Bölüm 55:Kablo Erişim Ağları

Fiber eve kadar geldi, ama her eve gelmedi. Çoğu evde yıllardır duran başka bir kablo var: televizyonu besleyen anten kablosu.

O kablo veri için döşenmemişti. Peki yayın taşımak üzere kurulmuş bir tesisat, isteğini nereye sığdırıyor?

Eve giren kablo aslında iki kablo

Kablo erişiminin tam adı melez fiber koaksiyeldir (hybrid fiber coax, HFC). Melez, çünkü ortam tek değil. Sağlayıcı tarafında omurga fiberdir ve ışık mahalleye kadar iner. Son adım koaksiyeldir; evin duvarına o girer.

Karışımın sebebi fizikte yatıyor. Uzun mesafeli analog iletimde birkaç kilometrede bir yükselteç gerekiyor; daha yüksek frekans kullanıldıkça bu aralık daha da daralır. Yükselteç sayısını düşürmenin tek yolu bakır parçasını kısaltmaktır. Fiberi mahalleye indirirsin, koaksiyele yalnızca son parçayı bırakırsın.

Koaksiyeli bir kablo ailesi olarak tanımıştın; o ailenin en kalabalık kolu bugün hâlâ evlerin duvarında duruyor. RG-6’yı aynı 75 ohm’luk ailenin öbür üyelerinden ayıran şey iç iletkenin çapıdır: RG-59’da 0,81 mm, RG-6’da 1 mm, RG-11’de 1,63 mm. Kalın iletken daha az zayıflama ve daha uzun mesafe demek; duvarındaki kablonun üstünde yazan o üç harfli kod tam olarak bunu söylüyor. Koaksiyelin kendisi 1950’lerde AT&T Bell Laboratuvarları’nda geliştirildi; duvardaki priz, yerel ağların doğuşundan bile eski bir teknolojiye bağlanıyor.

Tesisatın kendisi veri için kurulmadı. Kablo TV, uzak bölgelere yayın götürmek için kurulan ortak anten sistemlerinden doğdu; adı da oradan gelir: Community Antenna Television. Şehir ölçeğine yayılmış bu tesisat, kentsel alan ağının (metropolitan area network) en bilinen örneğidir. Kablo interneti yeni bir hat döşemek değil; döşenmiş bir hattaki boş bandı değerlendirmek.

Aynı bakırın yerel ağ kariyerinde bir segment birkaç yüz metrede sonlanıyordu, yayın dağıtımında ise onlarca kilometre gidiyor. Farkı kablonun kendisi yaratmıyor; üstünde çalışan sistem yaratıyor.

Aynı bakırda veriye yer nereden çıktı?

Taşıyıcı fikir frekans bölmeli çoklama. Televizyon kanalları, internet verisi ve kontrol trafiği aynı bakırda ayrı frekans bantlarında ilerliyor. Frekans bölmeli çoklama bir telin bandını şeritlere ayırıyordu; kablo TV tesisatı aynı işi onlarca kilometrelik bir dağıtım ağının üstünde yapıyor.

Bandın gerçekte ne kadar geniş olduğunu iki sayıdan görebilirsin. Koaksiyelde analog işaretleme için kullanılabilir tayf yaklaşık 500 MHz’e kadar uzanıyor; geniş bant video kanalları ise 862 MHz’e kadar çalışıyor, bu, analog tavanın kabaca 1,7 katı. Bu bakırın çoklama iştahı yeni de değil: tek bir koaksiyel, frekansta bölünerek aynı anda 10.000’den fazla ses kanalı taşıyabiliyordu. Sayının bant karşılığı da hesaplanabilir: tek bir ses kanalı 4,2 kHz kaplar, on bin kanal toplamda 42 MHz eder.

Bu genişlemenin bedelini gürültü olarak ödüyorsun. Ara modülasyon gürültüsünü tek bantlı bir hatta hiç göremezsin; kanallar çoğaldıkça doğuyor ve birbirine bulaşıyor. Zayıflama da frekansa bağlı değişiyor: bandın üst ucundaki kanallar en çok kaybedenler oluyor ve sokaktaki yükselteçler asıl onların hatırına konuyor.

Yine de hız kazanmanın ucuz yolu sinyali güçlendirmek değil, daha çok frekans açmaktır. Sebebi Shannon biçiminde yazılı. Hesabı bu bakıra sok: 30 dB’lik sinyal-gürültü oranı doğrusal ölçekte 1000 eder ve hertz başına yaklaşık 9,97 bit/s’lik bir tavan verir. Tek bir kanaldan 1,6 Gbit/s almak için kuramsal olarak 160 MHz’lik bant gerekiyor. Gürültüyü bastırmak bu tavanı ancak logaritmik oynatır.

Aynı kanalda oturan iki ev aynı verimi almıyor. Baş uca yakın evin işareti temiz geliyor; sokağın ucundakinin işareti yükselteçlerden ve eklerden yıpranmış geliyor. Aynı bölümde tanıştığın uyarlamalı modülasyon bu farkı yönetir: koşul değiştikçe modülasyon şeması anında değişiyor ve kabul edilebilir hata oranında alınabilecek en yüksek hız seçiliyor. Segmentin kapasitesini bu yüzden evden eve farklı bulacaksın.

Veriyi kablo TV tesisatına bindirme fikri de yeni değil. Ethernet’in unutulmuş bir sürümü olan 10BROAD36, 10 Mbit/s’i geniş bant kablo sistemi üzerinden taşıyordu. İki istasyon arası 3.600 metreye kadar çıkabiliyordu.

Downstream neden upstream’den hızlı?

Kablo erişimini baştan asimetrik kuruyorlar. Downstream 40 Mbit/s ile 1,2 Gbit/s arasında değişiyor, upstream ise 30 Mbit/s ile 100 Mbit/s arasında kalıyor. Bandın alt ucunda iki yön arasındaki fark yalnızca 1,33 kat. Üst ucunda 12 kata çıkıyor.

Farkın kaynağı kanalın hızı değil. Downstream birden çok kanaldır ve kanal başına 1,6 Gbit/s’e çıkabilir. Upstream de çoklu kanaldır; kanal başına tavanı 1 Gbit/s. Kanal başına asimetri yalnızca 1,6 kat. Aradaki uçurumu açan tek değişken, her yöne ayrılan kanal sayısıdır. Kuşaktan kuşağa artan şey de budur: aynı bakırda daha çok kanal, daha çok frekans.

Peki kanal sayısını kim belirliyor? Cevap tesisatın en sıkıcı parçasında: band split (bölüşüm). Spektrumun neresine kadar upstream’in, neresinden sonra downstream’in oturacağı en baştan sabitlendi ve o karar bugün hâlâ evindeki hızı yazıyor.

Klasik band split’teki (bölüşümdeki) oran çıplak: upstream’e 37 MHz, downstream’e 948 MHz — yaklaşık 25’e 1. Yükleme hızının indirme hızının yanında bu kadar cılız kalmasının asıl sebebi bir mühendislik sınırı değil, kırk yıl önce verilmiş bir spektrum kararı. Kablo TV yayın taşımak için kuruldu ve geri yön ilk tasarımda neredeyse hiç düşünülmedi; 5-42 MHz’lik şerit, bandın alt ucunda artan yerdi.

Band split’i (bölüşümü) değiştirmek bir yazılım güncellemesi de değil. Her yükseltecin içinde iki yönü birbirinden ayıran bir diplekser filtre var ve o filtre fiziksel bir parça. Orta ya da yüksek band split’e (bölüşüme) geçmek, sokaktaki her yükselteç kutusunu açıp o filtreyi elle değiştirmek demek — üstelik zincirdeki her birini, çünkü tek bir eski filtre kalırsa bütün segment eski band split’te (bölüşümde) kalıyor. Kablo operatörlerinin yükleme hızını yıllarca artıramamasının nedeni budur; indirme tarafında bir yazılım kuşağı yeterken, upstream için kamyon çıkması gerekiyor.

Kuşakların ne getirdiğini de tek tabloda görebilirsin:

Sıçramayı yapan tek fikir 3.0’da: kanal birleştirme. Tek bir 6 MHz’lik kanala sıkışmak yerine 32 kanalı aynı modeme birlikte verirsin ve hızlar toplanır. 32 × 6 MHz = 192 MHz’lik bir bant, 256-QAM ile yaklaşık 1,2 Gbit/s eder. 3.1 ise kanal kavramını değiştirdi: tek tek 6 MHz’lik taşıyıcılar yerine 192 MHz genişliğinde tek bir OFDM bloğu koydu. Wi-Fi’ın aynı yıllarda geçtiği dönüşümün kablodaki karşılığı bu.

DSL ses ile veriyi aynı bakırda farklı frekanslara koyuyordu; kablonun downstream tavanı onun yaklaşık 23 katı. Ama iki hattın etiketi başka: telefon hattı santrale kadar o aboneye tahsislidir, kabloda ise evler baş uca giden erişim ağını paylaşır. Aynı frekans hilesi ikisinde de var; ayıran şey paylaşım modelidir.

Paylaşım bir kusur değil, mimarinin kendisi. 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. Darboğaz yolun en dar halkasıydı; kablo erişiminde o halka çoğu zaman kendi sokağının içindedir.

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

Segmentteki sırayı kim dağıtıyor?

Evdeki kablo modemin karşı ucunda, baş uçta duran bir cihaz var: kablo modem sonlandırma sistemi (Cable Modem Termination System, CMTS). Segmentteki bütün modemleri o zamanlar.

Modemin bu zincirdeki yeri veri iletişimi terminolojisinde adlandırılmıştır: 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 ayrılan numara da 802.14’tür.

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 çarpışma 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. Collision domain’i anahtar 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 çerçevesi taşır. Hangi modemin hangi upstream dilimini kullanacağını o söyler.

Bir modem dilim istemek için önce yarışır. İstek çerçevesini 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.

Ortam 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.

Özet

Peki, ne öğrendik?

• Melez fiber koaksiyel: kablo erişimi tek ortam üstünde durmaz; omurga fiberdir, son adım koaksiyeldir ve ikisi tek bir dağıtım ağı olarak çalışır.
• Frekans bölmeli çoklama: televizyon kanalları, internet verisi ve kontrol trafiği aynı bakırda ayrı bantlarda ilerler; kablo interneti boş kalan banda sonradan yerleşti.
• Asimetri: downstream kanal başına 1,6 Gbit/s’e, upstream 1 Gbit/s’e çıktığına göre yönler arasındaki uçurumu kanalın hızı değil, kanal sayısı açıyor.
• Paylaşılan segment: evler baş uca giden erişim ağını ortak kullanır; tahsisli telefon hattında görülmeyen akşam yavaşlaması buradan doğar.
• DOCSIS: kablo modem ile CMTS arasındaki pazarlığı tanımlar ve iki kez böler, önce frekansı sonra upstream zamanını.
• Mini dilim: upstream kanalı atanmış ve yarışmaya açık dilimlere kesilir, istek çerçeveleri rastgele erişimle gönderilir, çarpışma ikili geri çekilmeyle çözülür.

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?