Кабельные модемы

Компьютерные технологии развиваются поразительно быстро. Еще недавно модемы, передающие данные со скоростью 28,8 Кбит/с, считались быстродействующими, а теперь таких скоростей уже явно недостаточно. Появились новые технологии, которые требуют более скоростного доступа во Всемирную сеть. Именно поэтому разработчики устройств связи ищут возможные способы увеличения скорости передачи данных по широко распространенным каналам. В этой статье речь пойдет об одной из таких технологий - кабельных модемах.

Как работают кабельные модемы

Идея использования существующих линий связи для передачи цифровых сигналов не нова. Именно так работает обычный модем, который передает информацию по телефонной линии. Но возможности такой связи ограниченны, и это заставляет провайдеров Internet искать новые пути к домам своих клиентов.

Если посмотреть, сколько кабелей подходит к каждой отдельной квартире, то можно заметить, что их обычно три: силовой (220 В), телефонный и телевизионный. Силовую сеть использовать трудно. Возможности телефонной линии уже исчерпаны. Остается телевизионный кабель. Но как его использовать?

Передавать данные по телевизионным каналам - хорошая идея, но для полноценной работы в Internet необходима обратная связь между пользователем и станцией. А ее-то и нет. Однако телевизионные сигналы распространяются не только по воздуху, но и через кабельную сеть. Кабельное телевидение может быть хорошей средой для передачи цифровой информации. Эта идея и лежит в основе технологии кабельных модемов.

Кабельное телевидение

Станция кабельного телевидения получает и обрабатывает различные сигналы - радиопередач, спутниковых программ и передач местных телевизионных студий. Телесигналы - это электромагнитные импульсы, или волны, и они занимают отведенное им место в частотном спектре. Для распространения телесигналов необходим некоторый носитель, по которому они проходят от станции к телевизорам клиентов. Сигналы обычного телевидения могут передаваться по воздуху на разных частотах и распространяться по системам кабельного телевидения, в которых используются специальные кабели - коаксиальные или оптоволоконные.

Каждый телевизионный сигнал передается по кабелю на своей частоте (набор таких несущих частот и создает спектр телевизионных каналов), поэтому кабельное телевидение имеет свой собственный частотный спектр. Таким образом, можно смотреть телепрограммы даже там, где невозможно принимать сигнал через эфир. Станция кабельного телевидения получает различные телепрограммы со спутников или телестанций и передает их по кабелю в дома клиентов.

Типичная система кабельного телевидения состоит из пяти основных элементов:

• станции,
• кабельной магистрали,
• локальных кабельных сетей, которые прокладываются в каждом доме или офисе,
• отвода, соединяющего магистраль с локальными кабельными системами,
• оборудования, которое принимает сигналы кабельного телевидения, т. е. бытовой электроники.

Большая кабельная магистраль обычно проходит через весь город. Кабельные отводы, которые имеют меньший диаметр, передают сигналы из магистрали в локальную кабельную сеть, "пронизывающую" жилые и производственные здания. Когда клиент хочет подключиться к кабельному телевидению, работники станции прокладывают в его дом кабель от ближайшего отвода и подключают к телевизору. Если телевизор не может принять все закупленные каналы из-за несовместимости кабелей или кодировки сигналов, то между кабельной сетью и телевизором устанавливается специальный конвертор. Такая организация сети, называемая "древовидной с отростками", позволяет наиболее эффективно и экономично передавать весь набор телепередач от станции к клиентам.

Кабельные модемы

Кабельные модемы располагаются между кабельной сетью и компьютером, выполняя функции различных устройств: модема, телестанции, шифратора-дешифратора информации, моста, маршрутизатора, сетевого адаптера, SNMP-агента и даже концентратора Ethernet. Однако такое устройство все равно остается модемом, поскольку прежде всего оно МОдулирует и ДЕМодулирует сигналы.

Обычно передача и прием информации с помощью кабельного модема осуществляется разными способами. При передаче информации от станции к кабельному модему (downstream) цифровые данные модулируются стандартной для телевизионных сигналов частотой (6 МГц), на которую накладывается несущая частота (от 42 до 750 МГц). Такой сигнал передается кабельной системе вместе с сигналами кабельного телевидения и не мешает телепередачам. Есть несколько схем модуляции, но наиболее популярны из них две - QPSK (обеспечивает скорость передачи 10 Мбит/с) и QAM64 (до 36 Мбит/с).

Обратный сигнал от модема к станции (upstream) передавать сложнее. Это связано с тем, что в обычной дуплексной кабельной сети обратный сигнал может передаваться на частотах от 5 до 40 МГц. Такому сигналу могут помешать радиошумы и радиопередачи, а также неподключенная антенна или плохое соединение коаксиальных кабелей. Поскольку кабельная сеть имеет древовидную форму, все шумы из всех ответвлений собираются вместе и препятствуют распространению обратного сигнала.

Большинство производителей планирует использовать QPSK или аналогичную схему модуляции для передачи в прямом направлении, поскольку этот метод лучше подходит для сильно зашумленной окружающей среды, чем высокочастотные методы модуляции. Недостаток же

QPSK очевиден - более низкая скорость передачи, чем при использовании схемы модуляции QAM. Если кабельная сеть не может передать обратный сигнал (это случается из-за плохих проводов и качества соединений), то это можно сделать с помощью телефонного кабеля или ISDN.

Кабельный модем работает как приемник и передатчик телевизионных сигналов. Импульсы от станции по коаксиальному кабелю поступают в кабельный модем, который передает их компьютеру или в локальную сеть. Есть несколько методов подключения модема к компьютеру. Самый распространенный из них - технология Ethernet 10BaseT. В этом случае модем имеет встроенный адаптер Ethernet, который подключается к локальной сети или компьютеру. Естественно, на персональном компьютере также должен быть установлен адаптер Ethernet и программное обеспечение, обслуживающее протокол TCP/IP. Установка кабельного модема внутри компьютера, возможно, обошлась бы дешевле, но для этого необходимо разработать набор плат для всех существующих платформ.

Асимметричная архитектура

Две архитектуры кабельной сети прошли полевые испытания на скорость передачи данных. Это симметричная и асимметричная архитектуры.

В случае симметричной архитектуры оба сигнала - прямой и обратный - передаются по одному кабелю. Чтобы разделить прямой и обратный сигналы, их необходимо передавать в различных диапазонах частот. Из-за этого прямая и обратная передачи происходят с разными скоростями. Стандартная симметричная архитектура имеет и другие недостатки, которые будут рассмотрены ниже. Поэтому некоторые фирмы, выпускающие кабельные модемы, используют для своих устройств асимметричную архитектуру кабельной сети. Обе системы - симметричная и асимметричная - могут хорошо дополнять друг друга. Как только симметричные сети станут доступными и дешевыми, асимметричная архитектура постепенно превратится в симметричную. Однако это произойдет еще не скоро. Какой же архитектуре отдать предпочтение?

Передача информации по кабельным сетям может использоваться для различных целей. В промышленности, где кабельная сеть создается самим предприятием для пересылки информации, разумно использовать симметричную архитектуру, поскольку в этом случае скорость обратной и прямой передачи одинакова. Для существующих модемов она составляет примерно 10 Мбит/с (LANcity), т. е. сопоставима со скоростью передачи в Ethernet.

Для подключения домашнего компьютера к Internet или другой глобальной сети, видимо, придется использовать асимметричную архитектуру. Существующая кабельная сеть, к которой можно подключить домашний компьютер, предназначена для телевизионных сигналов и не позволяет передавать обратный сигнал с достаточно высокой скоростью. Обычно пользователи домашнего компьютера используют связь с Internet для доступа к WWW и телеконференциям, а для этого требуется передача большего количества данных от станции к пользователю, а не наоборот. Чтобы получать графические, звуковые и видеофайлы из Internet, требуются большие скорости передачи от станции к клиенту. Выполнение же URL-запросов или передача электронной почты не порождают большого потока данных от пользователя к станции. Поэтому передачу обратного сигнала можно выполнять с меньшей скоростью, например по телефонной линии.

Преимущества кабельных модемов

Популярность интерактивных услуг глобальных сетей возросла необычайно. В 1994 г. Internet использовали 30 млн людей, к концу 1995 г. их стало уже 100 млн, а к 1998 г. прогнозируется увеличение количества пользователей глобальных сетей до 300 млн. Для обеспечения всем этим пользователям полноценного доступа к Internet потребуются высокоскоростные средства передачи цифровых сигналов. Именно таким средством и является кабельный модем, поэтому эта технология имеет прекрасные перспективы, ведь ее можно использовать для высокоскоростного доступа к Internet из дома, школы или офиса.

Использование кабельных модемов имеет следующие преимущества:

• скорость,
• гибкость,
• масштабируемость,
• различные варианты архитектур,
• поддержку различных протоколов.

Скорость

Интерактивный доступ с помощью кабельных модемов даст возможность пользователям персональных компьютеров загружать информацию из Internet в тысячи раз быстрее, чем при использовании самых современных телефонных модемов. В течение 1-2 с пользователь сможет загрузить данные, которые по телефонной линии сегодня грузятся 20 мин. Кабельный модем ускоряет передачу информации с 28,8 Кбит/с (обычный модем) до 10 Мбит/с. Компании, выпускающие кабельные модемы, сейчас разрабатывают устройства, которые будут передавать информацию со скоростью 30 Мбит/с. Это в 1000 раз быстрее, чем скорость передачи обычного телефонного модема. Для сравнения скоростей различных типов линий связи приведем следующую таблицу.

Таблица 1.
Время, за которое различные модемы могут передать файл размером 10 Мбайт.

Гибкость

Кабельный модем можно подключить к Internet различными способами. Это позволяет клиенту выбрать оптимальный для себя вариант. Есть несколько способов передачи сигнала, которые учитывают существующую инфраструктуру. Клиент может воспользоваться всеми вариантами прямой и обратной передачи сигнала.

Прямая передача может выполняться:

• по кабельной сети,
• в радиодиапазоне.

Для передачи обратного сигнала можно использовать:

• кабель,
• телефонную линию,
• ISDN,
• выделенную линию,
• радио.

Естественно, здесь идет речь о несимметричной архитектуре, которая лучше всего может использовать уже существующие коммуникации.

Масштабируемость

Кабельные модемы позволяют провайдерам Internet легко увеличивать количество клиентов. Для этого достаточно проложить кабель от помещения клиента к ближайшему отводу от магистрали. А если прямой и обратный сигналы передаются по разным каналам, то все можно организовать еще проще. Например, пользователь принимает радиосигналы, а обратные сообщения передает по телефонной линии. Кроме того, цифровая информация может передаваться даже по непригодным для теле- и видеосигналов каналам.

Выбор архитектуры

Для передачи сигналов по кабельным сетям можно воспользоваться различными каналами. Как уже было сказано, есть два варианта подключения кабельного модема к внешнему миру - с помощью симметричной и несимметричной архитектуры кабельной системы.

Симметричная архитектура имеет ряд существенных недостатков, ограничивающих ее применение.

• Устанавливать высокоскоростную связь через симметричную кабельную сеть сложно и дорого, так как обратная передача сигнала выполняется неэффективно.
• Прямая передача сигнала сильно влияет на обратную, поскольку вся информация передается по одному каналу.
• Маршрутизация и безопасность рассматриваются как внешние элементы системы.
• Именно поэтому производители кабельных модемов отдают предпочтение несимметричной архитектуре, которая обладает следующими преимуществами.
• Широко используется в беспроводных сетях, поскольку обратную связь со станцией часто приходится выполнять с помощью телефона или ISDN.
• Можно создать канал с минимальной разницей скоростей прямой и обратной передачи сигнала.
• Минимальные требования к обратной передаче информации.
• Разделение прямого и обратного каналов передачи дает возможность использовать существующее оборудование для передачи данных от станции к пользователю.
• Несимметричные системы могут быть построены достаточно быстро, поскольку уже есть необходимая инфраструктура кабельного телевидения и телефонной сети.
• Гибридная архитектура с раздельными каналами для прямой и обратной передачи сигнала может обеспечить различные способы и скорости передачи информации.
• Несимметричная архитектура обеспечивает хорошую настройку системы на изменение внешних условий, оставаясь при этом надежной и недорогой.

Следует отметить, что пользователи часто получают значительно больше информации, чем отправляют сами. В этом случае целесообразно использовать несимметричную архитектуру.

При передаче информации с помощью кабельных модемов используются стандарты физического (PHY) и MAC-уровня, поэтому поверх них смогут работать все протоколы, которые используются в Internet.

Проблемы кабельных модемов

Перед внедрением любой новой технологии необходимо решить ряд задач, которые могут быть не только техническими, но и экономическими или организационными. Это же относится и к кабельным модемам. Здесь возникают следующие проблемы.

Управление сетью. Провайдеры должны постоянно контролировать работу кабельной сети и правильно управлять ею.

Технические проблемы. Фирмам-производителям кабельных модемов придется разработать надежную архитектуру, обеспечивающую совместимость кабельных сетей различных провайдеров и согласовать стандарты передачи сигналов по ним.

Шифрование данных. Для кабельной сети, которая может быть подключена к любому зданию в городе, важно сохранить конфиденциальность данных. Для этого, видимо, необходимо использовать специальные устройства для шифрования сигнала или данных.

Удобство использования. Кабельный модем должен иметь различные полезные свойства, например контроль скорости передачи, поддержку нескольких компьютеров или даже локальной сети, возможность определения своего места в сети и так далее.

Различные методы обратной передачи. Небольшим компаниям, которые будут предлагать услуги для доступа к Internet через кабельное телевидение, по-видимому, не удастся обеспечить в своих сетях двусторонний доступ. Их клиенты смогут получить доступ к Internet с помощью несимметричной архитектуры сети, т. е. обратный сигнал будет передаваться по телефону.

Стоимость. Цена кабельного модема должна быть сопоставима с ценой высокоскоростного телефонного модема, т. е. составлять около 300-400 дол.

Арендная плата за использование модема для доступа к Internet, естественно, будет зависеть от провайдера.

Применение кабельных модемов

Для руководителя организации, которая собирается предоставлять услуги по установке и эксплуатации кабельных модемов, важно определить потребность клиентов в высоких скоростях передачи данных. Для чего же могут потребоваться кабельные модемы?

Скоростной доступ ко "Всемирной паутине"

Появляются новые технологии на основе World Wide Web, такие как язык Java, с помощью которого можно писать приложения для Internet. Этот язык позволяет включать в документы HTML сложные изображения и мультипликацию. Разрабатываются различные протоколы, предназначенные для передачи по WWW звуковых сообщений и видеоклипов. Приобретает популярность и еще одна новая технология - язык моделирования виртуальной реальности (VRML), - с помощью которой можно передавать трехмерные графические изображения. Такие технологии будут требовать больших скоростей передачи данных на персональный компьютер пользователя.

Следует отметить, что обмен информацией во всех этих случаях несимметричен: от пользователя поступают только небольшие команды, а из Internet - огромный поток информации. Поэтому для доступа к Internet можно использовать несимметричную архитектуру кабельной сети.

Работа дома

Программное обеспечение, которое используется для работы на дому, требует быстродействующих линий связи с Internet или с центральным офисом фирмы, где работает служащий. Сегодня многие служащие частично или полностью выполняют работу дома. Для домашней работы часто используется компьютер, оснащенный факсом, сетевой платой и принтером. Могут потребоваться и дополнительные телефонные линии или даже ISDN. Имеющие все это оборудование служащие могут легко управлять своими делами из дома или приносить домой срочную работу. Их называют надомниками (Work-At-Home - WAH) или служащими с домашним офисом (Small Office / Home Office - SOHO).

WAH- и SOHO-служащие - это те, для кого, в основном, предназначена новая технология кабельных модемов. Заметим, что у них часто уже есть линия связи с Internet, которая, правда, оставляет желать лучшего. Для них необходима технология, обеспечивающая гораздо большие скорости передачи данных.

Мелкий бизнес

Небольшие фирмы имеют серверы для удаленного доступа, сканеры, принтеры, факсы и различные устройства для доступа ко Всемирной сети. Количество таких мелких фирм постоянно растет. В 1995 г. компании с числом служащих менее 100 человек создали почти две трети всех рабочих мест, а фирмы, в которых трудятся 10 тыс. служащих и более, предоставили только 3 процента новых вакансий. Маленькие фирмы занимаются различными видами деятельности - от высокотехнологичного производства, в котором, например, занято 80 служащих, до консультационных фирм с тремя специалистами. Такие фирмы могут успешно конкурировать с крупными предприятиями, так как быстрее перестраивают свою работу и предоставляют своим клиентам новые технологии и услуги. Для работы этих предприятий важна высокоскоростная связь с Internet, и поэтому они нуждаются в кабельных модемах.

Intranet

Для построения корпоративных интрасетей также нужны высокоскоростные каналы связи, так как филиалы компании должны иметь доступ к хранящейся в центральном офисе информации. Ожидается бурное развитие рынка intranet, который может достигнуть в 1999 г. ежегодного оборота в 13 млрд дол. По оценкам экспертов, этот рынок будет развиваться значительно быстрее, чем рынок услуг Internet. Построение intranet вызовет серьезные проблемы, если канал связи между ее сегментами будет медленным. Здесь также могут быть использованы кабельные модемы, которые позволяют развивать достаточно большие скорости.

Образование

Некоторые университеты в Соединенных Штатах предлагают студентам проходить обучение по специальным программам с помощью удаленного доступа через Internet. Правда, в России такие курсы находятся только на стадии разработки. Благодаря этому способу обучения студенты могут сэкономить время и деньги, приобретая новые знания на расстоянии. Компьютерные курсы помогают служащим коммерческих фирм быстро и эффективно приобретать новые знания и навыки. Это позволяет компаниям иметь более компетентный персонал и квалифицированные кадры. Иногда университеты предлагают обучающие программы, которые распространяются по телевизионным кабельным системам. По этим программам уже обучается более 10 тыс. зарегистрированных студентов, и потребность в такого рода обучении будет увеличиваться.

Видеоконференции

Видеоконференцсвязь развивается достаточно бурно. Обычно видеоконференции проводятся в специально оборудованных комнатах, где их участники могут ознакомиться с обсуждаемыми материалами и иметь визуальный контакт со своими коллегами. Первые системы для видеоконференций были настолько дороги, что только очень большие компании могли их использовать. Кабельные модемы позволяют существенно уменьшить стоимость таких систем. Настольная видеоконференцсвязь с помощью кабельных модемов позволит людям организовывать дома такие конференции с помощью достаточно дешевого оборудования - небольших видеокамер, специального программного обеспечения и устройств кодирования-декодирования.

Недавно были разработаны продукты, с помощью которых можно сжимать видеоизображения и посылать их по обычным телефонным линиям со скоростью от 4 до 12 кадров в секунду. В июне 1996 г. фирма Intel представила оборудование, которое использует процессоры Pentium и специальное программное обеспечение для сжатия видеоизображения и передачи его по телефонным линиям. С появлением кабельных модемов эти технологии смогут существенно продвинуться вперед, так как обратный канал передачи модема может иметь небольшую скорость.

Интерактивные видеоигры

С ростом популярности Internet появилась и распространилась новая модель интерактивной игры. Популярная игра DOOM, которая принесла своим разработчикам доход в 50 млн дол., теперь может быть загружена через Internet. Игры становятся трехмерными и все больше используют звуковые эффекты. С развитием Internet появляется возможность для тесного взаимодействия удаленных игроков и для более совершенного звукового и графического оформления игрушек. Это требует увеличения скорости передачи данных, а именно с этой задачей и может справиться кабельный модем.

Таблица 2.
Сравнительные характеристики кабельных модемов.

Увеличение скорости обмена информацией, которое обещает технология кабельных модемов, может повлиять почти на все области человеческой деятельности. Кабельное телевидение всегда было предназначено для развлечений, поэтому логично использовать его и для распределенных компьютерных игр. Но кабельный модем позволяет использовать развлекательные системы для работы и для делового общения, для обучения и лечения. Границы этой новой технологии еще трудно определить, но уже ясно одно: кабельный модем впустит Internet в каждый дом.