Hovedprosjekt. for bachelor utdanningen. Tittel: EuroDOCSIS 2.0, virkemåte og spesifikasjon. Oppdragsgiver: Grimstad Kabel TV

Transkript

1 Hovedprosjekt for bachelor utdanningen Fakultet for teknologi, Grimstad HØGSKOLEN I AGDER Tittel: EuroDOCSIS 2.0, virkemåte og spesifikasjon Rapportnr.: H01 Fagområde: Teleteknikk Antall sider: Tilgjenglighet: Oppdragsgiver: Grimstad Kabel TV Dato: 3. Juli 2005 Forfatter(e): Jan Henning Thorsen Veileder(e): Øyvin Simonsen Emneord: EuroDOCSIS, Kabel-TV Resymé: EuroDOCSIS 2.0 er den nyeste standarden innen for EuroDOCSIS. Denne rapporten prøver å gi en god oversikt over mulighetene med denn teknologien. Rapporten inneholder også generell informasjon om DOCSIS. Grunnen til dette er at EuroDOCSIS (uansett versjon) bygger på DOCSIS, den amerikanske standarden. Det er også elementer av tidligere versjoner av (Euro-) DOCSIS. Telefon: Grooseveien 36, N-4876 Grimstad Telefaks:

2 1 Forord Arbeidet er utført av Jan Henning Thorsen, student ved Høgskolen i Agder (HiA), avdeling Grimstad. Oppgaven er i anledning avsluttende hovedprosjektet etter treårig teleteknikk bachleorstudie. Problemstillingen er definert av Grimstad Kabel-TV og løst i stor grad på HiA. Arbeidet på HiA har bestått av å studere spesifikasjoner og gjennomlesing av forskjellige relevante artikler. I tillegg har jeg fått låne utstyr hos Grimstad Kabel-TV, hvor jeg fått testet ut store deler av det jeg har lest og sett hvordan anlegget virker i praksis. I tillegg til at jeg vil takke Øyvin Simonsen, vil jeg rette en stor takk til Ragnar Johnsen hos HiA Grimstad, og Christian Schiller hos Bigbandnet. De to sistnevnte har hjulpet meg med de mer teknisk rettede spørsmålene, mens Øyvin har veiledet meg igjennom selve prosessen. Jan Henning Thorsen Grimstad - 1. mai, av 34 -

3 2 Sammendrag EuroDOCSIS 2.0 er den nyeste standarden innen for EuroDOCSIS. Og i anledning av at Grimstad Kabel-TV har tatt i bruk denne teknologien, ville de gjerne få vite hva dette kunne by på. Det er «allment» kjent innenfor Kabel-TV bransjen er at gjennombruddet med denne versjonen ligger i kapasiteten, men er det andre sider som kan være verdt å merke? Hovedprosjektet,, er et resultat av ni ukers studie av allerede skrevne dokumenter og artikler. Målet var å hente ut hovedtrekkene i et EuroDOCSIS 2.0 nettverk, uten å drukne i detaljer. Rapporten inneholder også generell informasjon om DOCSIS. Grunnen til dette er at EuroDOCSIS (uansett versjon) bygger på DOCSIS, den amerikanske standarden. Det er også elementer av tidligere versjoner av (Euro-) DOCSIS og dette er av samme grunn: EuroDOCSIS 2.0 er kun en videreføring av eksisterende teknologi, ikke en «ny» og revolusjonerende EuroDOCSIS. Det mest interessante med EuroDOCSIS 2.0 er at de har lagd en enda mer robust upstreamkanal, noe som resultere i at man kan oppgradere til høyere hastighet uten å måtte oppgradere det eksisterende HFC nettverket. - 3 av 34 -

4 Innholdsfortegnelse 1 FORORD SAMMENDRAG INNLEDNING EN LITEN INNFØRING I DOCSIS BAKGRUNN OPPGAVEN MÅL OG AVGRENSINGER FORUTSETNINGER PROSJEKTGRUPPEN OG PROSJEKTORGANISERING ARBEIDSGANGEN I PROSJEKTET RAPPORTENS STRUKTUR OPPBYGNINGEN AV NETTVERKET INNLEDNING NØDVENDIG UTSTYR VALGFRITT TILLEGGSUTSTYR ANDRE TJENERE FORSLAG TIL ET FUNGERENDE ANLEGG SIGNALENE INNLEDNING MODULASJONSTYPENE MULTIPLEKSING SCDMA VS ATDMA EURODOCSIS 2.0 SPESIFIKASJONER INNLEDNING HVA ER FORBEDRET I DOCSIS 2.0? PAKKENE BAKOVERKOMPATIBILITET KAPASITET SERVICE FLOWS OG QUALITY OF SERVICE SIKKERHET TALLFAKTA KONFIGURASJONSFILENE INNLEDNING TLV TYPELENGTHVALUE EDITOR TYPISKE PARAMETERE KOMPILERING OPPGRADERING AV SOFTWARE REGISTRERINGSRUTINEN FOR NODENE CM OG CPE INNLEDNING av 34 -

5 8.2 KABELMODEMET CM KUNDENS UTSTYR CPE MTA INNLEDNING EURO-PACKETCABLE VOIP, UTEN EURO-PACKETCABLE ADMINISTRERING OG OVERVÅKNING INNLEDNING ADMINISTRERING OVERVÅKNING KUNDENS BEHOV OG PROBLEMATIKK RUNDT KUNDEN BEHOV GENERALISERING AV KUNDEN GENERELLE PROBLEMER I IP-VERDEN VEDLIKEHOLD KONKLUSJON PROSJEKTET EURODOCSIS 2.0 NETTVERK REFERANSER VEDLEGG...30 Figurliste FIGUR 1: ET FUNGERENDE NETTVERK...11 FIGUR 2: KOMPLEKSITETEN TIL 64QAM MOT QPSK MODULASJONEN.[1]...12 FIGUR 3: ET TENKT EURO-PACKETCABLE NETTVERK, SOM IMPLEMENTERER VOIP...26 Tabeller TABELL 1: MODULASJONSTYPE OG ANTALL BIT PR SYMBOL...12 TABELL 2: FORMLER FOR Å REGNE UT SNR OG BÅNDBREDDE PÅ EN SCDMA KANAL...13 TABELL 3: FREKVENSOMRÅDER, MULTIPLEKSINGS METODER OG MODULASJONSTYPER I ET EURODOCSIS 2.0 NETTVERK...19 TABELL 4: A NTALL SYMBOLER SOM OVERFØRES MED HVILKEN FREKVENS OG MULTIPLEKSINGTYPE...19 TABELL 5: OVERSIKT OVER BITRATE ETTER KOMBINASJON MED KANALBREDDE OG MODULASJON...20 TABELL 6: ØVRE OG NEDRE GRENSE FOR SIGNALSTYRKEN UT FRA ET MODEM...20 TABELL 7: ØVRE OG NEDRE GRENSE INN PÅ ET MODEM av 34 -

6 3 Innledning 3.1 En liten innføring i DOCSIS DOCSIS står for «data over cable service interface specifications». Det er altså en spesifikasjonen for hvordan man skal utnytte et kabelanlegg til å frakte IP-data. Spesifikasjonene er utviklet av MCNS, en gruppe ledende kabeloperatører, med opphav i Nord-Amerika. Det finnes flere slike spesifikasjoner, men det er DOCSIS som er den ledende idag. Grunnen til dette er at spesifikasjonene er åpne, slik at alle kan bruke de fritt til sitt bruk. Dette fører frem nye ideer og konkurranse. Siden Europa og Amerika ikke følger samme frekvensspesifikasjoner måtte man lage en avgren av DOCSIS, tilpasset de europeiske standardene. Denne versjonen kalles «EuroDOCSIS». Siden disse to standarden likevel er veldig like, vil man se i dette dokumentet at det refereres til «DOCSIS». Det er da underforstått at det gjelder for både DOCSIS og EuroDOCSIS. 3.2 Bakgrunn I anledning av at Grimstad Kabel-TV har oppgradert DOCSIS delen i sitt nettverk, meldte det seg et behov for å dokumentere mulighetene med det nye EuroDOCSIS 2.0 nettverket. Ettersom Jan Henning Thorsen har vært i kontakt med Grimstad Kabel-TV i forbindelse med diverse webprosjekt, ble det forespurt om han var interessert i å dokumentere mulighetene i forbindelse med hovedprosjektet. Etter som DOCSIS har med å sende data over et koaksial/fiber nettverk passet emnet godt for en teleteknikkstudent: Problematikken går ut på hvordan man kan få data fra A til B over en analog kanal. For å skjønne dette, må man se på hva slags utstyr som utfører denne jobben, kanalen det sendes over og hvordan signalene ser ut. Forkunnskaper som kommer med i denne sammenhengen, har i hovedsak kommet fra fagene datakommunikasjon (DAT2610), digital signalbehandling (ELE3202) og telematikknett (DAT2631). 3.3 Oppgaven Hovedprosjektet,, er et prosjekt gitt av Grimstad Kabel-TV. Prosjektet er ment for å få bedre innsikt i hva det nyeste innenfor DOCSIS - verdenen har å tilby. Hovedrapporten skal gi denne innsikten på en mer folkelig måte: Man skal slippe å drukne i store mengder teknisk dokumentasjon, men heller få en rask innføring i hva det hele går ut på. 3.4 Mål og avgrensinger Målsetninger Målet med prosjektet er å bli kjent med kabelnettet og mulighetene for dataoverføring der. Prosjektet vil konsentrer seg om EuroDOCSIS 2.0, men det vil også ta med generell informasjon, som er vesentlig for et godt nett. - 6 av 34 -

7 Avgrensinger Prosjektet konsentrerer seg rundt EuroDOCSIS 2.0, men generell DOCSIS informasjon er u-unngåelig, siden versjon 2.0 baserer seg på teknologi som stammer tilbake til DOCSIS 1.0, den amerikanske standarden. Prosjektet inneholder ingen informasjon om CableHome, og nevner PacketCable bare så vidt, under temaet «MTA». 3.5 Forutsetninger Arbeidsplan For at prosjektet skal komme i mål, må det settes opp en gjennomtenkt plan for det videre arbeidet. Arbeidslokale Et rom på skolen hvor man kan jobbe i fred og ro vil være essensielt, siden det vil øke konsentrasjonen. Utstyr Grimstad Kabel-TV vil stille sitt utstyr disponibelt til testing. Dette vil være med på å få frem tall som er knyttet opp mot virkeligheten, mot tall fra en testlab. 3.6 Prosjektgruppen, prosjektorganisering og arbeidsgangen Prosjektgruppens eneste deltaker har vært Jan Henning Thorsen. Han har da fungert som leder og gruppens eneste deltaker. Hovedoppgavene som dette har innebært har vært å analysere dokumenter og skrive rapport. I tillegg har det blitt avholdt ukentlige møter, hvor det har blitt skrevet statusrapporter, møteinnkallinger og møtereferat. De ukentlige oppgavene som ble satt opp i forprosjektet har ikke blitt overholdt da det viste seg at flere av punktene gikk under samme tema: «EurodOCSIS 2.0 spesifikasjonen» har igrunn vært gjenganger igjennom hele prosjektetperioden. I tillegg statet prosjektperioden med sykdom, etterfulgt av et kurs som forskyvde hele prosessen fremover. Derfor har har den originale milepælsplanen blitt fortløpende forandret. Av like vel føler undertegnede at punktene i gantdiagrammet har blitt dekket. 3.7 Rapportens struktur Første del av rapporten dekker oppbygningen av nettverket og komponenter som må være en del av nettverket. Denne delen innebærer også forslag til utvidelser og modifikasjoner i nettet til kabeloperatøren. Del to innebærer en presentasjon av hvilke signaler som er med på å bære dataen igjennom nettverket. Det er her også en presentasjon av forskjellige støykilder og en drøfting av hvilke signaltyper som fungerer i hvilke situasjoner. Videre i del tre kommer det en presentasjon av EuroDOCSIS 2.0 spesifikasjonene: Hva er så bra med denne versjonen, og hvordan forholder den seg til tidligere - 7 av 34 -

8 versjoner er en viktig del her. Under dette kommer sikkerhet, kapasitet og tabeller med teoretiske fakta. Konfigurasjonsfilene til modemene spiller en viktig rolle i et DOCSIS nettverk, og disse stifter man bekjentskap til i del fire. Her sees det også på muligheten for å oppgradere softwareen til nodene i nettet. Del fem tar for seg registreringsrutinen for nodene, det vil si hvordan de blir en del av nettverket, og hva som kan gå galt i prosessen. MTA blir kort presentert i del syv, hvor det også gies en kort innføring i PacketCable. Problematikken med å kunne administrer kunder kommer frem i del åtte, hvor det blir kommer en presentasjon av hva som kan overvåkes, og hva som må konfigureres for at en kunde skal kunne komme på nett. Nest sist kommer en presentasjon av hva kunden forventer, og hvilke problemer en kunde kan by på. Rapporten rundes av med en konklusjon, samt referanser og vedlegg til slutt. - 8 av 34 -

9 4 Oppbygningen av nettverket 4.1 Innledning Et DOCSIS nettverk er avhengig av mer enn CMTS og et kabelmodem: CMTSen er sentralen hvor alle modemene kobler seg til, mens kabelmodemet er utstyret hos kunden, som kan «tolke» signalene fra CMTSen. I tillegg trengs det som er grunnlaget for et hvert nett, nemlig at overføringsmediet kan fungere som en bærer for det aktuelle signalet. I et kabelnettverk vil det si at man må ha forsterkere og filter som er tilpasset den nye returkanalen som skal inn i systemet. I tillegg bør man også ha generell kunnskap om de støybelastede frekvensområdene. Når man har drevet med analog TV-overføring, kan nettet utgi seg for å være i «perfekt» stand, men når man da skal begynne å overføre data, blir nok de fleste overrasket. Returkanalen til EuroDOCSIS ligger i området 5 65MHz. Hvis et kabelnettverk bruker et diplexfilter 1, som begrenser frekvensområdet i det øverste området og har støy i det nedre, har man ikke så mye å gå på: Det kan for eksempel bli redusert til 30 45MHz. Det kan avlike vel være nok hvis man segmenterer nettet slik at upstreamkanalene går til forskjellige geografiske områder. Dette vil også ha en fordel ved at man kan «sperre inne» støyen til det området det kommer fra, istedenfor at den sprer seg utover hele nettverket. 4.2 Nødvendig utstyr Det er ofte vanskelig å dokumentere støy, før man har testet ut anlegget. Så hvis man bestemmer seg for å starte med data over kabel, trenger man uansett disse komponentene: CM Cable Modem Dette er grensesnittet mellom kabelnettverket og kundens utstyr. Den har n RF-del 2 på den ene siden, mens grensesnittet mot kunden kan variere: Det kan være vanlig Ethernet, USB eller for eksempel WiFi. CMTS Cable Modem Termination System Dette er utstyret som kommuniserer med CM. Sammen med CM skapes det en tunnel mellom CPE og nettet på andre siden av CMTSen. CMTSen sørger for signaloverføring over det fysiske kabelnettet, på radio nivå. Dette gjør den ved at den forteller alle nodene (CM) hvordan de skal oppføre seg. CMTSen har en annen del, som er koblet til backbone-nettet til kabeloperatøren. Dette er Ethernet via fiber eller tvunnet parkabel. 1 Diplexfilter brukes i forsterkere og definerer hvilke frekvenser som kan brukes som downstream og upstream. - 9 av 34 -

10 CPE - Customer Premise Equipment Dette er utstyret til kunden. Som oftest er dette en PC, men det kan være alt som har et grensesnitt som kan kobles mot kabelmodemet. DHCP - Dynamic Host Configuration Protocol DHCP serveren sørger for at datautstyr blir konfigurert automatisk, slik at kunden ikke trenger å være teknisk kyndig for å komme på internett. De mest vanlige instruksene utstyret får er hvilket nett og hvilken ip adresse det skal ha, samt informasjon om neste hopp igjennom nettet (rutinginformasjon) og DNS-servere. Når det gjelder kabelmodemene, så får de også informasjon om hvilken konfigurasjonsfil det skal ha, og fra hvilken server den skal hente den fra. DHCP-serveren kan gi annen viktig informasjon, men punktene ovenfor er påkrevd. TFTP - Trivial File Transfer Protocol Denne protokollen brukes etter at CM har fått IP-adresse: Modemet trenger da noen instrukser for i det hele tatt å kunne motta, sende og rute trafikk. Modemet bruker informasjonen den fikk fra DHCP serveren og spør TFTP serveren etter en konfigurasjonsfil. TFTP serveren svarer da med å sende den forespurte fila hvis den eksisterer. Hvis den ikke finnes eller at fila er korrupt vil ikke modemet komme på nett. 4.3 Valgfritt tilleggsutstyr GW - Gateway En gateway (ruter) er et grensesnitt mellom to nettverk. I et hvert DOCSIS nettverk, er det minst en ruter, nemlig CMTSen. Hos noen operatører, står neste ruter hos aksessleverandøren 3. Ut ifra erfaring vil det nok anbefales at kabeloperatøren har en lokal ruter. Grunnen til dette er at en slik ruter vil gjøre det lokale nettet enklere å administrer, da man slipper å gå helt til aksessleverandøren hvis man vil gjøre enkle endringer på nettverksoppsettet. Ruteren kan i tillegg settes opp slik at den også kan fungere som Proxy og/eller brannmur. ToD Time Of Day Dette er en protokoll som kan fortelle utstyret hvor mye klokken er. Det kan være nyttig/nødvendig å informere kabelmodem og annet utstyr om den aktuelle tiden, når de skal logge beskjeder lokalt. Hvis utstyret ikke vet dato og klokkeslett, vil alle beskjeder logges «1. januar, », eventuelt uten dato i det hele tatt. Loggserver Hvis man har en loggserver, kan man få modemene til å logge til en sentral server, istedenfor at man må inn på modemet for å se beskjedene. 3 I dette dokumentet viser «aksessleverandøren» til det firmaet som leverer Internett til kabeloperatøren januar, 1970 kalles for «epoch». Dette er «tidenes morgen» for det meste datautstyr av 34 -

11 Overvåkning / administrering Overvåkning og administreringsverktøy er ikke nødvendig for at kunden skal komme på nett. Men for de som daglig skal holde rede på det som foregår i sitt eget nett, så er det en stor fordel med disse mekanismene. Spesielt når antall kunder går opp blir det håpløst å kunne holde systemet i gang uten hjelpemidler. Enkleste form for administrering er mulighet for å legge til og fjerne kunder fra DHCP-serveren. Men muligheter for å komplisere et slikt verktøy er nærmest uten grenser. Det samme gjelder overvåkning: Muligheter fra at man kan se hvordan kvaliteten på signalene til en kunde i øyeblikket, til at man kan sette opp brannmurer eller mekanismer for å se om kunden har begått ulovligheter. MTA Multimedia Terminal Adapter Dette er grensesnittet mellom multimedia utstyr og DOCSIS nettverket. I denne sammenheng er «multimedia utstyr» en telefon. MTAen sørger da for å omgjøre de analoge signalene fra telefonen til IP-pakker. TE Terminal Equipment Dette er vanligvis en analog telefon. 4.4 Andre tjenere DNS Dynamic Name Server En lokal navnserver vil gjøre at kundene alltid vil få kontakt med kabelselskapets egen hjemmeside (så lenge hjemmesiden er i samme nett som kunden). Kunden kan da gå inn å se driftsmeldinger. Andre fordeler er at man har kontroll over eget domene, og kan tilby kunder revers DNS. Denne serveren står ofte hos aksessleverandøren. Proxy Hvis man vil begrense trafikk ut fra sitt eget nett kan man sette opp en transparent Proxy. Denne vil tvinge kunden til å hente for eksempel internettsider og andre filer, fra den lokale maskinen, istedenfor å hente de på en server på internett. Dette kan i tillegg til at trafikken ut på internett reduseres, redusere aksesstiden til tider. Transparent Proxy strider mot personvernloven, så man må vite hva man holder på med hvis den skal settes opp. Eksempel på dette er for eksempel at den kan lagre kundens besøk i nettbanken, innklusive brukernavn og passord. Uansett hvordan den er satt opp, skal kunden opplyses om at den er satt i drift. Man kan også sette opp en vanlig Proxy, som gjør at kunden selv kan bestemme om Proxy skal brukes, eller ikke. Noen vil nok ta i bruk tilbudet, mens de fleste ikke vil forstå hva det er. Diverse andre servere Når man ser det fra et kundeperspektiv, så vil mulighet for e-post og plass til hjemmesider være et bra tilbud. Diverse spillservere kan også være et tilbud som de yngre brukerne vil trekkes mot. En slik server vil også være med på å redusere trafikken ut på internett av 34 -

12 4.5 Forslag til et fungerende anlegg TOD INTERNETT GW CMTS CM MTA CPE TE TFTP DHCP Administrering / Overvåkning Figur 1: Et fungerende nettverk. Anlegget vist i Figur 1 vil være et fungerende nettverk. Dette er en mal, som de fleste kobler sine nett etter, men det kan gjøres ganske annerledes etter ønske: TFTP og DHCP-serverne kan godt være et annet sted på Internett. Den enkleste formen for et DOCSIS nett, blir da en CMTS, koblet til Internett og et kabelmodem koblet til CMTSen. Denne konfigurasjonen kan man bruke, hvis en operatør har flere geografisk spredde nett, men ønsker kun en sentral DHCP/TFTP server som kontrollerer flere DOCSIS nett. Hvis man derimot vil «komplisere» nettet, kan man legge til utallige komponenter etter ønske. 5 Signalene 5.1 Innledning Forutsetningene for å sende data over et kabelnettverk er: 1. To veis kommunikasjon. Det vil si at forsterkere må kunne sende signalene begge veier. 2. Man må ha plass til EuroDOCSIS kanalen: Ut til kundene er kanalbredden like stor som en digital TV-kanal, det vil si 8MHz. Man kan derfor plassere kanalen i en eksisterende kanalplan. Returen derimot kan ha en bredde som varierer fra 200kHz til 6.4MHz, ettersom hvor mye kapasitet man vil ha. Vanligvis er det plass til returkanalen, men støy (spesielt i det nedre frekvensområdet) og TV-kanaler (i det øvre området) kan gjøre det trangt. 3. Avstanden fra CMTS til kabelmodem kan ikke overskrive 160km. Dette er normalt ikke noe problem, da avstanden sjeldent er over 20km. Når disse kravene er oppfylt kan man prøve å sende data over det eksisterende kabelnettverket. 5.2 Modulasjonstypene For å sende digitale signaler over et kabelnettverk, må signalene moduleres. Ideen med modulasjon, er at man tar det digitale signalet og «oversetter» det til et analogt signal. Grunnen til at man gjør dette, er at de digitale signalene blir fort dempet i et elektrisk medium. Det som skjer når det moduleres er at det digitale signalet blir slått - 12 av 34 -

13 sammen med en bærebølge, som kan frakte signalet over lengre avstander. Modulasjonstypene som brukes i et DOCSIS nettverk er QPSK og QAM. De baserer seg på samme prinsipp, men har forskjellig robusthet og kapasitet. Når det digitale signalet moduleres, tar man en bitsekvens og gjør det om til et symbol. Antall bit i en sekvens kan varierer fra to til seks, og ettersom bitene i en sekvens øker avtar robustheten: Hvis man går ett steg opp i modulasjonen kan man vente at SNR 5 avtar med 3dB. Man må da passe på at man har bra nok SNR for at man skal opprettholde kvaliteten på linja. Grunnen til at man ønsker å øke modulasjonen, er at overføringskapasiteten (kbps) går opp. Et symbol tar like lang tid å overføre uavhengig hvor mange bit det inneholder. Det er da ønskelig å ha med så mange bit som mulig pr. symbol. Antall bit pr. symbol QPSK 2 8 QAM 3 16 QAM 4 32 QAM 5 64 QAM 6 Tabell 1: Modulasjonstype og antall bit pr symbol. Mange som starter med data over kabel er ikke forberedt på hvilke krav det stilles til nettet og må starte med QPSK. Men ettersom nettets kvalitet øker blir det aktuelt med høyere modulasjon, for å møte etterspørselen etter båndbredde. Figur 2: Kompleksiteten til 64QAM mot QPSK modulasjonen.[1] Figur 2 viser QPSK på venstre side og 64QAM på høyre. QPSK er den enkleste og mest robuste modulasjonstypen du kan velge. Med «robusthet» menes det den kan overføres i et miljø med mye støy, da mottakeren kun trenger å forstå seg på fire forskjellige tilstander, i motsetning til 64QAM, som inneholder 64 tilstander. 5.3 Multipleksing TDM Time division multiplexing For at mange kunder skal kunne sende og motta data «samtidig» trengs det mekanismer for få de inn på samme kanalen. Siden CMTSen fungerer som sjef 5 SNR står for signal til støy forhold. Dett forholdet forteller om hvor mye signal man har, i forhold til støy av 34 -

14 kalles mekanismen på downstreamkanalen for TDM. Dette betyr enkelt at dataen til modemene blir fordelt i tidsuker og adressert til det/de modemet/ene som skal motta. TDMA Time division multiple access På upstreamkanalen er ting mer komplisert: Her må modemet som ønsker tilgang først spørre om tillatelse fra CMTSen. «Multiple access» betyr da at mange kan få tilgang, men de må spørre først. Når modemet først har fått tilgang, kan det (og kun det ene modemet) sende i et visst antall tidsluker bestemt av CMTSen. TDMA støttes av alle typer DOCSIS modem, da dette er en standard fra DOCSIS 1.x 6. ATDMA Advanced TDMA ATDMA er en direkte videreføring av TDMA. At den har blitt «advanced» medfører kanalbredde opp mot 6,4MHz og modulasjon opp mot 64QAM. Dette fører til at båndbredden kan komme opp mot 30Mbps, i motsetning til TDMA som tillater en maksimal kapasitet på 10Mbps. I tillegg har kanalen blitt mer robust, ved at den har mulighet for bedre feilretting og spredning av data. Alle disse mulighetene som ATDMA fører med seg, er valgfrie. Man må ofte prøve seg frem for å finne ut hva som er best i sitt nett. For eksempel så er ikke feilretting bare bra: Feilretting bruker av den tilgjengelig båndbredde, så da blir det mindre igjen til «brukerdata». SCDMA Synchronous code division multiple access [1] Ved hjelp at CDMA kodes signalet hos senderen med en spesiell «nøkkel». Når signalet så sendes av gårde, kan man kun lese av signalet hvis man har riktig nøkkel. Denne multipleksingen stammer opprinnelig fra militæret, hvor de hadde dette behovet slik at ikke fienden skulle kunne lytte på det som ble sendt. I tillegg viste det seg at nøklene også gav en støyfordel: Ved at man sprer signalet utover med en nøkkel, kan man gjøre det mer robust mot støypulser. I DOCSIS 2.0 kan man spre signalet ut med et forhold fra 1:64, til 1:128. Hvis man velger 1:128 får man 128 virtuelle «luker» som et modem eller flere modem kan benytte seg av. Derimot hvis man velger 1:64 vil det kun være 64 «luker» som kan benyttes, og fordelen med å spre signalet er at man får bedre støyegenskaper. Støy SNR + 3dB * n / 128 Båndbredde BW * n / 128 SNR = det signal/støyforholdet som allerede finnes n = antall luker BW = kapasiteten til kanalen, ved oppgitt båndbredde og modulasjon n = antall luker Tabell 2: Formler for å regne ut SNR og båndbredde på en SCDMA kanal. Tabell 2 viser hvordan man kan beregne hvor mye man tjener og taper på å forandre antall nøkler. Hvis man ser på SNR, tjener man 3dB på å halvere antall nøkler. Det man skal huske på da, er at man også halverer kapasiteten på linja. Så hvis man kan, er det heller bedre å bytte fra 32QAM til 16QAM. [1] 6 1.x er en fellesbetegnelse for 1.0 og av 34 -

15 SCDMA har støtte for trellis-koding. Dette er en form for koding, som gjør at man kan «gjette» seg frem til dataen som kommer inn til CMTSen, ved hjelp av en spesiell algoritme. Bakdelen med trellis-koding er at den bruker en bit ekstra. Det vil si at hvis du bruker 64QAM med trellis-koding, er det ekvivalent med 32QAM. SCDMA har derfor en ekstra modulasjon; 128QAM. [1] 5.4 SCDMA Vs ATDMA Når man kjøper en CMTS som støtter DOCSIS 2.0, må man velge mellom ATDMA og SCDMA, så hva velger man da? Spørsmålet kan besvares slik andre tekniske problemer kan besvares: Hvilket problemer har jeg, og hvilke metoder løser problemene best? Problemet man har er støy, men for å se hvilken aksess metode man skal velge, må man se på typen støy som er tilstede. Mikrorefleksjoner Dette er en type støy som oppstår hvis ikke kabler og utstyr har lik impedans. Impedansen kan være temperatur avhengig, eller på grunn av dårlig terminering eller skade på kabel. På denne støytypen vinner TDMA over SCDMA, fordi refleksjonene fører til forskyvning i signalet, noe som ødelegger for de ortogonale kodene i SCDMA. Ortogonale koder tåler nemlig ingen forskyvning. [2] Generell signalstøy Noen frekvensområder er i bruk av annet menneskeskapt utstyr, og selv om de ikke sender ut støy, så vil CMTSen oppfatte det som støy når det blandes med signalet fra modemet. Eksempel på menneskelagd støy er elektriske apparater, kortbølgeradio og atmosfæriske signaler. Ved lav signalstøy vil SCDMA ha bedre egenskaper enn ATDMA. Derimot hvis signalstøyen blir veldig kraftig kommer ikke SCDMA frem i det hele tatt. [2] Støypulser Støypulser avtar ved økende frekvens. Derfor hvis støypulser er et problem så kan man prøve å flytte kanalen til en høyerer frekvens. Tester viser at SCDMA og ATDMA er like gode til å håndtere denne støytypen. [2] 6 EuroDOCSIS 2.0 spesifikasjoner 6.1 Innledning I dagens dataverden, har man et behov for å ha synkrone linjer, grunnet VoIP og videosamtaler. DOCSIS 1.x kunne maksimalt tilby 1/4 av datamengden på upstreamen, i forhold til downstreamen. Derfor måtte MCNS oppgradere DOCSIS standarden, slik at den kunne tilfredsstille kravet: Resultatet ble en upstreamen som kan håndtere datarater opp mot 30Mbps av 34 -

16 6.2 Hva er forbedret i DOCSIS 2.0? Equalizer I DOCSIS 1.x hadde equalizeren 8taps 7. Mens den nå har fått 24taps. Dette betyr at mottakeren i CMTSen er bedre rustet mot mikrorefleksjoner og forsinkede signaler. [3] Burst acquisition Når det kommer data til CMTSen gjør den alle nødvendige tester samtidig. Det resulterer i at den kan begynne å lese den faktiske dataen tidligere, noe som igjen fører til kortere innsvingningstid 8 og bedre utnyttelse av tidsluken. [3] FEC Forward error control Feilrettingen har blitt 60% bedre. Dette betyr at man kan ha mer burst-støy på nettet, uten at det påvirker datastrømmen. [3] Signalstøy Selv om det ikke er spesifisert i DOCSIS standarden, har de fleste produsentene lagt til IFC Ingress filter cancellation. Dette kan fjerne støyspikere opptil 18dB over databæreren. [3] 6.3 Pakkene Et kabel-tv nettverk er et tøft miljø for signalene: Det er interferens og støypulser som kan komme inn og ødelegger signalet. Siden datakommunikasjon generelt har en nulltoleranse mot feil, innfører man feilrettingsmetoder. I tillegg til at dette forhindrer feil i første omgang, vil det også forhindre retransmisjon, som er svært «kostbart» i et DOCSIS system. Minislot En minislot er den minste enheten med data, som kan sendes i et DOCSIS nettverk. Siden DOCSIS er bygd opp etter TDM prinsippet bestemmes størrelsen på en minislot ut fra hvor lang tid den har tilgjengelig. Den minste tidsenheten i DOCSIS kalles en «tick», som er på 6.25µs. En minislot har da en lengde på et visst antall ticks. Det er vanskelig å gi en fasit på hvor mange ticks en minislot skal bestå av, men hvis man har mange kunder og tilbyr lave hastigheter vil det være hensiktsmessig å ha få ticks pr minislot. Eksempel: Man har en datamengde som trenger fem ticks. Hvis da en minislot består av to ticks, vil datamengden oppta seks ticks (fire blir for lite, og seks er da det nærmeste som går opp), så da kaster man bort en tick. Derimot hvis en minislot består av 4 ticks, må man bruke to minislots og kaster da bort tre ticks. Bakdelen igjen ved å ha få ticks pr. minislot, er at et modem kan bli mer utsatt for fragmentering. I motsatt tilfelle, hvor man tilbyr høye hastigheter til et mindre antall kunder, må man sette opp antall ticks, for at man skal kunne få sende mye data på en gang. 7 Antall taps sier noe om hvor bra filteret kan være. 8 Innsvingningstid er den tiden en RF sender bruker å komme igang med selve transmisjonen av 34 -

17 Fragmentering (fragmentation) Dette er en metode hvor modemet kan dele opp en Ethernet pakke, fordi den ikke får plass i de minislotene som den får tildelt. Dette kan gjøre overføringen mer effektiv på den måten at man kan bruke flere små tidsluker, enn å vente på en som er stor nok. Sammenslåing av pakker (concatenation) Hvis det er mulighet for å sende flere pakker samtidig, vil effektiviteten på linjen gå opp. Grunnen til dette er at det må sendes med en header hver gang data skal sendes. Hvis man da kan sende større datamengder vil headeren i forhold til datamengden bli mindre. Bakdelen med dette er hvis et modem lager veldig store pakker, vil det forhindre andre modem fra å sende. 6.4 Bakoverkompatibilitet Selv om upstreamkanalen oppgradert, er den til dels fungerer sammen med eldre 1.x modem. Det som begrenser de eldre modemene er at de ikke kan operere med de høyeste båndbredde, det vil si 6,4MHz. Men man kan sette opp en TDMA og ATDMA/SCDMA modus, som gjør at man kan ha både 16QAM og 64QAM på samme kanal. Bakoverkompatibilitet er viktig for operatører som skal bytte fra et eldre systemet: De slipper da å bytte ut alle modemene, ved oppgradering av CMTS. Slik er det i DOCSIS verden, at man kan bruke nye modem i gamle nett, og gamle modem i nye nett så lenge utstyret i begge ender følger spesifikasjonene. 6.5 Kapasitet Downstreamen i DOCSIS 2.0 har ikke blitt forandret i forhold til tidligere utgaver, endringene ligger kun på upstreamen: Det er mulighet for større kanalbredde og modulasjonstyper med større kapasitet. I tillegg har den blitt mer robust, slik at man kan oppnå kapasiteter med mindre SNR. Shared loop I motsetning til et svitsjet nettverk, deler alle nodene på nettet samme linje og dermed også samme kapasitet. I tillegg har ikke DOCSIS en separat signaleringskanal, som fører til at noe av kapasiteten til systemet blir «kastet bort» på å sende signaleringsbeskjeder til og fra modem / CMTS. Systemet er bygd opp slik at CMTSen er sjefen og sender meldinger og data adressert til alle, eller et spesielt modem, når den har noe å meddele. Modemene på sin side må spørre CMTSen om de får lov til å sende data. Denne forespørselen spiser igjen opp kapasitet på downstreamen, ettersom CMTSen må svare modemet tilbake. CMTSen svarer med en melding som generelt kalles for «MAP 9». Et annet «problem» er at det meste av trafikken på Internett er av typen TCP. Dette er en protokoll som krever at den som spør etter data må også svare når den mottar data. Siden DOCSIS er basert på tidsluker betyr dette at svarbeskjedene kan spise 9 Alle signaleringsbeskjedene i DOCSIS nettverket er en form for MAP. Alt fra tidssynkronisering til informasjonen til modemet om at det kan sende data av 34 -

18 opp tidsluker, bare på å si «jeg har mottatt data». Dette kan bli løst ved hjelp av «piggybacking». Piggybacking gjør at man kan sende «jeg har mottatt data» samtidig som man spør etter ny data. Eksempel: Hvis man har 4 upstreamkanaler, og 500 forespørsler om tilgang til upstreamen fra modemene, pr. sekund, pr. kanal, vil dette resultere i at man bruker 1Mbit av downstreamen til å svare modemene: 500 * 64kB * 8b/B * 4 = 1024Mbit (64kB er da størrelsen på svarpakka). Man kan godt ha flere MAP-beskjeder sendt pr. sekund, og størrelsen på disse pakkene kan også variere, så 1Mbps er ikke et fasit svar på hvordan det fungerer i virkeligheten 6.6 Service flows og Quality of Service Service flow En flow er det samme som en datastrøm. Det som er spesielt med «service flows» er at man kan få modemet og CMTSen til å behandle forskjellige datastrømmer forskjellig. Man kan for eksempel lage en service flow for henting av data fra modemet. Resultatet vil være at selv om kunden bruker all sin båndbredde, kan kabeloperatøren hente data uten forsinkelse. En service flow kan defineres ut fra mange parametere, men de mest typiske er: Protokoll som brukes: UDP eller TCP eller begge. Kilde / mål adresse. Kilde / mål port. Prioritet på pakkene / avsatt båndbredde. Maksimal båndbredde. Best effort Best effort er standard IP trafikk: Man sender av gårde en pakke, og den kommer frem etter en viss tid, eller så kommer den ikke frem i det hele tatt. Dette er datastrømmen som de fleste av kundene vil benytte seg av. [4] Non real time polling Ved hjelp av «Non real time polling» vil CMTSen gi et modem mulighet til å sende med faste tidsintervall. Dette kan være nyttig hvis man har en tjeneste som ikke er tidskritisk, men man ønsker heller ikke for lange pauser. [4] Real time polling Hvis man har live streaming av MPEG, vil man ha en jevn strøm med pakker, men størrelsen på pakkene kan variere. «Real time polling» vil tilby en slik strøm. [4] - 18 av 34 -

19 Unsolicited grant service (UGS) Denne typen datastrøm består av pakker med fast størrelse som sendes med faste tidsintervall. CMTSen reserverer da en viss kapasitet på faste tidspunkt. Dette er brukt i forbindelse med VoIP o.l. [4] Unsolicited grant service med aktiv deteksjon Dette er en mer intelligent versjon av UGS. Det baserer seg på samme prinsipp, men hvis modemet i et øyeblikk ikke har noe å sende, kan man slå av kanalen og så opprette den igjen når det igjen kommer data. [4] Quality of Service QoS 10 QoS er en metode for å garantere at en datastrøm skal komme frem «med en gang». Vanlig IP trafikk er basert på best effort. Dette fungerer bra for en som surfer eller laster ned en fil, men hvis man skal begynne å ta i bruk tidskritiske tjenester er det viktig at strømmen faktisk kommer frem til riktig tid. Eksempler på tidskritiske tjenester er VoIP og videokonferanser. [4] Dynamisk QoS dqos Istedenfor å sette opp statiske servicekanaler i konfigurasjonsfila til modemet, kan man få kanaler til å bli opprettet og fjernet etter behov. Denne metoden er brukt i forbindelse med VoIP, da en kunde krever en samtale uten «hakking» eller «blipping». Hvis disse «telefonkanalene» skulle vært opprettet i konfigurasjonsfila, ville dette medføre at man reserverte alt for mye båndbredde til noe som ikke ble utnyttet. Derimot ved hjelp av dqos kan man få kvalitet, ved hjelp av dynamisk reservasjon. Selv om en reservasjon i hvert modem ikke er ønskelig, anbefales det å reserve en del av båndbredden til VoIP. Grunnen til dette, er at da er man alltid sikret at VoIP har plass på mediet. For at man skal få til dqos trenger man en ekstern server, som skjønner at modemet trenger en serviceflow. Denne serveren er den samme som tar seg av signaleringen fra MTA-delen i modemet. Det som skjer er at MTAen signalerer at den vil ha opprettet en telefonsamtale. Samtidig som serveren prøver å koble opp samtalen videre, sier den ifra til CMTSen at det aktuelle modemet skal ha en serviceflow, med den kapasiteten som trengs. CMTSen oppretter da en flow, og man har QoS. [4] 6.7 Sikkerhet Baseline Privacy interface plus BPI+ [4] BPI+ er en tilleggstjeneste, som utfører to viktige funksjoner: Den skal beskytte mot avlytting: Kundens data blir overført kryptert, som forhindrer direkte avlytting av kundens data. Dette gjelder likevel kun mellom modem og CMTS, og har ingen virkning videre på Internett. Det blir vanskeligere å stjele tilgang til nettet: Operatøren har mulighet for å sette opp autentifikasjon, som resulterer i at kun gyldige modem får koble seg til nettet. 10 QoS er ikke del av IP versjon 4. Men DOCSIS 1.1 og 2.0 løser dette med å implementere dette på fysisk nivå av 34 -

20 Message integrity check MIC [4] Dette er en mekanisme for å se at konfigurasjonsfila kommer fra operatøren, og ikke fra noen som vil utnytte systemet. Det finnes to typer MIC: CM MIC: Dette er en MD5-hash av konfigurasjonsparametrene. Dette er en enkel måte for å se at konfigurasjonsparametrene ikke har blitt forandret, siden de ble lest i CMTSen og til de kom til modemet. Det fungerer slik at CM MIC blir kalkulert på nytt etter at modemet har lest inn alle instruksene. Den «nye» MICen blir så sendt til CMTSen, som har den originale MICen. Hvis disse original og ny MIC stemmer overens er det en gyldig fil. CMTS MIC: Dette er en MD5-hash av CM MIC + «shared secret». Shared secret er et passord, som er kjent for den som lager konfigurasjonsfilene og CMTSen. CMTSen kan dermed gjøre samme operasjonen hos seg (CM MIC + shared secret), og sammenligne den med den CMTS MICen som er lagret i konfigurasjonsfila. Hvis disse to er like, er det en gyldig fil. Tabell Tallfakta 11 Frekvensområde, kanalbredde, modulasjonstype og multipleksingtype Downstream Frekvensområde MHz Kanalbredden 8 MHz Modulasjonstyper 64/256 QAM Multipleksing TDM Upstream 5 65 MHz 0,2 6,4 MHz QPSK, 16/32/64/128QAM TDMA, ATDMA, SCDMA Tabell 3: Frekvensområder, multipleksings metoder og modulasjonstyper i et EuroDOCSIS 2.0 nettverk. Baudrate - upstream Frekvens 200kHz 400kHz 800kHz 1600kHz 3200kHz 6400kHz Baudrate (A) TDMA x x x x x x SCDMA x x x Tabell 4: A ntall symboler som overføres med hvilken frekvens og multipleksingtype. 11 Alle tallfakta er tatt fra «DOCSIS 2.0 Interface spesifications» [1] - 20 av 34 -