IP Sobre Redes de TV a Cabo
Autor: Marcus André da Cruz Loureiro
1. Introdução
Necessidade
Graças ao grande crescimento no número de usuários da Internet, e com o aumento do tráfego de dados causado principalmente pelos serviços gráficos, como o WWW, surgiu a necessidade de emprego de meios que suportem maiores taxas de transmissão de dados.
Este rápido crescimento da Internet tem sido prejudicado pelas baixas taxas de transmissão em banda básica disponíveis para os usuários dos pares telefônicos da rede pública comutada. Além disso, a rede pública de pares metálicos é muito ruidosa, com uma relação sinal-ruído menor que 24dB, principalmente nos grandes centros como Rio de Janeiro e São Paulo, nos quais esta rede externa é muito antiga e mal-conservada, limitando as taxas de transmissão qualquer que seja o método utilizado.
De qualquer forma, o canal telefônico PCM de 3,3KHz de banda não permite taxas de transmissão maiores que 33,6Kbps. Mesmo usando-se modems de 56Kbps ou 64 Kbps, fica-se ainda muito longe das taxas mínimas de transmissão de sinais digitais de vídeo: 1,5Mbps no MPEG-1 com baixa qualidade e 6Mbps no MPEG-2 com qualidade média, utilizando-se compressão mínima de 1:20 em ambos os casos.
Sem dúvida, a melhor solução do ponto de vista técnico, seria levar cabos de fibra óptica diretamente à casa dos usuários, sistema este conhecido como FTTH (Fiber To The Home). Infelizmente, os altíssimos custos, as enormes dificuldades e os transtornos imensuráveis que a adoção desta solução acarretariam, tornam a mesma inviável nos dias de hoje. Pode-se, então, pensar em um sistema intermediário, no qual os cabos de fibra óptica, ao invés de serem instalados dentro das próprias residências, terminariam em armários ópticos instalados em postes bem próximos às mesmas. Esta solução é conhecida como FTTC (Fiber To The Curb).
TV a Cabo
Outra solução interessante é utilizar a malha da rede de TV a cabo (CATV) para transmitir dados a altas velocidades, pois grandes e pequenas cidades já contam com uma boa infra-estrutura de TV a cabo. Utilizando-se esta rede, torna-se viável o transporte de dados (entre eles, os pacotes IP, que são a base da Internet). Como veremos mais adiante, as empresas de TV a Cabo utilizam nos dias de hoje uma rede mista de fibras ópticas e cabos coaxiais para transmissão do sinal de TV. Esta solução é conhecida como HFC (Hibrid Fiber-Coaxial) e se assemelha muito com a FTTC, mas ao contrário desta última que prevê armários ópticos bem próximos às residências, provendo serviços a pequenos grupos, a solução HFC prevê a instalação desses armários apenas na vizinhança da residência do usuário, sendo a área de abrangência bem maior e, consequentemente, fazendo com que estes serviços sejam oferecidos a grupos bem maiores de usuários.
Características IP
Qualquer sistema de dados tem que prover algumas mínimas funcionalidades se quiser dar passagem a tráfego IP:
tem que ser capaz de entregar tráfego de maneira razoavelmente confiável (melhor esforço);
tem que prover pelo menos entrega de tráfego unicast (um para um);
tem que prover um mecanismo para mapear endereços específicos do sistema (endereços MAC) em endereços IP (tabelas, ARP, ...).
Com estes requisitos mínimos, o sistema pode prover tráfego IP. Alguns requisitos adicionais e melhoramentos sobre o sistema básico poderiam ser:
capacidade de broadcast e multicast a nível MAC;
capacidade de QoS ;
controle sobre quem pode e quem não pode enviar tráfego no sistema.
Atualidade
Atualmente, existe um grupo de trabalho do IETF que tem como objetivo definir como deverão ser as implementações de IP sobre CDN (IPCDN). O grupo de trabalho irá preparar um documento da estrutura e requisitos descrevendo a infra-estrutura típica da TV a Cabo e como uma rede IP poderá utilizá-la. O documento irá também descrever a interface dos serviços entre o IP e a CDN, além de discutir detalhes técnicos relacionados às diferenças entre CDN simétricas e assimétricas.
Basicamente, a idéia do grupo do IETF de IPCDN é mapear o IP em dois padrões principais que transportam dados sobre CATV:
•IEEE 802.14 - É um padrão que está sendo preparado para especificar os protocolos das camadas física e de enlace para CDN. Porém, só isso não resolve o problema de mapear os protocolos de mais alto nível em redes de CATV. O grupo de trabalho do IEEE 802.14 é conhecido mundialmente pela lentidão da elaboração dos padrões.
•MCNS - O MCNS é um consórcio criado para rapidamente elaborar padrões para a interoperabilidade emergente de equipamentos responsáveis pelo transporte de dados sobre a rede de CATV.
No item [3] detalharemos um pouco mais estes dois padrões .
IPCDN - IP Over Cable Data Network
O Padrão IPCDN definirá como o IPv4 e o IPv6 serão mapeados em redes de acesso HFC, incluindo multicast/broadcast e mapeamento de endereços.
O grupo de trabalho IPCDN irá também trabalhar sobre questões de gerenciamento, especialmente quando essas questões se referirem a redes de acesso HFC. Espera-se que outros serviços (DHCP, RSVP, IPSEC, etc.) poderão operar sem modificações.
Cable Data Network
Sistemas de Dados a Cabo (CDS) que utilizam a CDN são idealmente adequados para prover tráfego de difusão. Eles também podem prover serviços simples de multicast com relativa facilidade.
O sistema de dados sobre cabo incluem não somente os elementos de comunicação de dados, mas também as operações necessárias e os elementos de suporte a segurança, configuração, desempenho, falhas.
2. Infra-estrutura de Acesso
A infra-estrutura básica de acesso consiste em utilizar a malha da rede de TV a cabo para o transporte de pacotes IP.
Em uma rede de CATV, o tráfego pode ser downstream, ou seja do headend para o usuário, ou upstream, do usuário para rede. Vale a pena ressaltar que existem sistemas de dados a cabo onde o caminho do tráfego upstream ocorre via conexão discada (ou ISDN), caracterizando desta forma um sistema assimétrico.
Para um usuário se ligar à rede, ele precisará de um equipamento chamado Cable Modem que falaremos em uma seção abaixo.
O Headend recebe os dados diretamente de um provedor, modula a portadora de alguns canais não utilizados para transmissão de TV e distribui estes dados para os usuários (downstream) através da rede HFC, utilizando a banda de 108MHz a 890MHz.
Já em relação ao tráfego de dados dos usuários para a rede (upstream), usa-se geralmente as sub-bandas de T-7 (de 7MHz a 13MHz) a T-13 (de 43MHz a 49MHz), as quais não são utilizadas para as transmissões de TV por serem consideradas muito ruidosas para este fim.
Vale a pena observar que as operadoras de CATV já disponibilizam estes canais de retorno (upstream) a algum tempo, visto que os mesmos foram inicialmente utilizados - e o são até hoje - para serviços de telesupervisão (um tipo de verificação de desempenho e configurações remoto) e pay-per-view.
Outro aspecto que deve ser mencionado é o fato de que muitas operadoras de TV a Cabo têm optado por realizar este upstream através da rede telefônica, à 33,6Kbps, o que é uma boa opção, visto que os "uploads" são, em sua grande maioria, simples reconhecimentos e comandos de navegação.
Desta forma, vimos que a transmissão de dados realizada pelas operadoras de TV a Cabo pode ser feita de duas maneiras:
RF Return: utiliza a rede de cabos de alta velocidade nas duas direções (CDN simétrica).
Telephone Return: utiliza a rede de cabos para o downstream e a rede telefônica para o upstream (CDN assimétrica).
Topologias e Arquiteturas das Redes de CATV
Como vimos, existem duas topologias principais, as quais são topologias em árvore, que usam linhas de tronco e linhas de ramos - trunk e branch lines, na arquitetura das redes de CATV.
As entidades da rede de CATV são duas, e serão chamadas neste trabalho simplesmente por headend e estação. Na terminologia MCNS, tais entidades são conhecidas como CMTS (Cable Modem Termination System) e CM (Cable Modem), respectivamente. No IEEE 802.14 empregam-se os termos HC (Headend Controller) e ST (Station). Apesar desta diferenciação nos nomes, tratam-se das mesmas entidades.
O headend funciona como uma ponte, ou seja um gateway de nível de enlace. Permite comunicação entre estações, provendo ainda facilidades para multicast.
Originalmente os sistemas de CATV eram construídos com cabo coaxial de 75 ohm. Agora muitos sistemas estão substituindo os troncos principais por fibra ótica para reduzir o número de amplificadores e melhorar a qualidade do sinal. Como resultado, o sinal sai do headend em fibra e muda para coaxial na vizinhança do assinante, em um fiber node.
As duas topologias das redes de CATV são definidas e mostradas abaixo:
• Full Coaxial - Apesar de ser uma topologia que está sendo substituída hoje em dia, ela ainda possui uma grande base instalada.
• HFC (Hybrid Fiber-Coax) - Atualmente, a indústria de TV a cabo está migrando para essa topologia.
Transmissão
Os canais upstream e downstream, como vimos anteriormente, utilizam freqüências diferentes. Isto, aliado ao fato de os amplificadores e splitters existentes na malha serem unidirecionais, obriga as transmissões no sentido upstream (do assinante para a rede) a não serem recebidas por outros assinantes, mas não impede a recepção de qualquer mensagem (mesmo unicast) enviada a partir do headend por todos os assinantes.
Os sistemas HFC modernos são projetados utilizando 500-2500 assinantes. Do ponto de vista de um sistema de dados, todas essas residências compartilham a mesma largura de banda alocada para esse nó. Um dos modos mais simples (entretanto caro) de aumentar a quantidade de banda passante por residência seria construir nós pequenos, ou então dividir os nós existentes, aproximando-se mais da solução FTTC .
Camada Física (PHY) do Downstream
Existem duas opções de formato para o tráfego de dados no sentido downstream (do headend para o usuário):
® Tipo A:
Utiliza quadro de 204 bytes, sendo 1 byte de sincronismo, 187 bytes de dados e 16 bytes de correção de erros (Forward Error Correction – FEC).
Utiliza modulação de amplitude em quadratura com 64 ou 256 níveis (64 QAM ou 256 QAM).
Na modulação 64 QAM transmite-se 6 bits por baud.
Na modulação 256 QAM transmite-se 8 bits por baud.
® Tipo B:
Utiliza quadros de 53760 bits, seguidos de 42 bits de sincronismo, para a modulação 64 QAM e quadros de 78848 bits, seguidos de 40 bits de sincronismo, para a modulação 256 QAM.
Na modulação 64 QAM atinge-se taxas de 30Mbps, enquanto que na modulação 256 QAM este valor sobe para 42Mbps. Em ambos os casos, utiliza-se uma banda de TV de 6MHz.
O sistema de transmissão de TV a Cabo se baseia na modulação VSB (Vestigial Size Band), com portadora deslocada para o início da faixa. No caso da transmissão de bits, a portadora deve estar no meio da faixa, permitindo um melhor aproveitamento.
Camada Física (PHY) do Upstream
Neste caso, a padronização da camada física é muito mais complexa devido à grande variedade dos sistemas de CATV existentes. De qualquer forma, relacionam-se abaixo alguns parâmetros comuns a várias operadoras:
• Utilização de modulação quaternária por desvio de freqüência (QPSK) ou modulação de amplitude em quadratura com 16 níveis (16 QAM) para as portadoras da sub-camada.
• As sub-camadas, como visto mais acima, utilizam freqüências na faixa de 7MHz a 49MHz, que correspondem às sub-bandas de T-7 a T-13.
• As taxas de transmissão variam de 320Kbps a 5,12Mbps para o caso da modulação QPSK, enquanto que no caso do 16 QAM esta taxa fica próxima dos 10,24Mbps.
Vale lembrar que ambas as camadas físicas acima se baseiam no protocolo IEEE 802.14, detalhado mais adiante.
Controle de Acesso ao Meio (MAC) do Downstream
Enquanto a camada física especifica o mecanismo pelo qual se deve enviar bits pela rede, a camada MAC oferece os serviços de mapeamento para camadas de níveis mais elevados.
Todos os headends e Cable Modems devem usar o Asynchronous Transfer Mode (ATM) no controle de acesso meio e na transferência de dados aos usuários.
A célula ATM recomendada é de 54 bytes, com 1 byte a mais que o padrão ATM. Abaixo, temos um exemplo da estrutura de uma destas células ATM (bits por campo) com comprimento fixo.
|
D |
EK |
EBR |
DLI |
VCI |
PT |
CLP |
HEC |
Pay-Load |
|
1 |
1 |
4 |
14 |
16 |
3 |
1 |
8 |
48 bytes |
Utilizando-se a estrutura de célula acima, percebe-se que para cada 48 bytes de dados são necessários 6 bytes adicionais para se chegar aos 54 bytes recomendados. Portanto, este sistema pode ser considerado relativamente ineficiente. Abaixo, detalharemos a estrutura dos campos.
® D: é usado para que o MAC identifique se o PDU (Protocol Data Unit) que está chegando é uma célula ATM de comprimento fixo ou utiliza fragmentos de comprimento variável.
D = 0: comprimento fixo (célula ATM normal)
D = 1: comprimento variável
® EK: é o Key Encryption entre o Cable Modem e o Headend. Como o meio é compartilhado, todos os dados nas duas direções devem ser criptografados.
® EBR: Extended Bandwidth Request - é uma solicitação de aumento do comprimento dos slots. Não é usado no sentido Downstream
® DLI: Destination Station Local Identifier - contém o endereço do Cable Modem para o qual a célula está sendo enviada. Este endereço possui 14 bits e é determinado pelo Headend quando o modem se conecta à rede de cabos.
® VCI: Virtual Circuit Identifier - é usado para multiplexar circuitos virtuais ou conexões para o modem.
® PT: Payload Type - indica se a célula contém dados do usuário ou se a mesma é uma mensagem MAC. Indica também se a célula passou por elementos congestionados no trajeto.
® CLP: Cell Loss Priority - é usado para indicar qual célula deve ser primeiramente descartada se um congestionamento for encontrado. Células com CLP = 1 devem ser descartadas primeiro.
® HEC: Header Error Check – é usado para a detecção de erros no cabeçalho, usando um código cíclico com polinômio gerador igual a x8 + x2 + x + 1 (Código Reed-Solomon). Serve também para delineamento das células, o qual é baseado na especificação ITU-I432 para Sonet.
Finalmente, os dados do usuário ou as mensagens MAC ocupam o Pay Load de 48 bytes, não sendo obrigatório que estes dados tenham exatamente este tamanho.
Como citado logo acima, a camada MAC também é capaz de usar fragmentos de comprimento variável para os dados do usuário. Todos estes dados e as mensagens de acesso se baseiam no protocolo AAL5PDU (ATM Adaptation Layer 5 Protocol Data Units), sendo que o AAL5 fornece os mecanismos de segmentação e reagrupamento dos dados de comprimento variável em múltiplas células ATM.
A figura abaixo ilustra a estrutura das células ATM de comprimento variável, em um meio de CATV.
|
D |
EK |
EBR |
DLI |
LEN |
X |
C/U |
SEG |
HEC |
Pay-Load |
|
1 |
1 |
1 |
14 |
12 |
5 |
1 |
2 |
8 |
LEN bytes |
Os campos que não estavam presentes na estrutura anterior podem ser detalhados da seguinte forma:
® LEN: indica o comprimento do dado fragmentado, em bytes. O cabeçalho é seguido dos dados do usuário com comprimentos especificados por este campo.
® X: campo reservado para aplicações futuras, ainda não especificado.
® C/U: Control User - determina se os dados são do usuário ou de controle da camada superior.
® SEG: Segmentation Control - indica se o fragmento é um quadro completo ou se é o princípio, meio ou fim de um quadro multi-fragmentado.
Se o Cable Modem recebe um fragmento fora de ordem (devido, por exemplo, a um erro de transmissão), todos os outros fragmentos são descartados até que seja "encontrado" o fragmento que se perdeu.
Os fragmentos de comprimentos variáveis são capazes de enviar 4096 bytes de dados com somente 6 bytes adicionais de cabeçalho, aumentando consideravelmente o rendimento.
Controle de Acesso ao Meio (MAC) do Upstream
No sentido upstream, os dados são enviados em "mini-slots", os quais são períodos de tempo suficientes para que o Cable Modem transmita 8 bytes de dados, além do cabeçalho da camada física, e mais um intervalo de tempo de guarda.
O campo DLI, que antes especificava o endereço de destino, é chamado agora de SLI (Source Station Local Identifier), passando a especificar o endereço da fonte. Não é necessário especificar o endereço de destino pois todos os dados no sentido upstream são encaminhados ao Headend controlador.
Retorno por Par Telefônico
Nos países mais desenvolvidos, algumas empresas de TV a Cabo antigas não dispõem de sistemas de transmissão upstream (do usuário para o Headend) e, como sabemos, a troca de todos os amplificadores e distribuidores unidirecionais por sistemas full-duplex é inviável devido ao custo.
Desta forma, a solução encontrada por essas empresas foi realizar esse retorno por par telefônico público, utilizando-se os modems analógicos padrões com taxas de transmissão em torno de 14Kbps. Nas redes que usam transmissão digital PCM (Pulse Code Modulation), inclusive por fibras ópticas, pode-se transmitir com velocidades de aproximadamente 33,6Kbps.
Utilizando-se o par telefônico, temos uma banda passante de 3,3KHz e uma relação sinal-ruído bem menor. Apesar disso, esta é uma boa solução, visto que o usuário normal da Internet, em sua grande maioria, não gera um tráfego upstream muito grande, ao contrário do tráfego downstream que requer taxas de Mbps.
O padrão MCNS, que veremos a seguir, recomenda o mesmo protocolo ponto-a-ponto (PPP) padrão da Internet quando o usuário se conectar a um servidor.
O Problema das Colisões
Qualquer rede compartilhada tem problemas de colisões, os quais ocorrem quando duas ou mais estações tentam transmitir ao mesmo tempo. Nas redes de dados sobre cabos o problema ocorre apenas no tráfego upstream, já que para o downstream os dados são originados de um único Headend que evita colisões por si só. O IEEE 802-14 MAC sugere que, para reduzir esse problema, se utilize uma derivação do TDMA (Time Division Multiple Access) em que cada transmissor pode transmitir somente durante um período de tempo a ele reservado, sem riscos de colisões.
3. Padrões de Dados Sobre Cabo
O Grupo de Trabalho IPCDN (IP Over Cable Data Network) já apresentou alguns drafts especificando a implementação e algumas normas básicas para o funcionamento do protocolo IP em redes de CATV.
Nos drafts que vêm sendo submetidos ao grupo de trabalho, o IP é sugerido sobre dois tipos de serviços: MCNS e IEEE 802.14.
Esses dois serviços têm como principal objetivo genérico fornecer mecanismos para o transporte de dados na malha da CATV, sendo que o primeiro padrão já está em fase de testes operacionais, enquanto que o segundo ainda está em lento desenvolvimento.
Mais especificamente, estes dois drafts têm por objetivo definir a forma como o protocolo IP, e seu protocolo de mapeamento de endereços IP para endereços de enlace, se aplicam sobre um sistema de rede de CATV. No caso de sistemas MCNS, o protocolo de mapeamento de endereços empregado é o ARP, mas no 802.14 pode-se usar também o ATMARP, no caso do sistema ser baseado em transmissão de células ATM.
Uma rede de CATV oferece serviços do nível de enlaces IEEE 802.2, e é sobre este serviço que o nível IP deve ser oferecido.
As redes consideradas nas especificações são apenas aquelas onde ambos os sentidos de tráfego são enviados através da rede de CATV, não lidando com aqueles tipos de rede onde o tráfego upstream é enviado por outras redes (por exemplo, Telephony Return).
Cable Modem
Cable Modem (CM) é um dispositivo que permite acesso em altas velocidades à Internet via uma rede de TV a Cabo. Ele é o equipamento principal de ligação entre o usuário e a rede.
No sentido downstream, a velocidade pode chegar a 36 Mbps, ou mais realisticamente algo entre 3 e 10 Mbps. No sentido upstream, as velocidade chegam a 10 Mbps. Além de efetuar a modulação e demodulação do sinal, um CM pode conter dispositivos de encriptação/decriptação, agentes SNMP e outras funções mais tornando o CM bem mais complexo que os modems convencionais.
3.1. Padrões de CDS's (Cable Data Systems)
MCNS
MCNS é um consórcio formado pelas empresas: Comcast, Cox, TCI, Time Warner, MediaOne, Rogers Cablesystems, CableLabs and Arthur D. Little. Este consórcio foi estabelecido com o propósito de criar padrões para transporte de dados sobre redes HFC. O grupo dividiu as especificações em diferentes fases e trabalhou com a comunidade de fabricantes para desenvolver uma especificação "segura" no sentido de prover interoperabilidade entre produtos de diferentes fabricantes.
Uma especificação da interface de rádio freqüência que faz parte do grupo das especificações DOCSIS foi publicada e está atualmente em fase de testes.
Eis algumas informações interessantes dessa especificação:
Camada de Rede
IP
Camada de Enlace
LLC de acordo com o padrão Ethernet
Subcamada de segurança a nível de enlace provê privacidade, autenticação e autorização
Subcamada MAC suporta PDUs de tamanhos variáveis
Características MAC
Suporte a uma grande variedade de taxas de transmissão
Eficiência de uso da largura de banda através do suporte a pacotes de tamanho variável
Extensões para futuro suporte de ATM
Características PHY
Baseada nas especificações da transmissão norte-americana de vídeo
IEEE 802.14
Conhecido como Multimedia Modem Protocol for Hybrid Fiber-Coax Metropolitan Area Networks.
O principal objetivo do protocolo em questão é transportar tráfego IEEE 802.2 LLC sobre uma rede de CATV coaxial ou HFC.
Para prover a subcamada LLC, o grupo de trabalho do IEEE 802.14 está trabalhando na padronização das camadas MAC/PHY que correspondem às duas camadas inferiores (Física e Enlace) do modelo RM-OSI.
O IEEE 802.14 suporta tráfego bidirecional significando que tanto os canais forward (tráfego downstream) quanto o reverse (tráfego upstream) devem estar operacionais. Isso permite que muitos nós transmitam para o headend em um canal reverse e o headend transmita para muitos nós no canal forward.
Devido à topologia do cabo, tráfego de canal forward é broadcast, onde o tráfego de canal reverse requer negociação (algum tipo de contenção ou reserva).
O desenvolvimento do IEEE 802.14 é mais que somente uma padronização para CMs. O protocolo 802.14 oferece integração completa e controle de acesso a canais de múltipla freqüência e de divisão no tempo para a entrega de uma grande variedade de tipos de dados, com seus requisitos de Qualidade de Serviço. Isso representa um avanço fundamental na entrega e escalabilidade das redes. O padrão define as interfaces da camada de controle de acesso ao meio (MAC) e da camada física. Múltiplas soluções de camada física podem ser utilizadas por uma única MAC.
O protocolo IEEE 802.14 é encarregado de suportar voz, transferência de arquivos, serviços de dados interativos, em um conjunto de redes internacionais. Essas são representadas por serviços de dados comutados como ATM, serviços de dados com tamanho variável como a Ethernet (802.3), serviços quase CBR como fluxo de vídeo digital MPEG e possivelmente serviços que exigem baixo retardo como STM. Isso gera uma grande variedade de parâmetros de QoS que devem ser suportados.
4. Interface de Serviço de Enlace
Redes de CATV oferecem, através de sua interface de acesso, os seguintes serviços:
Primitivas para transmissão de datagramas IP e pacotes ARP.
Um serviço Ethernet (ou ATM) emulado entre o headend e a estação.
Um serviço de ponte Ethernet entre as estações, sujeito às regras impostas pelo headend.
Formato do Pacote IP
Implementações de IP sobre serviços de rede de CATV têm que suportar IP sobre Ethernet exatamente como descrito acima.
Adicionalmente, se o serviço de células ATM for empregado, o formato do pacote IP deve ser seguido como especificado em [6]. Nesta caso, pode-se ainda utilizar uma outra forma de encapsulamento IP, desde que apropriadamente negociada quando da sinalização para estabelecimento da conexão.
5. Configuração da Sub-rede IP
Uma sub-rede de CATV pode suportar mais de uma LIS dentro de um mesmo domínio MAC. Para tal, cada LIS deve possuir uma entidade administrativa separada para permitir a configuração de seus hosts e roteadores. Como é o funcionamento normal de uma sub-rede IP, cada LIS funciona independentemente das outras, mesmo que compartilhem o mesmo domínio MAC. Assim, a comunicação entre entidades pertencentes a diferentes LIS só é conseguida através de um roteador, mesmo que tais entidades estejam no mesmo domínio MAC.
A comunicação entre duas estações na mesma LIS é feita da maneira clássica, utilizando-se o protocolo ARP para mapeamento entre o endereço IP e o endereço MAC (IEEE de 48 bits em redes baseadas em Ethernet, ou endereço ATM em redes baseadas em células).
As PDUs MAC enviadas para as estações suportam endereçamento ponto a multiponto. Graças a isto, a camada IP do headend tem que criar um grupo MAC ponto a multiponto, contendo todas as estações que participam da LIS.
Por default, todo pacote enviado pelas estações com destino a um endereço de broadcast IP ou a um endereço multicast tem que ser enviado para todos os membros da LIS através do endereço do grupo MAC.
Por razões de eficiência, pode-se criar um grupo ponto a multiponto separado para envio de datagramas IP multicast para as estações. Este aspecto não é padronizado, mas um mecanismo que pode ser empregado é mapear os grupos multicast IP em grupos ponto a multiponto MAC.
Note que, por default, todos os datagramas IP são enviados da estação para o headend na conexão ponto a ponto. Isto não impede o uso de outras conexões ponto a ponto ou ponto a multiponto para recepção, e outras conexões ponto a ponto para transmissão, para suportar serviços integrados, ou outras facilidades.
Preferencialmente, deve-se tentar utilizar os recursos de banda downstream da maneira mais eficiente possível. Assim, as implementações de IP sobre redes de CATV devem enviar apenas uma cópia de um pacote por cada transmissão IP broadcast ou multicast.
7. Suporte a Serviços Integrados IP
Por default, o tráfego IP sobre redes de CATV é feito na base de serviço de melhor esforço.
As redes de CATV foram projetadas de forma a oferecer suporte a diferentes classes de serviço: CBR, VBR em tempo real, VBR que não é em tempo real, ABR e UBR, e prover os requisitos de qualidade de serviço (atraso, tolerância a atraso, taxa de perda de células). O mapeamento dos serviços integrados IP em IP sobre redes de CATV pode ser explorado de forma que se consiga um certo gerenciamento da qualidade de serviço, inclusive para tráfego unicast e multicast. O suporte a serviços integrados usando RSVP sobre redes de CATV pode ser desenvolvido em cima destes quesitos.
O protocolo MAC das redes de CATV utiliza-se do conceito de identificadores de serviço, o que permite tanto a identificação do dispositivo quanto o gerenciamento da qualidade de serviço oferecida. Cada identificador de serviço define um relacionamento entre uma estação e o headend, na forma de banda passante garantida com determinada qualidade de serviço entre as entidades.
Um headend pode possuir vários SIDs com a mesma estação, cada um para uma classe de serviço requisitada pela estação. Tal funcionamento tem que ser negociado na fase de registro da estação.
Numa implementação básica de uma estação IP sobre rede de CATV, um SID único PODE ser usado para oferecer serviço IP de melhor esforço. Entretanto, a utilização de outros SIDs permite a implementação de várias classes de serviço na mesma estação, utilizando possivelmente protocolos como RSVP e RTP.
8. Segurança
Redes de CATV são potencialmente um alvo fácil para ataques. Os usuários são muito heterogêneos, e também espalhados numa grande área geográfica, ao contrário das redes convencionais, geralmente restritas geograficamente e com usuários de mesmo tipo e mais fáceis de controlar. Não bastasse isto, todas as transmissões downstream são de difusão, o que facilita bastante a tarefa de um eventual atacante.
Um sistema de redes de CATV utiliza-se de criptografia DES (Data Encryption Software) para manter a confidencialidade da comunicação de cada estação nos canais RF. A especificação dos mecanismos de segurança segue as normas do padrão IEEE 802.10, que define um serviço de enlace seguro.
O DES é um algoritmo simétrico. Tanto o transmissor quanto o receptor devem ter o mesmo "frame key" para que os dados possam ser criptografados e descriptografados. A chave é uma seqüência de 56 bits randômicos, o que corresponde a 72 quatrilhões de combinações, quase impossível de ser decifrada por um computador pessoal. Além disso, esta chave pode ser mudada periodicamente pelo Headend. Para uso fora dos EUA, a seqüência deve conter 40 bits randômicos.
Existem dois tipos de chaves criptográficas: uma privativa e secreta, e outra pública, de conhecimento geral. Quando o Cable Modem acessa o meio, ele envia para o Headend a mensagem criptografada pela chave pública. Então, o Headend criptografa a mensagem de resposta com a chave secreta, garantindo que somente aquele modem tenha condições de decifrar o código.
Alguns aspectos que devem ser ressaltados neste mecanismo são:
• O sistema de segurança é implementado nos níveis inferiores de protocolo, sendo desta forma completamente transparente para os protocolos de níveis superiores.
• Este sistema não impede que se use protocolos seguros em níveis superiores, tais como IPSEC, com o intuito de melhorar ainda mais a segurança.
• Cada conexão ponto a ponto MAC usa chaves diferentes, dificultando a tarefa de um eventual intruso em observar o tráfego unicast de outra estação.
• Cada conexão ponto a multiponto MAC também apresenta chaves diferentes. Isto quer dizer que as estações somente possuem as chaves para os grupos multicast do qual efetivamente participam.
Já existe no IETF um draft que especifica a MIB para ser usada nas redes de CATV. Tal MIB define quais são os objetos necessários para o gerenciamento das interfaces RF de uma estação (interface do modem a cabo) e do headend.
Para cada uma das entidades gerenciadas, temos uma tabela que armazena algumas variáveis, tais como: descrição, tipo, velocidade, endereço físico e MTU da interface; número de octetos enviados e recebidos (com e sem erro), número de pacotes recebidos e enviados com endereços unicast, multicast e broadcast, número de pacotes descartados por erro ou por protocolo desconhecido, etc.
Note que alguns deste valores não se aplicam a todas as interfaces. Por exemplo, o número de pacotes recebidos em uma interface upstream (de envio) deve ser sempre 0.
Para maiores esclarecimentos a respeito das MIB para redes de CATV, olhe em [8] e [9].
10. Conclusão
A nova forma de acesso a Internet que proporciona altas velocidades de acesso é bastante interessante. Aqui mesmo no Brasil, em Campinas, foram realizados os primeiros testes em julho de 97. No dia 8 de dezembro de 97, uma empresa em Brasília tornou disponível o acesso utilizando a malha de TV a cabo, embora o tráfego upstream fosse enviado pela linha telefônica (Telephony Return). Hoje em dia, já presenciamos a atuação da ANATEL, que está permitindo um período de testes "livres" com o intuito de regulamentar este tipo de serviço. Quer dizer, já observamos decisões mais sólidas no sentido de tornar este tipo de serviço mais difundido, o que já acontece em países mais desenvolvidos.
É importante que o padrão IPCDN seja publicado o mais breve possível, pois aparentemente a tendência é um aumento do número de usuários interessados em acessar a Internet por meios mais velozes.
Aspectos de gerenciamento e segurança na rede são muito importantes e felizmente estas funções estão sendo trabalhadas pelo grupo de trabalho do IPCDN, pois é imperativo para que o IPCDN realmente seja aceito, a confidencialidade de informações, visto que o meio da rede de CATV é compartilhado.
11. Anexos
Podemos escrever muito a respeito das novas tecnologias que vem surgindo para os serviços de telecomunicações. Todas procuram oferecer mais velocidade para o internauta. Um dos temas mais comentados do momento é o Cable Modem. Mas o que é isso, e para que serve na prática? Acompanhe o FAQ abaixo e entenda melhor os benefícios dessa nova tecnologia.
(a) O que é Cable Modem ?
Trata-se de um dispositivo que permite altas taxas de transferência de dados utilizando as conexões criadas pelas empresas operadoras de TV a cabo. O dispositivo possuirá duas conexões: uma para o PC e outra para o terminal da TV.
(b) Qual a velocidade que podemos alcançar?
Existem duas velocidades num cable modem: a downstream (transferência da rede para o PC) e a upstream (transferência do PC para a rede). A velocidade downstream pode chegar a 36 Mbits. Acontece que esse valor é superior ao que a maioria dos PCs pode processar, pois as placas de rede Ethernet convencionais suportam até 10 Mbps. Por isso, a velocidade real será em torno de 3 a 10 Mbps. A velocidade de download deverá ser maior do que a de upload. Essa é a tendência natural das aplicações usadas hoje em dia na Internet, porque a navegação simples e leitura de grupos de discussão usam mais o download do que o upload.
(c) Como o cable modem é conectado ao meu PC?
Você deverá utilizar placas de rede já utilizadas para redes locais, em geral de 10 Mbits usando par trançado. Num segundo momento, podem ser desenvolvidos cable modems "internos" (instaláveis dentro dos micros).
(d) Quais os benefícios do cable modem?
O acesso à Internet é mais rápido, de 100 a 1000 vezes superior à velocidade de um modem comum. A alta performance está ligada ao fato de que os dados da Web são transmitidos para o micro do usuário usando um meio de transmissão cuja capacidade é muito superior à das linhas telefônicas. Trata-se do sistema MMDS (Multichannel Multipoint Dustribution Service), que usa microondas captadas por pequena antenas. Isso permitirá o uso de mais servidores de áudio e vídeo (streaming), servidores de CD-ROM e uma vasta quantidade de aplicações multímídia. Este cenário tecnológico é ideal para os produtores de conteúdo como emissoras de TV e produtoras independentes.
(e) Quando os cable modems estarão disponíveis?
Já existem empresas prestando esse serviço no Brasil, mas de forma restrita. A TV Filmes de Brasília foi a primeira. Alguns dos fabricantes de cable modem são 3Com, Lucent, Trellis e Motorola
(f) Para saber mais sobre este assunto?
O mapa da mina está na própria Internet. Alguns dos sites que você pode consultar são:
Anexo C: Comparação Velocidade/Performance
Atualmente os usuários da Internet, em sua maioria, utilizam modems com velocidade de 28.8 kbps (28.800 bits por segundo) . No caso do novo sistema, a TV FILME está transmitindo sinais diretamente ao cliente a uma velocidade de 27 Mbps (27 milhões de bits por segundo). Em outras palavras, a transmissão é feita diretamente para o cliente a uma velocidade que é aproximadamente1.000 vezes maior que a dos atuais dispositivos. A velocidade de transmissão dos dados é tão alta no novo sistema que nem todos os computadores domésticos estão preparados para tirar o melhor proveito do sistema. Por isso, a velocidade para o cliente da Internet estará limitada em grande parte pela velocidade e performance do seu próprio computador. Quanto mais rápido for o processamento do microcomputador, mais veloz será o acesso ao serviço.
Para se ter uma idéia mais concreta da velocidade real, uma operação que leva hoje 1 hora em um computador utilizando a Internet convencional poderá ser realizada em até 40 segundos. Isso significa economia de tempo, rapidez no acesso às informações da Internet e um serviço de muito melhor qualidade. Na prática, os computadores domésticos comuns poderão ter um acesso que supere em 100 vezes ou mais os acessos convencionais.
Pagamos a um provedor uma franquia de acesso que varia em média de R$ 20,00 a R$ 30,00 para 20 a 30 horas de acesso e quando ultrapassamos este limite é cobrado um acréscimo de R$ 1,00 por hora excedente. Outro tipo de contrato é o pagamento de uma mensalidade de R$ 30,00 por um acesso de tempo indeterminado.
Pagamos a uma concessionária de comunicação o valor correspondente do tempo de utilização da linha telefônica que pode variar , segundo nossas pesquisas, de um usuário de pouco acesso (R$ 40,00 a R$ 60,00 - 40% dos usuários) ; de um usuário de médio acesso (R$ 60,00 a R$ 120,00 - 50% dos usuários); de um usuário de muito acesso (Acima de R$ 120,00 - 10% dos usuários).
Então um usuário mediano, que corresponde a maioria dos usuários, gastaria no mínimo R$ 30,00 de acesso indeterminado + R$ 60,00 de conta telefônica, somando um total de R$ 90,00 de gastos diretos no mínimo.
Existem outros gastos internos que podemos citar por exemplo: Qual o custo de ter a linha telefônica ocupada nos horários mais inconvenientes ? Caso o usuário alugue ou compre uma linha para uso exclusivo com a Internet ele teria um custo mensal adicional de R$ 50,00 do aluguel de uma linha ou o mesmo valor empatado de ter uma linha própria + a taxa mínima de utilização de R$ 13,88 da TELEMAR, ou seja , uma pessoa gasta em média R$ 160,00 como acesso tradicional a Internet por mês.
PROJETOS ATUAIS:
Instalação do sistema: Média de R$ 400,00 (Mediante Orçamento)
Custo mensal............: Média de R$ 60,00 (Depende da quantidade de usuários, mínimo 10).
12. Glossário
Amplificadores são usados em segmentos de cabo coaxial do sistema de rede de TV a cabo (CATV) para restaurar os níveis dos sinais desgastados pela atenuação causada pela distância. Infelizmente os amplificadores amplificam também o ruído.
Também chamada como cabo de alimentação (Feeder Cable). É geralmente um cabo coaxial que vai desde a Linha de Tronco até o ponto de descida na residência do assinante.
Modem a cabo. É qualquer dispositivo capaz de modular e demodular um sinal digital em um sistema CATV.
Originalmente, referia-se a Community Antenna Television. Atualmente é empregado para se referir a qualquer sistema provedor de serviços de televisão baseado em qualquer tipo de mídia de transmissão (coaxial ou fibra).
É uma faixa de alocação de freqüência específica ou largura de banda. Canais downstream usados para televisão geralmente possuem largura de 6 MHz, pelos padrões internacionais. Outros sistemas podem apresentar canais também de 8 MHz.
Refere-se ao conjunto de freqüências usado para envio de dados de um headend para um assinante.
Um ponto de acesso de um assinante. Trata-se do cabo que liga o ponto de TV a cabo na casa do assinante ao cabo de alimentação que desce a rua.
É um nó ótico localizado do lado de fora do sistema de distribuição das redes de TV a cabo, que termina o sinal downstream baseado em fibra em um sinal elétrico no cabo coaxial RF. Cada nó de fibra suporta uma certa área de serviço, que é definida pelo número de residências, ou pelo total da cascata de amplificadores (número de amplificadores ativos na linha mais longa desde o nó até o fim da linha).
Central de distribuição para o sistema CATV. Os sinais de vídeo são recebidos de um satélite, suas freqüências são convertidas para os canais apropriados, são combinados com os sinais gerados localmente, e redifundidos pela malha HFC. Para sistemas de dados CATV, o headend é lugar típico para ligação entre o sistema HFC e qualquer rede de dados externa.
Sistemas de TV a cabo antigos (CATV) eram providos utilizando-se apenas cabo coaxial. Sistemas modernos usam transporte em fibra desde o headend até um nó ótico localizado na vizinhança, de forma a reduzir o ruído. Cabos coaxais vão deste nó até o assinante do serviço. O esquema das ligações de fibra forma uma configuração em estrela, com todas as fibras dos nós óticos terminando no headend. A parte coaxial do sistema é geralmente em configuração tronco e ramo.
O número de residências ou escritórios potencialmente "servíveis" por um sistema de cabo.
Trata-se de um ponto de distribuição (headend) menor ou remoto para o sistema CATV. Os sinais de vídeo são recebidos de outro headend, e redistribuídos para os assinantes ligados a este Hub. Eventualmente, um pequeno número de sinais gerados localmente são introduzidos.
O conceito de Sub-redes Lógicas IP (LIS) é bem conhecido na literatura da área. Trata-se de uma sub-rede IP clássica, exceto que a forma de ligação entre as estações pode ser arbitrária. Isto quer dizer que estações em uma mesma LIS podem fazer partes de redes fisicamente diferentes e dispersas, e que estações de uma mesma rede física podem fazer parte de LIS diferentes entre si. Desta forma, uma LIS pode ser vista como uma ilusão, conseguida por uma lógica de pertinência (através de configuração) da estação à sub-rede.
É o plano de alocação de freqüências onde a faixa 5-108 MHz é usada como upstream e a faixa 178 MHZ até o limite superior de transmissão é usada para downstream.
Um dispositivo usado para converter a banda de distribuição RF (Rádio freqüência, como os sinais de televisão) de/para sinais de fibra ótica.
É o plano de alocação de freqüências onde a faixa 5-42 MHz é usada como upstream e a faixa de 50 MHz até o limite superior de transmissão é usada para downstream.
Um dispositivo passivo que divide o sinal entre as linhas de tronco e de alimentação, dividindo o sinal para os pontos de acesso dos assinantes.
Uma variante do sistema de dados por cabo onde o caminho de retorno desde o modem de cabo do assinante ocorre via conexão discada (ou ISDN), ao invés de usar algum canal upstream.
Um backbone de CATV feito de cabo coaxial. Segue desde um nó ótico por uma vizinhança específica, ou área de serviço.
Trata-se do conjunto de freqüências usado para envio de dados de um assinante para o headend.
14. Referências
1.White, G. - "Logical IP Subnetworks over MCNS Data Link Services" - INTERNET DRAFT - 1997
2.Laubach, Mark - "Logical IP Subnetworks over IEEE 802.14 Services" - INTERNET DRAFT – 1997
3.StJohns, M. - "IP Over Cable Data Networks - Terms of Reference" - INTERNET DRAFT - 1997
4.Soares, Luiz Fernando Gomes; Lemos, Guido; Colcher, Sérgio - "Redes de Computadores: das LANs MANs e WANs às Redes ATM" - Editora Campus - 1995
5.Hornig, C. - "A Standard for the Transmission for IP Datagrams over Ethernet Networks"- RFC 894 - 1984
6.Heinanen, Juna - "Multiprotocol Encapsulation over ATM Adaptation Layer 5" - RFC 1483 – 1993
7.Braden, R. - "Requirements for Internet Hosts - Communication Layers" - RFC 1122 - 1989
8.Roeck, Guenter - "Radio Frequency (RF) Interface Management Information Base for MCNS Compliant RF Interfaces" - INTERNET DRAFT - 1997
9.Roeck, Guenter - "Cable Device Management Information Base for MCNS compliant Cable Modems and Cable Modem Termination Systems" - INTERNET DRAFT - 1997
10.http://www.cablemodem.com. Informações gerais sobre as características de um Cable Modem. Novembro 1997
11.IEEE 802 LAN/MAN, "IEEE 802.14 Draft 2 Revision 2", IEEE 802.14 Working Group work in progress. Julho 1997
12.MCNS Radio Frequency Interface Specification SP-RFI-I02-971008. Março 1997
13.http://www.catv.org. Informações gerais sobre TV a cabo. Dezembro 1997