Cabel modem原理.docx

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Cabelmodem原理

關於Cabelmodem的各種描述

1.CableModem是一种通过有线电视网络实现高速接入的装置。

它不仅仅是传统意义上的调制解调器，实际上它更多地是作为局域网接口运行（一般是通过TCP/IP运行）。

用户所在地和电缆公司之间的同轴电缆能够按照用户的需求向远处延伸，它不象ISDN和ADSL那样传输距离仅限于5500米。

CableModem与安装在电缆公司的CableModem端接系统（CMTS）相通，CMTS端接来自用户处的电缆连接输出信号，并把这些信号汇聚成电缆提供商网络分配设备的输出。

CableModem通过分离的信道对下行和上行通信提供网络接入，但是，这些信道是非对称的。

下行信道的容量和数据率比上行信道的高，电缆公司通过下行信道着重对用户提供内容数据；反之，电缆公司对上行信道要求不高，因为上行信道只需传输键盘输入和鼠标光标移动信号即可。

传统的同轴电缆电视网络工作频率为330MHz或450MHz。

新的混合型光纤同轴系统工作频率为750MHz，每个信道占用6MHz的频带。

因此，400MHz的电缆系统能提供约60个信道，700MHz的系统能提供多达110个信道。

每个6MHz的信道在下行频率上能够提供40Mbps的传输速率，上行传输速率为500kbps-10Mbps。

从CableModem到PC的最大传输速率目前为10Mbps，这是由于CableModem采用了10BaseT以太网接口所致

2.CableModem,它是一种以有线电视使用的宽不带同轴电缆介质,利用有线电视网提供的数据传输的广域网连接技术．它的主要特点：

（1）传输还率高：

下行速率3～38Mdps，上行速率786Mdps．

（2）传输距离为：

42．2KM（3）共享带宽（4）能提供语音＼数据等多种信息业务服务．（5）在使用CableModem技术时，须对现有CATV系统进行双向改造，使之成为HFC系统，即双向系统．

3.电缆调制解调器（CableModem）是一种将数据终端设备（计算机）连接到有线电视网，以使用户能进行数据通信，访问Internet等信息资源的设备。

其主要功能是将数字信号调制到射频（RF）以及将射频信号中的数字信息解调出来。

摘　要　本文主要介绍了CableModem的工作原理和工作流程，讨论了CableModem的发展前景。

1.　前言

随着Internet技术的快速发展以及用户数量的急剧增加，高速接入技术已成为通信高技术领域研究的前沿和热点。

宽带化已成为现代通信网的发展方向之一。

而我国的有线电视网，由于它的快速发展，覆盖范围已超过了电信网，成为世界上最大的有线电视网络，因此，通过有线电视网进行数据传输、访问Internet已成为越来越受业界关注的话题。

早期有线电视网络是将广播电视信号高效传送到用户家庭的电缆系统，这种有线电视网络可以高效地向用户传输模拟电视信号。

近年来传统的有线电视网络陆续开始采用光纤同轴电缆混合（HFC）传输结构，光缆干线和同轴电缆分配网通过光站结合而成。

一般光纤干线采用星型拓扑，同轴电缆分配网则采用树型结构，这种结构已广泛用于广播电视信号的分配。

近年来伴随着数据通信等多种业务的需求，使之具有860MHz以上频宽的双向HFC网络已成为发展趋势，CableModem技术也应运而生。

2　CableModem工作原理

有线电视网最初只是用于广播式的电视传播，多用户使用一条线路，是单向的。

为用于电脑网络，对现有的网络前端和用户端进行双向改造后，除可以进行传统的电视广播业务及数据广播、数字视频播出等扩展业务外，还可以充分利用其巨大的带宽资源开展计算机联网、电路出租、Internet接入、智能化小区建设等增值业务。

CableModem是在HFC网络上提供双向IP数据业务的用户端设备，它利用HFC网络，与头端CMTS配合，在用户设备（如计算机）和数据业务节点之间透明传送IP数据包。

它们的通信为总线方式，一台前端设备可为多个用户提供服务。

CM在利用HFC进行双向IP数据传输的网络中的位置见图1。

从图中可以看出，CM主要有两个数据接口，一个是对HFC网络的射频接口（RFI），另一个是对用户驻地设备（CPE）的接口，称为用户网络接口（UNI）。

与CPE的接口可以是以太网接口或USB接口。

CableModem不仅包含调制解调部分，它还包括射频信号接收调谐、加密解密和协议适配等部分。

它还可能是一个桥接器、路由器、网络控制器或集线器。

使用它无须拨号上网，也不占用电话线，便可永久连接。

通过CableModem系统，用户可在有线电视网络内实现国际互联网的访问、IP电话、视频会议、视频点播、远程教育、网络游戏等功能。

一个CableModem要在两个不同的方向上接收和发送数据。

它把上行的数字信号转换成模拟射频信号，类似电视信号，在有线电视网上传送；在下行方向上，CableModem把射频信号转换为数字信号，以便电脑处理。

在使用CableModem传输数据时，利用的是现有的有线电缆中的某一个频道。

可将整个电缆划分为三个宽带，分别用于CableModem数字信号上传、数字信号下传及电视节目模拟号下传。

一般同轴电缆的频道范围为5~860MHz，数字信号上传为5~42MHz，模拟信号下传为50~550MHz，数字信号下传则是550~860MHz。

为了实现Internet接入，有线电视公司一般从88MHz~860MHz之间电视频道中分离出一条6MHz的信道用于下行传送数据。

有线电视网采用的模拟传输协议，CableModem用来完成数字数据的转换。

CableModem将数据进行调制后在Cable的一个频率范围内传输，接收时进行解调。

通常下行数据采用64QAM调制方式，最高速率可达27Mbit/s，如果采用256QAM，最高速率可达36Mbit/s。

上行数据一般通过5~42MHz之间的一段频谱进行传送，为了有效抑制上行噪音积累，一般选用QPSK调制或16QAM调制，QPSK或16QAM比64QAM更适合噪声环境，但速率较低。

上行速率最高可达10Mbit/s。

CableModem属于共享介质系统，其他空闲频段仍然可用于有线电视信号的传输。

因有线电视网属于共享资源，所以CableModem需要具有加密和解密功能。

当给数据加密时，CableModem对数据进行编码和扰码，使得黑客盗取数据非常困难。

当通过Internet发送数据时,本地CableModem对数据进行加密，有线电视网服务器端的CMTS对数据解密，然后送给Internet。

接收数据时则相反，有线电视网服务器端的CMTS加密数据，送上有线网，然后本地电脑上的CableModem解密数据。

HFC网络宽带网络户线接入方式，大致有两种方法，一种是多用户共享CableModem的HFC+CableModem+HUB在五类线以太网入户方式，即可通过下连集线器支持最多几台PC机上网；PC机的IP地址，通过头端DHCP服务器动态获得。

第二种是同轴电缆入户，用户独享CableModem的双向网络方式，用户可通过计算机以太网卡或USB口，连接到CM；PC机的IP地址，可通过头端DHCP服务器动态获得。

3　CableModem的工作流程

CableModem加电工作后，首先自动搜索前端的下行频率，找到下行频率后，从下行数据中确定上行通道，与前端设备CMTS建立连接，并交换信息，包括上行电平数值、动态主机配置协议（DHCP）和简单文件传送协议（TFTP）服务器的IP地址等。

CableModem有在线功能，即使用户不使用，只要不切断电源，则与前端始终保持信息交换，用户可随时上线。

CableModem具有记忆功能，断电后再次上电时，使用断电前存储的数据与前端进行信息交换，可快速地完成搜索过程。

 　　在CMTS和CableModem间的通道建立后，可使用简单网络管理协议（SNMP）进行网络管理。

使用一个通用的SNMP网络管理程序，对于不同厂家的CMTS和CableModem设备，需将厂家提供的管理信息库（MIB）文件装入到SNMPManager中，才能管理相应的设备。

4　CableModem的发展前景及阻碍

目前，国内信息产业正处于飞速发展的时期，有线电视网、电信网、计算机网络是我国信息化建设的三个网络，而在建设计算机城域网（WAN）时，原有的普通电话Modem有其不利的一面，如普及率、通信基础设施落后和通信费用过高等。

而有线电视网在这方面的优势主要有以下几点:

（1）我国电视机拥有量超过3.7亿台，全国电视人口覆盖率超过95%。

（2）宽频带大户。

我国有线电视电缆大户带宽从300~750MHz不等，多数大于450MHz。

这正是信息高速公路所需要的带宽，为综合信息应用提供了重要的条件。

（3）有线电视是国内所有入户的信息工具中收费最低的。

单单从技术上看CableModem系统是成熟的，它基本上可以满足高速接入而又不占用电话线路的要求，但从实际的运作和使用上看还有着不少不可忽视的疑难问题：

（1）现有的大部分CATV网由于都是单向传输数据，因此，为了实现接入Internet双向通信，就必需进行必要设备的改造和更新。

（2）由于CableModem模式采用的是相对落后的总线型网络结构，这就意味着网络用户共同分享有限的带宽，因此会造成数据传输不够稳定。

（3）使用CableModem实现真正意义上的上网就需要借助电脑，但对于我国广大的有线电视用户来说拥有电脑的家庭可能并不占多数，此外购买CableModem和初装费也都还不算很便宜，因此很难让非网虫的家庭动心。

5　结论

CableModem虽然是近几年开始试用的一种超高速Modem，但到目前已是比较成熟的一种技术。

随着有线电视网的发展壮大和人们生活质量的不断提高，它将越来越受到人们的广泛关注，它的发展前景将会是非常广阔的

概述

　　CableModem应用的是有线电视网。

CableModem的基本原理很简单：

有线电视电缆可以同时传输许多个频道，我们利用电缆带宽的一部分来传送数据，然后使用CableModem把数据信号从电缆中分离出来，这样就达到了对数据的传输。

使用混合同轴／光纤有线电视线路来提供最高可达6Mbps的下载速率－－几乎四倍于T1线路，以及640Kbps的上载速率。

有线电视HFC网上的CableModem

　　有线电视HFC网（HybirdFiber-Coaxial：

混合光纤同轴）传输的是模拟信号，如果用它来传送数字信号，就要使用CableModem（线缆调制解调器），它是一种专门为在有线电视网上开发数据通信业务而设计的用户接入设备。

在发送端，CableModem首先将数据进行调制，然后利用CATV同轴电缆中的某个频率范围进行传输，接收端再在同一频率范围内对已调制的信号进行解调，还原出数据。

对于有线电视用户来说，增加CableModem服务每月将多花一笔费用，但是有线Internet服务和有线电视服务却可以同时进行，使您能够在看电视的同时上网冲浪。

　　有线Internet服务有两种类型。

第一种服务是使用有线电视线缆进行下行通信，而利用拨号Modem向Internet传输数据。

现在人们更倾向于选择第二种服务——双向光纤电缆，也就是说，传输和接收数据都通过线缆进行。

这两种系统都是非对称的，上行和下行的速度不同，往往是下行速度要快得多。

从理论上讲，线缆系统的下行速度最快能够达到40Mbps。

上行速度根据系统的不同也有所区别，最快也能达到10Mbps左右。

　　CableModem通常是保持连接的，用户无需拨号上网，无需担心遇到忙音，上网时也不会占用电话线。

如果服务商并没有提供静态的IP地址，当用户登录到系统时将会得到动态分配的IP地址。

CableModem和有线电视线缆共享同一个网络，可以在一个光节点内通过同轴电缆连接500～2000个相邻的用户。

光节点上的数据转发器通过光缆与主要的有线电视线路相连。

为了提供Internet服务，有线电视数据转发器必须能够处理双向通信以及对Internet上的数据进行路由。

　　需要指出的是，有线电视运营商利用CableModem系统建成的宽带Internet接入网络实际上是一个庞大的“Intranet”，即端到端的IP网络。

因为网络的连接速率取决于其中最慢的链路，如果由有线电视前端接入Internet的速率只有几十Kbps，那么下行传输速率再高也没有任何意义。

为了避免Internet的接入成为宽带网络的瓶颈，可以在本地Internet服务器上设置缓存，存储常用的Web内容，将Internet上的内容尽可能地推近前端。

有条件的话，前端系统还应用尽可能高的连接速率接入Internet。

　　一般而言，电视信号不会受到用户数增加的影响，因为所有的用户使用的信号相同。

但是所有的网上冲浪者所需的数据都各不相同，增加的用户势必会分享有效的带宽。

随着用户数的不断增加，网络性能也会随之下降。

有线电视经营商考虑到负载的增加，采取了两种办法提高性能：

增加有线电视连接信道，将其速度提高到42Mbps；将光节点分裂成两个节点从而在相同的服务器上创建更小的组。

技术详述

　　CableModem是一种通过有线电视网络实现高速接入的装置。

CableModem不仅仅是传统意义上的调制解调器，实际上它更多地是作为局域网接口运行（一般是通过TCP/IP运行）。

用户所在地和电缆公司之间的同轴电缆能够按照用户的需求向远处延伸，它不像ISDN和ADSL那样传输距离仅限于5500米。

　　CableModem与安装在电缆公司的CableModem端接系统（CMTS）相通，CMTS端接来自用户处的电缆连接输出信号，并把这些信号汇聚成电缆提供商网络分配设备的输出。

　　CMTS还是头端的组成部分。

头端由几个服务器、网关和路由器组成，这些设备连接在一起，通过因特网提供多种业务。

这些业务包括数据/视频传输、接收卫星频道广播和标准的射频（RF）广播。

　　电缆公司还可能有具备提供先进组网能力的设备。

例如，他们可能利用Web高速缓存服务器存储网站上经常供读者访问的内容。

　　CableModem通过分离的信道对下行和上行通信提供网络接入，但是，这些信道是非对称的。

下行信道的容量和数据率比上行信道的高，电缆公司通过下行信道着重对用户提供内容数据；反之，电缆公司对上行信道要求不高，因为上行信道只需传输键盘输入和鼠标/光标移动信号即可。

　　传统的同轴电缆电视网络工作频率为330MHz或450MHz。

新的混合型光纤同轴系统工作频率为750MHz，每个信道占用6MHz的频带。

因此，400MHz的电缆系统能提供约60个信道，700MHz的系统能提供多达110个信道。

　　每个6MHz的信道在下行频率上能够提供40Mbps的传输速率，上行传输速率为500kbps～10Mbps。

从CableModem到PC的最大传输速率目前为10Mbps，这是由于CableModem采用了10BaseT以太网接口所致。

　　电缆型标准“电缆系统传输接口数据规范”（DOCSIS）规定，电缆网络应能支持36Mbps的最大传输速率，但由于整个电缆网络要处理共享媒体，所以要达到这一速率是不可能的，而实际最有可能支持的速率约为400kbps～3Mbps。

这一数据率完全取决于网络怎样分段，并根据每个网段能够容纳多少用户场所而定。

用户场所连入节点，而节点由网段连接起来。

每个节点的用户场所越少，网段上供用户使用的带宽就越宽。

按电缆产业标准要求，每个网段可容纳125～2000个用户场所。

应用问题

　　CableModem在上行信道上产生噪声，而且由于信道为用户所共享，这种噪声将通过所有的节点进一步汇聚在连接CMTS的每个网段上。

我们知道，这种噪声会干扰毗邻信道，有时业余无线电和民用波段电台等也会产生干扰。

厂家现已开发出了专门为消除上行信道干扰而设计的硅芯片。

　　但是，令用户担心的最大问题也许是CableModem的安全。

此外，CableModem的共享性质也令人担心:

发送端的网段上每个调制解调器发送的私人信息会直接引起安全问题。

　　CableModem的几个相关要素可以解决令用户担心的问题。

首先，所有依从DOCSIS的系统必须符合基本的隐私规范（BaselinePrivacySpecifications），因为这一规范能使企业应用实现真正的端到端安全通信。

除这些规范外，CableModem使用数据加密标准（DES）40和56位加密密钥与CMTS通信。

IEEE802.14标准包括DES和TripleDES标准的128位加密算法。

相反，DSL则没有加密的安全规范。

　　最后，还有一个长期令人担心的问题是关于CableModem的可靠性。

CATV网络在业务高峰期提供不同服务方面口碑不好，用户经常受无端的周期性中断之苦。

经过电缆提供商的改进，HFC大大提高了CATV网络的能力，改善了对用户的服务质量。

这些新的HFC网络必将按照规定服务等级的合同提供服务。

　　由于线缆是共享网络，因此存在着两个潜在的安全问题。

其他用户可以通过共享线缆访问您正在传输的数据，或者直接访问您硬盘中的数据。

尽管新的DOCSIS（DataOverCableServiceInternetSpecification）标准中加入RSA公钥加密算法保护线缆网络上的通信安全，但是这并不能保护您的硬盘数据，所以建议您最好关闭Windows的文件共享属性以阻止非授权的访问。

CableModem传输步骤

　　电缆没有距离上的限制，是已安装有线电视家庭的自然选择。

有线电视电缆具有宽带的优势，尽管与大约100个电视频道共享带宽，CableModem仍然可以3Mbps～10Mbps的速率接收数据。

不仅如此，为满足家庭用户更高的上网要求，技术人员还可以给用户分配多个频道专门用于上网，这样，家庭上网用户获得的数据传输速度将是惊人的。

大多数情况下，您的CableModem连接服务商也承担着ISP的职责。

CableModem传输包含了几个步骤：

　　1．信息从Internet传输到ISP的光纤骨干网上；

　　2．网络监控中心（NetworkOperationsCenter：

NOC）对网络状况实时监控；

　　3．区域性数据中心缓存常用网站信息和本地内容，并提供邮件和新闻服务；

　　4．信息经光缆转送到电缆访问单元（CableAccessUnit：

CAU）上；

　　5．CAU服务器经同轴电缆向多个家庭用户传输信息；

　　6．最简单的连接是CableModem解码用户数据，并传送到PC中；

　　7．较复杂连接是使用分离器分割电视信号和数据信号，然后把电视信号送往电视机，把数据信号传送到PC中。

CableModem原理简介

CATV线路的频宽为一般Modem的100～1000倍，CableModem缆线数据机就是利用CATV线路作为连上Internet的媒介，它能让每一位使用者拥有128Kbps以上的传输速度。

导论

缆线系统原本就是设计用来有效率地传送电视节目至使用者的家中，为了确保消费者利用相同的电视机从缆线获得的服务能和原本经由空中广播的电视信号一样，CATV业者必须在同轴电缆线再造一个射频（RadioFrequency）频谱（spectrum）。

传统的同轴电缆系统大约操作在330MHz或450MHz，然而现在的混合光纤/同轴电缆（hybridfiber/coaxHFC）系统则可延展至750MHz或以上理论上，下载视讯节目信号大约从50MHz开始，大概是空中广播电视的第二个频道，而5MHz到42MHz的部份通常保留给消费者从家中上传资料到头端用。

每一个标准的电视频道占用6MHz（NTSC）或8MHz（PAL）的射频频谱。

所以一个典型的400MHz同轴电缆系统可播放60（NTSC）或50（PAL）个电视节目，而现在750MHz下载频宽的混合光纤/同轴电缆系统则可提供到125（NTSC）或90（PAL）个电视频道。

缆线数据机（CableModem）存取网路

利用缆线网路来传送资料服务，我们会利用典型的电视频道（50~750MHz的范围）来传送下行（Downstream）资料到使用者的家中及利用另一频道（5~42MHz频带）来传送上行（Upstream）资料讯号；至於频道的划分可由有线广播电视业者自行规划。

缆线数据机头端（HeadEnd）系统经由这些频道和使用者家里的缆线数据机（CableModem）连结通讯进而成为一个虚拟的区域网路（Virtuallocalareanetwork）。

大部份的缆线数据机（CableModem）是外部装置，经由标准的10Base-T和个人电脑相连接。

缆线数据机（CableModem）存取网路操作在OpenSystemInterconnect（OSI）参考模型的第一层（硬体层）及第二层（媒体存取控制层/逻辑连结层）。

所以,第叁层（网路层）协定（如IP流量）,可以在缆线数据机（CableModem）平台上传送到使用者。

利用64QAM技术，可在单一的电视频道（NTSC6MHz;PAL8MHz）提供下行资料的速度到30Mbps，亦可利用256QAM将速度提升40Mbps。

从用户端的上行通道可以利用QPSK或16QAM调变技术，提供320Kbps到10Mbps的速度。

上行和下的频宽由连接到缆线网路区段上的使用者共享，通常一个缆线网区段会连接500至5000个家庭。

每一个个别缆线数据机（CableModem）的用户，可以使用不同的存取速率----128Kbps~几Mbps，或者更高，而存取速度的快慢则可决於网路架构、网路上的流量、用户端电脑的处理能力，或是所需服务的品质等。

除了存取速率的优点外，缆线数据机（CableModem）提供另一项好处:

永远处於接通状态。

因为缆线数据机（CableModem）采用非连结性（connectionless）的技术，有点类似乙太网路，用户端的电脑永远与网路相通，这意谓着使用者不必经由拨号的程序便能上线，也不必担心忙线。

缆线网际网路服务传送

为了要进入高速网际网路服务市场,有线广播电视业者必须建造一个点对点的IP网路在他们服务的社区,且必须提供数万的用户端来做资料的存取。

与其提供直接的网际网路服务,有线广播电视业者可着重於提供高速的企业网路（Intranet）服务,理由如下:

理想的话,所有有关的网站及资料库,最好就在头端附近。

这种想法可经由Catching或将热门网站的内容复制储存在本地伺服器（localserver）来达成。

所以,当缆线数据机（CableModem）用户存取页,他将会以最高的速度被绕送到在头端附近的伺服器,而不会进入拥挤的网际网路内.已经有不少的公司提供广范的网路设备及系统整合服务给有线广播电视业者,好让他们能进入高速的网际网路服务的市场.

共享式网路平台效益

大多数的缆线数据机（CableModem）系统采取共享式存取平台,与办公室里的区域网路非常类似。

因为缆线数据机（CableModem）用户端共享可用频宽，当网路上的使用者增加，则缆线数据机（CableModem）使用者会看到效益越来越差。

通常将的频宽分配给200个使用者，每一个使用者会得到大约135Kbps的速度，乍看之下几乎与128Kbps的ISDN相去不远，其实不然。

因为缆线数据机（CableModem）不像电路交换的电话网路，必须给定一个专属的连结，使用者在上线期间不会占据整个固定的频宽。

换言之，他们会互相供享网路资源，实际上只有在收到或传送资料的时间内才会使用到频宽。

举例来说，有200个使用者上