Bölüm 63: Kablo Modem ve CMTS

Kararı sokağın öbür ucundaki bir cihaz veriyor. Kablonun sonunda, operatörün binasında, segmentteki bütün modemleri tek başına yöneten bir kutu duruyor.

O kutu bir modemi ağa nasıl alıyor, kime ne zaman söz veriyor ve aynı kabloyu paylaşan komşuları birbirinden nasıl ayırıyor?

Kablonun öbür ucu: CMTS

Evdeki kablo modemin karşı ucundaki cihazın adı kablo modem sonlandırma sistemi (Cable Modem Termination System, CMTS). Operatörün baş ucunda (headend) ya da ona bağlı bir dağıtım merkezinde duruyor. 59. bölümdeki DSLAM’ın ve 61. bölümdeki OLT’nin kablodaki karşılığı bu.

Sonlandırma sözcüğü işini anlatıyor: modemden gelen radyo frekanslı sinyal orada biter, içindeki veri operatörün IP ağına orada girer. Bir CMTS’yi raf dolabında duran büyük bir router gibi düşünebilirsin. Bir yüzünde koaksiyel şebekeye bakan portlar var: downstream kanallarını üreten modülatörler ve upstream’den gelen kısa patlamaları dinleyen alıcılar. Öbür yüzünde operatörün omurgasına giden fiber portları duruyor. Aradaki iş bir router’ın işi; modemlerin ve arkalarındaki evlerin yolundaki ilk router, yani DSL’de gördüğün kenar router, çoğu zaman bizzat CMTS’dir. Her port grubu bir segmente, yani aynı kabloyu paylaşan birkaç yüz haneye bakıyor.

Son yıllarda bu kutu ikiye bölünmeye başladı. Radyo frekanslı kısım fiberin bittiği sokak düğümüne taşınıyor (Remote PHY), geri kalanı veri merkezindeki sunucularda yazılım olarak çalışıyor. Mantık DSL’dekinin aynısı: analog kısmı kısalt, gerisini sayısal tut.

Modemin bu zincirdeki yeri veri iletişimi terminolojisinde adlandırılmıştır: 41. bölümdeki gibi bilgisayarlar DTE, modem DCE’dir. Bakırın frekans planını, dilim takvimini ve modülasyonu modem taşır; ona bağlanan makineler bunların hiçbirini bilmez.

Aralarındaki pazarlığı tanımlayan belirtimin adı DOCSIS, açılımıyla Data Over Cable Service Interface Specification. IEEE 802 ailesinde kablo modemlere 802.14 numarası ayrılmıştı, ama o çalışma grubu 2000’de dağıldı; pazarı kablo şirketlerinin kendi konsorsiyumu CableLabs’in DOCSIS’i aldı.

Segmentteki sırayı kim dağıtıyor?

DOCSIS iki kez böler. Önce frekansı böler: upstream ile downstream ayrı kanallara düşer. Sonra zamanı böler: upstream dilimlere kesilir.

Downstream’de tek bir konuşmacı var, o da CMTS. Bu yüzden downstream’de collision diye bir sorun yok. Bütün sorun upstream’in sorunudur. Kablo erişiminin upstream’i paylaşılan bir yayın ortamıdır. Eski Ethernet ve 802.11 ile aynı kutuda durur. 27. bölümde collision domain’i switch bölmüştü; kablo upstream’i o alanın sokak ölçeğinde geri gelmiş hâlidir.

Upstream’deki o dilimlerin adı mini dilimdir (minislot). Veri dilimi büyük, istek dilimi küçüktür. Dilimlerin bir kısmı belirli modemlere atanmıştır, bir kısmı yarışmaya açıktır; iki rejim aynı kanalda aynı anda çalışır. Takvimi downstream’den inen MAP frame’i taşır. Hangi modemin hangi upstream dilimini kullanacağını o söyler.

Bir modem dilim istemek için önce yarışır. İstek frame’ini yarışmaya açık mini dilimlerde rastgele erişimle gönderir; çarpışırsa ikili geri çekilmeyle bekler ve yeniden dener. Sürenin rastgele olması şarttır. Sabit bir bekleme süresi kilidi açmaz. Aynı anda çarpışan iki modem, aynı süre sonunda yine aynı anda konuşur.

54. bölümdeki çoklu erişim protokolleri üç sınıfa ayrılır: kanal bölme, rastgele erişim ve sıra alma. DOCSIS üçünü de aynı kanalda kullanıyor. Saf kanal bölmenin kusuru düşük yükte ortaya çıkar: tek modem etkinken bile ona bandın 1/N’i düşer, gerisi boşa gider. Upstream’de bu yüzden seçilmedi.

Modemi fişe taktığın ilk dakikalar

Bir kablo modemi fişe taktığında önündeki ışıklar belli bir sırayla yanar. Çoğu modemde alım (DS ya da Receive), gönderim (US ya da Send) ve Online diye üç ışık vardır; her biri bir aşamanın bittiğini söyler.

İkinci aşama kablo erişiminin en ilginç parçası. Upstream’de modemler sırayla konuşuyor ve sıra zaman dilimleriyle dağıtılıyor. Ama her modem CMTS’ye farklı uzaklıkta: biri fiber düğümünün dibinde, öteki kilometrelerce ötede. Aynı anda gönderilen iki patlama CMTS’ye farklı anlarda varıyor ve komşu dilime taşıyor. Fark küçük değil: fiberde ışık bir kilometreyi yaklaşık 5 mikrosaniyede geçiyor. Düğümü CMTS’den 2 kilometre uzakta olan bir modemle 12 kilometre uzakta olan bir modem arasında gidiş-dönüşte 100 mikrosaniye var; upstream’in en küçük dilimi ise on mikrosaniye mertebesinde.

Ranging bu farkı ölçüp kapatıyor. Yeni modem, CMTS’nin herkese açık bıraktığı bir tanışma dilimine kısa bir istek gönderiyor. CMTS isteğin beklenenden ne kadar geç geldiğini ölçüyor ve modeme bir zaman düzeltmesi yolluyor: bundan sonra şu kadar erken gönder. Aynı cevapta gücünü artırmasını ya da azaltmasını da söylüyor, çünkü bütün modemleri aynı güçte duymak istiyor. Sonuçta her modem kendi uzaklığı kadar erken konuşuyor ve bütün patlamalar CMTS’ye kendi dilimlerinin içinde varıyor. 61. bölümdeki mesafe ölçümü aynı fikrin camdaki hâliydi.

Üçüncü aşamada modem 36. bölümdeki DHCP’nin bir ayrıntısını kullanıyor: gelen teklifin içinde bir de dosya adı var. Modem o dosyayı basit bir dosya aktarım protokolüyle (TFTP) indiriyor ve dosyanın içinde tarifen yazıyor: iki yönde izin verilen en yüksek hız, öncelikler, filtreler. Tarifen değiştiğinde operatör eve teknisyen göndermiyor; modemine başka bir dosya veriyor ve modem yeniden kaydolunca yeni hıza oturuyor. Dosyayı değiştirip kendine daha yüksek bir hız yazmak eskiden denenen bir hileydi. Bugün dosya yalnızca operatörün bildiği bir anahtarla hesaplanmış bir doğrulama değeri taşıyor ve CMTS kayıt sırasında bu değeri kontrol ediyor.

Son aşamanın sebebi kablonun paylaşılan bir ortam olması. CMTS’nin downstream’e verdiği her şey segmentteki bütün modemlere varıyor; senin trafiğin komşunun modeminin de önünden geçiyor. Modem kendisine gelmeyeni atıyor, ama atmak bir tercih ve kurcalanmış bir modem atmayabilir. DOCSIS bu yüzden modem ile CMTS arasındaki trafiği şifreliyor; adı BPI+ (Baseline Privacy Interface Plus). Her modemin içinde üreticisinin imzaladığı bir sertifika var ve CMTS şifreleme anahtarını, o sertifikayı 12. bölümdeki zincir mantığıyla doğruladıktan sonra veriyor. Böylece komşunun trafiği okunamıyor, bir modem de başka bir modemin kimliğine bürünemiyor. PON’da downstream’in şifrelenmesinin sebebi de aynıydı: paylaşılan bir ortamda gizliliği fizik değil anahtar sağlıyor.

Baş uçtan sokağa uzanan ağacı ve iki yönün nasıl paylaşıldığını birlikte izleyelim:

Sokak aynı hattı paylaşıyor

59. bölümdeki DSL de ses ile veriyi aynı bakırda farklı frekanslara koyuyordu. Ama iki hattın etiketi başka: telefon hattı santrale kadar o aboneye tahsislidir ve paylaşım ancak DSLAM’dan sonra başlar; kabloda ise evler baş uca giden erişim ağını paylaşır. Aynı frekans hilesi ikisinde de var; ayıran şey paylaşım modelidir.

Paylaşım mimarinin kendisinde var. Koaksiyel zaten twisted pair’den uzağa giden ve aynı hatta daha çok istasyon taşıyan kablo olarak seçilmişti; ortak hat sonradan eklenmedi. Sonucunu akşam saatlerinde görürsün. Downstream’deki 1,2 Gbit/s’i aynı segmentteki 200 hane aynı anda çekmeye kalkarsa haneye 6 Mbit/s düşer.

Bunu satılan hızlarla karşılaştır. O 200 hanenin her biri 100 megabitlik tarife almışsa kâğıt üstündeki toplam 20 gigabit ediyor, segmentin downstream kapasitesi ise 1,2 gigabit civarında. Oran on altıya bir ve bu bir hile değil: 54. bölümdeki istatistiksel multiplexing, herkesin aynı anda indirmediğine güveniyor. Gündüz bu güven boşa çıkmıyor; akşam dokuzda, sokağın yarısı aynı anda film açtığında çıkabiliyor. Yükleme tarafında tablo daha da sıkı: 200 hane × 10 megabit 2 gigabit eder, sekiz upstream kanalının toplamı ise 200 megabit civarı.

Darboğaz yolun en dar halkasıydı; kablo erişiminde o halka çoğu zaman kendi sokağının içindedir. Operatörün çaresi segmenti bölmek (node split): fiberi bir sokak daha içeri sokup aynı kapasiteyi daha az haneye paylaştırmak. DSL’deki gibi burada da çare bakırı kısaltmak.

61. bölümdeki pasif optik ağda tek bir lif komşularla bölüşülüyordu; kabloda bölüşme fiberin bittiği yerde, bakırın üstünde sürüyor.

İki erişimi yan yana koyunca fark tek bakışta görünüyor:

Özet

• CMTS kablonun sonlandırıcısıdır: modemlerin radyo sinyali orada biter, veri operatörün IP ağına orada girer; çoğu zaman evin yolundaki ilk router da odur.
• Modem ağa adım adım girer: kanalı bulur, ranging ile zamanlamasını ayarlatır, DHCP ile adresini alır, tarifesini yapılandırma dosyasından okur, anahtarını alıp şifrelemeye başlar.
• Ranging uzaklığı zamana çevirir: her modem CMTS’ye olan gecikmesi kadar erken konuşur; farklı uzaklıktaki modemlerin patlamaları böylece çakışmaz.
• Paylaşılan downstream şifrelenir: her modem komşusunun trafiğini de alır; BPI+ ile okuyamaz, sertifikası sayesinde de başka bir modemin yerine geçemez.
• Mini dilim: upstream kanalı atanmış ve yarışmaya açık dilimlere kesilir, istek frame’leri rastgele erişimle gönderilir, collision ikili geri çekilmeyle çözülür.
• Akşam yavaşlaması istatistiğin bedelidir: segmentte satılan hızların toplamı kapasitenin katlarıdır; herkes aynı anda çektiğinde pay küçülür, çaresi segmenti bölmektir.

Televizyona döşenmiş bir tesisat, paylaşılan bir yayın ortamı olarak veri taşımayı böyle öğrendi. İstek artık şehri de ülkeyi de geçti; peki okyanusun altından neyle geçecek?