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Infraestructura de red para Televisión Digital Interactiva Protocolo DOCSIS

Universidad del Cauca Popayán, Colombia. Infraestructura de red para Televisión Digital Interactiva Protocolo DOCSIS. Seminario de Televisión Digital Interactiva Universidad del Cauca, Noviembre de 2008. Roberto García Fernández Área de Ingeniería Telemática Universidad de Oviedo.

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Infraestructura de red para Televisión Digital Interactiva Protocolo DOCSIS

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Presentation Transcript

  1. Universidad del Cauca Popayán, Colombia Infraestructura de red paraTelevisión Digital InteractivaProtocolo DOCSIS Seminario de Televisión Digital Interactiva Universidad del Cauca, Noviembre de 2008 Roberto García Fernández Área de Ingeniería Telemática Universidad de Oviedo

  2. Arquitectura de la red de datos

  3. Arquitectura de la red de datos

  4. Protocolo DOCSIS • Interés de los operadores de cable • Sistemas de comunicaciones de datos de alta velocidad • Soporte de gran variedad de servicios • Distintas alternativas tecnológicas para el desarrollo de equipos de comunicaciones • Cada fabricante tenía sus propios sistemas • Problemas de compatibilidad • Asociación de compañías CableLabs • Cable Television Laboratories • Especificaciones de interfaz para la definición, diseño, desarrollo y despliegue de sistemas de datos sobre redes de cable

  5. Wide-Area Network Cable Modem Termination System CMTS CMTS Network Side Interface Cable Network Cable Modem (CM) CM Customer Premises Equipment Interface Customer Premises Equipment Transparent IP Traffic Through the System DOCSIS • Data Over Cable Service Interface Specification • Esquemas de modulación, formatos de datos, protocolos • Protocolo MAC para redes de cable • Versiones del protocolo • Versión inicial - DOCSIS 1.0 • Versión mejorada - DOCSIS 1.1 – EuroDOCSIS 1.1 • Tipos de servicio: UGS, UGS-AD, rtPS, nrtPS, Best Effort • Nuevas versiones - DOCSIS 2.0, DOCSIS 3.0

  6. Arquitectura de protocolos DOCSIS MAC SAP ATM SAP OSI Data Link Layer MAC-CS Convergence subprocess 802.2 LLC 802.2 LLC Link Security ATM MAC DOCSIS MAC Link Security 802.14a MAC MAA Medium Access Arbitration TC Transmission Convergence OSI Physical Layer TC Transmission Convergence DOCSIS PHY 802.14a PHY PMD Physical Media Dependent PMD Physical Media Dependent DOCSIS Protocol stack OSI reference model 802.14a protocol stack

  7. DS TC Layer DS TC Layer US Cable PMD US Cable PMD US PMD US PMD DS Cable PMD DS Cable PMD 10 Mbps Arquitectura de protocolos DOCSIS Fuente: Agilent Technologies

  8. DOCSIS 1.0 • Acceso a internet de alta velocidad • Transferencia de datos en downstream • 27Mbps ó 36Mbps (EuroDOCSIS: 42Mbps ó 52Mbps) • Frecuencias: 88-860 MHz (Norte América) 108-862 MHz (Europa) • Ancho canal: 6 MHz (Norte América) 8 MHz (Europa) • Modulación: 64QAM / 256QAM • Flujo continuo de datos MPEG-2 • Transferencia de datos en upstream • 320Kbps hasta 10Mbps • Frecuencias: 5-42 MHz (Norte América) 5-65 MHz (Europa) • Ancho de canal: 0.2 hasta 3.2 MHz en 5 intervalos • Symbol rates: 160, 320, 640, 1280, 2560 Ksym/sec • Modulación: QPSK / 16QAM • Transmisión en slots de tiempo variables, controlados por CMTS • Al ser el cable un medio compartido, a medida que más usuarios se conectan al sistema las velocidades de transferencia disminuyen

  9. DOCSIS 1.1 • Soporte de QoS • Service Flows • Se permiten múltiples flujos de servicio por CM • Establecimiento dinámico de servicios • Para disminuir retardos, jitter e incrementar la utilización del ancho de banda en upstream • Fragmentation • Envío de una trama de un paquete durante una oportunidad de transmisión • Concatenation • Envío de varias tramas durante una oportunidad de transmisión • Piggyback • Las solicitudes de transmisión son “piggybacked” a los datos enviados, reduciendo el retardo • Payload Header Suppression (PHS) • Supresión de una parte de las cabeceras de capas superiores

  10. Principios de comunicación • La comunicación es bidireccional • Canal downstream: compartido por todos los abonados • Canal upstream: abonados asignados a los N canales upstream • La transmisión no es simétrica (DOCSIS 1.1) • Canal downstream 27Mbps ó 38Mbps (EuroDOCSIS: 42Mbps ó 52Mbps) • Cada canal upstream 320Kbps a 10.24Mbps Subscribers Local head-end

  11. Comunicación en canal downstream • De CMTS a los CMs • Mensajes de datos y gestión enviados por broadcast • Todos los CMs escuchan todas las tramas • CMs aceptan las tramas destinadas a ellos

  12. Comunicación en canal upstream • Desde los CMs al CMTS • Canal dividido en “mini slots” de tiempo • Mini slot • Unidad de oportunidad de transmisión • Uso de slots gestionado por CMTS • Slots • Grant (reserved) slots • Transmisión de datos • Contention slots • Reserva de oportunidades de transmisión slot

  13. Especificaciones capa física

  14. Especificaciones capa física • Ráfagas de ruido • Amplificadores de potencia • Fuentes de alimentación • Errores de bloque • Interleaving en downstream • Mezclar datos en emisor • Reensamblarlos en receptor • Latencia en las comunicaciones Downstream interleaver delay (μs)

  15. Subcapa Transmision Convergence • Interfaz a PMD para la capa MAC en downstream • DOCSIS emplea MPEG-2 en la subcapa TC • Robustez en la demodulación • Faciliar la multiplexación de vídeo y datos • Flujo de bits en DS serie de paquetes MPEG de 188 bytes Fuente: Agilent Technologies

  16. Operaciones en la capa MAC • Fase de inicialización • Ranging • Fase de transferencia de información • Intervalos upstream • Gestión del ancho de banda • Mensajes MAP • Colas virtuales • Seguridad en la capa de enlace de datos • Servicios de QoS • Algoritmos de resolución de colisiones

  17. Inicialización Fuente: Agilent Technologies

  18. Proceso de ranging • Medir offset desde CMTS hasta CM • Múltiples intentos, mensajes SYNC, MAP Área de mantenimiento inicial Área de mantenimiento de estación T1 T2 T3 T4 éxito T5 éxito tiempo CMTS CMTS MAP MAP SYNC Solicitud (REQ) Solicitud Respuesta SYNC Respuesta (RESP) tiempo estación A Estación A Estación más lejana (d) Ajuste de acuerdo con los valores recibidos Captura un SID temporal (e) Ajuste de acuerdo con los valores recibidos (b) Configura tiempo a T2 y ajusta su velocidad de reloj (a) Configura su tiempo a T1 (c) Envía solicitud de ranging con SID = 0

  19. Transferencia de información • CMTS asigna el uso de ancho de banda en upstream • Bandwidth Allocation MAP message • Describe uso de slots • Difundidos periódicamente por CMTS en downstream • Usado por CM para determinar cuándo enviar datos en upstream

  20. Transmisión en upstream t2: CM receives a MAP, scans for request opportunities and calculates t6 t4: CM transmits the request so that it is received by CMTS at t6 t7: CMTS transmits the map and issues a grant for CM starting at t11 t10: CM transmits data

  21. Mensajes MAP • Mensaje de longitud variable transmitido por CMTS en DS • Define oportunidades de transmisión en upstream • Cabecera de longitud fija + elementos de información (IEs) • Request IE • Intervalo para solicitar ancho de banda • Request/Data IE • Intervalo para transmitir solicitudes o paquetes cortos de datos • Initial Maintenance IE • Intervalo para que nuevas estaciones se unan a la red • Station Maintenance IE • Intervalo para operaciones de mantenimiento (ranging, ajuste de potencia, …) • Short and Long Data Grant IE • Intervalo para que un CM pueda transmitir una o más PDUs • Data Acknowledge IE • Asentimiento de que una PDU de datos ha sido recibida • Null IE • Termina la actual asignación en la lista de IE

  22. Formato de mensajes MAP Alloc Start time Ranging Backoff start Ranging Backoff end Data Backoff start Data Backoff end IE1 IE2 … IEN Valores de IUC: 1: Request minislot 2: Immediate access minislot 3: Initial maintenance SID IUC Offset 4: Station maintenance 5: Short data grant IUC: Interval Usage Code • Data Backoff Start, Data Backoff End • Valores inicial y máximo del tamaño de la ventana • Número de oportunidades de transmisión que el CM debe esperar antes de transmitir • Valores en potencia de 2 • Ranging Backoff Start, Ranging Backoff End • Idem para operaciones de ranging

  23. Espera oportunidad para transmitir Mecanismos de transmisión Completada la inicialización Transmisión inactiva Reserva normal Acceso isócrono Sondeo periódico solicitud Ocurre colisión Resolución colisiones Acceso inmediato Solicitud enviada Espera concesión Recibido mensaje de concesión Acceso isócrono Sondeo periódico solicitud Reserve piggybacking Oportunidad transmisión Acceso inmediato Transmisión

  24. QoS – Tipos de servicio en el canal upstream • Best Effort • Patrón “Request, grant, request, grant” • “Requests” slots de contención “Datos”  slots reservados • Unsolicited Grant Service (UGS) • Flujos de tiempo real que generan paquetes de datos de tamaño fijo de forma periódica (VoIP) • Ofrece concesiones de tamaño fijo para enviar datos de forma periódica. No necesita solicitud • Real-Time Polling Service (rtPS) • Flujos en tiempo real que generan datos de tamaño variable de forma periódica, como video MPEG • Non-real Time Polling Service (nrtPS) • Similar a nrtPS, pero las concesiones son menos frecuentes y también puede enviar datos en los slots de contención • Unsolicited Grant Service with Activity Detection (UGS-AD) • Similar a UGS, pero como rtPS cuando no hay datos, para ahorrar ancho de banda -VoIP con supresión de silencios activada

  25. Servicios en DOCSIS

  26. Clasificación para operaciones QoS

  27. Clasificación de paquetes CM-CMTS

  28. Resolución de colisiones en DOCSIS Solicitud recibida Cola lógica tiene backlog Piggyback solicitud CRE inactivo Solicitud recibida Cola lógica vacía Esperando asignación MAP Timeout (fallo de contencion) Intentos > 16 (max. intentos) Nueva solicitud: tamaño inicial de ventana backoff a 2DBS Seleccionar número dentro de la ventana backoff Grant (contención satisfactoria) Esperando oportunidades de solicitud Timeout (fallo de contención) Número de intentos <= 16 (max. intentos) Tamaño nuevo de ventana = (2*tamaño anterior, 2DBE) Enviar solicitud Esperando concesión (Grant)

  29. DOCSIS 2.0 • Capacidad para servicios simétricos • Incremento del ancho de banda en upstream • Mejora de la eficiencia espectral • DOCSIS 2.0 es compatible con DOCSIS 1.x

  30. DOCSIS 3.0 • Estándar DOCSIS con soporte IPv6 • Channel bonding • Uso de múltiples canales US y DS al mismo tiempo por un único abonado • Redundancia • Incrementar throughput

  31. Resumen DOCSIS • Elementos de red • Cable modem (CM) • Cable Modem Termination System (CMTS) • Comunicación • Downstream: broadcast de datos a todos los CM • Upstream: allocation MAP message • Determinan el uso de los slots de tiempo • Mensajes MaP contienen • Grant slots • Contention slots • Varios tipos de servicio • UGS, rtPS, UGS-AD, nrtPS, BE, CIR • QoS Support • Fragmentación, concatenación, piggyback, PHS

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