CableModem的介绍以及技术讲解-不要分.doc

Cable Modem的介绍以及技术讲解2010-06-17 20:4344.1 Cable Modem 44.1.1 CATV简介 在宽带接入方案中，有一种方案是利用现有CATV有线电视网络进行数据传输。有线电视运营商在封闭的同轴电缆中建立了一个部分无线电频率(RF)谱。在整个CATV系统中包含了5个组件：头端，中继电缆， 邻接中的分布电缆，分接电缆和终端设备。这样的结构我们一般将其称为HFC结构。在CATV行业使用大约5MHz和1GHz之间的一部分电磁波频谱。如下图所示，有线电视网络可以在同一电缆上同时的双向传送信号，到用户的出频率和RF频谱通常占据50MHz到860MHz，入频率则在5MHz到42MHz。下行链路被分成6MHz, 7MHz和8MHz的信道，CATV频谱被有线电视行业定义如下： 电视频道2到16上的VHF高波段(lowband) 电视频道98，99，14到22上的VHF中波段(midband) 电视频道7到13上的VHF高波段(highband) 电视频道23到36上的VHF超波段(superband) 电视频道37及以上的VHF超高波段(hyperband)上行链路工作在5MHz到42MHz范围内，没有频率规划， 但通常5至15MHz间的区域是吵杂而不能使用的。电缆数据传输服务接口规范(DOCSIS)定义了有线电视可以使用的数字信号特定带宽为200kHz/400kHz 800kHz/1.6MHz和3.2MHz.DOCSIS基于NTSC规范。对于欧洲和中国，由于采用PAL，则使用Euro-DOCSIS规范。 DOCSIS1.0定义了第一个标准， DOCSIs1.1定义了部署端到端质量的VoIP分组电缆标准， DOCSIS2.0定义了30Mbit/s的上行链路。Cable Modem从下行的模拟信号中划出6MHz频带，将信号转化为符合以太网协议的格式，与电脑实现通讯。用户需要给电脑配置以太网卡和相应的网卡驱动程序。同轴电缆中的6MHz频带用于提供数据通讯。电视和电脑可以同时使用，互不影响。射频信号在用户和前端之间沿同轴电缆上行或下行。上行和下行信号共享6MHz频带，但是调制在不同的载波频率上，以避免相互干扰。下行通道的频率范围为88860MHz，每个通道的带宽为6MHz(NTSC 6 G-MHz， PAL 8MHz)，采用64QAM或256QAM调制方式，对应的数据传输速率为30342Mbit/s或42884Mbit/s。上行通道的频率范围为565MHz，每个通道的带宽可为200、400、800、1600、3200kHz，采用QPSK或16QAM调制方式，对应的数据传输速率为3205120Kbit/s或64010240Kbit/s。上行通道的带宽可根据所需的数据传输速率设定。在同样的带宽内，QPSK调制的速率比16QAM调制方式低，但其抗干扰性能好，适用于噪声干扰较大的上行通道，而16QAM调制适用于信道质量好且要求高速传输数据的场合。在CMTS设备中，为了减小上行通道的干扰，一个下行通道一般对应多个不同频率的上行通道，CMTS设备根据信道的噪声状况自动跳频到干扰较小的通道，而用户察觉不到该跳频过程。媒体通路控制层MAC(Media Access Control Layer)和逻辑链接控制层LLC(Logical Link Control Layer)这两个协议层规定了不同信号和用户怎样共享公共带宽。由于目前还没有统一的行业标准，故不同的Cable Modem厂家采用不同的协议，较常见的协议有：用于以太网的公共CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，载波复用通路/冲突检测)和ATM(Asynchronous Transfer Mode，异步传输模式)协议。这些协议都可以有效地使用上行通道，可以根据需要分配带宽，保证通讯质量。44.1.2 Cable Modem工作流程 Cable Modem通过电缆调制解调器终端系统(CMTS)进行参数配置和链路建立，CMTS主要定义了上行频率，下行调制方式，下行电平等参数。下行频率在指定的频率范围内可以任意设定，但为了不干扰其它频道的信号，应参照有线电视的频道划分表选定在规定的频点上。调制方式的选择应考虑信道的传输质量。此外，还必须设置DHCP、TFTP服务器的IP地址，CMTS的IP地址等。CMTS的下行输出电平为110121dB V，接收的输入电平为4486-dB V；Cable Modem接收的电平范围为4575dB V；上行信号的电平为68118dB V(QPSK)或68115dB V(16QAM)。上下行信号在经过HFC网络传输衰减后，电平数值应满足这些要求.CMTS设备中的上行通道接口和下行通道接口是分开的，使用时需经过高低通滤波器混合为一路信号，再送入同轴电缆。在实际使用中，也可用分支分配器完成信号的混合，但对CMTS设备内部的上下行通道的干扰较大。Cisco CMTS平台包括uBR7200、uBR7246 VXR，uBR7100和 uBR10000系列路由器。Cable Modem工作流程如下： 1. 初始化和注册过程：Modem通电后，扫描并锁定下行路径中的RF数据通道； 2. MODEM读取下行路径中特定的维护信息，这些信息指出了如何、在什么地方、何时通过上行路径进行通信。 3. MODEM与CMTS通信，以建立第1层和第2层连接。 4. MODE向DHCP服务器请求IP地址和配置信息，要给MODEM提供IP地址，DHCP服务器必须支持RFC2131，然后MODEM请求一个内部IP地址(通常是有线电视运营商使用的私有地址，用于测试和诊断)，供自己使用。 5. MODEM向TFTP服务器请求DOCSIS配置文件，这是由专门的DOCSIS编辑人员创建的ASCII文件。为处理MODEM的请求，TFTP服务器必须支持RFC1350。 6. MODEM向CMTS注册，以协商并确保QoS。 7. 初始化完成，其下游的PC可以向DHCP服务器请求自己的IP地址，这是全局IP地址，被分配给与MODEM相连的PC或CABLE Modem工作在指定的带宽，基于DOCSIS.44.1.3 Cisco Cable解决方案 Cisco Cable Modem解决方案如下：在用户接入方面，Cisco提供了uBR 925、uBR924、CVA124、uBR905 系列产品，而在国内更多使用其它厂商的DOCSIS兼容的CM产品。Cisco uBR925为DOCSIS 1.1标准Modem，并内置DHCP服务器，可以为 内网用户动态分配IP，同时在905的基础上加入了两个RJ11接口，使得uBR925可以支持传真收发及IP电话功能，针对HFC网络容易搭线偷听的缺点， uBR925还实现了基于硬件的IPSec VPN功能。 在新收购的Scitific Altlanta公司，也提供众多的CM产品支持。低端的Linksys产品线也提供CM产品线。在CMTS端，Cisco提供了uBR7200、uBR7246 VXR，uBR7100和 uBR10000系列路由器。 在一些用户相对较少的运营商可以使用相对低廉的uBR7100系列路由器，7100系列最多支持2000个CableModem用户的接入同时使用集成的NPE-175处理器，内置2个10/100M以太网卡，同时可以有选择的支持串口，HSSI以及ATM等广域网接口卡，它是Cisco的第一款CMTS产品，可以同时支持DOCSIS1.1和Euro-DOCSIS某些场合.也可以使用Cisco uBR7200系列产品， uBR7200采用Cisco 7200系列路由器成熟的架构，支持NPE-400等更快速的路由处理引擎。同时支持MPLS -VPNs以及Cable Manager2.0等功能。该系列一共有3个型号分别为uBR7223/uBR7246和uBR7246VXR。7200系列支持10000个用户的CableModem接入。uBR7200系列和后续的uBR10012支持多种RF线卡，从最初的MC11线卡到MC12/MC14/MC16到现在的MC28线卡。早期的MC28C系列仅支持DOCSIS1.1标准，而升级后的MC28X可以支持DOCSIS2.0以及Euro-DOCSIS标准。Cisco uBR10012 通用宽带路由器能满足大型有线电缆头端或者分布集中器的容量、功能和复杂性要求。Cisco uBR10012能够提供现有 CMTS产品中最高水平的服务可用性和功能。它能通过分布式、集中式和并行处理，实现统一、实际的高性能。 Cisco uBR10012 已经通过了 CableLabs的检验，符合 PacketCable 1.1、DOCSIS 1.0 和1.1规范。该产品还通过了 tComLabs的检验，符合 EuroDOCSIS 1.0和1.1规范，该产品还能支持高级模式DSG。8个用于有线电缆线卡的插槽；4个用于局域网/广域网接口的插槽； 2个用于性能路由引擎(PRE)的插槽；2个用于计时、通信和控制附加(TCC+)模块的插槽。最高的密度和容量： 5000-64000 个用户。在uBR10012背部支持8个RF卡插槽，同时还可以支持4个LAN/WAN线卡以及2块Unity Card。如右图所示。左端8块用于RF线卡的接入。右端下方用于WAN/LAN线卡。右端上放用于Unity Card.如上图所示，uBR10012前面板拥有2个插槽，用于PRE性能优化引擎插入(如左图所示)。它是整个系统的路由及转发引擎，同时用于Cisco IOS的加载。它主要用于提供交换服务引擎，使uBR10012可以基于ASIC的包转发以及队列管理，同时提供热备份以及其他特性。uBR10012还支持新型的Cisco 5x20U宽带处理引擎(BPE)，该卡支持卡内的包处理功能，同时提供了更大的Cable接口密度。该卡同时支持DOCSIS1.1和DOCSIS2.0标准，也支持Euro-DOCSIS标准在冗余性方面，10012系统内置冗余双电源，同时可以支持8块线卡中，7块在线，剩下一块作为备份线卡的功能，对于7200系列，则可以使用多台7200进行备份的功能，为了实现CMTS的备份，Cisco拥有RF 3x10系列交换机实现该功能，RF 3x10拥有多达250个MCX接口，可以同时为uBR7200和uBR10012系统进行备份，它超过PacketCable可用性要求，同时建立一个完全冗余、没有单点故障的 CMTS。44.1.4 Cisco CMTS配置 一个常见的CMTS系统需要配置上行和下行线路的相关参数，同时需要配置一个DHCP服务器，并制定相应的TFTP服务器，为CM提供TFTP下载配置文件的服务，CMTS将路由器来的帧封装成MPEG-2 TS帧，经过QAM调制后发送到CM，同时将CM发送来的QPSK调制的数据进行解调，再转换为标准的以太网帧，或ATM信元传送给路由器。一个简单的Cable Modem系统如下：1配置上行链路： 首先需要配置上行通道的频率，通常选择较高的频率以避免噪音干扰。 Router(config)#interface cable 3/0 Router(config-if)#cable upstream 0 frequency 39000000 然后配置上行通道的输入功率，uBR系列路由器可以控制CM的输出功率，使其满足上行通道的输入功率要求，在调整上行通道的输入功率时要求30s间隔内功率调整小于5dBmV。 Router(config-if)#cable upstream 0 power-level dBmV 此后需要设置上行通道带宽 Router(config-if)#cable upstream 0 channel-width 3200000 上行通道带宽可以设置为200Khz/400Khz/800Khz/1600Khz/3200Khz 最后我们需要激活上行链路 Router(config-if)#no cable upstream 0 shutdown 由于Cable容易受杂音等其他信号干扰，所以还需要在上行链路中配置跳频(frequency-hopping)功能,跳频功能使用使用Spectrum-group功能 Router(config-if)#cable spectrum-group group-number time day hh:mm:ss frequency upstream-frequency dBmV 配置方式如下： Router(config)#cable spectrum-group 20 frequency 29000000 Router(config)#cable spectrum-group 20 frequency 33000000 Router(config)#cable spectrum-group 20 frequency 35000000 Router(config)#cable spectrum-group 20 frequency 39000000 Router(config)#interface cable 3/0 Router(config-if)#cable upstream 0 spectrum-group 20 由于CMTS担任了提供DHCP服务，TFTP以及ToD服务器等功能，所以还需要在上行接口上配置帮助地址 Router(config-if)#cable help-address 验证配置如下： Router# show controllers cable5/0 u0Cable5/0 Upstream 0 is up Frequency 24.016 MHz, Channel Width 1.600 MHz, QPSK Symbol Rate 1.280 Msps Spectrum Group is overridden SNR 33.2560 dB Nominal Input Power Level 0 dBmV, Tx Timing Offset 2288 Ranging Backoff automatic (Start 0, End 3) Ranging Insertion Interval automatic (60 ms) Tx Backoff Start 0, Tx Backoff End 4 Modulation Profile Group 1 part_id=0x3137, rev_id=0x03, rev2_id=0xFF nb_agc_thr=0x0000, nb_agc_nom=0x0000 Range Load Reg Size=0x58 Request Load Reg Size=0x0E Minislot Size in number of Timebase Ticks is = 8 Minislot Size in Symbols = 64 Bandwidth Requests = 0xFE Piggyback Requests = 0xD Invalid BW Requests= 0x2 Minislots Requested= 0x2963 Minislots Granted = 0x2963 Minislot Size in Bytes = 16 Map Advance = 4000 usecs UCD Count = 32964 DES Ctrl Reg#0 = C000C043, Reg#1 = 02配置下行链路： 配置下行通道需要激活下行通道的载波，同时需要设置下行通道射频载波的中心频率，并且设置MPEG帧格式，同时设置下行通道的调制方式和交织深度。 首先配置下行通道中心频率，频率范围540MHz1000Mhz Router(config-if)#cable downstream frequency 69000000 配置下行信号调制方式，可以选择64qam/256qam Router(config-if)#cable downstream modulation 64qam 配置交织深度,可选参数8/16/32/64/128 Router(config-if)#cable downstream interleave-depth 32 同时还须设置MPEG帧格式 Router(config-if)#cable downstream annex B 然后还需设置下行RF输出的功率 Router(config-if)#cable downstream rf-power 55 此后开启CMTS上射频输出功能 Router(config-if)#no cable downstream rf-shutdown 最后启用Cable接口 Router(config-if)#no shut 3配置TFTP和DHCP 首先需要将TFTP会话数目设置成为无限制 Service udp-small-servers max-servers no-limit Cisco uBR系列路由器可以配置CM配置文件 cable config-file platinum.cm service-class 1 max-upstream 1000 service-class 1 guaranteed-upstream 100 service-class 1 max-downstream 10000 service-class 1 max-burst 1600 cpe max 10 timestamp 如上配置文件表示：最大上行带宽是1Mbps， 保证的上行是100Kpbs，最大下行带宽是10Mbps，并且允许30个CPE 设备连接到此。 同时也需要配置不允许与CM连接的用户端设备接入网络，但CM仍然在线的功能 cable config-file disable.cm access-denied service-class 1 max-upstream 1 service-class 1 max-downstream 1600 service-class 1 max-burst 1600 cpe max 1 timestamp DOCSIS的配置文件也可以由Cisco DOCSIS CPE Configrator来生成 DHCP服务器配置如下： ip dhcp pool cm-platinum network bootfile platinum.cm next-server default-router option 7 ip option 4 ip lease 7 0 10 其中option 7代表日志服务器，option 4代表ToD服务器，lease为租期，设置时间为7天零10分钟。此后还要配置与CM相连的主机地址池，也就是Cable Modem后端主机所使用的ip地址 ip dhcp pool host network next-server default-router domain-name dns-server lease 7 0 10TFTP服务器可以直接在DHCP配置中指定外部TFTP服务器，也可以在CMTS上配置，路由器内置TFTP服务器配置如下，首先需要将配置文件拷贝到路由器中，然后配置TFTP服务器 tftp-server slot0:silver.cm alias silver.cm tftp-server server 最后，我们还需要通过使用静态路由，或者路由协议，将所有的Cable接口和CMTS出口连通。 4检验配置 通过show cable modem可以看到在线的Modem 7246VXR#show cable modem Interface Prim Online Timing Rec QoS CPE IP address MAC address Sid State Offset Power Cable4/0/U0 75 online 2290 0.00 5 1 0010.7bed.9b23 Cable4/0/U0 76 online 2809 0.00 5 0 0002.fdfa.0a63 Cable4/0/U0 77 online 2288 0.25 5 1 0010.7bed.9b45 Cable4/0/U0 78 online 2810 0.50 5 0 0004.2752.ddd5 Cable4/0/U0 79 online 2813 0.25 5 0 0002.1685.b5db Cable4/0/U0 80 online 2812 -0.50 5 0 0001.64ff.e47d通过show interface cable x/y modem z可以查看CM和CM后端Host的信息 7246VXR#show interface cable 4/0 modem 0 SID Priv bits Type State IP address method MAC address 75 00 host unknown static 00c0.4f97.61c5 75 00 modem up dhcp 0010.7bed.9b23 76 00 modem up dhcp 0002.fdfa.0a63 77 00 host unknown dhcp 00a0.243c.eff5 77 00 modem up dhcp 0010.7bed.9b45 78 00 modem up dhcp 0004.2752.ddd5 79 00 modem up dhcp 0002.1685.b5db 80 00 modem up dhcp 0001.64ff.e47d对于一些非法的地址，我们可以采用如下方式进行封禁 ip dhcp pool cm-0010.7bed.9b45 host 5 client-identifier 0100.107b.ed9b.45 bootfile disable.cm 例如，被封禁的用户如下所示，将为对其在线进行拒绝 7246VXR#show cable modem Interface Prim Online Timing Rec QoS CPE IP address MAC address Sid State Offset Power Cable4/0/U0 7 online 2813 0.00 7 0 0002.1685.b5db Cable4/0/U0 8 online 2809 0.25 7 0 0 0002.fdfa.0a63 Cable4/0/U0 9 online 2288 -0.25 5 1 6 0010.7bed.9b23 Cable4/0/U0 10 online(d) 2287 0.50 6 0 5 0010.7bed.9b45 Cable4/0/U0 11 online 2809 -0.50 7 0 0001.64ff.e47d Cable4/0/U0 12 online 2812 -0.50 7 0 0004.2752.ddd5 同时也可以对于不同类别的用户提供不同的CM配置文件，来支持不同的服务。 ip dhcp pool cm-0010.7bed.9b23 host 6 client-identifier 0100.107b.ed9b.23 bootfile silver.cm 如下输出可以显示不同的服务类型 7246VXR#show cable modem detail Interface SID MAC address Max CPE Concatenation Rx SNR Cable4/0/U0 7 0002.1685.b5db 10 yes 33.52 Cable4/0/U0 8 0002.fdfa.0a63 10 yes 33.24 Cable4/0/U0 9 0010.7bed.9b23 1 no 33.29 Cable4/0/U0 10 0010.7bed.9b45 1 no 33.23 Cable4/0/U0 11 0001.64ff.e47d 10 yes 33.20 Cable4/0/U0 12 0004.2752.ddd5 10 yes 33.44也可以使用如下命令