кБит/сек через российский спутник будет стоить около 2 тысяч долларов в месяц, а земная станция спутниковой связи (ЗССС) с получением разрешительных документов обойдется в 30-35 тысяч долларов. У зарубежных операторов спутниковой связи те же услуги примерно на 20% дороже. В этом смысле определенный интерес представляют комбинированные (асимметричные) схемы с наземным недорогим каналом "вверх" и спутниковым относительно недорогим каналом DVB "вниз".

Так выгодно ли использовать СКМ в российских кабельных сетях? Будущий оператор системы должен провести тщательные исследования, прежде чем вложить в нее деньги. Цель таких исследований - выяснить, какой процент от всех абонентов СКТВ хотели бы пользоваться сервисами СКМ, и какую сумму они готовы заплатить единовременно (за индивидуальный абонентский модем или за подключение к коллективному модему) и платить ежемесячно (за услуги оператора). Полученные цифры позволят составить бизнес-план. С одной стороны, надо учесть предстоящие расходы: на приобретение оборудования, его инсталляцию, получение необходимых разрешительных документов, эксплуатацию системы и оплату услуг провайдера Интернет предыдущего уровня. С другой стороны, надо спланировать предполагаемые доходы, и станет ясно, за какой срок система окупит себя, и произойдет ли таковое событие вообще. Именно так выясняется целесообразность того или иного коммерческого предприятия во всем цивилизованном мире.

Литература:

1. В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. "Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы". Учебник "Питер", СПб, 2001г.
2. Л. А. Севальнев "Передача сигналов цифрового телевидения с информационным сжатием по кабельным линиям связи", "Телеспутник", номер 1 за 1998 год).
3. А.О.Некучаев, Р.Р.Убайдуллаев "Последняя миля, последний СЕКАМ", "Телеспутник" № 2 за 2001 г.
4. Мотти Эфрон, "Передача данных через сети кабельного телевидения", "Телеспутник" № 7 за 1998 г.
5. "Overview of DVB-RCCL / DAVIC vs. MCNS / DOCSIS." White paper. DVB DAVIC Interoperability Consortium ™.
6. "Multimedia Traffic Engineering for HFC Networks. A White Paper on Data, Voice and Video over IP." Cisco Systems
7. "Interactive Cable Is a Reality: Liberate Technologies and Cisco Working Together." White Paper. Cisco Systems
8. "Overcoming Multipath in Non-Line-of-Sight High-Speed Microwave Communication Links." White Paper. Cisco Systems
9. "What to Consider When Choosing a Wireless Cable Modem." White Paper. ADC Telecommunications
10. "Vyyo Wireless Solutions Overview "Vyyo
11. "AirStream™ MDS and WCS Standalone Transceivers." California Amplifier
12. "CableServe® CS2500 Broadband Cable Modem Product Description." Hughes Network Systems, Ltd.
13. "CableServe® Telephony Product Description." Hughes Network Systems, Ltd.
14. "Cisco uBR7200 Series Universal Broadband Router. Fact Sheet". Cisco Systems Inc.
15. "Cisco uBR7223: Universal Broadband Router. Overview" Cisco Systems Inc.
16. "Cisco uBR7100 Series Universal Broadband Router, delivering cost-effective Internet access service alternatives "Cisco Systems Inc.
17. DAVIC 1.2 Specification Part 1 Description of DAVIC Functionalities (Technical Report) Digital Audio-Visual Council, 1997.

Другие статьи по профессиональным ресиверам читайте тут - САТПРО