\chapter{Laboratorní úloha: Datová komunikace v DOCSIS síti}\label{lab_uloh}
\begin{center}
\textbf{\large Zadání}
\end{center}

Cílem úlohy je seznámit se s mezinárodním standardem Data Over Cable Service Interface Specification (DOCSIS) a nastavením vzestupného a sestupného směru v~zařízení Cable modem termination system (CMTS). Dále také propojit koaxiálním kabelem modem s rozbočovačem. Po dokončení konfigurace by měla být otestována přenosová rychlost směrem do Internetu přes modem a tím potvrdit funkční datovou komunikaci. \\
\begin{enumerate}
	\item Koaxiálním kabelem propojte modem s rozbočovačem.
	\item Seznámit se s CMTS a jeho nastavením.
	\item Nakonfigurovat použití 1 vzestupného a 1 sestupného kanálu a nastavit druh modulace.
	\item Otestovat přenosovou rychlost přes speedtest.
	\item Nakonfigurovat použití více kanálů a otestovat přenosovou rychlost.
\end{enumerate}
\begin{center}
\textbf{\large Vybavení laboratoře}
\end{center}
\begin{itemize}
	\item CMTS DAH100
	\item Cisco modem EPC3925
	\item PC; použití webového prohlížeče na konfiguraci CMTS; testování přenosové rychlosti přes speedtest
	\item Slučovač Alcad MM-407
	\item Rozbočovač FV 3
	\item Koaxiální kabel RG-6
\end{itemize}
\begin{center}
\textbf{\large Teoretický úvod}
\end{center}
DOCSIS je telekomunikační standard, který zajištuje jednoduché a levné řešení pro připojení k Internetu, přes existující sítě kabelové televize (CATV). Tento standard specifikuje pravidla pro obousměrné širokopásmové datové přenosy. Modemy používají vysokofrekvenční signály (RF) a transportují data přes hybridní opticko-koaxiální (HFC) infrastrukturu do CMTS. DOCSIS využívá asymetrickou datovou komunikaci, která je běžná u vysokorychlostního Internetu. Více klientů využívá jedno sdílené médium (nutno přidělovat vysílací prostor ve vzestupném směru, vzniká větší jitter).

Specifikace DOCSIS definuje dvě nejnižší vrstvy v OSI modelu, fyzickou a spojovou. Data v sestupném směru jsou zapozdřena do rámců MPEG-2, tyto rámce mohou obsahovat video a audio data, která jsou dekódována jako TV obraz a zvuk. Společně k tomu je možné přidat data, která se používají v počítačích. Díky tomu je možné přenášet počítačová data a televizní data přes jeden koaxiální kabel. V Evropě je používán Evropský standard EuroDOCSIS díky rozdílnému využití pásma mezi americkými a evropskými systémy. EuroDOCSIS umožňuje vyšší rychlost přenosu dat ve směru k zákazníkovi. [1]

Sestupný směr (download) použivá šířku pásma 8 MHz, což je jeden televizní kanál. Poskytovatel může umístit kanál ve frekvenčním rozsahu
od 54 až 860 MHz. Frekvenční rozsah může mít jiné hodnoty zvláště u sestupného směru,
záleží na parametrech sítě. Maximální přenosová rychlost záleží 
hlavně na použité modulaci kanálu. U sestupného směru se používá 64-QAM varianta s maximální rychlostí přibližně 30,34 Mbit/s nebo
256-QAM varianta s maximální rychlostí 42,88 Mbit/s (50 Mbit/s v EuroDOCSIS).

Vzestupný směr (upload) je umístěn v pásmu mezi 5 až 42 MHz a narozdíl od sestupného směru používá časový multiplex, Time division multiple access (TDMA).
Šířka pásma je možná od 0,2 do 6,4 MHz, výběr ovlivňuje maximální rychlost. U~vzestupného směru se používá  QPSK nebo 16-QAM modulace,
s použítím 6,4 MHz pásma je maximální rychlost 10,30 Mbit/s (QPSK). Modulace QPSK se využívá více vzhledem k tomu, že je odolnější
proti vnějšímu rušení, které je více nebezpečné pro vzestupný směr vzhledem k danému frekvenčnímu rozsahu.

Verze DOCSIS 3.0 přináší navýšení přenosové rychlosti za pomocí slučování kanálů. Sloučením několika kanálů do jednoho virtuálního se násobí přenosová rychlost 
jak vzestupného tak sestupného směru. Každý paket je označen pomocí CMTS a~poslán na jednom z kanálu, modem poté poskládá pakety pokud přišly ve špatném pořadí.
\\
\begin{center}
\textbf{\large CMTS}
\end{center}
Toto zařízení je většinou umístěno v hlavní stanici provozovatele CATV. Hlavním úkolem CMTS je modulace 
signálu ze vstupního rozhraní (Ethernet) na výstupní rozhraní, které je reprezentováno koaxiálním výstupem, tento směr je označován jako sestupný směr (download). Vzestupný směr (upload) je opak, kdy dochází k demodulaci signálu z koaxiálního rozhraní a signál je dále poslán na Ethernet rozhraní. Na obr. \ref{fig:dah1000} je možné vidět, jak 
takové zařízení vypadá.

U sestupného a vzestupného směru je důležité realizovat útlumové poměry odděleně, vzhledem k tomu, že oba dva směry používají jiné frekvenční pásma.
Oba dva směry se slučují do slučovače, poté se tento sloučený signál  dále sloučí s TV signálem (TV signál obvykle obsahuje 4 anténní vstupy, připojené do slučovače, přijímané signály nemají stejnou napěťovou úroveň, proto se zesilují v předzesilovači). Tento sloučený signál se poté rozděluje přes rozbočovač pro
více uživatelů. U uživatele se poté ještě používá rozbočovač pro rozdělení TV a internetového signálu. [2]

\begin{figure}[htbp]
	\centering
		\includegraphics[width=0.65\textwidth]{obrazky/dah1000.png}
	\caption{Použitý CMTS v úloze}
	\label{fig:dah1000}
\end{figure}



\begin{center}
\textbf{\large Kabelový modem}
\end{center}
Kabelový modem je zařízení, které se hlavně stará o demodulaci analogového signálu na digitální a modulaci digitálního signálu na analogový. Pracuje hlavně na 
první a~druhé vrstvě OSI modelu. Modem je většinou brán jako externí zařízení, ale je možné mít modem ve formě PCI karty. Směrem k počítači se používá rozhraní Ethernet a~směrem k CMTS se využívá koaxiálního rozhraní. Ke konfiguraci zařízení je možné využít USB rozhraní a nebo Ethernet rozhraní. Pro správné fungování modemu
v~síti si modem stahuje konfigurační soubor z TFTP serveru pri inicializaci s~CMTS. Poskytovatel služeb vytváří soubor pro každý modem a jsou v něm nastavené údaje, které určují, jak se bude modem chovat v síti (přenosová rychlost vzestupného a~sestupného kanálu, kvalita služeb, centrální frekvence sestupného směru a další informace potřebné pro správné fungování). Na obr. \ref{fig:33} je vidět použitý modem v~úloze.


\begin{figure}[htbp]
	\centering
		\includegraphics[width=0.70\textwidth]{obrazky/33.png}
	\caption{Použitý modem v úloze EPC3925}
	\label{fig:33}
\end{figure}

\pagebreak
\begin{center}
\textbf{\large Pracovní postup}
\end{center}
Na obr. \ref{fig:ZapojeniUlohy} je schéma zapojení úlohy. Počítač je k modemu připojen přes kroucený kabel, za pomocí DHCP služby je zde vytvořena lokální síť (192.168.0.0/24). Modemu je přidělena IP adresa od CMTS (obsahuje v sobě DHCP a TFTP službu) a modem je připojen koaxiálním kabel do rozbočovače. Rozbočovač je připojen ke slučovači a~slučovač je zapojen do sestupného a vzestupného směru CMTS. CMTS je připojen do WAN sítě (10.0.0.0/24) za pomocí krouceného kabelu a má nastavenou management IP adresu (10.0.0.80) pro jeho konfiguraci přes webový prohlížeč. Kabelový modem v úloze podporuje 8 kanálů v sestupném směru a 4 kanálů ve vzestupném směru. Při použití vyššího druhu modulace je důležité udržovat velký odstup signálu od šumu (SNR) kvůli chybovosti kanálu. 

\begin{figure}[htbp]
	\centering
		\includegraphics[width=0.85\textwidth]{obrazky/ZapojeniUlohy.pdf}
	\caption{Schéma zapojení úlohy}
	\label{fig:ZapojeniUlohy}
\end{figure}  
\pagebreak
\textbf{Bod zadání 1: Seznámení a nastavení CMTS}
\\

\begin{itemize}
	\item Na PC spusťte webový prohlížeč a zadejte IP adresu 10.0.0.80.
	\item Přihlašovací údaje CMTS jsou user: admin a heslo: admin a následně potvrďte.
	\item Prozkoumejte grafické rozhraní CMTS. Podívejte se do založky ADMINISTRATION a zjistěte, kde se nastavuje DHCP/TFTP služba a kde se nastavuje registrace modemů k CMTS.  
	\item V levém horním rohu zvolte ADMINISTRATION -> Channel configuration -> Downstream channels a nastavte použítí 
	1 z 16 kanálů (ostatní vypněte) s modulací QAM256 jako je na obr. \ref{fig:downstreamLaborka}. V Upstream channels nastavte použítí 1 ze 4 kanálů s~modulací ATDMA Medium Noise - QPSK (ostatní hodnoty neměnit) jako na obr. \ref{fig:upstreamLaborka}.
	\item Otestujte přenosovou rychlost obou směrů na adrese http://www.speedtest.net/. Při použití modulace QAM256 u sestupného směru s jedním kanálem by přenosová rychlost měla dosahovat přibližně 50 Mbit/s. U vzestupného směru s~použitou modulací QPSK a jedním kanálem by přenosová rychlost měla dosahovat 10 Mbit/s.
	
	\begin{figure}[htbp]
		\centering
			\includegraphics[width=1.00\textwidth]{obrazky/downstreamLaborka.png}
		\caption{Nastavení sestupného směru (kanál a modulace)}
		\label{fig:downstreamLaborka}
	\end{figure}
	
	
	\begin{figure}[htbp]
		\centering
			\includegraphics[width=1.00\textwidth]{obrazky/upstreamLaborka.png}
		\caption{Nastavení vzestupného směru (kanál a modulace)}
		\label{fig:upstreamLaborka}
	\end{figure}
\end{itemize}
\pagebreak
\textbf{Bod zadání 2: Otestování slučování kanálů}
\\
\begin{itemize}
	\item Znovu bežte do nastavení kanálů a zapněte všechny ostatní kanály u vzestupného a sestupného směru. 
	\item Otestujte znovu přenosovou rychlost. Přenosová rychlost u sestupného směru by měla dosahovat 400 Mbit/s. 
	U vzestupného směru by přenosová rychlost měla dosahovat rychlosti 40 Mbit/s.
	\item V Downstream channels změňte druh modulace všech kanálů z QAM256 na QAM64. Otestujte přenosovou rychlost, a zjistěte co se změnilo. 
	\item V levém horním rohu klikněte na záložku MODEMS. Zde si rozklikněte využívaný modem a prohlédněte si, co vše se dá o modemu zjistit.
	\item Odhlašte se pomocí tlačítka LOGOUT v pravém horním rohu od CMTS. 
	\item Odpojte koaxiální kabel od modemu a rozbočovače.
\end{itemize}
\textbf{\large Doplňující otázky}
\\
\begin{enumerate}
	\item Jakým způsobem ovlivňuje modulace kanál a jaké typy digitální modulace jsou použity v CMTS? 
	\item K čemu slouží technologie slučování kanálů? 
	\item Proč vzniká větší jitter u vzestupného směru?
\end{enumerate}
\textbf{\large Seznam použité literatury}
\\
\begin{enumerate}
	\item \emph{Intro to DOCSIS Architecture, CM CMTS Protocol for Cable Modems: What is DOCSIS? Http://www.thegeekstuff.com [online]. HIMANSHU ARORA, 2012 [cit. 2017-11-12].}\(<\)\url{http://www.thegeekstuff.com/2012/05/docsis-introduction/}\(>\)
	\item \emph{Cable modem termination system: CMTS. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2017 [cit. 2017-11-11].}	\(<\)\url{https://en.wikipedia.org/wiki/Cable_modem_termination_system}\(>\)
\end{enumerate}