KR20010001312A - 케이블모뎀 - Google Patents

Abstract

본 발명은 메인 프로세서와 보조 프로세서의 이중 프로세서를 사용하여 전체 시스템이 안정적으로 동작할 수 있도록 된 케이블모뎀에 관한 것이다. 본 발명은 케이블모뎀 단말시스템(CMTS: Cable Modem Terminal System)으로 전송할 데이터를 메모리에 저장시키고, MAC(Medium Access Control) 처리기에 의해 처리되어 메모리에 저장된 데이터를 읽어들여 분석하고, 분석 결과 자신에게 해당되는 데이터이면 관련 동작을 수행하고, 자신에게 해당되는 데이터가 아니면 버리는 작업을 수행하고, PC(Personal Computer)로 전달되어야 하는 데이터이면 PC로의 데이터 전달을 위한 이더넷 포맷으로 데이터를 변형하는 메인 프로세서와; 변조기와 복조기와 MAC 처리기에 데이터, 어드레스 신호 및 제어 신호를 전달하여 각 레지스터의 초기 세팅과 저장을 수행하고, 변조기와 복조기의 변조 및 복조 과정과 MAC 처리기의 패킷 처리 과정을 제어하는 보조 프로세서의 이중 프로세서를 사용한다.

상기와 같이 본 발명은 보조 프로세서를 구비하여 메인 프로세서의 역할을 분담시키기 때문에 메인 프로세서의 부담을 줄여 전체 시스템이 안정적으로 동작할 수 있도록 하고, 디버깅 및 업그레이드를 용이하게 하는 효과가 있다.

Description

케이블모뎀{A cable modem}

본 발명은 케이블모뎀에 관한 것으로서, 특히 메인 프로세서와 보조 프로세서의 이중 프로세서를 사용하여 전체 시스템이 안정적으로 동작할 수 있도록 된 케이블모뎀에 관한 것이다.

일반적으로 케이블모뎀 네트워크는 원격지 접속 분야에서 종합정보통신망(ISDN), 멀티디지털가입자회선(xDSL) 등과 함께 관심을 끌고 있는 네트워크 시스템으로서, 인터넷, 인트라넷에 접속하여 Mbps 급의 고속 데이터 전송 속도로 가입자에게 재택근무, 영상회의, 웹검색 등의 다양한 서비스를 제공한다.

미국을 중심으로 폭넓은 사용자층을 확보하고 있는 케이블모뎀 네트워크의 개념은 CATV(CAble TeleVision)망을 데이터 통신분야에 끌어들인 것으로서, 동축케이블을 이용한다는 측면에서는 서로 유사하지만 CATV는 외부의 동축케이블을 셋톱박스로 연결한 후 이 셋톱박스에 TV를 접속시키는 반면, 케이블모뎀 네트워크는 케이블모뎀으로 동축케이블과 PC(Personal Computer)를 연결하는 방식이다. 이 때, 케이블모뎀에 접속되는 PC는 1 대일 수도 있고 여러 대일 수도 있다.

케이블모뎀은 워크그룹용, 멀티유저용, 및 개인용으로 구분된다. 워크그룹용 케이블모뎀은 PC를 접속시킬 수 있는 포트수가 4개, 8개 등으로 소규모 그룹을 대상으로 하고 이를 통해 소형 LAN(Local Area Network)을 구축할 수 있도록 하며, 멀티유저용 케이블모뎀은 도서관, 학교, 공장 등 비교적 규모가 큰 곳에 사용된다.

도 1은 일반적인 케이블모뎀 네트워크의 개략적인 구성도로서, 다수개의 케이블모뎀(CM: Cable Modem)이 케이블망에 연결되어 있고, 각각의 케이블모뎀에는 가입자 설비(CPE: Customer Premises Equipment)인 PC가 연결되어 있으며, 케이블모뎀 단말시스템(CMTS: Cable Modem Terminal System)이 케이블망과 백본망 사이에 연결되어 있다.

상기 각 케이블모뎀(CM)은 PC로부터 입력되는 업스트림 채널(upstream channel)의 패킷들과 CMTS로부터 입력되는 다운스트림 채널(downstream channel)의 패킷들을 버퍼와 메모리에 저장한 상태에서 적절하게 처리하여 가입자가 CMTS와 연결된 백본망으로부터 여러 가지 서비스를 제공받을 수 있도록 한다.

상기 CMTS는 다운스트림 채널을 통해 500Kbps∼30Mbps의 속도로 광대역의 데이터를 전송하고, 업스트림 채널을 통해 각각의 케이블모뎀(CM)이 96Kbps∼10Mbps의 속도 및 점대점 방식으로 전송한 협대역의 질의데이터를 수신한다.

한편, 상기 케이블모뎀(CM)은 전체 시스템을 제어함과 더불어 CMTS로부터의 다운스트림과 PC로부터의 업스트림을 처리하는 MPU(MicroProcessor Unit)를 구비하고 있다.

그러나, 상기와 같이 종래에는 MPU가 케이블모뎀의 전체 시스템을 제어하는 동시에 통신 프로토콜 관련 처리를 수행해야 하기 때문에 그 만큼 빠른 속도의 MPU를 사용해야 하고, 그로 인해 전체 시스템이 안정적으로 동작할 수 없는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 메인 프로세서(MPU)와 함께 보조 프로세서(8비트 마이컴)를 구비하여 메인 프로세서의 역할을 분담시킴으로써 전체 시스템이 안정적으로 동작할 수 있도록 하는 케이블모뎀을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 케이블모뎀은 CMTS로 전송할 업스트림 데이터를 변조하는 변조기와, 상기 CMTS로부터의 다운스트림 데이터를 복조하는 복조기와, 상기 CMTS로 전송할 업스트림 패킷을 정해진 포맷에 맞추어 생성하여 상기 변조기로 출력하거나 상기 복조기에 의해 복조된 다운스트림 패킷을 입력받아 MAC 데이터를 해독하여 패킷을 처리하는 MAC 처리기와, 상기 MAC 처리기에 의해 처리될 데이터와 상기 MAC 처리기에 의해 처리된 데이터를 저장하는 메모리가 구비된 케이블모뎀에 있어서, 상기 CMTS로 전송할 데이터를 상기 메모리에 저장시키고, 상기 MAC 처리기에 의해 처리되어 상기 메모리에 저장된 데이터를 읽어들여 분석하고, 분석 결과 자신에게 해당되는 데이터이면 관련 동작을 수행하고, 자신에게 해당되는 데이터가 아니면 버리는 작업을 수행하고, PC로 전달되어야 하는 데이터이면 PC로의 데이터 전달을 위한 이더넷 포맷으로 데이터를 변형하는 메인 프로세서와; 상기 변조기와 상기 복조기와 상기 MAC 처리기에 데이터, 어드레스 신호 및 제어 신호를 전달하여 각 레지스터의 초기 세팅과 저장을 수행하고, 상기 변조기와 상기 복조기의 변조 및 복조 과정과 상기 MAC 처리기의 패킷 처리 과정을 제어하는 보조 프로세서가 더 구비된 것을 특징으로 한다.

도 1은 일반적인 케이블모뎀 네트워크의 개략적인 구성도,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 케이블모뎀의 개략적인 구성도이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

20: 변조기 30: 복조기

40: MAC(Medium Access Control) 처리기 50: 8비트 마이컴

60: MPU(MicroProcessor Unit) 70: DRAM(Dynamic RAM)

Bus1: 제 1 버스 Bus2: 제 2 버스

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 케이블모뎀은 인터넷 프로토콜(IP: Internet Protocol)을 사용하며, IP 메시지의 투명한 전송을 위하여 아래 표 1과 같은 계층적인 구조를 가지고 있다.

계 층	부 계 층
네트워크 계층	-
데이터 링크 계층	논리 링크 제어(LLC) 부계층
	링크 보안 부계층
	매체 액세스 제어(MAC) 부계층
물리 계층	전송 수렴(TC) 부계층
	물리 매체 종속(PMD) 부계층

즉, 케이블모뎀은 네트워크 계층, 데이터 링크 계층, 물리 계층의 수직적인 계층 구조를 가진다. 그 중, 데이터 링크 계층은 논리 링크 제어(LLC: Logical Link Control) 부계층, 링크 보안(link-security) 부계층 및 매체 액세스 제어(MAC: Medium Access Control) 부계층으로 구분되고, 물리 계층은 전송 수렴(Transmission Convergence) 부계층과 물리 매체 종속(PMD: Physical Medium Dependent) 부계층으로 구분되며, 네트워크 계층(IP 계층)은 IP 트래픽을 전송한다.

상기 데이터 링크 계층의 매체 액세스 제어(MAC) 부계층은 가변 길이의 PDU(Protocol data Unit)를 지원한다. 여기서, MAC 프로토콜은 CMTS에 의해 대역 할당이 제어되고, 업스트림이 일정 시간 간격의 미니슬롯으로 나뉘며, 가변 길이의 패킷을 지원하여 대역 사용 효율을 증가시키는 특징을 가지고 있다.

상기 물리 계층의 전송 수렴(TC) 계층은 다운스트림의 경우에만 존재하여 디지털 비디오와 같은 추가의 서비스를 제공하며, 물리 매체 종속(PMD) 부계층은 다운스트림의 경우 64QAM 과 256QAM 의 변조 방식, 리드솔로몬과 트렐리스의 에러정정코드 등의 기능을 지원하고 업스트림의 경우 QPSK 와 16QAM 의 변조 방식, TDMA, 고정 길이 프레임과 가변 길이 PDU 등을 지원한다.

한편, 케이블모뎀과 CMTS가 주고받는 MAC 프레임은 MAC 프레임의 내용을 정의하는 MAC 헤더와, 상기 MAC 헤더에 따라 그 길이와 존재여부가 정해지는 데이터 PDU로 구성된다. 상기 MAC 프레임은 업스트림의 경우 MAC 헤더 앞에 물리 매체 종속(PMD) 부계층 오버 헤더가, 다운스트림의 경우 MPEG 전송 헤더가 붙어서 전송된다.

상기 MAC 헤더 중에서 MAC 관리 헤더는 MAC 프레임의 관리 메시지를 전송할 때 이용되는데, CMTS가 다운스트림 채널을 통해 케이블모뎀으로 전송하는 MAC 관리 메시지를 '할당 MAP'이라 한다. 즉, CMTS는 할당 MAP을 케이블모뎀으로 전송함으로써 케이블모뎀이 업스트림 패킷을 송신하기 위한 업스트림 채널의 대역을 정의한다.

상기 MAP 메시지는 고정 길이의 헤더와, 가변 길이의 IE(Information Elements)로 구성된다. 상기 IE는 14비트의 SID(Service IDentifier), 4비트의 타입 코드(IUC: Interval Usage Code), 14비트의 스타팅 오프셋으로 구분되며, IE의 IUC에 따른 SID 및 오프셋을 살펴보면 아래 표 2와 같다.

IE 명칭	IUC	SID	오프셋
Request	1	any	starting offset of REQ region
REQ/Data	2	multicast	starting offset of IMMEDIATE Data region
Initial Maintenance	3	broadcast/multicast	starting offset of MAINT region(used in initial Ranging)
Station Maintenance	4	unicast	starting offset of MAINT region(used in Periodic Ranging)
Short Maintenance	5	unicast	starting offset of Data Grant assignment ; if inferred length=0, then it is a Data Grant Pending
Long DataGrant	6	unicast	starting offset of Data Grant assignment ; if inferred length=0, then it is a Data Grant Pending
Null IE	7	zero	ending offset of the previous grant. Used to bound the length of the last actual interval allocation
Data Ack	8	unicast	CMTS sets to 0
Reserved	9~14	any	reserved
Expension	15	expanded IUC	# of additional 32bit words in this IE

상기 표 2에서 Request IE는 업스트림 데이터 전송을 위한 대역을 요구할 경우 업스트림 간격을 제공하고, Request/Data IE는 전송될 대역이나 짧은 데이터 패킷을 요구할 경우 업스트림 간격을 제공한다. Initial Maintenance IE는 새로운 스테이션을 네트워크에 연결할 경우 간격을 제공하고, Station Maintenance IE는 스테이션이 정해진 네트워크를 유지해야 하는 경우 간격을 제공한다. Data Grant IE는 케이블모뎀이 한 개 또는 그 이상의 업스트림 PDU를 전송할 수 있는 기회를 제공하는 것으로서, Short Data Grant IE는 UCD(Upstream Channel Descriptor)에서 정해진 최대 버스트 크기보다 작거나 같은 경우에 이용되고, Long Data Grant IE는 UCD에 정의된 짧은 데이터(Short Data)의 최대 미니슬롯보다 많은 경우 이용된다. Null IE는 IE 리스트에서 실질적인 할당을 종료하고, Data Acknowledge IE는 데이터 PDU가 전송되었음을 인식한다.

또한, 본 발명의 케이블모뎀은 전송 계층(transport layer)에서 188 바이트 MPEG-2 패킷의 연속으로 이루어지는 비트스트림을 송수신한다. 여기서, 188 바이트는 동기를 위한 1 바이트와, 서비스 정의, 스크램블링 및 제어 정보를 위한 3 바이트와, MPEG-2 데이터 또는 보조 데이터를 위한 184 바이트로 이루어진다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 케이블모뎀의 개략적인 구성도로서, 상기 케이블모뎀은 튜너(10)와, 변조기(20)와, 복조기(30)와, MAC 처리기(40)와, 8비트 마이컴(50)과, MPU(60)와, DRAM(Dynamic RAM, 70)과, 플래시 메모리(flash memory, 80)와, 이더넷 MAC 제어기(90)와, 이더넷 트랜시버(91)와, 트랜스포머(92)가 구비되어 있다. 상기 MAC 처리기(40), MPU(60), DRAM(70), 플래시 메모리(80) 및 이더넷 MAC 제어기(90)는 제 1 버스(Bus1)에 연결되어 있고, 변조기(20), 복조기(30), MAC 처리기(40) 및 8비트 마이컴(50)은 제 2 버스(Bus2)에 연결되어 있다.

상기 튜너(10)는 CMTS로부터 F-커넥터를 통해 입력되는 다운스트림 데이터의 88MHz∼860MHz 주파수 대역 중 사용할 6MHz 주파수 대역을 선택한다.

상기 변조기(20)는 업스트림 데이터를 64QAM 변조하여 튜너(10)와 F-커넥터를 통해 CMTS로 전송한다.

상기 복조기(30)는 튜너(10)에 의해 선택된 주파수 대역의 신호를 16QAM 복조하여 MAC 처리기(140)로 출력한다.

상기 MAC 처리기(140)는 DMA(Direct Memory Access)를 통해 DRAM(70)에 저장된 업스트림용 데이터를 읽어들여 정해진 MAC 프레임 포맷에 맞추어 업스트림 패킷을 생성한 다음 변조기(120)로 전달하거나, 복조기(130)로부터 전달받은 다운스트림 패킷에서 MAC 데이터를 해독하여 제 1 버스(Bus1)를 통해 DRAM(70)에 저장시킨다.

상기 8비트 마이컴(50)은 제 2 버스(Bus2)를 통해 변조기(20)와 복조기(30)와 MAC 처리기(40)에 8비트 데이터, 어드레스 신호 및 제어 신호를 전달하여 각 채널 칩들의 레지스터 초기 세팅과 저장을 수행하고, 변조기(20)와 복조기(30)의 변조 및 복조 과정과 MAC 처리기(40)의 패킷 처리 과정을 제어한다. 이러한 기능들은 종래의 경우 MPU(60)가 담당하였으나, 본 발명에서는 8비트 마이컴(50)이 담당한다.

상기 MPU(60)는 제 1 버스(Bus1)를 통해 DRAM(70)에 저장된 다운스트림 패킷(MAC 처리된 패킷)을 읽어들여 필터링, 어드레스 검증(verification) 및 브리징(bridging) 등을 수행하여 다시 제 1 버스(Bus1)를 통해 DRAM(70)에 저장시킨다. 보다 구체적으로 MPU(60)는 통신 프로토콜 관련 처리를 수행하는데, CMTS로 전송할 데이터를 DRAM(70)에 저장시키고, MAC 처리기(40)에 의해 처리되어 DRAM(70)에 저장된 데이터를 읽어들여 분석하고, 분석 결과 자신에게 해당되는 데이터이면 관련 동작을 수행하고, 자신에게 해당되는 데이터가 아니면 버리는 작업을 수행하고, PC로 전달되어야 하는 데이터이면 PC로의 데이터 전달을 위한 이더넷 포맷으로 데이터를 변형하는 작업을 수행한다. 추가로, MPU(60)는 암호화된 데이터를 입력받으면 암호를 해독하고, 시스템 전체의 리셋이나 돌발 사태가 발생하면 시스템을 재부팅하고 초기화를 처리한다.

상기에서 8비트 마이컴(50)과 MPU(60)는 제어 정보를 교환하기 위하여 직렬 버스를 통해 상호 연결되어 있다.

상기 DRAM(70)과 플래시 메모리(80)는 업스트림이나 다운스트림 패킷 처리를 위한 각종 정보를 저장한다.

상기 이더넷 MAC 제어기(90), 이더넷 트랜시버(91) 및 트랜스포머(92)는 MPU(60)에 의해 처리된 다운스트림 패킷을 적절하게 처리하여 RJ-45 커넥터를 통해 PC로 전달하고, PC로부터의 업스트림 패킷을 적절하게 처리하여 DRAM(70)에 저장시킨다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 의한 케이블모뎀의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, CMTS가 송신한 다운스트림 패킷이 F-커넥터를 통해 수신되면 복조기(30)는 제 2 버스(Bus2)를 통해 8비트 마이컴(50)의 제어 신호를 입력받아 튜너(10)를 통해 입력되는 다운스트림 패킷을 16QAM 복조하여 MAC 처리기(40)로 출력하고, MAC 처리기(40) 역시 8비트 마이컴(50)의 제어 하에 복조된 다운스트림 패킷을 입력받아 MAC 데이터를 해독하고, PDU 데이터를 DMA를 통해 DRAM(70)에 저장시킨 다음 MPU(60)에 처리 데이터가 존재함을 통보한다.

그 후, MPU(60)는 MAC 처리기(40)로부터 처리 데이터가 존재함을 통보받으면 제 1 버스(Bus1)를 통해 DRAM(70)에 저장된 PDU 데이터를 읽어들여 분석하여 자신에게 해당되는 데이터이면 관련 동작을 수행하고, 자신에게 해당되는 데이터가 아니면 버리는 작업을 수행하고, PC로 전달되어야 하는 데이터이면 해당 데이터를 이더넷 포맷으로 변형시킨 다음 DRAM(70)에 다시 저장시키고, 이더넷 MAC 제어기(90)에 다운스트림 패킷이 존재함을 통보한다.

그 후, DRAM(70)에 저장된 데이터는 이더넷 MAC 제어기(90)에 의해 읽어들여져서 적절하게 처리된 다음 이더넷 트랜시버(91)와 트랜스포머(92)와 RJ-45 커넥터를 통해 PC로 전송된다.

한편, MPU(60)는 CMTS로 송신할 데이터가 존재하면 해당 데이터를 제 1 버스(Bus1)를 통하여 DRAM(70)에 저장시킨 다음 MAC 처리기(40)에 업스트림용 데이터가 존재함을 알린다.

상기 MAC 처리기(40)는 MPU(60)로부터 업스트림용 데이터가 존재함을 통보받으면 8비트 마이컴(50)의 제어 하에 DRAM(70)에 저장된 업스트림용 데이터를 읽어들여 정해진 포맷에 맞추어 업스트림 패킷을 생성한 후 변조기(20)로 전달한다.

상기 변조기(20)는 MAC 처리기(40)로부터 업스트림 패킷이 입력되면 8비트 마이컴(50)의 제어 하에 업스트림 패킷을 64QAM 변조하여 변조된 업스트림 패킷이 튜너(10)와 F-커넥터를 통해 CMTS측으로 전달되도록 한다.

상기와 같이 8비트 마이컴(50)을 구비하여 MPU(60)의 역할을 분담시키면 하나의 프로세서를 사용하는 경우(종래 기술)보다 MPU(60)의 부담이 줄어들고, 그 만큼 빠른 속도의 MPU를 사용하지 않아도 되므로 케이블모뎀이 전체적으로 안정된 동작을 할 수 있다.

또한, 전체 시스템이 마이컴(50) 관련 채널 부분과 MPU(60) 관련 통신 프로토콜 처리 부분으로 크게 분리되어 있으므로 디버깅(debugging)이 매우 용이하다.

또한, 마이컴(50)의 프로그램 처리를 이용하여 MAC 기능을 쉽게 추가할 수 있으므로 향후 전체 시스템을 교체하지 않고도 업그레이드를 할 수 있도록 한다.

이와 같이 본 발명은 보조 프로세서를 구비하여 메인 프로세서의 역할을 분담시키기 때문에 메인 프로세서의 부담을 줄여 전체 시스템이 안정적으로 동작할 수 있도록 하고, 디버깅 및 업그레이드를 용이하게 하는 효과가 있다.

Claims (1)

1. CMTS로 전송할 업스트림 데이터를 변조하는 변조기와, 상기 CMTS로부터의 다운스트림 데이터를 복조하는 복조기와, 상기 CMTS로 전송할 업스트림 패킷을 정해진 포맷에 맞추어 생성하여 상기 변조기로 출력하거나 상기 복조기에 의해 복조된 다운스트림 패킷을 입력받아 MAC 데이터를 해독하여 패킷을 처리하는 MAC 처리기와, 상기 MAC 처리기에 의해 처리될 데이터와 상기 MAC 처리기에 의해 처리된 데이터를 저장하는 메모리가 구비된 케이블모뎀에 있어서,

   상기 CMTS로 전송할 데이터를 상기 메모리에 저장시키고, 상기 MAC 처리기에 의해 처리되어 상기 메모리에 저장된 데이터를 읽어들여 분석하고, 분석 결과 자신에게 해당되는 데이터이면 관련 동작을 수행하고, 자신에게 해당되는 데이터가 아니면 버리는 작업을 수행하고, PC로 전달되어야 하는 데이터이면 PC로의 데이터 전달을 위한 이더넷 포맷으로 데이터를 변형하는 메인 프로세서와;

   상기 변조기와 상기 복조기와 상기 MAC 처리기에 데이터, 어드레스 신호 및 제어 신호를 전달하여 각 레지스터의 초기 세팅과 저장을 수행하고, 상기 변조기와 상기 복조기의 변조 및 복조 과정과 상기 MAC 처리기의 패킷 처리 과정을 제어하는 보조 프로세서가 더 구비된 것을 특징으로 하는 케이블모뎀.