Кабельный модем — это тип сетевого моста , который обеспечивает двунаправленную передачу данных по радиочастотным каналам на гибридной волоконно-коаксиальной (HFC), радиочастотной по стеклу (RFoG) и коаксиальной кабельной инфраструктуре. Кабельные модемы в основном используются для предоставления широкополосного доступа в Интернет в виде кабельного Интернета , используя преимущества высокой пропускной способности сетей HFC и RFoG. Они обычно развертываются в Америке , Азии , Австралии и Европе .
Internet Experiment Note (IEN) 96 [1] (1979) описывает раннюю систему кабельного модема RF . Со страниц 2 и 3 IEN 96:
Система кабельного телевидения
Система MITRE/Washington Cablenet основана на технологии, разработанной в MITRE/Bedford. Аналогичные кабельные системы работают на ряде правительственных объектов, например, в госпитале Walter Reed Army Hospital и в NASA Johnson Space Center , но все они являются автономными, локальными сетями.
Система использует стандартный коаксиальный кабель коллективной антенны телевидения (CATV) и микропроцессорные интерфейсные блоки шины (BIU) для подключения абонентских компьютеров и терминалов к кабелю. ... Кабельная шина состоит из двух параллельных коаксиальных кабелей, одного входящего и другого исходящего. Входящий кабель и исходящий кабель подключены на одном конце, головной станции , и электрически терминированы на других концах. Эта архитектура использует преимущества хорошо разработанных однонаправленных компонентов CATV. [2] Топология является дендритной ( т.е. разветвленной , как дерево ). ...
BIU содержат радиочастотные (RF) модемы, которые модулируют несущий сигнал для передачи цифровой информации , используя 1 МГц доступной полосы пропускания в диапазоне частот 24 МГц. Оставшаяся часть полосы пропускания 294 МГц может использоваться для передачи других каналов связи , таких как эфирное телевидение , FM , замкнутое телевидение или голосовая телефонная система , или другие цифровые каналы. Скорость передачи данных нашей испытательной системы составляет 307,2 кбит/с .
Комитет IEEE 802 определил 10BROAD36 в 802.3b-1985 [3] как широкополосную систему IEEE 802.3 / Ethernet со скоростью 10 Мбит/с для работы на расстоянии до 3600 метров (11800 футов) по коаксиальному сетевому кабелю CATV. Слово «широкополосный» , используемое в исходных спецификациях IEEE 802.3, подразумевало работу в частотно-разделенных ( FDM ) канальных диапазонах в отличие от цифровых модуляций прямоугольной формы основной полосы (также известных как линейное кодирование ), которые начинаются около нуля Гц и теоретически потребляют бесконечную полосу частот . (В реальных системах компоненты сигнала более высокого порядка становятся неотличимыми от фонового шума .) На рынке оборудование 10BROAD36 не было разработано многими поставщиками и не было развернуто во многих пользовательских сетях по сравнению с оборудованием для стандартов основной полосы частот IEEE 802.3/ Ethernet , таких как 10BASE5 (1983), 10BASE2 (1985), 10BASE-T (1990) и т. д.
Комитет IEEE 802 также определил стандарт широкополосной цифровой сети кабельного телевидения в 1989 году с помощью 802.7-1989 . [4] Однако, как и 10BROAD36 , 802.7-1989 не имел большого коммерческого успеха.
Компания Hybrid Networks разработала, продемонстрировала и запатентовала первую высокоскоростную асимметричную систему кабельного модема в 1990 году. Ключевым открытием компании Hybrid Networks было то, что в первые дни существования Интернета загрузка данных составляла большую часть трафика данных, и это можно было адекватно обслуживать с помощью высоко асимметричной сети передачи данных (т. е. большого нисходящего канала передачи данных и множества маленьких восходящих каналов передачи данных). Это позволило операторам CATV немедленно предлагать высокоскоростные услуги передачи данных без предварительной дорогостоящей модернизации системы. Также ключевым было то, что она увидела, что восходящие и нисходящие коммуникации могут быть на одной и той же или разных носителях связи с использованием разных протоколов, работающих в каждом направлении, чтобы установить замкнутую систему связи. Скорости и протоколы, используемые в каждом направлении, будут сильно различаться. Самые ранние системы использовали телефонную сеть общего пользования (PSTN) для обратного пути, поскольку очень немногие кабельные системы были двунаправленными. Более поздние системы использовали CATV как для восходящего, так и для нисходящего пути. Архитектура системы Hybrid используется для большинства систем кабельных модемов сегодня.
LANcity была одним из первых пионеров в области кабельных модемов, разработав собственную систему, которая широко использовалась в США. LANcity, которую возглавлял ирано-американский инженер Рузбех Яссини , затем была приобретена Bay Networks . [5] Впоследствии Bay Networks была приобретена Nortel . [6] В то время Nortel сформировала совместное предприятие с Antec под названием ARRIS Interactive. [7] Из-за договорных соглашений с Antec, касающихся этого совместного предприятия, Nortel выделила группу LANCity в совместное предприятие ARRIS Interactive. ARRIS продолжает производить кабельные модемы и оборудование для систем терминации кабельных модемов (CMTS), соответствующие стандарту DOCSIS .
Zenith предложила технологию кабельного модема, используя свой собственный протокол, который она представила в 1993 году, став одним из первых поставщиков кабельных модемов. Технология кабельного модема Zenith использовалась несколькими системами кабельного телевидения в Соединенных Штатах и других странах, включая Cox Communications San Diego, Knology на юго-востоке Соединенных Штатов, службу Americast компании Ameritech (позже проданную Wide Open West после слияния SBC и Ameritech), Cogeco в Гамильтоне, Онтарио, и Cablevision du Nord de Québec в Валь-д'Оре. [8] Zenith Homeworks использовала модуляцию BPSK (Bi-Phase Shift Keyed) для достижения 500 Кбит/с в диапазоне 600 кГц или 4 Мбит/с в диапазоне 6 МГц. [9]
Com21 был еще одним пионером в области кабельных модемов и был весьма успешным, пока фирменные системы не стали устаревшими из-за стандартизации DOCSIS. Система Com21 использовала ComController в качестве центрального моста в головных станциях сети CATV, кабельный модем ComPort в различных моделях и систему управления NMAPS, использующую HP OpenView в качестве платформы. Позже они также представили мультиплексор обратного пути для преодоления проблем с шумом при объединении сигналов обратного пути из нескольких областей. Фирменный протокол был основан на асинхронном режиме передачи (ATM). Центральный коммутатор ComController представлял собой модульную систему, предлагающую один нисходящий канал (передатчик) и один модуль управления. Оставшиеся слоты можно было использовать для восходящих приемников (2 на карту), двух интерфейсов Ethernet 10BaseT, а позже также интерфейсов Fast-Ethernet и ATM. Интерфейс ATM стал самым популярным, поскольку он поддерживал растущие требования к полосе пропускания, а также поддерживал VLAN . Com21 разработала модем DOCSIS, но в 2003 году компания объявила о банкротстве и закрылась. Активы DOCSIS CMTS компании COM21 были приобретены ARRIS .
CDLP была запатентованной системой, производимой Motorola . Оборудование CDLP для абонентов (CPE) могло работать как с PSTN (телефонная сеть) , так и с радиочастотными (кабельными) обратными каналами. Служба на базе PSTN считалась «односторонним кабелем» и имела многие из тех же недостатков, что и спутниковый интернет- сервис; в результате она быстро уступила место «двустороннему кабелю». Кабельные модемы, которые использовали кабельную сеть RF для обратного канала, считались «двусторонним кабелем» и были способны лучше конкурировать с двунаправленной цифровой абонентской линией (DSL). В настоящее время стандарт мало используется, поскольку новые провайдеры используют, а существующие провайдеры перешли на стандарт DOCSIS. Собственный CyberSURFR от Motorola CDLP является примером устройства, которое было создано в соответствии со стандартом CDLP, способным обеспечивать пиковую скорость 10 Мбит/с в нисходящем направлении и 1,532 Мбит/с в восходящем направлении. CDLP поддерживал максимальную пропускную способность нисходящего потока 30 Мбит/с, которую можно было достичь с помощью нескольких кабельных модемов.
Австралийский интернет - провайдер BigPond использовал эту систему, когда начал тестировать кабельные модемы в 1996 году. В течение ряда лет кабельный доступ в Интернет был доступен только в Сиднее , Мельбурне и Брисбене через CDLP. Эта сеть работала параллельно с новой системой DOCSIS в течение нескольких лет. В 2004 году сеть CDLP была прекращена и заменена на DOCSIS.
Технология CDLP также была развернута французским кабельным оператором Numericable перед модернизацией его широкополосной IP-сети с использованием DOCSIS.
Digital Video Broadcasting ( DVB ) и Digital Audio Visual Council (DAVIC) — европейские организации, которые разработали некоторые стандарты кабельных модемов. Однако эти стандарты не получили такого широкого распространения, как DOCSIS.
В середине 1990-х годов комитет IEEE 802 сформировал подкомитет (802.14) [10] для разработки стандарта для кабельных модемных систем. IEEE 802.14 разработал проект стандарта, который был основан на ATM . Однако рабочая группа 802.14 была расформирована, когда североамериканские многосистемные операторы ( MSO ) вместо этого поддержали тогда еще только формирующуюся спецификацию DOCSIS 1.0 , которая в целом использовала обслуживание по принципу «лучшее из возможного» и была основана на IP (с кодовыми точками расширения для поддержки ATM [11] для QoS в будущем). MSO были заинтересованы в быстром развертывании сервиса, чтобы конкурировать за клиентов широкополосного доступа в Интернет, вместо того чтобы ждать более медленных, итеративных и совещательных процессов комитетов по разработке стандартов. Альберт А. Аззам был секретарем рабочей группы IEEE 802.14 [12] , а его книга «Высокоскоростные кабельные модемы » [13] описывает многие предложения, представленные для 802.14.
Хотя Internet Engineering Task Force (IETF) обычно не разрабатывает полные стандарты кабельных модемов, IETF создал рабочие группы ( WG ), которые разработали различные стандарты, связанные с технологиями кабельных модемов (включая 802.14, DOCSIS, PacketCable и другие). В частности, рабочие группы IETF по IP по кабельной сети передачи данных (IPCDN) [14] и IP по цифровому видеовещанию (DVB) [15] разработали некоторые стандарты, применимые к системам кабельных модемов, в первую очередь в областях баз управляющей информации ( MIB ) простого протокола управления сетью (SNMP ) для кабельных модемов и другого сетевого оборудования, работающего по сетям CATV .
В конце 1990-х годов консорциум кабельных операторов США , известный как «MCNS», сформировался для быстрой разработки открытой и совместимой спецификации кабельного модема. Группа по сути объединила технологии из двух доминирующих в то время фирменных систем, взяв физический уровень из системы Motorola CDLP и уровень MAC из системы LANcity. Когда первоначальная спецификация была составлена, консорциум MCNS передал контроль над ней CableLabs , которая поддерживала спецификацию, продвигала ее в различных организациях по стандартизации (в частности, SCTE и ITU ), разработала программу сертификационного тестирования для оборудования кабельного модема и с тех пор подготовила несколько расширений к исходной спецификации.
В то время как развернутое оборудование DOCSIS RFI 1.0 в целом поддерживало только обслуживание с наилучшими усилиями , документ DOCSIS RFI 1.0 Interim-01 обсуждал расширения и механизмы качества обслуживания (QoS) с использованием телефонии IntServ , RSVP , RTP и синхронного режима передачи (STM) (в отличие от ATM ). [11] DOCSIS RFI 1.1 [16] позже добавил более надежные и стандартизированные механизмы QoS в DOCSIS. DOCSIS 2.0 добавил поддержку S-CDMA PHY , в то время как DOCSIS 3.0 добавил поддержку IPv6 и связывание каналов , чтобы позволить одному кабельному модему одновременно использовать более одного восходящего канала и более одного нисходящего канала параллельно.
Практически все кабельные модемы, работающие в настоящее время в этой области, соответствуют одной из версий DOCSIS. Из-за различий в европейской системе PAL и американской NTSC существуют две основные версии DOCSIS: DOCSIS и EuroDOCSIS. Основные различия заключаются в ширине радиочастотных каналов: 6 МГц для США и 8 МГц для Европы. Третий вариант DOCSIS был разработан в Японии и получил ограниченное распространение в этой стране.
Хотя совместимость «была сутью проекта DOCSIS» [17], большинство кабельных операторов одобряют лишь очень ограниченный список кабельных модемов в своих сетях, [18] [19] [20] [21] идентифицируя «разрешенные» модемы по их марке, модели, иногда по версии прошивки, а иногда и по навязыванию аппаратной версии модема вместо того, чтобы просто разрешить поддерживаемую версию DOCSIS.
В 2004 году был создан Multimedia over Coax Alliance (MoCA) для разработки отраслевого стандарта для подключенного дома с использованием существующего коаксиального кабеля. Первоначально разработанные для домашних сетей с MoCA 1.0/1.1, стандарты MoCA продолжили развиваться с MoCA 2.0/2.1 в 2010 году и MoCa 2.5 в 2016 году.
В 2017 году Multimedia over Coax Alliance представила спецификацию MoCA Access, основанную на стандарте MoCA 2.5, подходящую для решения проблемы широкополосного доступа к сети внутри зданий с использованием коаксиального кабеля. [22] MoCA Access расширяет возможности домашних сетей MoCA 2.5 для операторов и интернет-провайдеров, которые устанавливают оптоволокно до подвала/точки подключения (FTTB/FTTdp) и хотят использовать существующий коаксиальный кабель для подключения к каждой квартире или дому.
С развитием телефонии на основе IP-телефонии (VoIP) во многие кабельные модемы были встроены аналоговые телефонные адаптеры (ATA) для предоставления телефонных услуг. Встроенный ATA известен как встроенный мультимедийный терминальный адаптер (E-MTA).
Многие поставщики услуг кабельного телевидения также предлагают телефонную связь на основе VoIP через кабельную инфраструктуру ( PacketCable ). Некоторые клиенты высокоскоростного Интернета могут использовать VoIP-телефонию, подписавшись на сторонний сервис, такой как Vonage , MagicJack+ и NetTALK.
В сетевой топологии кабельный модем — это сетевой мост , который соответствует стандарту IEEE 802.1D для сетей Ethernet (с некоторыми изменениями). Кабельный модем переносит кадры Ethernet между локальной сетью клиента и коаксиальной сетью. Технически, это модем, поскольку он должен модулировать данные для передачи их по кабельной сети и демодулировать данные из кабельной сети для их приема.
В соответствии с моделью OSI сетевого дизайна кабельный модем является как устройством физического уровня (уровень 1), так и пересылателем канального уровня (уровень 2). Как сетевой узел с IP-адресацией кабельные модемы поддерживают функциональность на других уровнях.
Уровень 1 реализован в Ethernet PHY на его интерфейсе LAN , а DOCSIS определяет PHY , специфичный для кабеля, на его интерфейсе кабеля HFC. Термин кабельный модем относится к этому PHY, специфичному для кабеля. Сетевой уровень (уровень 3) реализован как IP-хост, поскольку он имеет свой собственный IP-адрес, используемый оператором сети для обслуживания устройства. На транспортном уровне (уровень 4) кабельный модем поддерживает UDP совместно со своим собственным IP-адресом и поддерживает фильтрацию на основе номеров портов TCP и UDP , например, для блокировки пересылки трафика NetBIOS из локальной сети клиента. На прикладном уровне (уровень 7) кабельный модем поддерживает определенные протоколы, которые используются для управления и обслуживания, в частности, протокол динамической конфигурации хоста (DHCP), SNMP и TFTP .
Некоторые кабельные модемы могут включать маршрутизатор и DHCP-сервер для предоставления локальной сети с сетевой адресацией IP. С точки зрения пересылки данных и топологии сети эта функциональность маршрутизатора обычно отличается от функциональности кабельного модема (по крайней мере, логически), хотя они могут совместно использовать один корпус и выглядеть как одно устройство, иногда называемое домашним шлюзом . Таким образом, функция кабельного модема будет иметь свой собственный IP-адрес и MAC-адрес , как и маршрутизатор.
У кабельных модемов может возникнуть проблема, известная на отраслевом жаргоне как «flap» или «flapping». [23] Модемный flap — это когда соединение модема с головной станцией было прервано (ушло в офлайн), а затем снова подключено. Время офлайн или частота flap обычно не регистрируются, регистрируется только частота. Хотя это обычное явление и обычно остается незамеченным, если flap модема чрезвычайно высок, эти отключения могут привести к прерыванию обслуживания. Если из-за flap возникают проблемы с удобством использования, типичной причиной является неисправный модем или очень большой объем трафика в сети поставщика услуг (слишком высокая утилизация восходящего потока). [24] Типы flap включают повторные подключения, попадания и промахи и корректировки питания. [25]
В январе 2020 года была раскрыта уязвимость, затрагивающая кабельные модемы, использующие чипсеты Broadcom , которая была названа Cable Haunt . Исследователи безопасности говорят, что уязвимость затрагивает сотни миллионов устройств. Эксплойты возможны из-за использования учетных данных по умолчанию в компоненте анализатора спектра модема (в основном используемом для отладки), доступного через сетевой порт , который по умолчанию открыт в уязвимых моделях. [26] [27]
Усилители являются одними из распространенных компонентов, используемых в системе CATV
{{cite web}}: CS1 maint: бот: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )Рабочая группа IEEE 802.14 использовала WalkingDog.com в качестве своего веб-сайта.{{cite web}}: CS1 maint: бот: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )