44.1 Cable Modem
44.1.1 CATV简介
在宽带接入方案中，有一种方案是利用现有CATV有线电视网络进行数据传输。有线电视运营商在封
闭的同轴电缆中建立了一个部分无线电频率(RF)谱。在整个CATV系统中包含了5个组件：头端，中继电缆，
邻接中的分布电缆，分接电缆和终端设备。这样的结构我们一般将其称为HFC结构。
在CATV行业使用大约5MHz和1GHz之间的一部分电磁波频谱。如下图所示，有线电视网络可以在同一
电缆上同时的双向传送信号，到用户的出频率和RF频谱通常占据50MHz到860MHz，入频率则在5MHz到
42MHz。
下行链路被分成6MHz, 7MHz和8MHz的信道，CATV频谱被有线电视行业定义如下：
电视频道2到16上的VHF高波段(lowband)
电视频道98，99，14到22上的VHF中波段(midband)
电视频道7到13上的VHF高波段(highband)
电视频道23到36上的VHF超波段(superband)
电视频道37及以上的VHF超高波段(hyperband)
上行链路工作在5MHz到42MHz范围内，没有频率规划， 但通常5至15MHz间的区域是吵杂而不能使
用的。电缆数据传输服务接口规范(DOCSIS)定义了有线电视可以使用的数字信号特定带宽为200kHz/400kHz
800kHz/1.6MHz和3.2MHz.DOCSIS基于NTSC规范。对于欧洲和中国，由于采用PAL，则使用Euro-DOCSIS规范。
DOCSIS1.0定义了第一个标准，
DOCSIs1.1定义了部署端到端质量的VoIP分组电缆标准，
DOCSIS2.0定义了30Mbit/s的上行链路。
Cable Modem从下行的模拟信号中划出6MHz频带，将信号转化为符合以太网协议的格式，与电脑实
现通讯。用户需要给电脑配置以太网卡和相应的网卡驱动程序。同轴电缆中的6MHz频带用于提供数据通
讯。电视和电脑可以同时使用，互不影响。射频信号在用户和前端之间沿同轴电缆上行或下行。上行和下
行信号共享6MHz频带，但是调制在不同的载波频率上，以避免相互干扰。
下行通道的频率范围为88～860MHz，每个通道的带宽为6MHz(NTSC 6 G-MHz， PAL 8MHz)，采用64QAM
或256QAM调制方式，对应的数据传输速率为30342Mbit/s或42884Mbit/s。上行通道的频率范围为5～
65MHz，每个通道的带宽可为200、400、800、1600、3200kHz，采用QPSK或16QAM调制方式，对应的数
据传输速率为320～5120Kbit/s或640～10240Kbit/s。上行通道的带宽可根据所需的数据传输速率设定。在
同样的带宽内，QPSK调制的速率比16QAM调制方式低，但其抗干扰性能好，适用于噪声干扰较大的上行
通道，而16QAM调制适用于信道质量好且要求高速传输数据的场合。在CMTS设备中，为了减小上行通道
的干扰，一个下行通道一般对应多个不同频率的上行通道，CMTS设备根据信道的噪声状况自动跳频到干
扰较小的通道，而用户察觉不到该跳频过程。
媒体通路控制层MAC(Media Access Control Layer)和逻辑链接控制层LLC(Logical Link Control Layer)这
两个协议层规定了不同信号和用户怎样共享公共带宽。由于目前还没有统一的行业标准，故不同的Cable
Modem厂家采用不同的协议，较常见的协议有：用于以太网的公共CSMA/CD(Carrier Sense Multiple
Access/Collision Detection，载波复用通路/冲突检测)和ATM(Asynchronous Transfer Mode，异步传输模式)
协议。这些协议都可以有效地使用上行通道，可以根据需要分配带宽，保证通讯质量。
44.1.2 Cable Modem工作流程
Cable Modem通过电缆调制解调器终端系统(CMTS)进行参数配置和链路建立，CMTS主要定义了上行
频率，下行调制方式，下行电平等参数。下行频率在指定的频率范围内可以任意设定，但为了不干扰其它
频道的信号，应参照有线电视的频道划分表选定在规定的频点上。调制方式的选择应考虑信道的传输质量。
此外，还必须设置DHCP、TFTP服务器的IP地址，CMTS的IP地址等。
CMTS的下行输出电平为110～121dBμ V，接收的输入电平为44～86-dBμ V；Cable Modem接收的电平
范围为45～75dBμ V；上行信号的电平为68～118dBμ V(QPSK)或68～115dBμ V(16QAM)。上下行信号在经
过HFC网络传输衰减后，电平数值应满足这些要求.
CMTS设备中的上行通道接口和下行通道接口是分开的，使用时需经过高低通滤波器混合为一路信号，
再送入同轴电缆。在实际使用中，也可用分支分配器完成信号的混合，但对CMTS设备内部的上下行通道
的干扰较大。Cisco CMTS平台包括uBR7200、uBR7246 VXR，uBR7100和 uBR10000系列路由器。
Cable Modem工作流程如下：
1. 初始化和注册过程：Modem通电后，扫描并锁定下行路径中的RF数据通道；
2. MODEM读取下行路径中特定的维护信息，这些信息指出了如何、在什么地方、何时通过上行
路径进行通信。
3. MODEM与CMTS通信，以建立第1层和第2层连接。
4. MODE向DHCP服务器请求IP地址和配置信息，要给MODEM提供IP地址，DHCP服务器必须支持
RFC2131，然后MODEM请求一个内部IP地址(通常是有线电视运营商使用的私有地址，用于测
试和诊断)，供自己使用。
5. MODEM向TFTP服务器请求DOCSIS配置文件，这是由专门的DOCSIS编辑人员创建的ASCII文件。
为处理MODEM的请求，TFTP服务器必须支持RFC1350。
6. MODEM向CMTS注册，以协商并确保QoS。
7. 初始化完成，其下游的PC可以向DHCP服务器请求自己的IP地址，这是全局IP地址，被分配给
与MODEM相连的PC或CABLE Modem工作在指定的带宽，基于DOCSIS
44.1.3 Cisco Cable解决方案
Cisco Cable Modem解决方案如下：
在用户接入方面，Cisco提供了uBR 925、uBR924、CVA124、
uBR905 系列产品，而在国内更多使用其它厂商的DOCSIS兼容的
CM产品。Cisco uBR925为DOCSIS 1.1标准Modem，并内置DHCP服
务器，可以为 内网用户动态分配IP，同时在905的基础上加入了
两个RJ11接口，使得uBR925可以支持传真收发及IP电话功能，针
对HFC网络容易搭线偷听的缺点， uBR925还实现了基于硬件的IPSec VPN功能。 在新收购的Scitific Altlanta公司，
也提供众多的CM产品支持。低端的Linksys产品线也提供CM产品线。
在CMTS端，Cisco提供了uBR7200、uBR7246 VXR，uBR7100和 uBR10000系列路由器。
在一些用户相对较少的运营商可以使用相对低廉的uBR7100系列路由器，7100系列最多支持2000个
CableModem用户的接入
同时使用集成的NPE-175处理器，内置2个10/100M以太网卡，同时可以有选择的支持串口，HSSI以及ATM
等广域网接口卡，它是Cisco的第一款CMTS产品，可以同时支持DOCSIS1.1和Euro-DOCSIS某些场合，也可以使
用Cisco uBR7200系列产品，
uBR7200采用Cisco 7200系列路由器成熟的架构，支持NPE-400等更快速的路由处理引擎。同时支持MPLS
-VPNs以及Cable Manager2.0等功能。该系列一共有3个型号分别为uBR7223/uBR7246和uBR7246VXR。7200系列
支持10000个用户的CableModem接入。
uBR7200系列和后续的uBR10012支持多种RF线
卡，从最初的MC11线卡到MC12/MC14/MC16到现在
的MC28线卡。早期的MC28C系列仅支持DOCSIS1.1标
准，而升级后的MC28X可以支持DOCSIS2.0以及
Euro-DOCSIS标准。
Cisco uBR10012 通用宽带路由器能满足大型有线电缆头端或者分布集中器的容量、功能和复杂性要求。
Cisco uBR10012能够提供现有 CMTS产品
中最高水平的服务可用性和功能。它能通
过分布式、集中式和并行处理，实现统一、
实际的高性能。 Cisco uBR10012 已经通过
了 CableLabs的检验，符合 PacketCable
1.1、DOCSIS 1.0 和1.1规范。该产品还通
过了 tComLabs的检验，符合 EuroDOCSIS
1.0和1.1规范，该产品还能支持高级模式
DSG。 8个用于有线电缆线卡的插槽；4
个用于局域网/广域网接口的插槽； 2个用
于性能路由引擎(PRE)的插槽；2个用于计
时、通信和控制附加(TCC+)模块的插槽。
最高的密度和容量： 5000-64000 个用户。
在uBR10012背部支持8个RF卡插槽，同时还可以支持4个LAN/WAN
线卡以及2块Unity Card。如右图所示。左端8块用于RF线卡的接入。右端
下方用于WAN/LAN线卡。右端上放用于Unity Card.
如上图所示，uBR10012前面板拥有2个插槽，用于PRE性能优化引擎
插入(如左图所示)。它是整个系统的路由及转发引擎，同时用于Cisco IOS
的加载。它主要用于提供交换服务引擎，使uBR10012可以基于ASIC的包
转发以及队列管理，同时提供热备份以及其他特性。
uBR10012还支持新型的Cisco 5x20U宽带处理引擎(BPE)，该卡支持卡内的包处理功能，同时提供了更大的
Cable接口密度。该卡同时支持DOCSIS1.1和DOCSIS2.0标准，也支持Euro-DOCSIS标准
在冗余性方面，10012系统内置冗余双电源，同时可以支持8块线卡中，7块在线，剩下一块作为备份线
卡的功能，对于7200系列，则可以使用多台7200进行备份的功能，为了实现CMTS的备份，Cisco拥有RF 3x10
系列交换机实现该功能，RF 3x10拥有多达250个MCX接口，可以同时为uBR7200和uBR10012系统进行备份，它
超过PacketCable可用性要求，同时建立一个完全冗余、没有单点故障的 CMTS。
44.1.4 Cisco CMTS配置
一个常见的CMTS系统需要配置上行和下行线路的相关参数，同时需要配置一个DHCP服务器，并制定相
应的TFTP服务器，为CM提供TFTP下载配置文件的服务，CMTS将路由器来的帧封装成MPEG-2 TS帧，经过QAM
调制后发送到CM，同时将CM发送来的QPSK调制的数据进行解调，再转换为标准的以太网帧，或ATM信元传
送给路由器。一个简单的Cable Modem系统如下：
1．配置上行链路：
首先需要配置上行通道的频率，通常选择较高的频率以避免噪音干扰。
Router(config)#interface cable 3/0
Router(config-if)#cable upstream 0 frequency 39000000
然后配置上行通道的输入功率，uBR系列路由器可以控制CM的输出功率，使其满足上行通道的输入功率
要求，在调整上行通道的输入功率时要求30s间隔内功率调整小于5dBmV。
Router(config-if)#cable upstream 0 power-level dBmV
此后需要设置上行通道带宽
Router(config-if)#cable upstream 0 channel-width 3200000
上行通道带宽可以设置为200Khz/400Khz/800Khz/1600Khz/3200Khz
最后我们需要激活上行链路
Router(config-if)#no cable upstream 0 shutdown
由于Cable容易受杂音等其他信号干扰，所以还需要在上行链路中配置跳频(frequency-hopping)功能,跳频
功能使用使用Spectrum-group功能
Router(config-if)#cable spectrum-group group-number [time day hh:mm:ss] frequency
upstream-frequency [dBmV]
配置方式如下：
Router(config)#cable spectrum-group 20 frequency 29000000
Router(config)#cable spectrum-group 20 frequency 33000000
Router(config)#cable spectrum-group 20 frequency 35000000
Router(config)#cable spectrum-group 20 frequency 39000000
Router(config)#interface cable 3/0
Router(config-if)#cable upstream 0 spectrum-group 20
由于CMTS担任了提供DHCP服务，TFTP以及ToD服务器等功能，所以还需要在上行接口上配置帮助地址
Router(config-if)#cable help-address 10.1.1.1
验证配置如下：
Router# show controllers cable5/0 u0
Cable5/0 Upstream 0 is up
Frequency 24.016 MHz, Channel Width 1.600 MHz, QPSK Symbol Rate 1.280 Msps
Spectrum Group is overridden
SNR 33.2560 dB
Nominal Input Power Level 0 dBmV, Tx Timing Offset 2288
Ranging Backoff automatic (Start 0, End 3)
Ranging Insertion Interval automatic (60 ms)
Tx Backoff Start 0, Tx Backoff End 4
Modulation Profile Group 1
part_id=0x3137, rev_id=0x03, rev2_id=0xFF
nb_agc_thr=0x0000, nb_agc_nom=0x0000
Range Load Reg Size=0x58
Request Load Reg Size=0x0E
Minislot Size in number of Timebase Ticks is = 8
Minislot Size in Symbols = 64
Bandwidth Requests = 0xFE
Piggyback Requests = 0xD
Invalid BW Requests= 0x2
Minislots Requested= 0x2963
Minislots Granted = 0x2963
Minislot Size in Bytes = 16
Map Advance = 4000 usecs
UCD Count = 32964
DES Ctrl Reg#0 = C000C043, Reg#1 = 0
2．配置下行链路：
配置下行通道需要激活下行通道的载波，同时需要设置下行通道射频载波的中心频率，并且设置MPEG
帧格式，同时设置下行通道的调制方式和交织深度。
首先配置下行通道中心频率，频率范围540MHz~1000Mhz
Router(config-if)#cable downstream frequency 69000000
配置下行信号调制方式，可以选择64qam/256qam
Router(config-if)#cable downstream modulation 64qam
配置交织深度,可选参数8/16/32/64/128
Router(config-if)#cable downstream interleave-depth 32
同时还须设置MPEG帧格式
Router(config-if)#cable downstream annex B
然后还需设置下行RF输出的功率
Router(config-if)#cable downstream rf-power 55
此后开启CMTS上射频输出功能
Router(config-if)#no cable downstream rf-shutdown
最后启用Cable接口
Router(config-if)#no shut
3．配置TFTP和DHCP
首先需要将TFTP会话数目设置成为无限制
Service udp-small-servers max-servers no-limit
Cisco uBR系列路由器可以配置CM配置文件
cable config-file platinum.cm
service-class 1 max-upstream 1000
service-class 1 guaranteed-upstream 100
service-class 1 max-downstream 10000
service-class 1 max-burst 1600
cpe max 10
timestamp
如上配置文件表示：最大上行带宽是1Mbps， 保证的上行是100Kpbs，最大下行带宽是10Mbps，并且允
许30个CPE 设备连接到此。
同时也需要配置不允许与CM连接的用户端设备接入网络，但CM仍然在线的功能
cable config-file disable.cm
access-denied
service-class 1 max-upstream 1
service-class 1 max-downstream 1600
service-class 1 max-burst 1600
cpe max 1
timestamp
DOCSIS的配置文件也可以由Cisco DOCSIS CPE Configrator来生成
DHCP服务器配置如下：
ip dhcp pool cm-platinum
network 10.1.4.0 255.255.255.0
bootfile platinum.cm
next-server 10.1.4.1
default-router 10.1.4.1
option 7 ip 10.1.4.1
option 4 ip 10.1.4.1
lease 7 0 10
其中option 7代表日志服务器，option 4代表ToD服务器，lease为租期，设置时间为7天零10分钟。此后还
要配置与CM相连的主机地址池，也就是Cable Modem后端主机所使用的ip地址
ip dhcp pool host
network 199.199.0.0 255.255.0.0
next-server 199.199.0.1
default-router 199.199.0.1
domain-name cisco.com
dns-server 199.199.1.1 199.199.1.2
lease 7 0 10
TFTP服务器可以直接在DHCP配置中指定外部TFTP服务器，也可以在CMTS上配置，路由器内置TFTP服务器
配置如下，首先需要将配置文件拷贝到路由器中，然后配置TFTP服务器
tftp-server slot0:silver.cm alias silver.cm
tftp-server server
最后，我们还需要通过使用静态路由，或者路由协议，将所有的Cable接口和CMTS出口连通。
4．检验配置
通过show cable modem可以看到在线的Modem
7246VXR#show cable modem
Interface Prim Online Timing Rec QoS CPE IP address MAC address
Sid State Offset Power
Cable4/0/U0 75 online 2290 0.00 5 1 10.1.4.2 0010.7bed.9b23
Cable4/0/U0 76 online 2809 0.00 5 0 10.1.4.3 0002.fdfa.0a63
Cable4/0/U0 77 online 2288 0.25 5 1 10.1.4.5 0010.7bed.9b45
Cable4/0/U0 78 online 2810 0.50 5 0 10.1.4.4 0004.2752.ddd5
Cable4/0/U0 79 online 2813 0.25 5 0 10.1.4.6 0002.1685.b5db
Cable4/0/U0 80 online 2812 -0.50 5 0 10.1.4.7 0001.64ff.e47d
通过show interface cable x/y modem z可以查看CM和CM后端Host的信息
7246VXR#show interface cable 4/0 modem 0
SID Priv bits Type State IP address method MAC address
75 00 host unknown 199.199.29.2 static 00c0.4f97.61c5
75 00 modem up 10.1.4.2 dhcp 0010.7bed.9b23
76 00 modem up 10.1.4.3 dhcp 0002.fdfa.0a63
77 00 host unknown 199.199.29.3 dhcp 00a0.243c.eff5
77 00 modem up 10.1.4.5 dhcp 0010.7bed.9b45
78 00 modem up 10.1.4.4 dhcp 0004.2752.ddd5
79 00 modem up 10.1.4.6 dhcp 0002.1685.b5db
80 00 modem up 10.1.4.7 dhcp 0001.64ff.e47d
对于一些非法的地址，我们可以采用如下方式进行封禁
ip dhcp pool cm-0010.7bed.9b45
host 10.1.4.65 255.255.255.0
client-identifier 0100.107b.ed9b.45
bootfile disable.cm
例如，被封禁的用户如下所示，将为对其在线进行拒绝
7246VXR#show cable modem
Interface Prim Online Timing Rec QoS CPE IP address MAC address
Sid State Offset Power
Cable4/0/U0 7 online 2813 0.00 7 0 10.1.4.7 0002.1685.b5db
Cable4/0/U0 8 online 2809 0.25 7 0 10.1.4.10 0002.fdfa.0a63
Cable4/0/U0 9 online 2288 -0.25 5 1 10.1.4.66 0010.7bed.9b23
Cable4/0/U0 10 online(d) 2287 0.50 6 0 10.1.4.65 0010.7bed.9b45
Cable4/0/U0 11 online 2809 -0.50 7 0 10.1.4.6 0001.64ff.e47d
Cable4/0/U0 12 online 2812 -0.50 7 0 10.1.4.9 0004.2752.ddd5
同时也可以对于不同类别的用户提供不同的CM配置文件，来支持不同的服务。
ip dhcp pool cm-0010.7bed.9b23
host 10.1.4.66 255.255.255.0
client-identifier 0100.107b.ed9b.23
bootfile silver.cm
如下输出可以显示不同的服务类型
7246VXR#show cable modem detail
Interface SID MAC address Max CPE Concatenation Rx SNR
Cable4/0/U0 7 0002.1685.b5db 10 yes 33.52
Cable4/0/U0 8 0002.fdfa.0a63 10 yes 33.24
Cable4/0/U0 9 0010.7bed.9b23 1 no 33.29
Cable4/0/U0 10 0010.7bed.9b45 1 no 33.23
Cable4/0/U0 11 0001.64ff.e47d 10 yes 33.20
Cable4/0/U0 12 0004.2752.ddd5 10 yes 33.44
也可以使用如下命令，检验CM是否获得正确的级别
7246VXR#show cable qos profile
ID Prio Max Guarantee Max Max TOS TOS Create B IP prec.
upstream upstream downstream tx mask value by priv rate
bandwidth bandwidth bandwidth burst enab enab
1 0 0 0 0 0 0x0 0x0 cmts(r) no no
2 0 64000 0 1000000 0 0x0 0x0 cmts(r) no no
3 7 31200 31200 0 0 0x0 0x0 cmts yes no
4 7 87200 87200 0 0 0x0 0x0 cmts yes no
5 4 64000 0 512000 0 0x0 0x0 cm no no
6 0 1000 0 1600000 0 0x0 0x0 cm no no
7 0 128000 10000 10000000 1600 0x0 0x0 cm no no
8 0 0 0 0 0 0x0 0x0 mgmt no no
44.1.5 Cable Modem配置
在CM端，通常将其配置为桥接模式。如右图拓扑所示：
首先需要关闭路由功能：
uBR925(config)#no ip routing
uBR925(config)#interface Ethernet0
uBR925(config-if)#no ip address
uBR925(config-if)#interface cable-modem0
uBR925(config-if)#ip address docsis
然后设置桥接组
uBR925(config)#interface Ethernet0
uBR925(config-if)#bridge-group 59
uBR925(config-if)#bridge-group 59 spanning-disable
在Cable-modem接口上配置
uBR925(config)#interface cable-modem0
uBR925(config-if)#cable modem compliant bridge
uBR925(config-if)#bridge-group 59
uBR925(config-if)#bridge-group 59 spanning-disable
当然也可以配置uBR925为路由模式，配置方式如下：
首先打开路由功能：
uBR925(config)# ip routing
然后配置接口IP地址
uBR925(config)#interface Ethernet0
uBR925(config-if)#ip address 192.168.1.1 255.255.255.0
uBR925(config-if)#interface cable-modem0
uBR925(config-if)#ip address docsis
由于CableModem 地址为动态分配的，所以设置默认路由时，需要将下一跳
uBR925(config)#ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 cable-modem0
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