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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Kommunikationssysteme.
Im Besonderen betrifft die vorliegende Erfindung Kabelmodemsysteme
und Verfahren zum Erzeugen von DOCSIS-Headern.
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Herkömmliche
Kabelmodemsysteme verwenden DOCSIS-konforme (Data Over Cable System
Interface Specification) Einrichtungen und Protokolle zum Übertragen
von Daten zwischen einem oder mehreren Kabelmodems (CM) und einem
Kabelmodem-Endsystem (CMTS). Der Begriff DOCSIS bezieht sich im
Allgemeinen auf einen Spezifikationssatz, der die branchenüblichen
Standards in Bezug auf eine Kabelsystem-Empfangsstation und eine
Kabelmodem-Einrichtung definiert. Teilweise legt die DOCSIS-Spezifikation
die Anforderungen und Ziele für
die verschiedenen Aspekte bezüglich
der Kabelmodemsysteme, welche die unterstützenden Betriebssysteme, Verwaltung,
Datenanschluss-Schnittstellen einschließen, sowie für die Netzwerkschicht,
Datenübermittlungsschicht
und physikalische Bitübertragungsschicht
bezüglich
der Kabelmodemsysteme fest. Die aktuellste DOCSIS-Spezifikationsversion
ist die DOCSIS 1.1.
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Nähere Einzelheiten über die
DOCSIS-Normvorschrift und die diesbezüglichen Standards können aus der
folgenden Schwarzfeld-G-Veröffentlichung
entnommen werden: „DOCSIS
CONTRA DVB" Funkschau, Franzis-Verlag
KG, München,
Deutschland im Band 73, Nr. 1/2 vom 7. Januar 2000, Seite
51–53.
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In Übereinstimmung
mit der DOCSIS-Spezifikation wird für jedes zu übertragende Datenpaket ein
Media-Access-Control Frame (MAC), das heißt, ein Medienzugangssteuerungsrahmen
angewendet und benutzt, um Informationen über das Datenpaket zu vermitteln,
sobald es in dem System von einer Komponente zur nächsten weitergeleitet
wird. Wie in 5 dargestellt ist, umfasst der
MAC-Rahmen einen DOCSIS-Header-Abschnitt und einen optionalen PDU-Daten-Abschnitt.
Der DOCSIS-Header beschreibt die Inhalte des MAC-Rahmens und enthält Informationen
für ein
Weiterleiten der Datenpakete an die richtige Speicherzelle in dem
Kabelmodemsystem. Der PDU-Daten-Abschnitt
[PDU = Paketdateneinheit] enthält
die Paketdaten-Informationen, wie zum Beispiel Sprach- oder Textdaten.
Der DOCSIS-Header stellt außerdem
Informationen über die
Datenformate bereit, auf die sich der PDU-Abschnitt (die Paketdateneinheit)
bezieht.
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Bisher
dienen als Basis für
Kabelmodems und Kabelmodem-Endsysteme eine Host-Prozessor-Einrichtung
und deren Software zum Erzeugen des DOCSIS-Headers. Jedoch die Softwareausführung führt zu einem
erheblichen Programmverarbeitungsaufwand. Was daher benötigt wird,
ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen von DOCSIS-Headern
in Hardware, so dass die gesamte Betriebssystemleistung verbessert
werden kann.
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Die
europäische
Patentanmeldung
EP 0874
503 A bezieht sich auf eine Vorrichtung, welche die Multimediadaten
in Übereinstimmung
mit dem IEEE-1394-Standard
für über einen
Bus angeschlossene Gerätschaften,
wie beispielsweise ein digitaler Videokassettenrekorder mit einem
Heimcomputer, austauscht.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den erheblichen Verarbeitungsaufwand
zu reduzieren, indem ein DOCSIS-Header generiert wird, welcher die
Inhalte eines Medienzugangssteuerungsrahmens beschreibt, die zwischen
einem oder mehreren Kabelmodems und einem Kabelmodem-Endsystem auszutauschen
sind.
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Diese
Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und dem Verfahren
gemäß Anspruch
12 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen
gemäß der vorliegenden
Erfindung sind in den Unteransprüchen
definiert.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum Erzeugen von DOCSIS-Headern in Hardware zur Verfügung. Eine
Medienzugangssteuereinheit (MAC = Media Access Controller) wird
mit einem DOCSIS-Header-Erzeugersteuerschaltkreis konfiguriert.
Der DOCSIS-Header-Erzeugersteuerschaltkreis
ist mit einer Logik zum Empfangen eines Datenpaketes konfiguriert
und zum Feststellen, ob das empfange Datenpaket einen vor handenen
Paket-Header aufweist, welcher an diesem anhängig ist. Falls dies nicht der
Fall ist, generiert der DOCSIS-Header-Erzeugersteuerschaltkreis
einen DOCSIS-Paket-Header.
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Der
DOCSIS-Header-Erzeugersteuerschaltkreis ist ferner zur Feststellung
konfiguriert, ob die Länge des
empfangenen Datenpaketes einen zyklischen Redundanzcode enthält. Der
DOCSIS-Header-Erzeugersteuerschaltkreis ist des Weiteren konfiguriert,
um einen Paket-Header-Längenfeldwert
für das
empfangene Datenpaket festzustellen. Falls der DOCSIS-Header-Erzeugersteuerschaltkreis
feststellt, dass ein zyklischer Redundanzcode in dem empfangenen
Datenpaket aufzunehmen ist, dann kann der DOCSIS-Header-Erzeugersteuerschaltkreis
zudem ein CRC-Flag generieren. Falls festgestellt wird, dass das
Datenpaket zu verschlüsseln
ist, dann ist der DOCSIS-Header-Erzeugersteuerschaltkreis
ferner in der Lage, ein Verschlüsselungs-Flag
zu generieren.
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1 ist
ein Blockdiagramm auf höherer
Ebene eines Kabelmodemsystems gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung.
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2 ist
ein schematisches Blockdiagramm eines Kabelmodem-Endsystems gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung.
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3 ist
ein schematisches Blockdiagramm eines medienspezifischen Zugangssteuerschaltkreises
= MAC gemäß den Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung.
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4 ist
ein schematisches Blockdiagramm eines DOCSIS-Header-Erzeugersteuerschaltkreises
gemäß den Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung.
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5 ist
eine Abbildung eines MAC-Rahmenformats in Übereinstimmung mit dem DOCSIS-Protokoll.
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6 ist
eine Abbildung eines DOCSIS-Header-Formats in Übereinstimmung mit dem DOCSIS-Protokoll.
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7 ist
eine Abbildung eines DOCSIS-Header-Beschreibers in Übereinstimmung
mit dem DOCSIS-Protokoll.
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8 ist
ein Programmablaufdiagramm für
ein Verfahren zum Erzeugen von DOCSIS-Headern gemäß den Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung.
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9 ist
ein Programmablaufdiagramm für
ein Verfahren zum Verarbeiten eines DOCSIS-Paket-Headers gemäß den Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung.
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Als Beispiel gewählte Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
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1 ist
ein Blockdiagramm auf höherer
Ebene eines als Beispiel gewählten
Kabelmodemsystems 100 gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung. Das Kabelmodemsystem 100 ermöglicht Sprachkommunikation,
Video- und Datendienste basierend auf einen bidirektionalen Transfer
mit einem auf Paketbasis stattfindenden Verkehr, wie zum Beispiel
einem Internetprotokollverkehr (IP), zwischen einer Kabelsystem-Empfangsstation 102 und
einer Vielzahl von Kabelmodems über
ein Glasfaserhybrid-Koaxialkabel-Verbindungsnetz
(HFC) 110. In dem als Beispiel gewählten Kabelmodemsystem 100 werden
zum Zwecke des leichteren Verständnisses
nur zwei Kabelmodems 106 und 108 dargestellt.
Jedoch kann im Allgemeinen jede beliebige Anzahl von Kabelmodems
in dem Kabelmodemsystem gemäß der vorliegenden
Erfindung enthalten sein.
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Die
Kabelsystem-Empfangsstation 102 besteht aus mindestens
einem Kabelmodem-Endsystem (CMTS) 104. Das CMTS 104 ist
der Bereich in der Kabelsystem-Empfangsstation 102, der
den Transfer von Daten in Senderichtung [Upstream] und in Empfangsrichtung
[Downstream] zwischen der Kabel- Empfangsstation 102 und
den Kabelmodems 106 und 108 abwickelt, welche
in den Räumlichkeiten
des Kunden lokalisiert sind. Das CMTS 104 überträgt die Informationen
in Empfangsrichtung zu den Kabelmodems 106 und 108 als ein
kontinuierliches Übertragungssignal
gemäß einem
Zeitmultiplexverfahren (TDM). Außerdem steuert das CMTS 104 die Übertragung
von Daten aus den Kabelmodems 106 und 108 in Senderichtung
zu sich selbst, indem jedem Kabelmodem 106 und 108 kurze
Zeitspannen eingeräumt
werden, innerhalb denen die Daten zu transferieren sind. In Übereinstimmung
zu diesem Vielfachzugriff kann im Zeitbereichsmultiplexverfahren
(TDMA) jedes Kabelmodem 106 und 108 Informationen
nur in Senderichtung stromaufwärts
senden, da während einer Übertragungsmöglichkeit
von dem CMTS 104 an das diesbezügliche Kabelmodem nur kurz
gebündelte Signale
[Burst-Signale] zugeteilt wurden.
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Mit
Bezug auf 1 dient das CMTS 104 ferner
als Schnittstelle zwischen dem HFC-Netz 100 und einem Paketvermittlungsnetz 112,
welche IP-Pakete,
die aus den Kabelmodems 106 und 108 empfangen
wurden, an das Paketvermittlungsnetz 112 transferiert,
und die IP-Pakete, die von dem Paketvermittlungsnetz 112 empfangen
wurden, an die Kabelmodems 106 und 108 sendet,
wenn dies vorgesehen ist. Das Paketvermittlungsnetz 112 umfasst
in den Ausführungsformen
das Internet.
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Zusätzlich zu
dem CMTS 104 kann die Kabel-Empfangsstation 102 einen
oder mehrere Internet-Router zum Herstellen der Verbindung zwischen
dem CMTS 104 und dem Paketvermittlungsnetz 112 aufweisen, sowie
einen oder mehrere Server zum Ausführen von notwendigen Netzverwaltungsaufgaben.
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Das
HFC-Netz 110 stellt eine Punkt-zu-Mehrpunkt-Topologie für den zuverlässigen und
sicheren Hochgeschwindigkeitstransport von Daten zwischen der Kabel-Empfangsstation 102 und
den Kabelmodems 106 und 108 in den Räumlichkeiten
des Kunden zur Verfügung.
Die Fachleute auf dem/n relevanten Gebiet/en werden positiv bemerken,
dass das HFC-Netz 100 aus Ko axialkabeln, Glasfaserkabeln
oder einer Kombination von Koaxialkabeln und Glasfaserkabeln besteht,
die über
einen oder mehrere Glasfaser-Netzknoten verlinkt sind.
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Jedes
der Kabelmodems 106 und 108 operiert als Schnittstelle
zwischen dem HFC-Netz 110 und mindestens einer angeschlossenen
Benutzer-Einrichtung.
Im Einzelnen führen
die Kabelmodems 106 und 108 die Funktionen aus,
die notwendig sind, um Abwärtssignale
[Downstream-Signale], die über
das HFC-Netz 110 empfangen wurden, in einer angeschlossenen
Benutzer-Einrichtung für
den Empfang in IP-Datenpakete umzuwandeln. Außerdem führen die Kabelmodems 106 und 108 die
Funktionen aus, die notwendig sind, um die von der angeschlossenen
Benutzer-Einrichtung empfangenen IP-Datenpakete in Senderichtung in gebündelte Signale
[Burstsignale] umzuwandeln, die für den Transfer über das
HFC-Netz 110 geeignet sind. In dem als Beispiel gewählten Kabelmodemsystem 100 ist
zum Zwecke des leichteren Verständnisses
jedes Kabelmodem 106 und 108 so dargestellt, dass
es nur eine einzige Benutzer-Einrichtung unterstützt. Im Allgemeinen ist aber
jedes Kabelmodem 106 und 108 in der Lage, eine
Vielzahl von Benutzer-Einrichtungen im Hinblick auf die Kommunikation über das
Kabelmodemsystem 100 zu unterstützen. Benutzer-Einrichtungen
können
PCs, Datenterminals, Telefoneinrichtungen, Breitband-Medienabspielgeräte, Netzwerksteuerungsgeräte oder
jede sonstige Vorrichtung umfassen, die in der Lage sind, Daten über ein
Paketvermittlungsnetz zu senden oder zu empfangen.
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In
dem exemplarischen Kabelmodemsystem 100 repräsentiert
das Kabelmodem 106 ein herkömmliches, DOCSIS-konformes
Kabelmodem. Mit anderen Worten, das Kabelmodem 106 überträgt Datenpakete
an das CMTS 104 in Formaten, welche die in der DOCSIS-Spezifikation
aufgeführten
Protokolle einhalten können.
Das Kabelmodem 108 ist desgleichen in der Lage, Datenpakete
an das CMTS 104 in standardgemäßen DOCSIS-Formaten zu senden.
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Des
Weiteren operiert das CMTS 104 in dem exemplarischen Kabelmodemsystem 100 zum
Empfangen und Verarbeiten von Datenpaketen, welche an das CMTS gesendet
worden sind, und zwar wiederum in Übereinstimmung mit den in der
DOCSIS-Spezifikation festgelegten Protokollen.
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B. Als Beispiel gewählte Kabelmodem-Systemkomponenten
gemäß den Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung
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2 zeigt
ein schematisches Blockdiagramm mit einer Implementierung des CMTS 104 in
dem Kabelmodemsystem 100, das anhand eines Ausführungsbeispiels
dargestellt ist, mit dem die vorliegende Erfindung aber nicht eingeschränkt werden
darf. Das CMTS 104 ist für das Empfangen und das Senden
von Signalen an das und aus dem HFC-Netz 110 konfiguriert,
von dem in 2 ein Abschnitt mithilfe des
Glasfaserkabels 202 dargestellt ist. Folglich wird das
CMTS 104 in Bezug auf einen Empfänger-Abschnitt und einen Sender-Abschnitt
beschrieben.
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Der
Empfänger-Abschnitt
umfasst eine Glasfaser-zu-Koaxialkabelstufe 204, einen
RF-Eingang 206, einen Splitter 214 und eine Vielzahl
von Signalbündelblock-Empfängern [Burst-Receiver] 216.
Das Empfangen beginnt mit dem Empfang von stromaufwärts gerichteten
Signalbündeln
[Burst-Signale], die von einem oder mehreren Kabelmodems über das
Glasfaserkabel 202 in die Glasfaser-zu-Koaxialkabelstufe 204 abgegangen sind
und weitergeleitet werden. Die Glasfaser-zu-Koaxialkabelstufe 204 befördert anschließend die
empfangenen Signalbündel über das
Koaxialkabel 208 an den Radiofrequenzeingang (RF) 206 weiter.
Diese stromaufwärts
gerichteten Signalbündel
weisen in den Ausführungsformen
spektrale Charakteristiken innerhalb des Frequenzbereichs von ganz
allgemein 5–42
MHz auf.
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Diese
empfangenen Signale werden von dem RF-Eingang 206 an den
Splitter 214 des CMTS 104 bereitgestellt, der
die RF-Eingangssignale in einzel ne N Kanäle trennt. Jeder der einzelnen
N Kanäle
wird dann an einen separaten Signalbündelblock-Empfänger [Burst-Receiver] 216 zur
Verfügung
gestellt, der dazu dient, die empfangenen Signale auf jedem Kanal
gemäß einem
Verfahren – entweder
gemäß der QPSK-Technik (Quadraturphasenumtastung)
oder gemäß der 16-QAM-Technik
(Quadraturamplitudenmodulation) – zu demodulieren, um die zugrunde
liegenden Informationssignale wiederherzustellen. Jeder Signalbündelblock-Empfänger 216 wandelt
außerdem
die zugrunde liegenden Informationssignale aus einer Analogform
in eine Digitalform um. Diese digitalen Daten werden in der Folge
der Empfangsstelle der Medienzugangssteuereinheit (MAC) 218 zur
Verfügung
gestellt.
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Die
Empfangsstelle der MAC 218 dient dazu, die digitalen Daten
in Übereinstimmung
mit der DOCSIS-Spezifikation zu verarbeiten. Die Empfangsstelle
des MAC befindet sich über
eine Backplane-Schnittstelle [Backplane-Interface] 221 und einem gemeinsam
genutzten Kommunikationsmedium 232 mit dem RAM-Speicher
(Direktzugriffsspeicher) und dem ROM-Speicher (Festwertspeicher)
in einer elektrischen Kommunikationsverbindung. Das gemeinsam genutzte
Kommunikationsmedium 232 kann in den Ausführungsformen
einen Rechner-Bus oder ein Daten-Netz mit Vielfachzugriff aufweisen.
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Die
MAC-Empfangsstelle 218 befindet sich außerdem sowohl über die
Backplane-Schnittstelle 220 als auch über das gemeinsam genutzte
Kommunikationsmedium 232 mit der Ethernet-Schnittstelle 224 in
elektrischer Kommunikationsverbindung. Wann immer es angebracht
ist, werden Ethernet-Datenpakete,
die von der MAC-Empfangsstelle 218 wiederhergestellt worden
sind, an die Ethernet-Schnittstelle 224 zum Senden an das Paketvermittlungsnetz 112 über einen
Router transferiert.
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Der
Sender-Abschnitt des CMTS 104 umfasst einen Abwärtsmodulator 226,
einen akustischen Oberflächenschallwellenfilter
(SAW) 228, einen Verstärker 230s,
einen Zwischenfrequenzausgang (IF) 212, einen Radiofrequenz-Aufwärtskonverter
(RF) 210 und eine Glasfaser-zu-Koaxialkabelstufe 204.
Das Übertragen
beginnt mit der Generierung eines digitalen Breitband- Rundsendesignals
durch die MAC-Empfangsstelle 218. Das digitale Rundsendesignal
kann DOCSIS-Header und Daten beinhalten, die ursprünglich von
dem Paketvermittlungsnetz 112 über die Ethernet-Schnittstelle 224 empfangen
worden sind. Die MAC-Empfangsstelle 218 gibt das digitale
Rundsendesignal an den Abwärtsmodulator 226 aus,
der es in eine Analogform umwandelt und dieses in Übereinstimmung
mit einem Verfahren – entweder
gemäß der 64-QAM- oder gemäß der 256-QAM-Technik – in ein
Trägersignal
moduliert.
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Das
modulierte Trägersignal,
das durch den Abwärtsmodulator 226 ausgegeben
wird, wird in den SAW-Filter 228 eingegeben, der nur die
spektralen Komponenten des Signals weitergibt, die sich innerhalb
der gewünschten
Bandbreite befinden. Dieses gefilterte Signal wird dann an einen
Verstärker 230 ausgegeben, der
es verstärkt
und an den Zwischenfrequenz-Ausgang (IF) 212 abgibt. Der
IF-Ausgang 212 leitet das Signal an den RF-Aufwärtskonverter 210 weiter,
der das Signal aufwärts
umwandelt. Das aufwärts
umgewandelte Signal weist in den Ausführungsformen spektrale Charakteristiken
im Frequenzbereich von annähernd
54–860 MHz
auf. Das aufwärts
umgewandelte Signal wird anschließend über das Koaxialkabel 208 an
die Glasfaser-zu-Koaxialkabelstufe 204 ausgegeben.
Die Glasfaser-zu-Koaxialkabelstufe 204 versendet das Signal über das
Glasfaserkabel 202 des HFC-Netzes 110 im Breitbandverfahren.
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3 sieht
ein schematisches Diagramm einer Medienzugangssteuereinheit (MAC) 218 vor,
die zum Erzeugen der DOCSIS-Header gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung konfiguriert ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die
Beschreibung eingeschränkt,
die hierin in Bezug auf 1 dargelegt ist. Vielmehr ist
den Fachleuten auf dem/n relevanten Gebieten nach dem Lesen der
hierin bereitgestellten, erfindungsgemäßen Grundlagen klar, dass auch
andere funktionale Hardware-Konfigurationen gemäß dem Schutzumfang und den
Lehren der vorliegenden Erfindung möglich sind. Die Medienzugangssteuereinheit
(MAC) befindet sich zum Beispiel innerhalb der dargestellten Architektur
sowohl in einem Kabelmodem als auch in einem Ka belmodem-Endsystem.
Folglich kann ein Kabelmodem außerdem
so bereitgestellt werden, dass es die DOCSIS-Header gemäß den Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung generieren kann.
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Die
Medienzugangssteuereinheit (MAC) 218 besteht aus einem
Datenstruktur-Bus DS UBUS 305. Der DS UBUS 305 ist
ein gemeinsam genutzter, interner Chip-Bus zum Übertragen von Datenpaketen.
Der DS UBUS 305 ist zum Empfangen von Datenpaketen aus
einem externen SDRAM (einem synchron dynamischen Direktzugriffsspeicher,
der nicht dargestellt ist) vorgesehen. Die übertragenen Datenpakettypen
können
beispielsweise Ethernet-Pakete oder DOCSIS-Pakete beinhalten.
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Sobald
die Datenpakete über
den DS UBUS 305 von der MAC 218 empfangen worden
sind, werden die Datenpakete intern weitergeleitet, wobei eine Vielzahl
von FIFO-Registern 312 verwendet wird. Die FIFO-Register 312A–312L werden
eingesetzt, um die Datenpakete in den peripheren Einheiten der MAC 218 entsprechend
einer Prioritätssteuerung,
einem First-In-First-Out-Prozess,
bereitzustellen.
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Die
MAC 218 ist ferner mit einer universellen Busanforderungs/Empfängerkontrollereinheit 310 vorgesehen.
Die universelle Busanforderungs/Empfängerkontrollereinheit 310 wird
von der MAC 218 angewendet, um den Zugriff auf einen externen
Speicher anzufordern.
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Eine
Arbitrierungsbuszuteilung für
die UBUS-Anforderungseinheit 313 befindet sich außerdem im
Innern der MAC 218. Die Buszuteilung für die UBUS-Anforderungseinheit 313 ist
für die
arbitrierende Benutzung des DS UBUS 305 verantwortlich,
welche durch die Anforderungen notwendig wird, um Daten zu erhalten. Zum
Beispiel können
die Komponenten der MAC 218 eine Anforderung generieren,
um einen Paketchiffrierschlüssel
abzurufen, oder um vielleicht eine Header-Datenpaket-Auslassungsregel
einzuholen. In Reaktion auf eine solche Anforderung bezüglich eines
Transfers von Daten weist die Buszuteilung für die UBUS-Anforderungseinheit 313 eine
Bandbreite auf dem DS UBUS 305 zum Abwickeln der Anforderung
zu.
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Die
MAC 218 besteht ferner aus einer Datenpaket-Header-Auslassungsregel-Verifikation 314 und
einer Datenpaket-Header-Auslassungsfunktion 315.
Die Auslassungsregel-Verifikation für den Datenpaket-Header 314 wird
verwendet, um die Verifikation für
einen Header in einem Datenpaket auf Basis der Header-Datenpaket-Regelung
auszuführen.
Die Verifikation wird angewendet, um zu entscheiden, ob ein Auslassen
des Datenpaket-Headers durchgeführt
werden soll.
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Gemäß den Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung empfängt
die Datenpaket-Header-Auslassungsfunktion 315 die erfolgreich
verifizierten Datenpaket-Header aus der Datenpaket-Header-Auslassungsregel-Verifikation 314 und
unterdrückt
die Datenpaket-Header unter Verwendung der zur Verfügung stehenden
Header-Datenpaket-Auslassungsregeln.
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Der
Beschreiber- und Paketdaten-Abruf 320 ist eine Steuereinheit,
die angewendet wird, um das Datenpaket und den Paket-Header-Beschreiber
aus dem externen SDRAM-Speicher (nicht dargestellt) zu erhalten.
Diese Daten werden in der Folge der PHS-Regelverifikation 314 für die Anwendung
einer Verifizierung des Datenpaket-Headers zur Verfügung gestellt.
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Die
Felder des Paket-Header-Beschreibers sind in Tabelle 1 beschrieben. Tabelle
1: Feldbeschreibungen des Paket-Header-Beschreibers [Header-Deskriptor]
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Der
Beschreiber- und Paketdaten-Abruf 320 ruft den Datenpaket-Header-Beschreiber
und die Paketdaten von seinem FIFO 312F ab und spei chert
die Werte aus den Wortkombinationen des Beschreibers in lokale Regis
ter. Die Wortkombinationen des Beschreibers, die beim Start jedem
Paket angehängt
worden sind, enthalten Kontrollinformationen für die Freigabe einer CRC-Generierung
[zyklische Blockprüfungserzeugung],
für die
PHS-Verarbeitung,
für die
Basisdatenschutzverschlüsselung
usw.
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Der
Header-Auslassungsregelungsabruf für die Paketdaten 325 ist
eine Steuereinheit, die zum lokalen Speichern von einer Vielzahl
von Header-Auslassungsregeln
für die
Paketdaten verwendet wird. Die Header-Auslassungsregeln für die Paketdaten stellen Instruktionen
im Hinblick auf die Auslassung der Datenpaket-Header an die PHS-Regelungsverifikation 314 und
der Datenpaket-Header-Auslassungsfunktion 315 bereit. Sobald
jedes Datenpaket von der PHS-Regelungsverifikation 314 und
der Datenpaket-Header-Auslassungsfunktion 315 verarbeitet
worden ist, wird das Datenpaket an den DOCSIS-Header-Erzeugersteuerschaltkreis 316 weitergeleitet.
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Die
primäre
Funktion des DOCSIS-Header-Erzeugersteuerschaltkreises 316 besteht
darin, einen DOCSIS-Header gemäß der DOCSIS-Spezifikation
zu generieren. Ein exemplarischer DOCSIS-Header 505 [Zellkopf]
wird in 5 dargestellt und ist mit Bezug
auf 6 in den Einzelheiten nachstehend beschrieben. Die
DOCSIS-Spezifikation ist erhältlich
von der Firma Cable Television Laboratories Inc., Louisville, CO/USA und
hierin in ihrer Gesamtheit unter Referenzangabe enthalten.
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Die
Medienzugangssteuereinheit MAC 218 weist ferner einen Chiffrierschlüsselabruf 330 auf.
Der Chiffrierschlüsselabruf 330 kommt
zum Bereitstellen eines Chiffrierschlüssels für den Anwendungsbereich in einem
Verschlüsselungsalgorithmus
zum Einsatz, um das Datenpaket, nachdem der DOCSIS-Header an das Datenpaket
hinzugefügt
worden ist, zu verschlüsseln
und zu entschlüsseln.
In einer Ausführungsform
wird der Verschlüsselungsstandard-Algorithmus DES (=
Data Encryption Standard) angewendet.
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In
der MAC 218 ist außerdem
ein Chiffrier- und Zyklusredundanz-Steuerschaltkreis 318 vorgesehen. Der
Chiffrier- und Zyklusredundanz-Steuerschaltkreis 318 weist
zwei primäre
Funktionen auf. Die erste Funktion kommt zum Einsatz, um das Datenpaket
unter Anwendung des Chiffrierschlüssels zu verschlüsseln, der von
dem Chiffrierschlüsselabruf 330 bereitgestellt
wurde. Die zweite Funktion dient zum Berechnen einer Header-Prüfzeichenfolge
(HCS) und eines zyklischen Redundanzcodes (CRC). Die HCS ist eine
Nummer, die von dem DOCSIS-Header hergeleitet und angewendet wird,
um dessen Integrität
sicherzustellen. Der CRC besteht aus einer Nummer, die von der Länge des
Datenpakets hergeleitet und angewendet wird, um eine Korrumpierung
zu ermitteln. Durch eine Neuberechnung des CRC und einen Vergleich
mit dem Wert, der ursprünglich übertragen
wurde, kann der Empfänger
verschiedene Arten von Übertragungsfehlern
entdecken.
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Sobald
der DOCSIS-Header 505 an das Datenpaket hinzugefügt worden
ist, wird das Datenpaket zur physikalischen Abwärtsschnittstelle (DS PHY) 335 weitergeleitet.
Die DS-PHY-Schnittstelle 335 stellt eine Schnittstelle
für den
physikalischen Schichtchip (nicht dargestellt) bereit, der für das Empfangen
von Datenpaketen und demzufolge für das Senden der Datenpakete über ein
Koaxialkabel abwärts
in die Empfangsrichtung [Downstream] zuständig ist.
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4 stellt
ein detailliertes Blockdiagramm des DOCSIS-Header-Erzeugersteuerschaltkreises 316 und
des Chiffrier- und Zyklusredundanz-Steuerschaltkreises 318 dar.
Der DOCSIS-Header-Erzeugersteuerschaltkreis 316 besteht
aus einer zentralen Datenwegablaufsteuereinheit 405, die
das Kern stück
des DOCSIS-Header-Erzeugersteuerschaltkreises ist. Diese Ablaufsteuereinheit
ist zuständig
für das
Generieren von Steuersignalen während
der verschiedenen Betriebszustände
während
der DOCSIS-Paketverarbeitung. Diese Ablaufsteuereinheit verarbeitet
die Daten aus dem PHS-Prozessorblock und an den entsprechenden Zeitpunkten
werden bestimmte Informationen aus den eingehenden Daten protokolliert,
und/oder die Daten werden modifiziert und versendet. Während der
Beschreiber-Protokollier-Phase werden alle benötigten Flags indem Beschreiben
in den Beschreiber-Registern 410 erfasst. Diese Flags zeigen
an, ob der Chiffrier- und Zyklusredundanz-Steuerschaltkreis 318 etwaige
CRC-Bytes unter Anwendung des CRC-Generators 410 und des
CCITT-CRC-Generators 425 generieren
soll, ob er ein Verschlüsseln
unter Anwendung des DES-Chiffrierschlüssels 430 durchführen soll,
oder ob er entsprechende Bytes erzeugen und in den Ausgabe-Datenstrom einfügen soll,
wie dies in der DOCSIS-Spezifikation jeweils vorgeschrieben ist.
Der Byte-Zähler 415 zählt während der
verschiedenen Betriebszustände
die Anzahl der eingehenden Bytes, damit für die Ablaufsteuereinheit die
richtige Abwicklung der Daten erleichtert werden kann.
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Mit
Bezug auf 6 wird nun ein als Beispiel
gewählter
DOCSIS-Header 505 beschrieben.
Der DOCSIS-Header 505 setzt sich aus einer Vielzahl von
Datenfeldern zusammen. Diese Datenfelder werden zum Identifizieren
der Inhalte des MAC-Rahmens 500 verwendet sowie zum Übertragen
von Informationen über
die Paketdaten, wie zum Beispiel, ob der Datenblocktyp etwa Sprachdaten-
oder sonstige Datenpakete enthält. Entsprechend
dem DOCSIS-Protokoll umfassen die Datenfelder des DOCSIS-Headers 505 ein
Rahmensteuerungsfeld (FC = Frame Control), ein MAC_PARM-Feld, ein
LEN(SID)-Feld, ein EHDR-Feld und ein HCS-Feld.
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Das
Rahmensteuerungsfeld FC stellt das erste Byte des DOCSIS-Headers 505 dar
und wird zum Identifizieren der restlichen Inhalte in dem DOCSIS-Header 505 verwendet.
Nach dem FC-Feld befindet sich das MAC_PARM-Feld.
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Das
MAC_PARM-Feld dient zu verschiedenen Zwecken, was von dem Wert des
FC-Feldes abhängig ist.
Wenn zum Beispiel der EHDR_On-Indikator des FC-Bytes gesetzt ist,
dann wird das MAC_PARM-Feld als erweiterte Header-Länge verwendet.
Wenn der DOCSIS-Header 505 verkettet ist, dann wird das MAC_PARM-Feld
zum Übertragen
der Anzahl der MAC-Rahmen in der Verkettung verwendet. Wenn der MAC-Rahmen
eine Anforderung zum Senden ist, dann vermittelt das MAC_PARM-Feld
die Menge der angeforderten Bandbreite. An das MAC_PARM-Feld schließt sich
das LEN(SID)-Feld an.
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Das
LEN(SID)-Feld zeigt die Länge
des MAC-Rahmens 500 an. Das LEN(SID)-Feld kann außerdem zum
Bereitstellen der Dienstkennung [Service-ID] für ein bestimmtes Kabelmodem
in den Fällen
verwendet werden, in denen nach dem DOCSIS-Header keine PDU (d.
h. keine Paketdateneinheit) folgt. Dem LEN(SID)-Feld schließt sich
das erweiterte Header-Feld (EHDR) an. Das EHDR-Feld wird zum Bereitstellen einer
Datenübermittlungssicherheit
und Rahmenfragmentierung verwendet. Ein als Beispiel gewähltes Verfahren
zum Erzeugen eines DOCSIS-Headers gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezug auf die 8 und 9 nachstehend
beschrieben.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die hierin dargestellte Beschreibung
in Bezug auf die Programmablaufdiagramme in den 8 und 9 zu
beschränken.
Vielmehr ist den Fachleuten auf dem/n relevanten Gebiet/en nach
dem Lesen der hierin bereitgestellten, erfindungsgemäßen Grundlagen
klar, dass andere funktionale Programmabläufe gemäß dem Schutzumfang und den
Lehren der vorliegenden Erfindung möglich sind. Die Ablaufdiagramme
werden mit fortwährendem
Bezug auf das Ausführungsbeispiel
der Medienzugangssteuereinheit MAC 218 in 2 sowie
des DOCSIS-Headers 505 in 5 und 6 beschrieben.
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Beginnend
in 8 mit Schritt 805 ist ein Paketbeschreiber
an das Datenpaket über
den Direktspeicherzugriff [DMA] angehängt. Der anhängende Paketbeschreiber
ist eine durch Software generierte Mehrfachfeld- Datenstruktur. Ein als Beispiel gewählter Paketbeschreiber
ist in 7 dargestellt. Die vielen Felder des Paketbeschreibers
enthalten Informationen, die den DOCSIS-Header-Erzeugersteuerschaltkreis 316 hinsichtlich
der Sektionen des DOCSIS-Headers 505 anweisen, was für welche
erzeugt werden müssen.
Der anhängige
Paketbeschreiber umfasst zum Beispiel Felder zum Generieren der
zyklischen Redundanzcode-Instruktionen (CRC), Informationen zur
Ausführungsanwendung
der Basisdatenschutzverschlüsselung,
zum Anzeigen eines ersten Paketgrößenwertes und zum Anzeigen
des Paketheader-Größenwertes.
Die Tabelle 1 liefert eine detaillierte Beschreibung der Beschreiberfelder
in Bezug auf den Paketheader. Die Felder des Paketbeschreibers werden
zusammenfassend als ein erster Satz von Feldern bezeichnet.
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In
manchen Fällen
hat das Hostsystem bereits einen DOCSIS-Header mithilfe einer Software
erzeugt. Daher überprüft in Schritt 810 der
DOCSIS-Header-Erzeugersteuerschaltkreis 316 das
Datenpaket, um festzustellen, ob das Datenpaket bereits einen DOCSIS-Header
aufweist. Der DOCSIS-Header-Erzeugersteuerschaltkreis
vergleicht den DOCSIS-Header und die anhängigen Paketbeschreiber -Längenfelderwerte (pkt_len)
aus dem ersten Satz von Feldern in dem Beschreiber mit einem zweiten
Satz von Feldern in dem vorhandenen Paket-Header. Wenn mit diesem
Paket ein komplettes (d. h. vorhandenes) DOCSIS-Paket mit allen
notwendigen Feldern bereitgestellt wird, dann fügt der DOCSIS-Header-Erzeugersteuerschaltkreis 316 keine
neuen Header hinzu und stattdessen erfolgt ein Ansteuern zu Schritt 815.
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In
Schritt 815 stellt der DOCSIS-Header-Erzeugersteuerschaltkreis 316 fest,
ob der DOCSIS-Header und die anhängenden
Längenfelder
des Paketbeschreibers übereinstimmen.
Genauer erklärt, überprüft der DOCSIS-Header-Erzeugersteuerschaltkreis 316 die
Paketgröße und die
Headergröße. Wenn
die Paketgröße und das
anhängende
Paketbeschreiber-Längenfeld
nicht übereinstimmen,
dann wurde das Datenpaket korrumpiert. Daraufhin würde das
Datenpaket – in
Schritt 820 – verworfen
(das heißt,
nicht mehr weiter vermittelt).
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Wenn
andererseits der DOCSIS-Header und der anhängende Paketbeschreiber übereinstimmen, dann
geht die Steuerung sofort zu Schritt 850 über.
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In
Schritt 850 werden der DOCSIS-Header (der durch die Software
bereitgestellt wurde), das CRC-Erzeugungs-Flag (das durch die Software
bereitgestellt wurde) und das Verschlüsselungs-Flag (das ebenfalls durch
die Software bereitgestellt wurde) zum Chiffrier- und Zyklusredundanz-Steuerschaltkreis 318 zur
weiteren Verarbeitung weitergeleitet.
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Wenn,
zurückkehrend
zu Schritt 810, der DOCSIS-Header-Erzeugersteuerschaltkreis 316 feststellt, dass
das Datenpaket keinen DOCSIS-Header
besitzt, dann geht die Steuerung zu Schritt 825 über.
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In
Schritt 825 kontrolliert der DOCSIS-Header-Erzeugersteuerschaltkreis 316 die
Beschreiberfelder, um festzustellen, ob die Länge des Paketes das zyklische
Redundanzcode-Flag (CRC) enthält.
Falls dies nicht der Fall ist, fügt
der Header-Erzeugerschaltkreis – in
Schritt 830 – ein
oder mehrere "auffüllende" Bytes am Ende des
Paketes hinzu und erhöht
somit den Längenwert
um die Anzahl der hinzugefügten
Bytes. In der dargestellten Ausführungsform
werden vier zusätzliche
Bytes hinzugefügt,
wie dies der DOCSIS-Spezifikation entspricht.
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Als
nächstes
stellt – in
Schritt 835 – der
DOCSIS-Header-Erzeugersteuerschaltkreis 316 die Länge des
Paketes fest. Der DOCSIS-Header-Erzeugersteuerschaltkreis 316 benutzt
die Länge
des Paketes und die Länge
von jedem EHDR-Feld zum Bestimmen des zugeteilten Längenfeldes
in dem DOCSIS-Header 505. Ein weitere wichtige Funktion,
die in Schritt 835 ausgeführt wird, ist das Kontrollieren
zum Feststellen, ob eine Datenpaket-Header-Auslassung von der Datenpaket-Header-Auslassungsfunktion 315 durchgeführt worden
ist. Wenn dies der Fall ist, erhält
der DOCSIS-Header-Erzeugersteuerschaltkreis 316 den
modifizierten Zähler
für die
Header/Paketgrößen, um
die korrekte endgültige
Paketgröße zu berechnen.
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Als
nächstes
generiert – in
Schritt 840 – der
DOCSIS-Header-Erzeugersteuerschaltkreis 316 ein
Flag, um dem Chiffrier- und Zyklusredundanz-Steuerschaltkreis 318 zu
signalisieren, dass ein CRC erzeugt werden soll.
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Als
nächstes
generiert – in
Schritt 845 – der
DOCSIS-Header-Erzeugersteuerschaltkreis 316 ein
Flag, um dem Chiffrier- und Zyklusredundanz-Steuerschaltkreis 318 zu
signalisieren, dass eine Basisdatenschutzverschlüsselung für das Paket durchgeführt werden
soll.
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Schließlich leitet – in Schritt 850 – der DOCSIS-Header-Erzeugersteuerschaltkreis 316 die
Flags (wenn sie eingefordert worden sind) aus den Schritten 840 und 845 – den kompletten
DOCSIS-Header 505 – und
das Datenpaket an den Chiffrier- und Zyklusredundanz-Steuerschaltkreis 318 weiter.
Die Paketverarbeitung wird mit Bezug auf 9 näher beschrieben.
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In 9 empfängt der
Chiffrier- und Zyklusredundanz-Steuerschaltkreis 318 das
aus dem DOCSIS-Header-Erzeugersteuerschaltkreis 316 übermittelte
Paket und kontrolliert das „Erzeugungs-CRC"-Flag. Wenn dieses
Flag eingefordert worden ist, dann erzeugt in Schritt 910 der
Chiffrier- und Zyklusredundanz-Steuerschaltkreis 318 einen
CRC aus der Paketdateneineit PDU und modifiziert – in Schritt 915 – das Paket
durch ein Überschreiben
der hinzugefügten
Bytes in dem Paket mit dem zyklischen Redundanzcodewert [CRC-Wert].
Es werden in der dargestellten Ausführungsform somit die letzten
vier Bytes des Paketes überschrieben.
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Der
Chiffrier- und Zyklusredundanz-Steuerschaltkreis 318 kontrolliert – in Schritt 920 – das „Basisdatenschutz"-Flag. Wenn das Flag
gesetzt ist, dann verschlüsselt – in Schritt 925 – der Chiffrier-
und Zyklusredundanz-Steuerschaltkreis 318 das
Paket auf Basis des indizierten Verschlüsselungsalgorithmus (wie beispielsweise
mit dem DES-Algorithmus). Wenn dieses Flag nicht gesetzt ist, dann
erfolgt das Ansteuern zu Schritt 930 und das Paket wird
ohne Verschlüsselung
gesendet. Vor dem Ausführen
von Schritt 930 erzeugt der DOCSIS-Header-Erzeugersteuerschaltkreis 316 den
DOCSIS-Header 505, und zwar komplett mit eventuell erweiterten
Headers und Füllbytes
für die
Header- Prüfzeichenfolge
[HCS]. Es würden
in der dargestellten Ausführungsform
in Übereinstimmung
mit der DOCSIS-Spezifikation zwei „aufgefüllte" Bytes für die Prüfzeichenfolge [HCS] hinzugefügt.
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Schließlich wird – in Schritt 930 – das Datenpaket,
welches den DOCSIS-Header aufweist, zur physikalischen Abwärtsschnittstelle
[DS PHY] 335 für
die Downstream-Übertragung
(in die Empfangsrichtung) weiterbefördert.