Fakultet for Teknologi

Fakultet for Teknologi HØGSKOLEN I AGDER Grooseveien 36, N-4896 GRIMSTAD Tlf. 37 25 3000 Telefaks 37 25 30 01 Forprosjektrapport Hovedprosjekt: EuroDOCSIS 2.0, virkemåte og spesifikasjon Utført av : Jan Henning Thorsen Utgavedato: 4. mars, 2005

Innholdsfortegnelse 1.SAMMENDRAG...3 2.INNLEDNING...3 2.1.BAKGRUNN...3 2.2.PROSJEKTGRUPPEN...3 2.3.PROSJEKTETS ORGANISERING...3 3.PROSJEKTETS MÅLSETNINGER OG RAMMEBETINGELSER...4 3.1.MÅLSETNINGER...4 3.2.AVGRENSINGER...4 3.3.FORUTSETNINGER...4 4.LØSNINGSALTERNATIVER FOR ET DOCSIS NETTVERK...5 4.1.MODELL...5 4.2.FORSKJELLEN MELLOM DOCSIS OG EURODOCSIS...6 4.3.VERSJON 1.0...7 4.4.VERSJON 1.0+...7 4.5.VERSJON 1.1...7 4.6.VERSJON 2.0...8 4.7.EDOCSIS EMBEDDED DOCSIS...8 4.8.HVA HAR FREMTIDEN Å TILBY?...8 5.BEGRUNNELSE FOR VALG AV EMNE I HOVEDPROSJEKTET...8 6.KOSTNADER...9 6.1.PROSJEKTKOSTNADER...9 6.2.KOSTNADSEKSEMPEL FOR Å OPPRETTE ET DOCSIS NETTVERK...9 7.REFERANSER...10 8.VEDLEGG...11 8.1.BEGREPER...11 8.2.PROSJEKTPLAN...11 8.3.SPESIFIKASJON...11 8.4.PROSJEKTFORUTSETNINGER...11

1. Sammendrag Hovedprosjektet HPR/TELE-jht, «hvordan sette opp et EuroDOCSIS 2.0 nettverk», 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. 2. Innledning 2.1. Bakgrunn Jan Henning Thorsen har jobbet for Grimstad Kabel-TV i to år, med forskjellige web - prosjekter. Grimstad Kabel-TV har nå behov for å dokumentere mulighetene med det nye EuroDOCSIS 2.0 nettverket, og det ble derfor forespurt om Jan Henning kunne ta den oppgaven. Og siden DOCSIS har med å sende data over et HFC nettverk, så passet emnet godt for en teleteknikkstudent: Prosjektet inneholder signalproblematikk, som grovt sett er «hvordan få data fra A til B, over en kanal». For å skjønne dette, må man se på hva slags utstyr, som i et system, gjør denne jobben, kanalen det sendes over og hvordan signalene ser ut. Forkunnskaper som kommer med i denne sammenhengen, har i hovedsak kommet fra fagene MA1640, DAT2610, ELE3202 og DAT3636. 2.2. Prosjektgruppen Prosjektgruppen består kun av en deltaker. Dette vil skape ekstra utfordringer, ved at man ikke har noen å støtte seg på / diskutere løsninger med, mens på en annen side så blir det færre krangler. Fungerende veileder for «gruppen» er Øyvin Simonsen. 2.3. Prosjektets organisering Prosjektet vil i hovedsak bestå av tre deler: Innhenting av informasjon fra bøker og Internett, samt annen nedskreven dokumentasjon. Drøfting av systemet i drift med oppdragsgiver. I den sammenheng er det også ønskelig å komme ut i nettet for å se hva slags problemer som kan oppstå der. Testing av utstyr for å se hva slags muligheter EuroDOCSIS 2.0 egentlig har å by på.

3. Prosjektets målsetninger og rammebetingelser 3.1. 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. 3.2. Avgrensinger Prosjektets tittel lager sin egen begrensning, ved at det konsentreres rundt EuroDOCSIS 2.0. Dette er i grunn en nødvendig begrensning, siden DOCSIS dekker så mye. 3.3. 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 disponere sitt utstyr til testing. Dette vil være med på å få frem tall som er knyttet opp mot virkeligheten, mot tall fra en testlab.

4. Løsningsalternativer for et DOCSIS nettverk 4.1. Modell DHCP TFTP Internett GW CMTS CM CPE MTA TE Overvåkning / Administrering 1. Modell av et generelt DOCSIS nettverk Hvis man skal sette opp et DOCSIS nettverk, så er det visse komponenter som må være med. Modellen ovenfor viser hvilke komponenter som bør være med. De delene med stiplet linje er valgfrie, mens de andre er nødvendige for at et utstyr til kunden skal kunne få kontakt med Internett. GW - Gateway / ruter En ruter er et grensesnitt mellom to nettverk, og er nødvendig for å få trafikken fra kabeloperatørens nett ut på Internett. I noen tilfeller har ikke kabeloperatøren en egen ruter, men snylter heller på access - leverandørens ruter. Dette fungerer helt greit, men det anbefales å ha egen ruter. En egen ruter vil føre til at man på egen hånd kan manipulere egne nett og rutingtabeller. Sikkerheten kommer også inn i bildet, hvor man med egen ruter kan sette opp en egendefinert brannmur. CMTS Cable Modem Termination System Dette er utstyret som kommuniserer med CM. Sammen med CM skapes det en slags bro mellom CPE og nettet på andre siden av CMTS. CMTSen sørger for signaloverføring over det fysiske kabelnettet, på radio nivå. CM Cable Modem Dette er en klient som forstår seg på signalene som kommer fra CMTSen: Den har da en RF del, koblet til kabelnettet og en ethernet eller USB port, koblet til brukerens nett. CPE - Customer Premise Equipment Dette er endeutstyret 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 Denne protokollen må behandles i en DHCP server. Protokollen sørger for at diverse utstyr får en IP - adresse, hvilken konfigurasjonsfil som CM skal ha og setter opp default gateway. Den kan også sende flere parametere, som for eksempel hvilke DNS og timeservere som skal brukes.

TFTP - Trivial File Transfer Protocol Denne protokollen brukes etter at CM har fått en IP - adresse: Modemet trenger da noen instrukser for i det hele tatt å kunne motta, sende og rute trafikk. Modemet bruker informasjonen 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. 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. Spesielt når antall kunder går opp, så blir det håpløst å kunne holde det 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 se om kunden har begått ulovligheter. MTA Multimedia Terminal Adapter Dette er telefondelen i et kabelmodem. Denne sørger for at signalene fra TE (eksempelvis en vanlig analog telefon) blir oversatt til digitale signaler, og overført med VoIP protokollen. TE Terminal Equipment Dette er vanligvis en analog telefon. 4.2. Forskjellen mellom DOCSIS og EuroDOCSIS Generelt Den første DOCSIS standarden ble ferdig utviklet i 1997, av en gruppe kabel operatører og utstyrsleverandører i nord Amerika. Grunnen til at de ville lage en standard for data over kabel, var behovet for å kunne sende digitale TV signaler. Men etter at DVB kom på markedet, så har DOCSIS heller blitt til en generell IP - kanal, for overføring av Internett tjenester. Etter at DOCSIS 1.0 var utviklet, så utviklerne potensiale for å selge teknologien til resten av verden, men i Europa var det egne standarder som DOCSIS måtte tilpasses: EuroDOCSIS ble da utviklet, for å passe til Europeiske frekvensspektre og signalstyrker. Downstream DOCSIS EuroDOCSIS Frekvensområdet 88-860 MHz 108 862 MHz Kanalbredden 6 Mhz 8 Mhz Modulasjonstyper 64QAM og 256 QAM Kapasitet < 40Mbps 1. Oversikt over downstream spesifikasjonene Upstream DOCSIS EuroDOCSIS Frekvensområdet 5 42 MHz 5 65 Mhz

Kanalbredden 200, 400, 800, 1600, 3200 og 6400 khz Metoder for multipleksing TDMA, ATDMA, S-CDMA Modulasjonstyper QPSK, 16 QAM, 32QAM og 64 QAM Signal / støyforhold > 25 db > 22 db Kapasitet < 30Mbps 4.3. Versjon 1.0 2. Oversikt over upstream spesifikasjonene Innledning Den første versjonen av DOCSIS kom i 1997, da DOCSIS først ble definert. Denne versjonen hadde et enkelt mål: Å kunne sende digitale signaler over kabelnettet. Behovet kom etter et ønsket for å sende digital - TV, i form av MPEG data, samt at man ville tilby Internett over kabelnettet. Kapasitet Den maksimale kapasiteten som tilbys ved DOCSIS 1.0, er 36Mbps totalt på kanalen ut og 10Mbps i returkanalen. Siden DOCSIS er basert på «shared loop», er denne kapasiteten kun teoretisk. «Shared loop» betyr at hvis man sender en TCP pakke til en kunde, vil det bli sendt en pakke på returkanalen for å si ifra at pakken er mottatt. Denne pakken på returkanalen trenger ikke inneholde så mye informasjon, men det er fortsatt en hel pakke som tar opp plass på mediet. Grunnen til at kapasitet er dårligere enn det står beskrevet i tabell 2, er at båndbredden og modulasjonstypene ikke går så høyt som listet i tabellen: Under versjon 1.0 så er båndbredden begrenset til 3,2MHz og modulasjonstypene som støttes er QPSK og QAM. Dette, sammen med at returkanalen ikke er så robust som ønskelig, resulterer i en snittkapasitet på 5Mbps. CoS - Class of service Dette er en form for QoS, men den har ingen garantier. Den sier kun noe om prioriteten på datapakkene som blir sendt og maksimal overføringshastighet. Problemet med CoS er at alle pakkene blir sendt i en strøm, det vil si at for eksempel VoIP ikke kan få sin egen prioritet over for eksempel vanlig datatrafikk. 4.4. Versjon 1.0+ Versjon 1.0+ var en midlertidig løsning fra Cisco for å implementere QoS, før versjon 1.1 kom på markedet. 4.5. Versjon 1.1 Innledning Etter at nye behov kom, ble versjon 1.1 på markedet i 1999. Selv om den nye versjonen har andre tjenester å by på, så er den bakoverkompatibel. Dette er viktig for operatører som kjører på det eldre systemet: De trenger da ikke trenger å bytte ut alle de gamle modemene, ved oppgradering av CMTS. Slik er det generelt 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.

Kapasitet Modulasjonstypene i versjon 1.1 er som i 1.0, men returkanalen har blitt mer robust og det resultere i en snittkapasitet oppmot 10Mbps. Metoden for få dette til kalles «adaptive equalization» og gjør at signalene er letter å tolke hos mottaker. QoS - Quality of service Versjon 1.1 av DOCSIS tilbyr QoS. Dette betyr at man kan sette et kvalitetsstempel på pakkene som skal overføres. Mer formelt sagt, så kan man opprette egne kanaler for spesifikk trafikk. Det vil si at for eksempel VoIP har garantert 128kbps hver vei, mens vanlig data har en variabel kanal, som har maksimal kapasitet på 1024Mbps. 4.6. Versjon 2.0 Innledning Dette er den siste versjonen som er tatt i bruk. Bakgrunnen for denne versjonen er behovet for bedre overføringskapasitet, og det er også den største nyheten. Versjon 2.0 bygger ellers på versjon 1.x og gjør den dermed bakoverkompatibel med eldre modem, i visse operasjonsmoduser. Kapasitet Returkanalen i DOCSIS 2.0 kan ta i bruk 64QAM og en kanalbredde på 6,4MHz. Den har i tillegge fått enda bedre feilkorreksjon, noe som resulterer i at kapasiteten kommer opp mot 30Mbps. Dette er en dramatisk økning fra versjon 1.x, men selv om den teoretiske overføringskapasiteten i versjon 2.0 har økt, så er systemet fortsatt basert på «shared loop». Det vil si at hvis det blir sendte mange ACK - pakker, så vil det påvirke kapasiteten. 4.7. edocsis Embedded DOCSIS edocsis bringer DOCSIS standarden til nye høyder. «Embedded DOCSIS» sier at det burde være en DOCSIS - chip, som kan legges inn i et hvilket som helst utstyr. Dette åpner for at man kan for eksempel kan koble spillkonsollen direkte til kabelnettverket, istedenfor via en ethernet ruter. Annet utstyr som er aktuelt er kabelmodem internt i datamaskinen, mulighet for digital - TV direkte i TV apparatet og DVD - spillere som kan streame filmer fra nett. Men antall ideer for hvor edocsis kan bli implementert er endeløse, det er kun fantasien som setter stopper. Problemet med edocsis er å kunne lage en chip som er tilpasset DOCSIS standarden på den ene siden og samtidig er adaptiv til forskjellig utstyr. Grunnen til at man vil lage en slik chip, er at det vil redusere testkostnadene dramatisk: Istedenfor at man måtte teste hvert eneste TV som vil koble seg til DOCSIS nettverket, tester man kun en chip. Fremtiden for edocsis ser lovende ut, da forbrukere etterspør muligheten for å koble utstyr direkte til DOCSIS nettverket og produsentene gjerne vil produsere slikt utstyr. 4.8. Hva har fremtiden å tilby? En tiltenkt versjon 3.0 spekuleres i å kunne tilby hastigheter som er overlegne i forhold til hva dagens standarder kan. Og at det kommer en ny standard er vel mer eller mindre selvsagt når man ser på kravene til økt kapasitet og sikkerhet i et HFC

nettverk. Men foreløpig så må man nøye seg med versjon 2.0, og hva den har å tilby. 5. Begrunnelse for valg av emne i hovedprosjektet Grunnen til at valget falt på EuroDOCSIS 2.0, er at det er den nyeste standarden som Grimstad Kabel-TV har tatt i bruk, og de vil vite mer om hva den har å tilby. Hovedprosjekt vil ikke dokumentere Grimstad Kabel-TV sitt nett, selv om visse eksempler vil vise til deres nett. Dette dokumentet skal da kunne brukes av andre operatører som er interessert i å sette opp et DOCSIS nettverk, eller for andre som er nysgjerrige på hva EuroDOCSIS 2.0 har å tilby. 6. Kostnader 6.1. Prosjektkostnader Kostnadene for dette prosjektet, begrenser seg til prosjektdeltakerens lønn, siden Grimstad Kabel-TV setter sitt utstyr til disposisjon. Kostnaden blir da 500kr/time * (5 dager * 10 uker * 8 timer) = 200000 kr. 6.2. Kostnadseksempel for å opprette et DOCSIS nettverk Kostnadene får å sette opp et DOCSIS nettverk kan det variere med flere tusen kroner, men hvis man går ut fra at kabelnettet allerede eksisterer, så kan regnestykket under sees på som veiledende: 1 Antall Utstyr Pris 100 2 CMTS (tilpasset EuroDOCSIS 2.0) CM (de fleste modem passer til alle standarder) Diverse servere 200.000kr 300kr 10.000kr Totalt 240.000kr Antall modem varierer i takt med antall kunder, men hundre modem er et fint sted å starte. Servere på sin side, kan være enda billigere, men de kan også bli mye dyrerer. Det kommer an på kvaliteten, kapasiteten og hvilke serviceavtaler man vil ha. Men en selvbygd pc til 10.000kr vil være bra nok i oppstartsfasen. CMTSen er da den dyreste komponenten i systemet, men her fins det også prisforskjeller som relaterer seg til hvor stor total kapasitet man vil ha på systemet, samt hvilken produsent man kjøper av.

7. Referanser I. http://www.cisco.com/en/us/tech/tk86/tk168/technologies_white_paper09186 a0080231fc3.shtml II. http://www.cableworld.com/ct/archives/0104/0104_docsis.html III. http://www.tcomlabs.com/euro-docsis/index.htm IV. http://www.telecommagazine.com/default.asp?journalid=2&func=articles&pag e=0010i8&year=2000&month=10 V. http://www.javvin.com/protocoldocsis.html VI. http://www.cisco.com/warp/public/109/docsis1.0_faqs.html VII. http://www.cedmagazine.com/ced/2005/0105/01b.htm VIII. http://www.cedmagazine.com/ced/2005/0105/01b.htm IX. http://www.commsdesign.com/design_corner/oeg20030409s0013 X. http://www.cabledatacomnews.com/whitepapers/paper10.html XI. http://www.dvhardware.net/article3417.html

8. Vedlegg 8.1. Begreper 8.2. Prosjektplan 8.3. Spesifikasjon 8.4. Prosjektforutsetninger