Redes HFC Y El Estándar DOCSIS

1.4. Redes HFC y el Estándar DOCSIS.

Las redes HFC nacieron como una evolución de las antiguas redes CATV o Televisión de Antena Comunitaria (Community Antenna Television) o simplemente televisión por cable. Las redes CATV se desarrollaron desde 1949 hasta 1988. Estas redes nacieron para resolver problemas de recepción en zonas de mala cobertura por medio de una antena que se ubicaba en un sitio elevado con buena recepción y la señal se la enviaba hacia los usuarios hacia abajo (downstream). Estas redes utilizaban un cable coaxial de 75Ω, lo cual es lo normal de una antena de TV, y amplificadores cada 0.5 a 1 Km puestos en cascada hasta un máximo de 50. Estas redes son redes unidireccionales, es decir que la señal sólo es descendente ya que los amplificadores impedían la transmisión ascendente. Debido a los avances de tecnología, el incremento de usuarios y mayor oferta de servicios se comenzaron a desarrollar las redes HFC a partir de 1988. Estas redes dividían la ciudad en zonas de entre 500 y 2000 viviendas y se envía la señal a cada zona por fibra para luego distribuirla en coaxial sólo dentro de la zona; aquí se limitaba a un máximo de 5 el número de amplificadores en cascada. Entre las ventajas de estas redes se encontraban que la reducción drástica en el número de amplificadores simplificaba y abarataba el mantenimiento y mejoraba la calidad de la señal; cada zona podía tener canales indempendientes y también permitía a la red se bidireccional, ya que se instalaban amplificadores para tráfico ascendente. La mayoría de las redes CATV actuales son HFC[9]. En los últimos años, la estandarización de las redes HFC se ha hecho a través del estándar DOCSIS.

DOCSIS son las siglas de Especificación de Interfaz de Servicios de Datos Por Cable (Data Over Cable Service Interface Specification) en español; es un estándar internacional, no comercial, que define los requerimientos de la interfaz de soporte de comunicaciones y operaciones para los sistemas de datos por cable, lo cual permite añadir transferencias de datos de alta velocidad a un sistema CATV sobre una infraestructura Híbrida-Fibra-Coaxial (HFC) existente. Originalmente fue desarrollada en 1997 por la compañía CableLabs con la contribución de otras compañías entres las que figuran: ARRIS, Cisco, Motorola, Texas Instruments, Intel, Broadcom, BigBand Networks, Conexant, Correlant, Netgear y Terayon.

DOCSIS es el principal protocolo usado en los cable-módems en la actualidad. Para entender cómo sucede una irrupción en el sistema de seguridad en una red HFC es necesario conocer sobre DOCSIS y cómo los cable-módems y los proveedores de los servicios de Internet por cable operan.

El estándar DOCSIS cubre todo elemento de la infraestructura de un cable-módem, desde el equipo local del cliente (CPE por sus siglas en inglés) hasta el equipo terminal (head-end) del operador. Esta especificación detalla muchas de las funciones básicas del cable-módem de un cliente, incluyendo cómo las frecuencias son moduladas en el cable coaxial, cómo el protocolo SNMP se aplica a los cable-módems, cómo los datos son interrumpidos (tanto los enviados como los recibidos), cómo el módem debe conectarse en la red con el CMTS, y como la encriptación es iniciada. Muchas funciones adicionales son definidas, pero por lo general no son usadas a menos que el CMTS lo requiera.

El término de equipo Terminal usualmente se refiere al todo el equipo que es usado por un proveedor de servicios para mantener y operar una red de cable-módem. En la práctica, este término usualmente se refiere al CMTS, pero también puede referirse a otros dispositivos relacionados, tales como un Drop-Amp (un dispositivo que amplifica las señales débiles en áreas rurales), un registrador de red (un sistema DNS/DHCP que provee escalabilidad de nombres y servicios de direccionamiento), un nodo HFC (una extensión de la red híbrida-fibra) o un Ruteador Universal de Banda Ancha (UBR por sus siglas en Inglés)

El estándar DOCSIS fue diseñado para ser completamente compatible con otros servicios que ya existen (y tal vez existan) y se transmiten por el cable coaxial, tales como las frecuencias de la televisión analógica. Sin embargo, como la ubicación de bandas de frecuencias es diferente para los sistemas CATV de la mayor parte de América (NTCS), que utiliza un ancho de banda de 6 MHz, y de Europa (PAL), que utiliza un ancho de banda de 8 MHz, los estándares DOCSIS han sido modificados para ser usados en Europa. Estos cambios fueron publicados bajo el nombre de EuroDOCSIS. A pesar de esto, el rango de frecuencias de cada canal es del mismo o de menor ancho que el canal de la televisión estándar de la misma región. En otras palabras, el cable-módem y el CMTS no necesitan crear una interferencia dañina en la línea coaxial que pueda perturbar otros servicios. Cada canal del espectro está lo suficientemente espaciado para permitir suficiente espacio para que los cable-módems suban (upload) o bajen (download) datos del CMTS a velocidades muy altas.

Tres versiones principales de estándares DOCSIS han sido sacados e implementados. El más popular, el cual la mayoría de los cable-módems y equipos terminales soportan, es DOCSIS 1.0. DOCSIS 1.0 es el estándar original implementado en 1998. La principal meta de este estándar fue crear interoperabilidad entre cable-módems y proveedores de servicios. DOCSIS 1.0 incluye muchas especificaciones que son opcionales y que no son requeridas para la certificación, y esto resultó en muchos problemas de seguridad. Por ejemplo, los clientes fueron capaces de cambiar el firmware de su módem ya que el servidor SNMP del módem no estaba configurado para deshabilitar la administración local Ethernet. Entre las características principales de DOCSIS 1.0. están:

 Capacidad de 10 Mbps de subida (upstream)

 Capacidad de 40 Mbps de bajada (downstream)

 Eficiencia de ancho de banda a través del uso de longitudes de paquetes variables

 Soporte de Clase de Servicio

 Limitaciones de subida y de bajada del CMTS

 Extensiones para seguridad (BPI)

 Formatos de modulación QPSK y QAM

 La versión 2 del Protocolo de Administración de Red Simple (SNMP)

Estas características hacen que la configuración de redes locales de cable sea muy fácil. La versión 1.1 ofrece muchos cambios a la 1.0, al mismo tiempo que mantiene la compatibilidad retroactiva; sin embargo, los equipos para la cabecera son mucho más caros. La versión más nueva, y la menos implementada, es la 2.0 que está basada en las características de la versión 1.1, pero le añade una capacidad de subida mucho más veloz al módem. Ambas versiones, junto con la versión 3.0 de DOCSIS, se cubrirán en el capítulo 4.

1.5. Topología de las redes DOCSIS.

Los equipos del cliente o CPE (Costumer Premise Equipmente) por sus siglas en inglés, tales como una PC casera, se comunican sobre una conexión de red utilizando el protocolo IP. Usualmente esto es hecho con una tarjeta de interfaz de red Ethernet y un cable de categoría-5 (CAT5); sin embargo, nuevos modelo de módems proporcionan una interfaz USB en su lugar. El cable-módem mismo se conecta a un cable coaxial compartido que usualmente conecta mucho otros módems y termina en un nodo HFC. La figura 1.1. muestra como funciona esto.

Figura 1.1. Diagrama Detallado de la Topología DOCSIS

Un nodo híbrido de fibra y coaxial (HFC) es un dispositivo de campo de dos vías que convierte las frecuencias analógicas a señales digitales y viceversa. El nodo de fibra toma las frecuencias de radio en un cable coaxial (transmitidas desde el cable-módem), las convierte en señales digitales, y luego transmite los datos a un cable de fibra óptica. Los datos que son recibidos desde el cable de fibra óptica (transmitidos desde el CMTS) son convertidos a una señal analógica y luego son transmitidos a la línea de cobre compartida. Este nodo de fibra (llamado un nodo HFC en la figura 1.1) convierte las señales analógicas en pulsos digitales de luz que son transferidos a través del cable de fibra óptica. Dos cables de fibra óptica son necesarios: Uno para la transmisión de datos (Tx) y el otro para la recepción de datos (Rx). Los nodos HFC ofrecen a los proveedores de servicios muchas ventajas. En primer lugar, un nodo HFC puede ser usado para extender el área de servicio ya que la calidad de las señales analógicas se degrada mientras mayor sea la longitud del cable coaxial, mientras que el cable de fibra óptica puede proporcionar una transmisión de datos digitales sobre mayores distancias. Otra ventaja es que los proveedores de servicios pueden tratar a los nodos HFC como instalaciones de transmisión diferentes, lo cual limita la ocurrencia de fallas de sistema o una pérdida de servicio a un solo nodo. En otras palabras, al fragmentar una gran área de servicio en varias redes más pequeñas, la falla de un nodo en particular no afectará a ninguno de los otros nodos.

Los nodos HFC usualmente son ubicados estratégicamente en vecindarios donde puedan conectar la mayor cantidad de usuarios con la menor distancia promedio total. Estos nodos individuales son conectados a un nodo concentrador o repetidor multipuesto (hub) central en el equipo terminal del proveedor (llamado transceptor de fibra en la figura 1.1.) utilizando cables de fibra óptica. El propósito de este concentrador es de que sirva de interfaz entre el cable de fibra óptica desde el campo de servicio y el cable coaxial del CMTS.

El hub transceptor de fibra recibe frecuencias

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