近年來，人們普遍看好有線電視HFC網路的高頻寬，各有線電視經營商紛紛投入大量資金進行HFC的雙向改造，使之能用於數據通信。20世紀80年代中期，美國就開始進行雙向網路的改造。進入90年代以後，Internet迅速發展，美國有線電視運營商率先開展了IP over Cable的業務，許多網路設備廠商紛紛推出了一種用於IP over Cable的設備，稱為電纜數據機(CM，Cable Modem)，用於HFC網路傳輸IP數據。早期開發CM的各廠商自成體系，沒有統一的標準。1997年推出了DOCSIS 1.0標準後，使各廠商CM的互聯互通性大大加強，CM作為一個成熟的產品走向市場，進一步推動了IP over Cable業務的發展。截至2001年上半年的統計，美國的CM用戶已超過550萬，占全美6500萬有線電視用戶的8.5%左右。
Cable Modem分為前端設備和用戶端設備，如圖1所示。前端設備稱為CMTS(Cable Modem TerminationSystem)，用於HFC網與數據骨幹網之間的數據轉發，用戶端設備即為CM(Cable Modem)，用於電纜與用戶之間的數據轉發。
圖1 Cable Modem系統
基本介紹
- 中文名：雙向有線電視高頻電流網的數據通信
- 外文名：Data communication of CATV HFC two way network
Cable Modem的標準體系,Cable Modem系統的體系結構,Cable Modem系統的工作原理,工作原理,不同距離CM對CMTS的同步,
Cable Modem的標準體系
關於Cable Modem系統，目前存在著4種不同的標準。它們是北美MCNS的DOCSIS1.0/1.1和Euro DOCSIS、歐洲DVB/DAVIC的ETS300 800HE以及IEEE 802.14。其中IEEE 802.14工作組於1994年最早成立，目標是制定在同軸電纜上傳輸數據的國際標準。但這一工作進展遲緩。於是1996年Arthur D. Little公司提出了電纜傳輸數據業務的接口規範(DOCSIS，Data Over Cable Service InterfaceSpecification)計畫，成立了由一部分北美有線電視網路運營商參加的多媒體電纜網路系統(MCNS，Multimedia Cable Network System)組織，它們代表北美電纜網路設備製造業，目標是迅速制定一套關於在HFC上Cable Modem的通信和運營的接口規範。1997年初DOCSIS1.0問世，它包括數據通信單元以及一些所需的運營和商業支持單元，如安全、配置、性能、網路故障和計費管理等單元。DOCSIS標準目前已成為CM生產的事實標準。為了適應歐洲的頻帶劃分現狀，MCNS還制定了相應的Euro DOCSIS，該標準在物理層以上部分的協定都是與DOCSIS一致的，僅在物理層的頻率劃分上有差異。到目前為止，全世界支持DOCSIS的CM設備製造商超過40家，支持DOCSIS的CMTS設備製造商已達十多家。歐洲的DVB/DAVIC也在進行相關標準的研究和制定，與IEEE 802.14標準組織相似，它們的著眼點在於音頻、視頻傳輸的服務質量保證方面，著重考慮如何把數據封裝成ATM的信元來
處理，核心的交換技術是採用ATM技術，因為ATM能保證所有業務的服務質量。ITU-T也在制定相關的標準，它是J.112建議，把DVB/DAVIC的ETS300 800、DOCSIS1.0/1.1分別作為該建議的附錄A和附錄B收入，增加了附錄C為日本的規範。ITU-TJ.Supp-1對應的是Euro DOCSIS。
Cable Modem系統的體系結構
DOCSIS標準的制定者，當初的主要目的是解決如何在前端與用戶端之間透明傳輸IP數據的問題，因此他們採用了許多已被套用於數據通信的標準。在DOCSIS中主要被採用的標準有:
IEEE 802.1 D Bridging
IEEE 802.2 / DIX
IEEE 802.3 / DIX
IEEE 802.3 10 Base-T
RFC-791
由此可見，DOCSIS的基礎是IP over Ethernet，當CMTS與CM之間一旦建立了連線並取得同步後，它們之間數據通信控制過程完全與乙太網一致。
從網路的分層觀點看，可建立如圖2所示的層次模型，其中，CMTS可以認為是用戶電纜網與骨幹網之間的第二層橋接器或第三層(網路層)的IP路由器，它負責將用戶的第二層或第三層數據發往骨幹網。
圖2 系統分層模型
為了保證數據的安全性，CMTS與CM之間通信的數據都在MAC層用56位字長的DES算法進行加密。
在物理層上，數據的處理流程如圖3所示，整個數據處理流程分為3個層次，第一層是對原始數位訊號進行加/解擾；第二層是對數據進行FEC編/解碼，實現傳輸過程中的錯誤校驗，第三層是對數據信號進行調製/解調，使其在模擬信道上進行有效的傳輸。模擬信道上的頻率分配如圖4所示，按照DOCSIS的規定，上行數據是在5至42MHz範圍內調製傳送，550MHz以上至750MHz為下行數據的調製傳送範圍，50至550MHz是留給現行的模擬電視廣播所用。按照現行的美國制式(NTSC)，每一電視頻道占6MHz，為此下行數據的調製頻寬都按6MHz來劃分。為了有效地避開信道中噪聲嚴重的頻段，DOCSIS採用了劃分多個子信道的方式，使上行數據可在多個子信道之間跳變。子信道的頻寬可被劃分為200kHz至3.2MHz，按工作時的信道干擾情況自動變化。一般情況下，信道管理系統要求人工預先設定一個頻寬上限，限制用戶的最大流量。
按照DOCSIS的規定，上行數據是採用QPSK或16QAM方式進行調製。對於2MHz頻寬的信道，如採用QPSK調製方式，數據的傳輸速率可達3Mbit/s。DOCSIS規定下行數據的調製方式為64QAM或256QAM。根據我國的電纜網路情況，目前大多數都是採用64QAM的調製方式。如果使用6MHz頻寬，那么64QAM調製後的數據傳輸率可達34Mbit/s。由於下行信道中傳輸的數據不完全是用戶數據，還有一部分是管理數據，因此對用戶而言，真正可用的數據頻寬沒有那么多，以CISCO 7246 CMTS為例，真正給用戶使用的頻寬只有27Mbit/s。
Cable Modem的典型套用系統結構如圖5所示。當用戶要傳送數據時，先通過PC向CM傳送數據，由CM將數據調製到上行的某個指定頻率，變換為RF信號向電纜傳送，經過HFC網路的傳輸，先到達光節點，然後被調製成光信號，通過光纖傳輸到有線電視前端。有線電視前端有光信號收/發機，用戶數據的調製信號被光收機接收後還原成RF模擬信號。濾波分配器將調製數據的RF信號分離出來，送到CMTS中進行解調，還原成數據，由路由交換設備交換到本地伺服器或骨幹網。遠程數據(包括來自網際網路、遠程伺服器等的數據)在前端中被路由交換設備交換到CMTS，由CMTS調製成中頻(IF)後送到上變頻器，變換到下行頻段(550MHz以上)的某一個頻率，經過混頻器將視頻信號與數據信號混合後，通過HFC網路傳送到每家每戶。在家中，用戶用CM接收數據，連線計算機等用戶設備進行數據處理。在前端本地，還有一個操作支持系統(OSS)，用於管理操作CMTS，通過OSS，管理者可以對CMTS進行各種運行參數的設定。
圖5 CableModem的典型套用系統結構
Cable Modem系統的工作原理
工作原理
CMTS與CM之間的通信是點到多點、全雙工的模式，下行的數據是由CMTS廣播的，即使是CM與CM之間通信，也是通過CMTS在下行通道內轉發的。由於每個CM都有一個固定的MAC地址，CM在初始化階段把自己的MAC地址告訴CMTS，然後由CMTS分配一個14bits的SID(Service ID)來惟一標識該CM。CMTS傳送的數據幀雖然是廣播的，廣播的數據可以被所有的CM接收到，但由於數據幀中含有標識某個CM的SID信息，因此只有通過解析得到與自己的SID一致的CM才可以真正接收該數據幀，其他的CM將丟棄該數據幀。
CM與CMTS之間通信的主要問題是在共享傳輸介質上如何避免數據衝突，以及不同的CM到CMTS之間的距離不同導致數據傳輸的延遲不同而引起的數據同步問題。
考慮到有線電視的電纜網路是樹型的結構，數據傳輸的介質是共享的，可能會發生介質共享的數據碰撞，於是DOCSIS標準的制定者在介質訪問控制層(MAC，Medium Access Control)協定設計上，借鑑了乙太網的載波幀聽多路訪問/衝突檢測(CSMA/CD，Carrier Sense MultipleAccess/Collision Detection)協定和令牌環網的Token-ring協定兩者的優點，設計成了混合的MAC層協定。CSMA/CD是乙太網的協定，它的特點是等待時間為零。當一個要傳送的節點探測到網路處於空閒狀態時，馬上就開始傳送自己的數據；當若干節點探測到網路處於占用狀態，就等待一個隨機時間再試行傳送。如果有兩個以上節點都探測到網路空閒時，可能會同時開始傳送，因此造成數據衝突。由於傳送的各方都有線上偵聽功能，這時各方都要後退等待，經過一個隨機的時間後，再重新傳送。如果要求傳送的節點很多，這種機制就會引發出等待時間、效率和公平的問題。而對於Token-ring協定，它在許多節點同時要求傳送時就會顯示它的優點。該協定本來是用於環形網上，在環網上傳遞一個“傳送”令牌繞行於環路上的各節點，每個節點都有公平的機會。但是當網路空閒時，效率就顯得很低，因為傳送數據的節點要等到令牌繞行一圈回到該等待傳送的節點時才能傳送。CM的MAC協定採納了兩種協定機制的長處：要上行傳送的CM，在網路發生擁塞時可以選擇在分配預留給它的時間內傳送；在網路並不繁忙時則可採用CSMA/CD機制競爭傳送。預留的時間長短可由CMTS分配。如果CM需要傳送成塊的數據檔案，CMTS就可以分配連續的較長的時間給CM。
DOCSIS標準把時間片劃分成一個個很小的時隙(Time Slot)，通過不同的時隙給不同的CM來控制傳送上行數據。每個上行信道可被看成是由mini-slot(微時隙)組成的時間流，mini-slot的長度可以是6.25µs×2(0<n≤7)，它可以預先設定，DOCSIS建議的長度是傳輸16個位元組所用的時間，當然，也可以有其他的選擇。DOCSIS把一個mini-slot定義為是預約的或是競爭的，一般情況下，CM在競爭的mini-slot內傳送頻寬的請求，隨後在CMTS為其分配的mini-slot內傳送用戶數據。當網路繁忙時，CM也可直接在競爭的mini-slot內競爭頻寬以求傳送數據。在競爭的mini-slot內傳送數據可能會產生衝突，一旦產生衝突，傳送的數據將是無效的，檢測到衝突的CM必須使用二進制後退算法，隨機等待若干時間後再試著傳送。
全部的mini-slot使用方式都在MAP的報文中加以描述，CMTS通過在下行通道中傳送MAP報文達到控制CM對共享介質訪問的目的。CMTS可根據CM的請求，給予不同的CM分配不同數量的、連續的mini-slot，最大可以持續幾十毫秒。CMTS根據網路的忙閒狀況來動態調整競爭或預留的mini-slot長度。圖44.16給出了mini-slot的分配情況，圖中有三種不同的mini-slot：① 給CM競爭傳送頻寬“請求”的mini-slot；在這段時間內，有數據要傳送的CM，可以傳送頻寬“請求”(Request)。但在這段時間內的傳送過程是以競爭方式完成的，有可能在這一時刻會有不止一個CM同時傳送。這時傳送的數據會產生衝突，導致傳送無效。同時傳送的CM檢測到衝突後，都會按二進制後退算法，隨機等待一個時間再傳送。②給CM傳送數據機會的mini-slot；這段時間內的mini-slot被分配給請求過頻寬的CM，並按照不同CM請求的不同數據量，分配給它們不同數量的mini-slot，用於傳送數據。某個CM將被指定使用這一其間的某一些mini-slot。③ 用於維護的mini-slot。這其間的mini-slot是給CMTS輪流查詢CM是否還保持活躍(KeepActive)狀態，如果處於不活躍狀態，那么CMTS就回收原先分配給它的SID;如果發現有剛加電的CM，就在下行通道傳送相關參數，以完成CM初始化的過程，包括分配給它SID。另外，在這其間，CMTS還要與CM校準時鐘，以保持數據的收發同步。上述的三種不同mini-slot的具體分配，由CMTS生產廠商自行確定算法，DOCSIS標準不具體規定分配算法。
不同距離CM對CMTS的同步
同軸電纜網上的CM都位於用戶端，它們到CMTS的距離是不同的，這種距離的差距將造成傳輸延遲的不同，使CMTS很難對CM傳送和接收數據進行同步。
為了解決這個問題，DOCSIS規定在CM初始化階段必須經過一個測距的步驟。當CM找到上行信道並鎖定後，首先收集上行信道參數，然後就向CMTS傳送一個測距請求信息(RNG-REQ，Ranging Request)，CMTS得到後就回復一個測距回響信息(RNG-RSP，Ranging Response)。當CM接收到測距回響後，根據回響信息指出的功率，調整信息和時間偏移信息。以後，為了保證與CMTS分配的mini-slot保持同步，CM就要提前一個延遲時間開始傳送數據。
下面通過一個例子來進一步說明。圖7示例了一個CM與CMTS對上行頻寬分配的協商過程。
圖7 上行頻寬分配的協商過程
① 在t1時刻：CMTS傳送一個MAP報文給CM，該MAP報文描述的頻寬分配的起始時間是從t3開始(提前通知CM在t3開始的頻寬分配方案)。
② 在t2時刻：CM接收到這個MAP報文，開始等待用於傳送請求的競爭mini-slot。
③ 在t4時刻：CM在競爭的mini-slot內傳送一個要求分配多個連續mini-slot的請求。選擇在t4時刻傳送請求是考慮到傳輸延遲的提前量，即t4至t6是傳輸延遲的時間，做了這樣提前後，CM發出的請求正好在t6時刻到達CMTS，符合CMTS在t2發布的頻寬分配的預告。
④ 在t6時刻：CMTS接收請求，並在下一個MAP中給予安排。
⑤ 在t7時刻：CMTS傳送下一個MAP報文，該報文描述的頻寬分配的起始時間是從t9開始，並告之該指定CM，為滿足它的請求而預留的mini-slot是從t11開始。
⑥在t8時刻：CM接收到MAP報文，開始等待分配給自己的預約mini-slot的到來。
⑦在t10時刻：CM開始傳送自己的數據。選擇t10傳送數據，也是考慮了傳輸延遲而提前的時間，保證CM傳送的數據正好在t11到達CMTS，符合CMTS在t7時刻預告的頻寬分配方案。
CM的初始化過程
CM在加電後，首先進入初始化過程。
① 與下行信道建立同步。
CM首先在下行頻段內掃描捕捉下行載頻信號，當鎖定下行頻率後就開始一系列的對話，獲得與QAM碼元時鐘、FEC幀和MPEG分組(如果存在的話)的同步，並正確識別CMTS傳送的SYNC同步信息。
② 獲得上行信道的參數。
同步建立後，CM要捕捉一個從CMTS發來的上行信道描述信息(UCD，Upstream Channel Descriptor)。在UCD中，給出了上行信道的使用參數，包括上行信道的ID，下行信道的ID，mini-slot的長度等。如果UCD中的參數確定該上行信道能被自己使用，那么就要從SYNC報文中取出CMTS的時間標記，即一個32位二進制計數器的狀態。如果UCD中的參數不確定該上行信道能被自己使用，那么CM就要等待一段時間。如果等待的時間到還不能確定自己能使用的上行信道，那就要重新掃描，再找另一個下行信道，重複①的過程。
在確定一個自己可使用的上行信道後，CM就要等待下一個SYNC，以取得數據傳送的同步。SYCN是一個32位二進制計數器的狀態，該二進制計數器是以CMTS的主頻10.24MHz為時鐘頻率計數的。在完成這一操作後，CM將等待接收一個MAP報文，以確定自己什麼時候能發請求信息或發正常數據，以及自己所能使用的上行信道的頻寬。
③ 測距。
完成上述操作後，CM就可以與CMTS進行通信了。這時CM要等待一個維護(maintenance)機會，在這個維護(maintenance)機會期間，CM用一個起始電平向CMTS發出測距請求(RNG-REQ)，等待校正應答(RNG-RSP)，得到應答後就校準各種參數(頻偏，時鐘等)。如果在設立的時間內得不到應答反應，就有可能是發出的起始電平太低，CM將以固定的步長增加電平，重複上述過程直到獲得測距回響。此外，CMTS也會在周期性出現的維護(maintenance)機會內，定時傳送測距請求，然後根據CMTS的回響作相應的參數調整，以保持CM與CMTS的物理通信處於最佳狀態。
④ 建立IP連線。
CM使用動態主機配置協定(DHCP)，從該協定的伺服器(DHCP伺服器)上獲取動態IP位址和一個包含配置參數檔案的檔案名稱、放置這些檔案的TFTP伺服器的IP位址、時間伺服器的IP位址等信息。
⑤ 建立TOD(可選)。
CM從時間伺服器中獲得當前的日期和時間。DOCSIS標準規定CM從時間伺服器上獲得參數的過程遵循RFC868的面向無連線協定。
⑥ 下載配置檔案。
完成以上操作後，CM必須從TFTP伺服器上下載參數配置檔案，取得各種運行參數，然後作相應的設定。
⑦ 向CMTS註冊登記。
CM向CMTS傳送註冊請求，包含其特定的信息，CMTS認可後就發出回響。
⑧ 密鑰同步
當配置檔案中加密開關被打開時，CM需要通過一系列的信息交換，最終與CMTS之間建立傳輸密鑰。以後，CMTS與CM之間的下行通信都會以該密鑰加密處理。
至此為止，初始化步驟全部完成，CM即進入正常的工作狀態。
