¿En qué consiste el proceso de registro de un cablemódem?

¿En qué consiste el proceso de registro de un cablemódem?
04-Junio-2007 
Traducción: Irazú Muñiz

El propósito de este artículo consiste en examinar detalladamente el proceso de registro de los cablemodems, dividirlo en sus etapas fundamentales y comprender la forma en que debería realizarse para que el registro resulte exitoso. Posteriormente, se observará el proceso de registro desde la perspectiva de la planta de radiofrecuencia (RF) a través de un analizador de protocolo DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification), para concluir con algunos problemas comunes relacionados con DOCSIS y el Protocolo de Internet (IP) que pueden identificarse rápidamente con ayuda de este analizador de protocolos.

Proceso de Registro de los Cablemodems
Los cablemodems son dispositivos simples en los cuales fácilmente se pueden encontrar fallas una vez que se comprende su forma de operación. El suscriptor compra un cablemodem, lo registra con su sistema de cable local, le conecta el cable coaxial, el del suministro eléctrico y los pasos que realiza el cablemodem son los siguientes:

Búsqueda de la Frecuencia de Bajada
El cablemodem examina la bajada en búsqueda de señales moduladas digitalmente bajo el formato 64 ó 256 QAM. Una vez encontrada la señal digital, el cablemodem busca información contenida en esta señal originalmente enviada por el sistema de terminación de cablemodems (CMTS, por sus siglas en inglés). La descripción del canal de retorno (UCD, por sus siglas en inglés), es parte esencial de esa información contenida en la señal digital debido a que contiene datos como la frecuencia, el tipo de modulación y el ancho de banda del canal de retorno, datos que el cablemodem necesitará para establecer comunicación con el CMTS.

Ranging

Una vez que el cablemodem ha encontrado la señal digital transmitida por el CMTS (recuerde que también hay señales de video digital en el enlace de bajada), estará a la espera de un mensaje especial proveniente del CMTS al cual se le denomina ‘mapa’. Este mapa le dará una oportunidad al cablemodem para que por primera vez transmita datos en el retorno (mantenimiento inicial). Como el cablemodem desconoce a qué nivel de potencia debe de transmitir, iniciará a su nivel más bajo (+8 dBmV). Si el CMTS no le responde, el cablemodem aumentará su nivel de potencia en 3 dB e intentará establecer comunicación nuevamente a través de un mensaje denominado ‘solicitud de rango’ (range request). El cablemodem continuará aumentando la potencia de transmisión de la solicitud de rango hasta que el CMTS pueda escuchar el mensaje. Una vez detectado el mensaje, el CMTS analiza la potencia, frecuencia y periodicidad de la solicitud de rango y envía al cablemodem una respuesta de rango que incluye instrucciones para que pueda ajustar su potencia, frecuencia y periodicidad de transmisión a los niveles necesarios.

Protocolo de Configuración Dinámica (DHCP)
Una vez que el cablemodem se encuentre dentro del rango del CMTS, se establece un enlace de comunicación entre estos dos dispositivos. Ahora es necesario obtener información adicional sobre la red, obtener una dirección IP y el nombre del archivo de configuración. Todo esto se logra mediante el uso del protocolo DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) y de un proceso de cuatro etapas en el cual el cablemodem envía un mensaje de descubrimiento (discover) al servidor DHCP conectado a la red IP en la cual también se encuentra conectado el CMTS respectivo. Si el cablemodem fue aprovisionado en el servidor DHCP, éste le enviará de vuelta una dirección IP, las direcciones IP de otros servidores importantes de la red y el nombre del archivo de configuración.

Time of Day (ToD)

A pesar de que el servidor ToD fue un requisito en las redes DOCSIS 1.0 para proporcionar una marca de tiempo a los cablemodems durante su registro, actualmente no se requiere en la versión DOCSIS 1.1 y posteriores. Casi todos los cablemodems podrán inicializarse sin que haya en la red un servidor ToD activo.

Protocolo Trivial de Transferencia de Archivos (TFTP)
El siguiente paso consiste en que el cablemodem descargue el archivo de configuración cuyo nombre le fue proporcionado durante su registro ante el servidor DHCP. El cablemodem envía una solicitud de lectura a la dirección IP que apunta al servidor TFTP, dirección que también se le proporcionó durante el proceso DHCP. Si el archivo que responde a ese nombre existe en el servidor TFTP, el cablemodem lo descarga para obtener información de configuración tal como las máximas tasas de transmisión del suscriptor en el canal de bajada y en el retorno, especificaciones de calidad de servicio (QoS), DOCSIS 1.1 y de encriptación, entre otras.

Solicitud de Registro

Finalmente, el cablemodem envía al CMTS una solicitud de registro junto con una lista de sus parámetros de configuración. Si el CMTS aprueba estos parámetros, le enviará un mensaje indicándole que su registro fue exitoso. Si el CMTS no acepta sus parámetros de configuración, éste puede rechazar su registro y el cablemodem no podrá activarse para transmitir datos.

Infraestructura de Privacidad Básica (opcional) La infraestructura de privacidad básica (BPI/BPI+, por sus siglas en inglés) ha sido adoptada por muchos operadores de cable con dos propósitos: proteger la transferencia de datos de los suscriptores en la red de cable mediante técnicas de encriptación y prevenir el robo del servicio con cablemodems pirateados. Cuando se habilita este tipo de seguridad, el proceso de registro BPI ocurre inmediatamente después de que el cablemodem se registra ante el CMTS. BPI es un proceso de cuatro pasos en el cual se intercambian llaves públicas y privadas entre el cablemodem y el CMTS, junto con tiempos de expiración de las mismas.

Proceso Resumido

Para resumir lo anteriormente descrito, el proceso de registro de cablemodems sigue siete pasos:

1. Búsqueda en la bajada
2. Ranging
3. DHCP
4. ToD
5. TFTP
6. Registro
7. BPI (opcional)

El primero paso, la búsqueda de frecuencia de bajada, es un proceso pasivo que inicia el cablemodem y no es algo que se pueda observar con un analizador de protocolo.

El analizador sólo se puede utilizar a partir del segundo paso (figura 1), el ranging; en la trama 1 a los 0.00000 segundos, proveniente del cablemodem con dirección de control de acceso al medio (MAC) 00:eo:6f:58:79:52, se envía un mensaje de administración DOCSIS (DOCSIS MGMT) del tipo ‘Solicitud Inicial de Ranging’ (Initial Ranging Request) hacia la dirección MAC destino 00:50:57:00:2b:e6 del CMTS. Esta es la primera vez que el CMTS escucha un mensaje proveniente del cablemodem. El identificador de servicio del cablemodem inicia en cero (SID=0) para mostrar que el CMTS aún no le ha asignado un valor al cablemodem.

Figura 1. Proceso de Registro de Cablemodems

En la segunda trama se observa la respuesta el ranging por parte del CMTS, el cual contiene ajustes para que el cablemodem modifique su potencia, frecuencia y periodicidad de transmisión. El cablemodem debe hacer dos solicitudes de rango más en las tramas 3 y 5, con sus respectivas respuestas en las tramas 4 y 6, antes de que transmita con parámetros adecuados.

El siguiente paso se realiza entre las tramas 11 y 14 durante el proceso DHCP. Primero, el cablemodem envía al CMTS un mensaje ‘DHCP discover’ y éste lo reenvía al servidor DHCP quien responde con un ‘DHCP offer’ para proporcionar al cablemodem todos los detalles necesarios. El cablemodem responde con un ‘DHCP request’ para confirmar la información recibida y ésta confirmación es aceptada por el servidor DHCP con un mensaje de reconocimiento (ACK).

Ahora el cablemodem se puede mover al cuarto paso bajo el proceso del ToD. En las tramas 17 a 20 se muestra cómo el cablemodem solicita al servidor ToD una marca de tiempo y obtiene una respuesta. Si no recibiera respuesta inmediata de este servidor, se moverá automáticamente hacia el quinto paso.

A diferencia del servidor ToD, el TFTP no puede faltar en el sistema. El nombre del archivo que se transmite durante el proceso DHCP ahora es utilizado por el cablemodem para descargarlo del servidor TFTP (trama 24) y a cambio enviará un mensaje de confirmación si es que el archivo llegara libre de errores (trama 25).

Finalmente, el cablemodem se registra con el CMTS y en la trama 26 se muestra la solicitud de registro que el dispositivo terminal envía al administrador de cablemodems. Esta solicitud contiene información importante sobre el cablemodem que será le será muy útil al CMTS. En la trama 27 se observa la respuesta de registro proveniente del CMTS con las palabras OK/success a los 1.549170 segundos.

El cablemodem se registró ante el CMTS en menos de dos segundos. La mayor parte del tiempo del proceso se concentra en el primer paso, en la búsqueda de la frecuencia de bajada; una vez que se hubo sintonizado en determinada frecuencia, el resto del proceso es extremadamente rápido, a no ser que surgieran algunos problemas con DOCSIS o con la red IP…

¿Qué pudo haber salido mal? 
De todos los problemas que se han detectado en la práctica y que tenido efectos adversos en los suscriptores, cerca del 90 por ciento están relacionados con la red IP y el 10 por ciento restante con el protocolo DOCSIS.

He aquí una breve lista de los problemas más comunes que se han detectado:

1.    Dedos pegajosos: las direcciones MAC de los cablemodems pudieran estar mal aprovisionadas, o bien la dirección MAC del USB (Universal Serial Bus) se pudo haber aprovisionado en lugar de la dirección MAC del cablemodem.

2.    DHCP: los servidores DHCP pueden quedarse sin direcciones IP, dejar de responder o responder únicamente a ciertas tarjetas (dominios) del CMTS; y los cablemodems pudieran aceptar sólo determinado número de direcciones IP provenientes del servidor DHCP.

3.    TFTP: usualmente, el servidor TFTP carece de archivos de configuración o contiene archivos que han sido nombrados de manera equivocada.

4.    Gusanos y virus: los suscriptores cuyas redes hayan sido contaminadas por gusanos o virus, tienen todo el potencial de generar grandes cantidades de tráfico en la red DOCSIS. Este tráfico excede el límite de los buffers de entrada de los cablemodems y provoca que éstos se comporten de manera irregular.

5.   Problemas con el protocolo DOCSIS: el CMTS rechazará los cablemodems cuyo firmware no sea compatible con DOCSIS durante el proceso de registro. Si no los rechazara, los terminales podrían causar un gran caos una vez que estén activados.

Resumen

El proceso de registro de los cablemodems es muy sencillo y consiste de seis etapas. Este proceso debería memorizarse y comprenderse sin importar la posición técnica que se ocupe en el sistema de cable, toda vez que será altamente necesario porque DOCSIS se está convirtiendo en el cimiento de la industria de cable. Una vez que cuentes con sólidos conocimientos sobre las complejidades de los cablemodems y del CMTS, estarás listo para profundizar en el Adaptador Terminal Multimedia (MTA, por sus siglas en inglés) que se emplea como equipo terminal para la telefonía IP.

Figura 2. Fallas en el Proceso de Registro de Cablemodems

Ya contamos con las herramientas, el conocimiento sobre el proceso que siguen los cablemodems para registrarse y una comprensión básica de los problemas más comunes. La identificación de estos problemas generalmente se hace de manera intuitiva, tal y como se muestra en el ejemplo de la figura 2. La trama 19 muestra un cablemodem atorado en medio del quinto paso con el servidor TFTP, justo cuando recibe un código de error que dice: Archivo no encontrado (File Not Found) en la solicitud hecha en la trama 12. Este problema podría tomar horas de análisis de fallas en la red RF o ser breve si se hiciera un rápido diagnóstico del problema con un analizador de protocolo.

Fuente:

Brady Volpe, Sunrise Telecom
Communications Technology, Vol. 22, No. 06, June 2005, p. 64.
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