第19章 有线电视网

2020/1/23上海交通大学计算机系1《计算机组网原理》原理篇第19章有线电视网ShanghaiJiaotongUniversity2020/1/23上海交通大学计算机系2本章要点什么是HFC。HFC的结构和传送特点。线缆调制解调器(CableModem)的基本功能。Cablemodem的工作特点。机顶盒(TopSet)的功能及结构。2020/1/23上海交通大学计算机系3第19章有线电视网19.1引言有线电视网是当前三大信息网之一。“三网”：电信网（即电话网）；计算机网（主要是Internet）；有线电视网。将来的趋势是“三网合一”但是三网合一目前尚遇到技术、市场经济利益等问题，还不能很快实现。2020/1/23上海交通大学计算机系419.2HFC结构与参考模型HFC：HybridFiberCoax光纤与电缆混合系统主干网用光纤，小区到用户采用电缆。IEEE802.14标准FTTC：FiberToTheCurb，光纤到路边TTTZ：FiberToTheZone，光纤到小区TTTB：FiberToTheBuilding，光纤到大楼TTTH：FiberToTheHome，光纤到户2020/1/23上海交通大学计算机系519.2.1传统的电缆网络结构2020/1/23上海交通大学计算机系619.2.2HFC网络2020/1/23上海交通大学计算机系72020/1/23上海交通大学计算机系82020/1/23上海交通大学计算机系9HFC采用不对称速率的双向传送，使用模拟电视广播频道以外的多余带宽。上行速率10Mb/s，下行速率43Mb/s。2020/1/23上海交通大学计算机系10HFC保留了原有的TV及FM的广播功能。实现数据的非对称双向传输。上行频带为：5―42MHz下行频带为：54―750MHz42―54MHz为保留频段上行采用QPSK调制方式，下行采用采用QAM调制方式。频谱分配见下图。2020/1/23上海交通大学计算机系112020/1/23上海交通大学计算机系1219.3HFC系统提供的业务高速Internet接入数字VOD或NVOD数字广播电缆电话家庭办公2020/1/23上海交通大学计算机系1319.4线缆调制解调器19.4.1概述现在常用的是双向线缆调制解调器。对上行频道，因为是多个用户共享，因此就会产生类似共享总线的以太网中遇到的碰撞问题，当用户多的时候效率会降低。IEEE802.14中提供了适合HFC环境的介质访问控制（MAC）方法：无竞争MAC协议（如：时分复用多路访问）完全基于竞争的协议（如：CSMA）基于预约的MAC协议2020/1/23上海交通大学计算机系1419.4.2线缆调制解调器的基本功能1.调制、解调功能2.灵活的发送与接收3.前向差错纠正4.信道的同步5.支持电话业务6.介质访问控制（MAC）7.加、解密与扰码8.ATM接口9.上层服务的接口2020/1/23上海交通大学计算机系15CableModemCableModem与计算机的接口为Ethernet在一个Headend管理下并由Cable连接的所有计算机组成一个共享的网络，但在Cable上运行的不是Ethernet协议共享站点的竞争发送不能采用CSMA/CD协议，因为站点无法对介质进行检测2020/1/23上海交通大学计算机系16CableModem的初始化Modem接入后，将在下行通道监测由headend发出的特殊分组，该分组为新站点提供系统参数，Modem表示它已使用某个上行信道。Headend通知新站点为其分配的上行和下行信道（以后可能会为平衡负载而作调整）。Modem发送一个测距分组并等待应答，以测试自己到Headend的“距离”（该过程称ranging）,此距离以minislot划分，一个典型的minislot相当于8bytes的传播延时。上行分组必须在一个或连续的时隙内发送。2020/1/23上海交通大学计算机系17Headend除分配上行、下行信道外，还为每个modem分配一个请求上行带宽的时隙号，可能会有多个modem被分配同一个minislot，如共享时隙的站点同时请求上行带宽，将导致冲突的发生。因只有一个Headend使用下行信道，所以下行信道不会发生冲突。下行信道使用统计时分复用方式。2020/1/23上海交通大学计算机系18计算机的一次发送过程计算机用上行信道经Modem向Headend发送一个请求分组，其中包含所需的时隙数,然后等待应答。如请求未发生冲突，并且Headend同意接收，则经下行信函发回ACK，通知计算机已为之保留的时隙号，计算机在上行信道预留的时隙起点发送数据分组。如在等待的时隙数过后还未收到Headend的ACK，这意味着已发生冲突，此时将采用二进制指数后退法，随机选择一个需等待的时隙数后再次请求，以避免再次冲突，冲突后的解决方法类似SlottedALOHA。2020/1/23上海交通大学计算机系192020/1/23上海交通大学计算机系20ADSLversusCableADSL基于电话系统，每个用户直接与局端连接，属星型拓扑所承诺的速率是固定的，与当前的用户数无关提供的是电信服务，与具体的ISP无关如用户数增加或减少，操作简单，系统扩容投资相对较少数据安全性比较能得到保证由于ADSL（包括其它的xDSL）都与距离有关，所以有电话线的地方不一定能提供ADSL服务2020/1/23上海交通大学计算机系21HFC基于有线电视系统，属信道共享，有较高的传输带宽每个用户并非与Headend直接连接，属树型拓扑传输速率为与当前的用户数有关所提供的服务必须与具体的ISP合作，地址分配使用DHCP协议如用户数增加或减少，操作相对复杂，系统扩容投资相对较大由于信道都是共享的，所以数据安全性必须采用密码系统才能得到保证与距离基本无关，凡有HFC的地方一般都能提供Internet服务2020/1/23上海交通大学计算机系22CableModem的分类从传输方式分对称式和非对称式，以非对称式为主。从网络通信角度分同步（共享）和异步（交换），目前以同步为主。从接入方式分个人和宽带(多用户)，宽带CableModem具有网桥功能，可将一个局域网接入。从接口形式分内置式和外置式，内置式只能用于台式机，局域网接入使用外置式。2020/1/23上海交通大学计算机系23产品介绍CableModemCM100北电产品。支持1—16个用户，数据包转发率大于5000个/秒，传输速率：上行为320k—10Mbps，下行为27M—36Mbps。具有纠错和DES加密功能。2020/1/23上海交通大学计算机系2419.5机顶盒19.5.1概述机顶盒是在电视上使用的一种终端设备。分为两大类，一种只用于接收电视信号，以获得更好的图像和声音，称为电视机顶盒。另一种内部包含操作系统和互联网浏览软件，使用电视机作为显示器，实现没有电脑也可上网，称为网络机顶盒。新的机顶盒综合了上述两种功能，我们主要介绍网络机顶盒。机顶盒包括两部分：•网络接口单元（NIU）：就是线缆调制解调器，提供标准的网络接口•机顶单元（STU）：具有特定应用的功能，提供用户终端设备接口。如：电视机、PC机、电话机等。2020/1/23上海交通大学计算机系2519.5.2机顶盒的基本结构•以专用芯片为主完成主要功能的机顶盒•主要由软件完成的机顶盒通过修改软件使机顶盒不断升级和完善功能。这类机顶盒是今后的发展方向。2020/1/23上海交通大学计算机系26线缆调制解调器小结1.用于HFC结构的网络系统中2.上、下行传输速率是不对称的3.执行IEEE802.14标准4.共享信道必须解决碰撞冲突问题2020/1/23上海交通大学计算机系2719.9.1IPOverSDH概述STM-N帧结构图19.19IPOverSDH协议栈图19.20PPP帧结构图19.22POS：PacketOverSDHIP数据包封装在PPP协议帧中，然后把PPP帧放入SDH的净荷字段中，以STM-N帧在网中传送。2020/1/23上海交通大学计算机系28IP用于高速网的结构演变IPATMSDH光纤X.25,FRD.L光纤光纤光纤SDH2020/1/23上海交通大学计算机系29因特网中家庭用户的入网InternetPSTNPCPCMMSWPCPCServerISPAccessServerRMMMMM远程家庭用户通过拨号与ISP联接后，采用点对点方式连接2020/1/23上海交通大学计算机系302020/1/23上海交通大学计算机系31点到点协议PPP的功能PPP是Internet标准（RFC166116621663）处理错误监测支持多种协议（IP、IPX、DECnet等）连接时允许协商IP地址允许身份认证2020/1/23上海交通大学计算机系32PPP的组成部分PPP提供了串行点对点链路上传输数据报的方法，包括以下三个部分：串行链路上封装数据报的方法扩展的链路控制协议（LinkControlProtocol-LCP）网络控制协议（NCP）簇2020/1/23上海交通大学计算机系33PPP的帧格式PPP的帧格式类似于HDLC，但是面向字符的协议（以字节为单位）1111/2可变2/41标志01111110地址11111111控制00000011协议有效载荷校验和标志01111110标志域：固定为01111110，与HDLC相同地址域：固定为11111111控制域：缺省为00000011，即无序号帧（即毋需确认）协议域：不同的协议不同的代码载荷域：可变长，缺省最长1500字节校验和：缺省为2字节，也可定义为4字节，仅是头部的校验和由于地址域和控制域基本固定，所以在LCP中省略2020/1/23上海交通大学计算机系34PPP的链路控制协议LCP•PPP的LCP（LinkControlProtocol）提供了建立、配置、维护和终止点对点链接的方法•LCP的过程按以下四个阶段进行：链路的建立和配置协调链路质量检测网络层协议配置阶段关闭链路2020/1/23上海交通大学计算机系35LCP帧的类型LCP帧的类型有三种：链路建立帧：建立和配置链路链路终止帧：终止链路链路维护帧：管理、维护链路2020/1/23上海交通大学计算机系36PPP的工作过程•发送端PPP首先发送LCP帧，以配置和测试数据链路•在LCP建立好数据链路并协调好所选设备之后，发送端PPP发送NCP帧，以选择和配置一个或多个网络协议•当所选的网络层协议配置好后，便可将各网络层协议的分组发送到数据链路上•配置好的链路将一直保持通信状态，直到LCP帧或NCP帧明确提示关闭链路，或有其它的外部事件发生（如用户干预等）2020/1/23上海交通大学计算机系372020/1/23上海交通大学计算机系38SONET/SDHSONET（SynchronousOpticalNetwork）同步光纤网美国标准ANSIT1.105、106SDH（SynchronousDigitalHierarchy）同步数字层次CCITT(现为ITU-T)建议•STS-1（SynchronousTransportSignal）同步传送信号（电信号）•OC-1（OpticalCarrier）光载波（光信号）采用帧长为125s，每帧810B，即810路电话。因此基本速率为8x810x8000=51.84Mb/sSTM-1（SynchronousTransportModule）同步传送模块基本速率为155.52Mb/s2020/1/23上海交通大学计算机系392020/1/23上海交通大学计算机系40