ケーブル モデムの仕組み

何百万人もの人々にとって、テレビはニュース、エンターテイメント、教育番組を家庭にもたらしています。ケーブル テレビ (CATV) の方が鮮明な画像とより多くのチャンネルを提供しているため、多くの人がケーブル テレビ(CATV) からテレビ信号を受信して​​います。 (詳細については、 「ケーブル TV の仕組み」を参照してください。)

ケーブル TV を利用している多くの人は、ケーブル プロバイダーからインターネットへの高速接続を利用できるようになりました。ケーブル モデムは、非対称デジタル加入者線(ADSL) などのテクノロジーと競合します。 DSL モデムとケーブル モデムの違いは何なのか、またはコンピュータ ネットワークがどのようにして数十のテレビ チャンネルとケーブルを共有できるのか疑問に思ったことがある場合は、読み続けてください。この記事では、ケーブル モデムの仕組みを説明し、100 のケーブル テレビ チャンネルとあらゆる Web サイトが 1 本の同軸ケーブルを介して家庭にどのように流れるのかを説明します。

余分なスペース

テレビ チャンネルは、ケーブル上でかなりの電気的な「スペース」、つまり帯域幅を占めると思うかもしれません。実際には、各テレビ信号にはケーブル上で 6 メガヘルツ (MHz、1 秒あたり数百万サイクル) チャネルが与えられます。ケーブル テレビの伝送に使用される同軸ケーブルは、数百メガヘルツの信号を伝送でき、視聴したいすべてのチャンネルなどを伝送できます。 (詳細については、 「テレビの仕組み」を参照してください。)

ケーブル TV システムでは、さまざまなチャネルからの信号にそれぞれ、ケーブルの利用可能な帯域幅の 6 MHz スライスが与えられ、ケーブルを通じて家庭に送信されます。一部のシステムでは、同軸ケーブルが信号の配信に使用される唯一の媒体です。他のシステムでは、光ファイバー ケーブルがケーブル会社からさまざまな近所やエリアに接続されます。その後、ファイバーが終端され、信号は同軸ケーブルに移されて各家庭に配信されます。

ストリーム

ケーブル会社がケーブル経由でのインターネット アクセスを提供すると、ケーブル モデム システムがダウンストリームデータ (インターネットから個々のコンピュータに送信されるデータ) を 6 MHz チャネルに入れるため、インターネット情報は同じケーブルを使用できます。ケーブル上では、データはテレビのチャンネルとまったく同じように見えます。したがって、インターネットのダウンストリーム データは、番組の単一チャンネルと同じ量のケーブル スペースを占有します。アップストリームデータ (個人からインターネットに送り返される情報) に必要なケーブル帯域幅はさらに少なく、わずか 2 MHz です。これは、ほとんどの人がアップロードする情報よりもダウンロードする情報の方がはるかに多いと想定されているためです。

アップストリーム データとダウンストリーム データの両方をケーブル テレビ システムに配置するには、顧客側のケーブル モデムとケーブル プロバイダー側​​のケーブル モデム終端システム(CMTS) の 2 種類の機器が必要です。これら 2 種類の機器の間で、すべてのコンピュータ ネットワーキング、セキュリティ、およびケーブル テレビ経由のインターネット アクセスの管理が行われます。

ケーブルモデムの内部

ケーブル モデムは、コンピュータの内部または外部に設置できます。場合によっては、ケーブル モデムをセットトップ ケーブル ボックスの一部として使用でき、インターネット アクセス用にキーボードとマウスを追加するだけで済みます。実際、ケーブル システムがデジタル ケーブルにアップグレードされている場合、CATV 接続を通じてインターネット アクセスを受けているかどうかに関係なく、ケーブル会社が提供する新しいセットトップ ボックスはインターネットに接続できるようになります。外観に関係なく、すべてのケーブル モデムには特定の主要コンポーネントが含まれています。

ケーブルモデムの内部: チューナー

チューナーはケーブルコンセントに接続されますが、場合によっては、インターネット データ チャネルを通常の CATV 番組から分離するスプリッターが追加されることもあります。インターネット データは未使用のケーブル チャネルを介して送信されるため、チューナーは変調されたデジタル信号を受信し、それを復調器に渡します。

場合によっては、チューナーにダイプレクサが含まれる場合があります。これにより、チューナーは、ダウンストリーム トラフィック用に 1 つの周波数セット (通常は 42 ～ 850 MHz) を使用し、アップストリーム トラフィック用に別の周波数セット (5 ～ 42 MHz の間) を使用できるようになります。データ。他のシステム (ほとんどの場合、チャネルの容量が制限されているシステム) では、ダウンストリーム データにケーブル モデム チューナーを使用し、アップストリーム トラフィックにダイヤルアップ電話モデムを使用します。いずれの場合も、チューナーが信号を受信した後、その信号は復調器に渡されます。

ケーブル モデムの内部: 復調器

最も一般的な復調器には 4 つの機能があります。直交振幅変調 (QAM) 復調器は、波の振幅と位相の両方を変化させることで情報がエンコードされた無線周波数信号を取得し、アナログ/デジタル変換器で処理できる単純な信号に変換します。 (A/D)コンバーター。 A/D コンバータは、電圧が変化する信号を受け取り、それを一連のデジタル 1 と 0 に変換します。次に、エラー訂正モジュールが受信した情報を既知の標準と照合してチェックするため、送信時の問題を発見して修正できます。ほとんどの場合、ネットワークフレーム、つまりデータのグループはMPEG 形式であるため、MPEG シンクロナイザーを使用して、データ グループが整然とした順序で並んでいることを確認します。

ケーブル モデムの内部: 変調器

アップストリーム トラフィックにケーブル システムを使用するケーブル モデムでは、デジタル コンピュータ ネットワーク データを送信用の無線周波数信号に変換するために変調器が使用されます。このコンポーネントは、ユーザーとインターネット間のトラフィックのほとんどが不規則であるため、バースト変調器と呼ばれることもあり、次の 3 つの部分で構成されます。

ケーブルモデム内部: MAC

MAC はケーブル モデムの上流部分と下流部分の間に位置し、さまざまなネットワークプロトコルのハードウェア部分とソフトウェア部分の間のインターフェイスとして機能します。すべてのコンピュータ ネットワーク デバイスには MAC がありますが、ケーブル モデムの場合、タスクは通常のネットワーク インターフェイス カードよりも複雑です。このため、ほとんどの場合、MAC 機能の一部は中央処理装置 (CPU)、つまりケーブル モデムの CPU またはユーザ システムの CPU に割り当てられます。

マイクロプロセッサ

マイクロプロセッサの仕事は、ケーブル モデムがより大きなコンピュータ システムの一部として設計されているか、追加のコンピュータ サポートなしでインターネット アクセスを提供するように設計されているかによって多少異なります。接続されたコンピュータが必要な状況でも、内部マイクロプロセッサは専用の MAC モジュールから MAC 機能の多くを取得します。ケーブル モデムがインターネット アクセスに必要な唯一のユニットであるシステムでは、マイクロプロセッサが MAC スラックなどを検出します。どちらの場合でも、これはシステム設計者にとって一般的な選択肢の 1 つです。

ケーブルモデム終端システム

ケーブル プロバイダーのヘッドエンドでは、CMTS は、 DSLシステムの DSLAM によって提供されるのと同じ機能の多くを提供します。 CMTS は、単一チャネル上の顧客のグループから受信したトラフィックを取得し、インターネットに接続するためにインターネット サービス プロバイダー（ISP）にルーティングします。ヘッドエンドでは、ケーブル プロバイダーが、ケーブル システムのすべてのユーザーのIP アドレスを割り当てて管理するためのアカウンティングおよびログ記録 (DHCP) 用のサーバーと制御サーバーを所有するか、サードパーティ ISP が持つためのスペースをリースします。 CableLabs Certified Cable Modems と呼ばれるプロトコル — 旧名 (DOCSIS) は、ユーザーにインターネット アクセスを提供する際に米国のケーブル システムで使用されている主要な標準です。

ダウンストリーム情報は、イーサネットネットワークと同様に、接続されているすべてのユーザーに送信されます。特定のデータ ブロックがそのネットワークに向けられたものであるかどうかは、個々のネットワーク接続によって決まります。アップストリーム側では、情報がユーザーから CMTS に送信されます。他のユーザーにはそのデータはまったく表示されません。狭いアップストリーム帯域幅は、ミリ秒単位で測定される時間のスライスに分割され、ユーザーは一度に 1 つの「バースト」をインターネットに送信できます。時間による分割は、ほとんどのユーザーのインターネットへのトラフィックの大部分を形成する非常に短いコマンド、クエリ、およびアドレスに適しています。

CMTS を使用すると、最大 1,000 人のユーザーが単一の 6 MHz チャネルを通じてインターネットに接続できるようになります。単一チャネルの総スループットは 30 ～ 40 Mbps であるため、標準のダイヤルアップ モデムよりもはるかに優れたパフォーマンスが得られる可能性があります。ただし、単一チャネルという側面は、一部のユーザーがケーブル モデムで経験する問題の 1 つを引き起こす可能性もあります。

ケーブルモデムの長所と短所

あなたが特定のケーブル チャネルを通じてインターネットに接続した最初のユーザーの 1 人であれば、チャネルの帯域幅のほぼ全体を使用できる可能性があります。新しいユーザー、特にアクセス頻度の高いユーザーがチャネルに接続すると、その帯域幅を共有する必要があり、その結果、パフォーマンスが低下する可能性があります。多くのユーザーが接続し、使用量が多い場合には、パフォーマンスが理論上の最大値を大幅に下回る可能性があります。幸いなことに、この特定のパフォーマンスの問題は、ケーブル会社が新しいチャンネルを追加し、ユーザー ベースを分割することで解決できるということです。

インターネット アクセス用のケーブル モデムのもう 1 つの利点は、 ADSLとは異なり、そのパフォーマンスが中央のケーブル オフィスからの距離に依存しないことです。デジタル CATV システムは、特定の品質のデジタル信号を顧客の家庭に提供するように設計されています。上流側では、ケーブル モデムのバースト変調器がヘッドエンドからの距離に応じてプログラムされており、正確な送信のために適切な信号強度を提供します。

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