Mind a vezetékes, mind a vezeték nélküli telefonhálózatokat elég nagy részletességgel megtárgyaltuk már. Tisztán látható, hogy mindkettőnek jelentős szerepe lesz a jövő hálózataiban. Egy új főszereplő kezd azonban feltűnni a vezetékes hálózatok más lehetséges megvalósításainak színterén: a kábeltelevíziós hálózatok. Sokan már ma is kábelen kapják a telefon- és internetszolgáltatást, és a kábelhálózatok üzemeltetői nagy erőbedobással dolgoznak a piaci részesedésük növelésén. A következő szakaszokban a kábeltelevíziós rendszereket a hálózati alkalmazások szemszögéből fogjuk megvizsgálni, és össze is hasonlítjuk a most megtárgyalt telefonrendszerekkel. További információért lásd Donaldson és Jones [2001], Dutta-Roy [2001], továbbá Fellows és Jones [2001] művét.
A kábeltelevízió ötlete az 1940-es évek végén született meg arra a célra, hogy jobb vételt biztosítson a külvárosokban és a hegyek között élő embereknek. A rendszer eredetileg egy dombtetőn elhelyezett nagy antennából, egy erősítőből és egy koaxiális kábelből állt. Az antenna összegyűjtötte a tv-jeleket, amit a fejállomásnak (headend) nevezett erősítő felerősített, a koaxiális kábel pedig továbbított a házakhoz, a 2.50. ábrán is látható módon.
A korai években a kábeltelevíziót közösségi antennás televíziónak (Community Antenna Television, CATV) hívták, és akkoriban ez még nagyon családias üzletág volt. Bárki telepíthetett ilyen szolgáltatást a környékén, aki egy kicsit is értett az elektronikához, és a költségeket is fedezni tudta a többi beszálló felhasználó segítségével. Ahogyan az előfizetők száma egyre nőtt, további kábeleket illesztettek az eredeti kábelhez, és szükség szerint további erősítőket is telepítettek. Az átvitel egyirányú volt a fejállomástól a felhasználók felé. 1970-re már több ezer független rendszer működött.
1974-ben a Time, Inc. új csatornát indított el, az HBO-t (Home Box Office – „házi mozi”), amely újfajta tartalmat (csak filmeket) kínált, és kizárólag kábelen terjesztették. További, kizárólag kábeles csatornák is követték, amelyek híreket, sportot, főzést és sok más témát kínáltak. Ez a fejlődés az iparban két változást eredményezett. Az első az, hogy a nagyvállalatok elkezdték felvásárolni a már működő kábelhálózatokat, és új kábeleket is lefektettek, hogy így szerezzenek több előfizetőt. Másodszor, felmerült az igény, hogy az új kábeles csatornák elosztásának elősegítésére olyan különböző rendszereket kapcsoljanak össze, amelyek gyakran távoli városokban voltak. A kábeles vállalatok az általuk kiszolgált városok között kábeleket kezdtek lefektetni, hogy egyetlen nagy rendszerré egyesíthessék azokat. Ez az eset hasonló ahhoz, ami a távközlési iparban történt 80 évvel korábban, amikor azért kötötték össze az addig izolált helyi központokat, hogy lehetővé tegyék a távolsági hívásokat.
Az évek múlásával a kábeltévérendszer egyre nőtt, és az egyes városok között futó kábeleket nagy sávszélességű üvegszálakra cserélték le, a telefonhálózat ezzel párhuzamos eseményeihez hasonlóan. Egy olyan rendszert, amely üvegszálakat alkalmaz a nagy távolságok áthidalására, és koaxiális kábeleket vezet a házakhoz, HFC- (Hybrid Fiber Coax – üvegszál-koax hibrid) rendszernek nevezünk. A rendszer fényvezető és villamos részei közötti csatolást megvalósító elektrooptikai átalakítóknak üvegszálas csomópont (fiber node) a neve. Egy fényvezető csomópont több koaxiális kábelt is táplálhat, mivel a üvegszál sávszélessége sokkal nagyobb a koaxénál. A 2.51.(a) ábrán egy modern HFC-rendszer egy részlete látható.
Az elmúlt években sok kábelhálózat-üzemeltető cég döntött úgy, hogy beszáll az internetszolgáltatási üzletbe, sőt gyakran ezzel egyszerre a telefonszolgáltatási üzletbe is. A kábel- és a telefonhálózatok műszaki különbségei azonban arra is hatással vannak, hogy mi mindent kell megtenni a fenti célok eléréséhez. A legelső dolog az, hogy az összes egyirányú erősítőt kétirányú erősítőre kell cserélni a teljes rendszerben a feltöltés és letöltés támogatása érdekében. Amíg ez zajlott, a korai internet-hozzáférést biztosító kábeles rendszerek a kábeltelevíziós hálózatot használták a letöltéshez, és telefonhálózaton keresztüli betárcsázó összeköttetést a feltöltéshez. Ez egy intelligens kerülő megoldás volt, de sokkal gyengébb hálózat volt, mint amilyen lehetett volna.
A 2.51.(a) ábrán látható HFC-rendszer és a 2.51.(b) ábrán látható telefonhálózat között azonban egy olyan további különbség is van, amelyet sokkal nehezebb megszüntetni. Az egyes lakókörzetekben egy tv-kábelt sok ház használ megosztva, míg a telefonhálózatban mindenki rendelkezik saját előfizetői hurokkal. Amikor a kábelrendszert tv-adások szórására használják, ez a megosztás nem játszik szerepet. Minden programot ugyanazon a kábelen szórnak, és teljesen mindegy, hogy 10-en vagy 10 000-en nézik az adást. Amikor a megosztott kábelt internet-hozzáférésre használják, sokat számít, hogy 10 felhasználó van vagy 10 000. Ha az egyik felhasználó úgy dönt, hogy letölt egy hatalmas állományt, akkor előfordulhat, hogy ezzel a többi felhasználótól veszi el a sávszélességet. Minél több a felhasználó, annál többen versenyeznek a sávszélességért. A telefonrendszernél nem találkozunk ezzel a tulajdonsággal: az ADSL-vonalakon egy nagy állomány letöltése nem csökkenti a szomszédok sávszélességét. Az érem másik oldala azonban az, hogy a koax sávszélessége jóval meghaladja a sodrott érpárokét, ezért szerencsés az, akinek a szomszédai nem használják túl sokat az internetet.
A kábeles szolgáltatók úgy orvosolták ezt a problémát, hogy több darabra osztották fel a hosszú kábeleket, és mindegyik szakaszt közvetlenül egy üvegszálas csomóponthoz kötöttek. A fejállomás és az üvegszálas csomópontok között a sávszélesség lényegében végtelen, így ha nincs túl sok felhasználó az egyes kábelszakaszokon, akkor a forgalom is kezelhető marad. Egy manapság tipikus kábelszakasz 500–2000 házat lát el, de ahogyan egyre több és több felhasználó fizet elő a kábeles internetszolgáltatásra, a forgalom túl naggyá válhat, így további felosztásra és még több üvegszálas csomópontra lesz szükség.
Ha a szolgáltatók kihajítanák a tv-csatornákat, és kizárólag internet-hozzáférésre használnák a kábeles infrastruktúrát, az valószínűleg meglehetősen sok ideges előfizetőt jelentene nekik, így a kábelüzemeltetők kétkedéssel tekintenek erre a lehetőségre. Ezenkívül a legtöbb város igen szigorúan szabályozza, hogy mi mehet a kábeleken, így a kábelrendszerek üzemeltetői ezt akkor sem tehetnék meg, ha nagyon akarnák. Mindezek következtében meg kell oldaniuk azt, hogy a televízió és az internet megférjen egymás mellett ugyanazon a kábelen.
A megoldás a frekvenciaosztásos multiplexelés használatára épül. Az észak-amerikai kábeltévé-csatornák az 54 és 550 MHz közötti tartományt foglalják el (az FM-rádió 88 és 108 MHz közötti sávját kihagyva). Ezek a csatornák 6 MHz szélesek, amiben benne vannak a védősávok is, és egy hagyományos analóg televíziócsatornát vagy több digitális televíziócsatornát tudnak átvinni. Európában a sáv alsó határa általában 65 MHz, és a csatornák 6–8 MHz szélesek a PAL és a SECAM által megkövetelt nagyobb felbontási képesség miatt, de a kiosztási elrendezés ettől eltekintve hasonló. A sáv legalsó részét nem használják. A modern kábelek már jóval 550 MHz fölött is képesek működni, gyakran 750 MHz-ig vagy még nagyobb frekvenciáig is. A megoldás az volt, hogy a feltöltési csatornáknak az 5–42 MHz-es (Európában valamivel nagyobb) sávot jelölték ki, és a spektrum felső végén levő frekvenciákat használják a letöltésekhez. A kábelek spektrumát a 2.52. ábra szemlélteti.
Mivel a televízió jelei mind lefelé haladnak, felfelé lehetséges olyan erősítőket alkalmazni, amelyek csak az 5–42 MHz-es tartományban működnek, lefelé pedig olyan erősítőket, amelyek csak az 54 MHz feletti frekvenciákon működnek, ahogyan ez az ábrán is látható. Ezzel a megoldással aszimmetrikussá tesszük a rendszer sávszélességét a két különböző irányban, mivel nagyobb frekvenciatartomány van a tv-csatornák felett, mint alattuk. Másrészt viszont a forgalom nagy része valószínűleg amúgy is lefelé haladna, így a kábeles szolgáltatókat ez a tény egyáltalán nem keseríti el. Amint azt már korábban láttuk, a telefontársaságok általában annak ellenére is aszimmetrikus DSL-szolgáltatást nyújtanak, hogy erre semmilyen műszaki okuk nincsen.
Az erősítők fejlesztésén kívül az üzemeltetőknek a fejállomást is fel kell fejleszteniük, buta erősítőből olyan intelligens digitális számítógéprendszerré, amely nagy sávszélességű üvegszálakkal csatlakozik egy ISP-hálózathoz. Gyakran a nevet is tovább „fejlesztik”, és az új fejállomásokat inkább CMTS-nek (Cable Modem Termination System – kábelmodem-véglezáró rendszer) nevezik. A könyv hátralevő részében tartózkodni fogunk ettől a névtovábbfejlesztő tevékenységtől, és a hagyományos „fejállomás” szóhoz fogunk ragaszkodni.
Az internet-hozzáféréshez egy kábelmodemre is szükség van. Ez olyan eszköz, amelyen két interfész található: egy a számítógép és egy a kábelhálózat felé. A kábeles hozzáférésű internet első éveiben minden hálózatüzemeltetőnek saját gyártmányú kábelmodemje volt, amelyet a kábeles cég technikusa telepített a felhasználónál. Ennek ellenére hamar nyilvánvalóvá vált, hogy egy nyílt szabvány versenyhelyzetet teremtene a kábelmodemek piacán, és ezzel lecsökkentené az árakat, vagyis ösztönözné a szolgáltatás terjedését. Mindezeken felül az, hogy a felhasználó boltban megvehetné a kábelmodemet, és saját maga telepíthetné (ahogyan a vezeték nélküli hozzáférési pontokat is), kiiktathatná a drága helyszíni kiszállásokat.
Mindezek következtében a nagyobb kábelszolgáltatók egy CableLabs nevű vállalkozásba tömörültek, hogy kidolgozzanak egy kábelmodemes szabványt, és hogy ellenőrizzék a kész termékek szabványosságát. Ez a szabvány, a DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification – kábelszolgáltatáson keresztül történő adattovábbító interfészek specifikációja) mostanában kezdi leváltani az egyedi kialakítású modemeket. A DOCSIS 1.0 változat 1997-ben jött ki, és hamarosan követte a DOCSIS 2.0, 2001-ben. Ennek megnövekedett a feltöltési sebessége a szimmetrikus szolgáltatások – mint amilyen például az IP-telefon – jobb támogatása érdekében. A szabvány legújabb változata a DOCSIS 3.0, amely 2006-ban jelent meg. Ez nagyobb sávszélességet használ mindkét irányú sebesség növelése érdekében. Az európai változatot EuroDOCSIS-nek nevezték el. Nem minden kábelszolgáltatónak tetszik azonban a szabványos modemek megjelenése, mivel közülük sokan kerestek nagy pénzeket azzal, hogy a tehetetlen felhasználóiknak bérbe adták a modemeket. Egy nyílt szabvány és a több tucat gyártó, amelyeknek a kábelmodemjeit boltban meg lehet vásárolni, véget vet ennek a nagy hasznot hajtó tevékenységnek.
A modem és a számítógép közötti interfész teljesen magától értetődően adódik. Általában Ethernet, illetve egyes esetekben USB. A másik vég (a modem és a kábelhálózat közötti interfész) sokkal bonyolultabb, mivel egyaránt használ FDM-et, TDM-et és CDMA-t a kábel sávszélességének előfizetők közötti megosztásához.
Amikor a kábelmodemet csatlakoztatják az elektromos hálózathoz és áram alá kerül, pásztázni kezdi a letöltési csatornákat egy olyan különleges csomag után kutatva, amelyben a fejállomás időnként kiteszi a kábelre a rendszer paramétereit az újonnan bekapcsolt modemek részére. Miután megtalálta ezt a csomagot, az új modem az egyik feltöltési csatornán bejelenti a jelenlétét. A fejegység a válaszában kijelöli a modem feltöltési és letöltési csatornáit, ezen a kiosztáson azonban később változtatni is lehet, ha ezt a fejegység a terhelés kiegyenlítéséhez szükségesnek tartja.
A 6 MHz-es vagy 8 MHz-es csatornák használata az FDM része. Minden kábelmodem egy feltöltési és egy letöltési csatornán küld adatokat, vagy DOCSIS 3.0 esetén több csatornán. Az általános sémában a 6 (vagy 8) MHz-es letöltési csatornák modulálásra kerülnek QAM-64-gyel, vagy ha a kábelminőség kivételesen jó, akkor QAM-256-tal. 6 MHz-es csatornával és QAM-64-gyel körülbelül 36 Mb/s-ot kapunk. Ha levesszük a többletterhelést okozó fejrészeket, akkor a nettó felhasználói adatsebesség körülbelül 27 Mb/s, QAM-256 esetén pedig körülbelül 39 Mb/s. Az európai értékek ennél 1/3-dal nagyobbak.
Feltöltés esetén több RF-zaj van, mivel a rendszert eredetileg nem adatokhoz tervezték, és a sok előfizetőtől származó zaj a fejállomásra koncentrálódik, így konzervatívabb séma kerül alkalmazásra. Ez a QPSK-tól a QAM-128-ig terjed, ahol a szimbólumok egy része hibajavításra kerül felhasználásra Trellis-kódmodulációval. Azáltal, hogy kevesebb bit van szimbólumonként a feltöltésben, a feltöltési és a letöltési sebesség közötti aszimmetria nagyobb, mint amit a 2.52. ábra sugall.
A TDM ezután több előfizető között megosztja a feltöltési sávszélességet. Ellenkező esetben az adásaik ütköznének a fejállomáson. Az idő felosztásra kerül miniszeletekre (minislot), és a különböző felhasználók külön miniszeletben küldenek. Ahhoz, hogy ez működjön, a modem ezután megállapítja a fejegységtől való távolságát. Ehhez egy különleges csomagot küld el, és leméri, hogy mennyi idő múlva kap választ. Ezt a folyamatot távolságbecslésnek (ranging) hívják. A megfelelő időzítés miatt fontos, hogy a modem ismerje a távolságot a fejegységig. Minden felfelé haladó csomagnak bele kell férnie egy vagy több egymást követő miniszeletbe. A fejállomás rendszeresen bejelenti, amikor új miniszeletcsoport kezdődik, de ezt a bejelentést a kábelen való terjedési idő különbségei miatt a modemek nem egyszerre hallják. Mivel azonban minden modem ismeri a fejegységtől mért távolságát, ki tudja számolni, hogy mikor volt az első miniszelet tényleges kezdete. A miniszeletek hossza az egyes hálózatokon különböző. Egy tipikus miniszeletben 8 bájtnyi felhasználói adat található.
Az inicializálás folyamán a fejállomás minden modemhez hozzárendel egy olyan miniszeletet, amelyben a feltöltési sávszélesség-igényét bejelentheti. Amikor egy számítógép el akar küldeni egy csomagot, átadja a csomagot a modemnek, amely ezután a csomag továbbításához szükséges számú miniszeletet igényel. Amennyiben a fejállomás a kérést elfogadja, nyugtázó csomagot tesz a letöltési csatornára, amelyben megírja a modemnek, hogy mely miniszeleteket foglalta le a csomagjának. A modem ezután a kijelölt miniszeletekben elküldi a csomagot, és ha további csomagokat akar átvinni, a fejléc egyik mezőjében igényelhet további miniszeleteket.
Ugyanahhoz a miniszelethez több modem van rendelve, ami versenyhelyzethez vezet. Ez kétféleképpen kezelhető. Az első, hogy a CDMA megosztja a miniszeleteket az előfizetők között. Ez megoldja a versenyhelyzet problémáját, mivel az összes CDMA-kódsorozattal rendelkező előfizető egyszerre küldhet, ha csökkentett sebességgel is. A második lehetőség, hogy a CDMA nem kerül felhasználásra. Ebben az esetben a modem véletlen ideig vár, majd újból próbálkozik. Minden egymást követő kudarc után a véletlen várakozási idő lehetséges hossza megkétszereződik. (A hálózatokat már valamennyire ismerő olvasó felismerheti, hogy ez az algoritmus lényegében az időszeletelt ALOHA a kettes exponenciális visszalépés algoritmussal. Az Ethernetet azért nem lehet a kábelrendszereken használni, mert az állomások nem érzékelik a közeget. Ezekre a kérdésekre még visszatérünk a 4. fejezetben.)
A letöltési csatornákat a rendszer másképpen kezeli, mint a feltöltési csatornákat. Ennek egyik oka, hogy csak egy küldő van (a fejállomás), így nem alakulhat ki versenyhelyzet és semmi szükség nincs a miniszeletekre, amelyek tulajdonképpen csak a statisztikus időosztásos multiplexelést valósítják meg. A másik ok az, hogy a lefelé haladó forgalom általában sokkal nagyobb a felfelé haladónál, ezért lefelé 204 bájtos rögzített méretű csomagokat használnak. Ennek egy része egy Reed–Solomon-hibajavító kód és némi egyéb többletteher, így a felhasználói adatok részére 184 bájt marad. Ezekre a számokra az MPEG-2 kódolású digitális televíziózással való kompatibilitás miatt esett a választás, hogy a tv- és a letöltési csatornák kialakítása azonos lehessen. Logikailag az összeköttetések a 2.53. ábrán látható módon épülnek fel.
Melyik jobb, az ADSL- vagy a kábeles kapcsolat? Ez olyan, mintha azt kérdeznénk, hogy melyik operációs rendszer, melyik nyelv vagy vallás a jobb. A válasz attól függ, hogy kinek tesszük fel a kérdést. Hasonlítsuk tehát össze az ADSL- és a kábeles kapcsolat néhány tulajdonságát! Az ADSL sodrott érpárat használ. A koax átviteli kapacitása több százszor jobb a sodrott érpárénál. A kábelrendszerekben viszont nem áll a teljes vonalkapacitás a felhasználó rendelkezésére, mert a kábel sávszélességének elég nagy részét televíziós programokra és más haszontalan dolgokra fordítják.
A gyakorlatban nehéz általánosítani a felhasználó számára rendelkezésre álló kapacitással kapcsolatban. Az ADSL-szolgáltatók határozottan megmondják, hogy mekkora sávszélességet adnak (például 1 Mb/s letöltésre, 256 kb/s feltöltésre), és a sebesség ennek általában a 80%-át folyamatosan el is éri. A kábeles szolgáltatók általában nem állítanak semmit a sávszélességről, mivel a tényleges kapacitás attól függ, hogy hány felhasználó tevékenykedik az adott kábelszakaszon. Néha jobb, mint az ADSL, néha viszont rosszabb is lehet. Ami azonban nagyon idegesítővé válhat, az a kiszámíthatatlansága. Az, hogy az egyik pillanatban remek minőségű szolgáltatást kapunk, nem garantálja azt, hogy a következő pillanatban is hasonlóan jó szolgáltatást fogunk kapni, mivel lehet, hogy a város legnagyobb sávszélesség-leszívója éppen most kapcsolta be a számítógépét.
Ahogyan egy ADSL-rendszer egyre több előfizetőt gyűjt, ezek egyre növekvő száma nem zavarja a már meglevő előfizetőket, mivel minden felhasználónak a többiektől független összeköttetése van. A kábelrendszerben az egyes felhasználók által tapasztalt teljesítmény egyre csökken, ahogyan egyre többen fizetnek elő az internetszolgáltatásra. Erre az egyetlen orvosság az, ha a kábeles szolgáltató több szakaszra bontja a forgalmas kábeleket, és mindegyiket közvetlenül egy fényvezető csomóponttal köti össze. Ez viszont időbe és pénzbe kerül, így az üzleti érdekük azt diktálja, hogy ne tegyék ezt.
Mellesleg egy másik olyan rendszerről is ejtettünk már szót, amely a kábelhez hasonló osztott csatornát használt: ez a mobiltelefon-hálózat. Ebben a rendszerben is a felhasználók egy csoportja (akiket jogosan nevezhetnénk cellatársaknak is) osztozik egy rögzített mennyiségű sávszélességen. Általában ezt TDM-mel és FDM-mel rögzített méretű darabokra osztják fel az aktív felhasználók között, mivel a beszédforgalom nagyon kiegyenlített. Az adatforgalom számára azonban ez a merev felosztás nagyon kevéssé hatékony, mivel az adatot forgalmazó felhasználók gyakran szakaszosan forgalmaznak, így a nekik lefoglalt sávszélesség kárba vész. Ugyanúgy, mint a kábeltévénél, dinamikusabb megoldást használnak a megosztott sávszélesség lefoglalására.
Az elérhetőség szempontjából az ADSL- és a kábelhálózat különbözik egymástól. Mindenkinek van telefonja, de nem minden felhasználó lakik olyan közel a helyi központhoz, hogy ADSL-t lehessen nála telepíteni. Másrészt viszont, nem mindenkinél van kábelhálózat, de ha van, és a szolgáltató internet-hozzáférést is biztosít, akkor bárkinél telepíthető. Az üvegszálas csomóponttól vagy a fejállomástól való távolsága nem számít. Azt is fontos megjegyezni, hogy a kábelhálózatoknak kevés céges előfizetőjük van, mivel eredetileg tv-műsorok szórására épültek.
Mivel az ADSL két pont közötti átviteli közegen valósul meg, természetéből fakadóan biztonságosabb a kábelhálózatnál. Egy kábelrendszer bármelyik felhasználója egyszerűen elolvashatja az összes csomagot, amely a kábelen halad. Emiatt minden jobb szolgáltató mindkét irányban titkosítja a teljes forgalmat. Mindazonáltal, ha a szomszéd megkapja a titkosított üzeneteinket, az még mindig kevésbé biztonságos, mintha semmit sem kapna meg.
A telefonhálózat általában megbízhatóbb a kábelhálózatnál. Például rendelkezik tartalék áramellátással, és így áramkimaradás esetén is működik. Ha a kábelrendszer láncában bármelyik erősítő tápellátása leáll, az összes letöltési irányban lévő felhasználó kapcsolata azonnal megszakad.
Végül, a legtöbb ADSL-szolgáltatónál több internetszolgáltató közül választhatunk, sőt egyes helyeken erre a törvény is kötelezi őket. A kábelszolgáltatóknál ez nem mindig van így.
A végkövetkeztetés az, hogy az ADSL- és a kábelszolgáltatás sokkal inkább hasonlítanak egymásra, mint amennyire különböznek egymástól. Összemérhető szolgáltatást nyújtanak, és ahogyan a kettő közötti verseny egyre jobban kiéleződik, az áraik is egyre jobban közelítenek egymáshoz.