История DOCSIS
Первая версия стандарта - DOCSIS 1.0, ратифицированная Cable Labs в 99 году, имела достаточно ограниченные возможности. Скорость передачи в обратном канале составляла не более 5 Мбит/с, а возможности управления параметрами услуг ограничивались установкой верхнего и нижнего предела ширины канала, выделяемого одному абоненту, и фиксацией максимального объема единовременно отсылаемых данных. Кроме того, в стандарт была заложена используемая в США полоса 6 МГц, неоптимальная для европейских операторов. Последняя проблема решилось за счет добавления европейских модификаций стандарта, предусматривающих возможность использования полосы 7 и 8 МГц.
Функциональность стандарта расширялась в рамках более поздних версий.В DOCSIS 1.1 появились механизмы QoS, позволяющие, в частности, запускать в сети голосовые услуги. Одновременно была усовершенствована система безопасности и введены некоторые дополнительные механизмы, повышающие эффективность использования полосы. И, наконец, была вдвое расширена полоса обратного канала.
В DOCSIS 2.0 пропускная способность обратного канала стала еще в три раза больше и достигла 30 Мбит/сек. В этой версии были добавлены скоростные схемы QAM модуляции и система мультиплексирования S-CDMA для обратного канала. Пропускная способность прямого канала сохранилась на уровне 47 Мбит/с (55 Мбит/с для версии EuroDOCSIS). В результате сеть DOCSIS стала более пригодной для симметричных услуг. Новые системы мультиплексирования в сочетании с усиленными схемами помехозащиты позволили снизить минимальный требуемый уровень С/N на входе приемника обратного канала с 23 дБ до 12 дБ. В DOCSIS 2.0 появилась также поддержка работы VLAN.
Перечисленные стандарты более подробно рассмотрены в статье Три версии стандарта DOCSIS . С момента ее публикации семейство стандартов DOCSIS пополнилось версией 3.0, которая и рассматривается в этой статье.
DOCSIS 3.0.
Основная цель разработки этой версии - увеличение пропускной способности каналов DOCSIS.
Эта необходимость продиктована резким ростом приложений P2P, включающих передачу тяжелых файлов с видео, а также планы использования сетей DOCSIS для предоставления Видео-по-Требованию (VOD). Задачу резкого увеличения пропускной способности каналов DOCSIS можно было решить только "экстенсивным" способом, то есть за счет увеличения их ширины. Прежние версии DOCSIS допускают возможность использования нескольких прямых и обратных каналов, количество которых ограничивается только шириной доступного спектра. Но эти каналы работают независимо друг от друга. Это исключает возможность их одновременного использования одним абонентом, не говоря уж об одном приложении. Из-за невозможности гибкого перераспределения нагрузки спектр используется неоптимально, а некоторые "тяжелые" приложения, типа VOD, быстро блокируют канал.
Таким образом, было ясно, что расширение должно производиться за счет расширения самих каналов. Эта задача может быть решена двумя способами Один из них, предложенный Cisco и Broadcom, предусматривает связку на уровне транспортных потоков MPEG-2 TS. MPEG-2 TS - транспортный формат DVB сетей, который иcпользуется, в частности, и для передачи Ethernet пакетов с данными в каналах DOCSIS. Размеры транспортного потока ограничены шириной физического канала кабельной сети, определяемого стандартным частотным планом. Для Америки эта ширина составляет 6 МГц, а для Европы 7 или 8 МГц . Объединение нескольких транспортных потоков в один по существу означало бы расширение полосы одного физического канала, которое повлекло бы за собой пересчет всей сети для соблюдения условий по шумам и интермодуляционным искажениям.
Поэтому CableLabs предпочли второй, вариант предложенный компаниями Arris и Motorola. Он предусматривает сохранение ширины физических каналов, но с возможностью их связки в один логический канал. В этом случае в каждом физическом канале формируется отдельный транспортный поток, но пакеты, относящиеся к одной услуге, могут распределяться по нескольким каналам. При этом варианте несколько менее эффективно используется транспортная полоса, но зато он и менее затратный в плане внедрения.
Стандарт определяет минимальное количество физических каналов, связку которых должно поддерживать оборудование DOCSIS 3.0. И в прямом, и в обратном канале должна поддерживаться связка не менее 4 физических каналов, а IP пакеты, относящиеся к одной услуге, могут произвольно распределяться по всем физическим каналам, включенным в логическое объединение.Такая сеть позволит передавать до 160 Мбит/с в прямом канале (EuroDOCSIS) и до 120 Мбит/с в обратном. Максимальное количество каналов явным образом не ограничено, но для прямого направления введено требование, чтобы все связываемые каналы размещались в полосе 60 МГц. Оно обусловлено сложностями реализации широкополосного приемника в кабельном модеме. Количество прямых каналов, размещаемое в этой полосе, не превышает семи при полосе 8 МГц и десяти при полосе 6 МГц.
Сам частотный отрезок в 60 МГц может располагаться в любом месте наземного диапазона, верхняя граница которого поднята до 1002 МГц. Сдвиг вверх продиктован распространением в США пассивных и активных компонентов распределительной сети, работающих в полосе до 1000 МГц, хотя рабочая полоса основной массы действующих сетей по прежнему ограничена 862 МГц. Других ограничений на частотное размещение каналов стандарт не накладывает, хотя они и могут быть продиктованы состоянием спектра или особенностями модуляторов.
Максимальная полоса одного обратного канала по-прежнему ограничена 6,4 МГц, что позволяет передавать до 30 Мбит/с. Но кабельный модем должен поддерживать возможность одновременной передачи как минимум на 4 каналах. При необходимости выйти в линию с определенным приложением, кабельный модем отправляет запрос CMTS, которая выделяет ему для этой цели слоты в рамках одного или нескольких каналов. Максимальное количество каналов, которыми может оперировать модем, он сообщает CMTS при авторизации.
Вторая особенность DOCSIS 3.0 по сравнению с предшественниками заключается в поддержке IPv6. Она существенно расширяет диапазон доступных адресов, что может вскоре оказаться полезным целей администрирования, а в перспективе и для назначения абонентам.
Третье нововведение - поддержка многоадресной (multicast) передачи. Вся информация о характеристиках мультикастового трафика находится на CMTS, что позволяет поддерживать расширенные механизмы управления мультикастовой группой.
Кроме того, в новом стандарте появилась возможность привязки мультикастовых услуг не к модему, а к CPE (Сustomer Premises Equipment) , подключенному к локальной сети модема. Для них могут поддерживаться механизмы доставки мультикастового трафика и назначаться определенный QoS. Последняя функция, очевидно, требует соблюдения QoS также и в сети за кабельным модемом.
В стандарте также введен дополнительный механизм приоритезации мультикастового трафика, для этой цели вводится понятие группового сервисного потока (Group Service Flow) который может ссылаться на класс услуги (Service Class Name) в рамках которой реализуется заданный набор механизмов QoS.
В СMTS введена поддержка прокси для TFTP (Trivial File Transfer Protocol) сервера, позволяющая ускорить загрузку конфигурационных файлов при одновременном подключении большого количества модемов.
Важным моментом является повышение безопасности передачи. В DOCSIS 3.0 появилась возможность шифрования трафика модема по AES (Advanced Encryption Standard) алгоритму с применением 128 битных ключей. Расширены сами функции управления безопасностью, введена проверка IP адреса отправителя, появилась возможность безопасной загрузки ПО и ряд других усовершенствований.
Следует также сказать, что расширение функций, и, главное, появление концепции модульной CMTS, о которой речь в следующем параграфе, существенно усложнило систему эксплуатационной поддержки OSS (Operations Support System). Количество MIB-ов , используемых этой системой, работающей на базе протокола SNMP, увеличилось с 1385 (DOCSIS 2.0) до 2130. Причем, в части мониторинга сети обратной совместимости систем не наблюдается.
Модульная CMTS
Одновременно с DOCSIS 3.0 введена концепция модульной CMTS. Основная ее идея заключается в том, что формирование РЧ сигналов выносится из СMTS в отдельное устройство Edge -QAM. Такие устройства существуют не первый год и устанавливаются на границе цифровой транспортной сети IP/Ethernet и сети доступа DVB-C. За M-CMTS Core в этой схеме остаются функции распределения и синхронизации DOCSIS пакетов, классификация пакетов, управление качеством обслуживания и обеспечение безопасности.
Такое разделение в первую очередь связано с тем, что сегмент доступа в современных сетях все больше приближается к абоненту. В случае интегрированной архитектуры CMTS они должны устанавливаться в каждом шлюзе на границе транспортной сети и сегмента доступа, и чем ближе транспорт подходит к абоненту, тем большее количество CMTS придется установить. Модульная архитектура позволяет использовать одну CMTS, размещенную на центральной станции, а на границе транспортной сети устанавливать устройства Edge-QAM. Эти устройства одновременно могут использоваться и для преобразования ТВ потоков. Идея отделения РЧ интерфейсов пока реализована только для прямого канала, приемники потоков обратного канала продолжают быть интегрированы с СMTS , что снижает ценность данного модульного решения. Платой за гибкость архитектуры стало появление дополнительных серверов, координирующих работу разнесенных компонентов.
Структурная схема модульной CMTS показана на рисунке:
Помимо CMTS-Core и Edge-QAM она включает DOCSIS Timing Server, синхронизирующий их совместную работу, а также Edge Resource Manager, координирующий распределение транспортных ресурсов Edge-QAM в соответствии с запросами от сервисных подсистем головной станции.
СMTS-C и Edge-QAM соединяются по каналу GBE c применением специально разработанного для этой цели интерфейса DEPI (Downstream External Physical Interface). Расстояние между ними ограничивается только требованиями DVB /MPEG к величине относительной задержки прохождения пакетов. Для взаимодействия M-CMTS с DOCSIS Timing Server был разработан интерфейс DTI, а для взаимодействия с Edge Resource Manager - интерфейс ERMI.
DOCSIS 3.0 может внедряться и в интегрированные СMTS (I-CMTS), имеющие традиционную архитектуру. Более того, первые внедрения оборудования Pre-DOCSIS 3.0 реализованы как раз на базе традиционной архитектуры.
Спецификации.
Описание характеристик DOCSIS 3.0 собрано в четырех документах и одной техническом отчете, доступных на сайте Cable Labs .
- Спецификация MULPI (Media Access Control and Upper Layer Protocols Interface) определяет порядок связки прямых и обратных каналов, совместимость с адресацией IPv6 и ее сосуществование с IPv4, перенос информации об использовании мультикаста из кабельных модемов в CMTS и стандартизированный механизм обеспечения QoS для мультикастовых сессий.
- В спецификации PHY (Physical Layer Specification) приведена типовая архитектура системы, а также изложены принципы формирования и обработки DOCSIS сигналов.
- В спецификации SEC (Security Specification) определены принципы шифровки и администрирования ключей при закрытии передаваемых данных алгоритмом AES.
- В спецификации OSSI (Operations Support System Interface Specification) в дополнение к связке каналов, IPv6, мультикасту и усиленной безопасности детализируются принципы приема нескольких обратных каналов на один порт, способы модернизации сетевой топологии для внедрения DOCSIS 3.0, а также усовершенствованные методы диагностики, мониторинга качества сигнала, сбор эксплуатационных параметров сети и применение биллинга.
- В техническом отчете MGMT-3 DIFF (DOCSIS3.0 Management Features Differences) резюмируются отличия между системами администрирования сетей DOCSIS 2.0 и DOCSIS 3.0.
Состояние рынка.
Таким образом, стандарт предлагает множество новых функций, разнящихся по степени сложности и неотложности реализации. Так, например, связка прямых каналов реализуется проще, чем связка обратных. Одновременно из-за ассиметричности большинства «тяжелых» приложений, связка прямых каналов сегодня и более актуальна. Поэтому не случайно связка прямых каналов в CMTS-ах была реализована на два года раньше связки обратных.
Для того, чтобы облегчить и ускорить появление на рынке сертифицированных устройств, Cable Labs установил три этапа квалификации СMTS с поддержкой DOCSIS 3.0. В зависимости от степени полноты они получили название золотой, серебряной и бронзовой. Золотая, то есть полная сертификация присваивается CMTS, удовлетворяющей всем требованиям спецификации. Полный перечень требований двух нижних уровней предоставляется только производителям сертифицируемого оборудования, но, судя по пресс-релизам от Cable Labs, бронзовая квалификация присваивается оборудованию, если оно обеспечивает связку 4 каналов в прямом направлении, а серебряная, если дополнительно к этому оно умеет связывать обратные каналы, поддерживает AES шифровку и адресацию IPv6.
За 56 волну сертификации, прошедшую в декабре 2007 года, полную сертификацию не получило ни одно устройство. Бронзовую квалификацию получили СMTS Arris C4 и Cisco uBR10012, а серебряную - CMTS Casa Systems C 2200 . В ближайшие дни должны стать известны результаты следующей, 57 волны сертификации.
Что же касается модемов, то для них предусмотрена только полная сертификация, которая требует их проверки совместно с полностью квалифицированной СMTS. Поэтому пока сертифицированных моделей нет и появление их в 57 волну маловероятно. Сейчас производители предлагают модемы, совместимые с их собственными моделями CMTS. Так в конце февраля Motorola анонсировала новую линейку кабельных модемов Surf Board DOCSIS 3.0 работающих в совместно с BSR 64000, а Arris и Cisco, чьи CMTS получили бронзовую квалификацию, предлагают модемы формата "2.0В" поддерживающие связку прямых каналов.
Внедрение.
В США, на родине стандарта, операторы не торопятся коммерчески внедрять данные решения, ограничиваясь лабораторными тестами и маломасштабными полевыми испытаниями. В тоже время на других рынках уже имеются случаи внедрения систем DOCSIS с поддержкой связки каналов. Так в сингапурской сети Starhub реализована система pre-DOCSIS 3.0 со связкой трех каналов, допускающих передачу потоков до 100 Мбит/с, с использованием СMTS и абонентских модемов Motorola . А в канадской сети Videotron запущена система также со связкой трех каналов.
Что касается модульного варианта CMTS, то, как уже отмечалось, он пока не вызывает практического интереса. Он заметно удорожает архитектуру станции, в первую очередь за счет неэффективной схемы резервирования, продиктованной разделением станции на отдельные составляющие. К тому же приемники обратного канала по-прежнему входят в состав станции, и это сильно сужает и так пока незначительную нишу потенциального применения такой архитектуры.
DOCSIS – сеть передачи данных, наложенная на HFC сеть. Общие принципы DOCSIS подробно рассмотрены, например, в статьях Основы передачи данных по сетям кабельного телевидения и Возможности сетей передачи данных по системе кабельного телевидения
