DOCSIS - DOCSIS

Data Over Cable Service Interface Specification ( DOCSIS ) je mezinárodní telekomunikační standard, který umožňuje přidání vysokorychlostního přenosu dat do stávajícího systému kabelové televize (CATV). Mnoho provozovatelů kabelové televize jej používá k poskytování přístupu k internetu (viz kabelový internet ) prostřednictvím své stávající infrastruktury hybridních vlákno-koaxiálních (HFC). Čísla verzí mají někdy předponu jednoduše „D“ namísto „DOCSIS“ (např. D3 pro DOCSIS 3).

Sada internetových protokolů
Aplikační vrstva
Transportní vrstva
Internetová vrstva
Odkazová vrstva

Dějiny

DOCSIS byl vyvinut společností CableLabs a přispívajícími společnostmi, včetně společností 3Com , ARRIS , BigBand Networks , Broadcom , Cisco , Comcast , Conexant , Correlant, Cox , Harmonic , Hitron Technologies , Intel , Motorola , Netgear , Technicolor , Terayon , Time Warner Cable a Texas Nástroje .

Verze

  • DOCSIS 1.0  : Vydán v březnu 1997, DOCSIS 1.0 obsahoval funkční prvky z předchozích proprietárních kabelových modemů .
  • DOCSIS 1.1  : Vydáno v dubnu 1999, DOCSIS 1.1 standardizovanémechanismy kvality služby (QoS), které byly popsány v DOCSIS 1.0.
  • DOCSIS 2.0  : DOCSIS 2.0, vydaný v prosinci 2001, zvýšil rychlost přenosu dat v reakci na zvýšenou poptávku po symetrických službách, jako je IP telefonie.
  • DOCSIS 3.0  : DOCSIS 3.0, vydaný v srpnu 2006, výrazně zvýšil rychlost přenosu dat (před i po proudu) a zavedl podporu internetového protokolu verze 6 (IPv6).
  • DOCSIS 3.1  : Nejprve vydaný v říjnu 2013 a následně několikrát aktualizovaný, sada specifikací DOCSIS 3.1 podporuje kapacity až 10 Gbit/s downstream a 1 Gbit/s upstream pomocí 4096 QAM . Nové specifikace odstranily rozteč kanálů 6 MHz a 8 MHza místo toho používají užší (25 kHz nebo 50 kHz široké) ortogonální dílčí nosiče s frekvenčním dělením (OFDM); ty mohou být spojeny uvnitř blokového spektra, které by mohlo být široké přibližně 200 MHz. Technologie DOCSIS 3.1 také obsahuje funkce pro správu energie, které umožní kabelovému průmyslu snížit spotřebu energie, a algoritmus DOCSIS-PIE ke snížení vyrovnávací paměti . Ve Spojených státech poskytovatel širokopásmového připojení Comcast v únoru 2016 oznámil, že několik měst v rámci jeho působnosti bude mít do konce roku dostupnost DOCSIS 3.1. Na konci roku 2016 společnost Mediacom oznámila, že se stane první velkou americkou kabelovou společností, která plně přejde na platformu DOCSIS 3.1.
  • DOCSIS 4.0  : Vylepšuje DOCSIS 3.1, aby používalo celé spektrum kabelového zařízení (0 MHz až ~ 1,8 GHz) současně ve směru proti proudu i po proudu. Tato technologie umožňuje vícegigabitové symetrické služby, přičemž zůstává zpětně kompatibilní s DOCSIS 3.1. Společnost CableLabs vydala úplnou specifikaci v říjnu 2017. Dříve značkové jako DOCSIS 3.1 Full Duplex, tyto technologie byly rebrandovány jako součást DOCSIS 4.0.

Kompatibilita mezi verzemi byla zachována ve všech verzích DOCSIS, přičemž zařízení spadají zpět na nejvyšší podporovanou verzi společnou pro oba koncové body: kabelový modem (CM) a systém ukončení kabelového modemu (CMTS). Pokud například máte kabelový modem, který podporuje pouze DOCSIS 1.0, a systém používá 2.0, bude připojení navázáno rychlostí přenosu dat DOCSIS 1.0.

Srovnání

V roce 1994 byl 802.14 objednán k vývoji řízení přístupu k médiím přes HFC. V roce 1995 vznikl Multimedia Cable Network System (MCNS). Původními partnery byli TCI , Time Warner Cable , Comcast a Cox . Později se ke skupině přidali Continental Cable a Rogers . V červnu 1996 vytvořila SCTE podvýbor pro datové standardy, aby zahájila práce na stanovení národních standardů pro vysokorychlostní data přes kabelové zařízení. Červenec 1997: SCTE DSS hlasovalo kladně o dokumentu DSS 97-2. Tato norma vychází ze známé specifikace DOCSIS . Norma byla rovněž předložena sektoru standardizace telekomunikací (ITU-T) Mezinárodní telekomunikační unie a byla přijata jako příloha B ITU-T J.112.

Verze DOCSIS Datum výroby Maximální kapacita po proudu Maximální upstream kapacita Funkce
1,0 1997 40 Mbit/s 10 Mbit/s První vydání
1.1 2001 Přidány funkce VOIP a mechanismy QoS
2.0 2002 30 Mbit/s Vylepšené rychlosti přenosu dat proti proudu
3,0 2006 1 Gbit/s 200 Mbit/s Významně zvýšené datové rychlosti po proudu/proti proudu, zavedena podpora pro IPv6, zavedeno propojení kanálů
3.1 2013 10 Gbit/s 1–2 Gbit/s Významně zvýšené datové rychlosti po proudu/proti proudu, restrukturalizované specifikace kanálu
4,0 2017 6 Gbit/s Významně zvýšené vstupní sazby z DOCSIS 3.1

Evropská alternativa

Protože se plány šířky pásma přidělování frekvencí mezi americkými a evropskými systémy CATV liší, byly pro použití v Evropě upraveny standardy DOCSIS starší než 3.1. Tyto úpravy byly publikovány pod názvem EuroDOCSIS . Rozdíly mezi šířkami pásma existují, protože evropská kabelová televize vyhovuje standardům PAL / DVB-C šířky pásma RF kanálu 8 MHz a kabelová televize v Severní Americe odpovídá standardům NTSC / ATSC, které specifikují 6 MHz na kanál. Širší šířka pásma kanálu v architekturách EuroDOCSIS umožňuje přidělit větší šířku pásma navazující datové cestě (směrem k uživateli). Certifikační testy EuroDOCSIS provádí belgická společnost Excentis (dříve známá jako tComLabs), zatímco certifikační testování DOCSIS provádí společnost CableLabs. Zařízení místností zákazníků obvykle obdrží „certifikaci“, zatímco zařízení CMTS získá „kvalifikaci“.

Mezinárodní standardy

Odvětví standardizace telekomunikací ITU (ITU-T) schválilo různé verze DOCSIS jako mezinárodní standardy. DOCSIS 1.0 byl ratifikován jako doporučení ITU-T J.112, příloha B (1998), ale byl nahrazen DOCSIS 1.1, který byl ratifikován jako doporučení ITU-T J.112, příloha B (2001). Následně byl DOCSIS 2.0 ratifikován jako doporučení ITU-T J.122 . Nedávno byl DOCSIS 3.0 ratifikován jako doporučení ITU-T J.222 ( J.222.0 , J.222.1 , J.222.2 , J.222.3 ).

Poznámka: I když doporučení ITU-T J.112, příloha B odpovídá DOCSIS/EuroDOCSIS 1.1, příloha A popisuje dřívější evropský systém kabelového modemu („ DVB EuroModem“) založený na přenosových standardech ATM. Příloha C popisuje variantu DOCSIS 1.1, která je navržena pro provoz v japonských kabelových systémech. Hlavní část doporučení ITU-T J.122 odpovídá DOCSIS 2.0, J.122 příloha F odpovídá EuroDOCSIS 2.0 a J.122 příloha J popisuje japonskou variantu DOCSIS 2.0 (analogicky k příloze C J.112).

Funkce

DOCSIS nabízí širokou škálu možností dostupných ve vrstvách Open Systems Interconnection (OSI) 1 a 2, fyzických a datových linkových vrstvách.

Fyzická vrstva

  • Šířka kanálu:
    • Downstream: Všechny verze DOCSIS starší než 3.1 používají buď kanály 6 MHz (např. Severní Amerika), nebo kanály 8 MHz („EuroDOCSIS“). DOCSIS 3.1 využívá šířku pásma kanálu až 192 MHz v downstream.
    • Proti proudu: DOCSIS 1.0/1.1 určuje šířky kanálů mezi 200 kHz a 3,2 MHz. DOCSIS 2.0 & 3.0 uvádí 6,4 MHz, ale pro zpětnou kompatibilitu může použít dřívější, užší šířky kanálů. DOCSIS 3.1 využívá v upstream šířku pásma kanálu až 96 MHz.
  • Modulace:
    • Downstream: Všechny verze DOCSIS před 3.1 specifikují, že pro modulaci navazujících dat bude použito 64úrovňové nebo 256úrovňové QAM (64-QAM nebo 256-QAM) pomocí standardu ITU-T J.83-Annex B pro 6 Provoz kanálu MHz a modulační standard DVB-C pro provoz 8 MHz (EuroDOCSIS). DOCSIS 3.1 přidává 16-QAM, 128-QAM, 512-QAM, 1024-QAM, 2048-QAM a 4096-QAM, s volitelnou podporou 8192-QAM/16384-QAM.
    • Upstream: Data pro datový proud používají QPSK nebo 16-level QAM (16-QAM) pro DOCSIS 1.x, zatímco QPSK, 8-QAM, 16-QAM, 32-QAM a 64-QAM se používají pro DOCSIS 2.0 a 3.0. DOCSIS 2.0 a 3.0 také podporují 128-QAM s modulací kódovanou mřížoví v režimu S-CDMA (s efektivní spektrální účinností ekvivalentní 64-QAM). DOCSIS 3.1 podporuje datové modulace od QPSK až po 1024-QAM, s volitelnou podporou pro 2048-QAM a 4096-QAM.

Vrstva datového odkazu

  • DOCSIS využívá směs deterministických přístupových metod pro upstream přenosy, konkrétně TDMA pro DOCSIS 1.0/1.1 a jak TDMA, tak S-CDMA pro DOCSIS 2.0 a 3.0, s omezeným využitím tvrzení o požadavcích na šířku pásma. Z tohoto důvodu dochází u systémů DOCSIS k relativně malému počtu kolizí, na rozdíl od MAC CSMA/CD založeného na čistých soubojích používaných ve starších ethernetových systémech (v přepínaném ethernetu samozřejmě neexistuje žádný spor ).
  • Pro DOCSIS 1.1 a vyšší obsahuje datová vrstva také rozsáhlé funkce kvality služeb (QoS), které pomáhají efektivně podporovat aplikace, které mají specifické požadavky na provoz, jako je nízká latence, např. Voice over IP .
  • DOCSIS 3.0 obsahuje propojení kanálů , které umožňuje, aby bylo současně použito více odběratelských a odchozích kanálů současně jedním předplatitelem.

Propustnost

První tři verze standardu DOCSIS podporují downstream propustnost s 256-QAM až 42,88 Mbit/s na kanál 6 MHz (přibližně 38 Mbit/s po režii) nebo 55,62 Mbit/s na kanál 8 MHz pro EuroDOCSIS (přibližně 50 Mbit/s po režii). Možná maximální propustnost je 30,72 Mbit/s na kanál 6,4 MHz (přibližně 27 Mbit/s po režii) nebo 10,24 Mbit/s na kanál 3,2 MHz (přibližně 9 Mbit/s po režii).

DOCSIS 3.1 podporuje downstream propustnost s 4096-QAM a 25 kHz roztečí subnosných až 1,89 Gbit/s na 192 MHz OFDM kanál. Možná maximální propustnost je 0,94 Gbit/s na 96 MHz kanál OFDMA .

Síťová vrstva

  • Modemy DOCSIS jsou spravovány pomocí adresy IP ( Internet Protocol ).
  • Specifikace „DOCSIS 2.0 + IPv6“ umožňovala podporu IPv6 u modemů DOCSIS 2.0 prostřednictvím aktualizace firmwaru.
  • DOCSIS 3.0 přidal správu přes IPv6 .

Propustnost

Maximální hrubá propustnost včetně režie (maximální propustnost užitečného zatížení po režii). Tabulky předpokládají 256-QAM modulaci pro downstream a 64-QAM pro upstream na DOCSIS 3.0 a 4096-QAM modulaci pro OFDM/OFDMA (první downstream/upstream metody) na DOCSIS 3.1, i když rychlosti dat v reálném světě mohou být nižší kvůli proměnné modulace v závislosti na SNR. Jsou možné vyšší přenosové rychlosti, ale vyžadují schémata QAM vyššího řádu, která vyžadují vyšší chybový poměr modulace po proudu (MER). DOCSIS 3.1 byl navržen tak, aby podporoval až 8192-QAM/16,384-QAM, ale ke splnění minimálních standardů DOCSIS 3.1 je povinná pouze podpora až 4096-QAM.

Verze Po proudu Proti proudu
Konfigurace kanálu Propustnost DOCSIS v Mbps Propustnost EuroDOCSIS v Mbps Konfigurace kanálu Propustnost v Mbps
Minimální volitelný počet kanálů Minimální počet kanálů, které musí hardware podporovat Vybraný počet kanálů Maximální počet kanálů Minimální volitelný počet kanálů Minimální počet kanálů, které musí hardware podporovat Vybraný počet kanálů Maximální počet kanálů
1.x 1 1 1 1 42,88 (38) 55,62 (50) 1 1 1 1 10,24 (9)
2.0 1 1 1 1 42,88 (38) 55,62 (50) 1 1 1 1 30,72 (27)
3,0 1 4 m Není definovaný m  × 42,88 ( m  × 38) m  × 55,62 ( m  × 50) 1 4 n Není definovaný n  × 30,72 ( n  × 27)
3.1 1 kanál OFDM
NEBO
1 kanál SC-QAM		 2 kanály OFDM
A
32 kanálů SC-QAM		 m 1
m 2 		Není definovaný Závisí na šířce pásma OFDM v MHz
PLUS
m 2  × 42,88 ( m 2  × 38)		 Závisí na šířce pásma OFDM v MHz
PLUS
m 2  × 55,62 ( m 2  × 50)		 1 kanál OFDMA
NEBO
1 kanál SC-QAM		 2 kanály OFDMA
A
8 kanálů SC-QAM		 n 1
n 2 		Není definovaný Závisí na šířce pásma kanálu OFDMA v MHz
PLUS
n 2  × 30,72 ( n 2  × 27)

U DOCSIS 3.0 je teoretická maximální propustnost pro počet propojených kanálů uvedena v následující tabulce.

Počet kanálů Průchodnost po proudu Upstream propustnost
Po proudu Proti proudu DOCSIS EuroDOCSIS
4 4 171,52 (152) Mbit/s 222,48 (200) Mbit/s 122,88 (108) Mbit/s
8 4 343,04 (304) Mbit/s 444,96 (400) Mbit/s
16 4 686,08 (608) Mbit/s 889,92 (800) Mbit/s
24 8 1029,12 (912) Mbit/s 1334,784 (1200) Mbit/s 245,76 (216) Mbit/s
32 8 1372,16 (1216) Mbit/s 1779,912 (1600) Mbit/s

Všimněte si toho, že počet kanálů, které může kabelový systém podporovat, závisí na tom, jak je kabelový systém nastaven. Například množství dostupné šířky pásma v každém směru, šířka kanálů vybraných ve směru proti proudu a hardwarová omezení omezují maximální počet kanálů v každém směru. Všimněte si také, že protože v mnoha případech je kapacita DOCSIS sdílena mezi více uživateli, většina kabelových společností neprodává maximální technickou kapacitu dostupnou jako komerční produkt, aby se snížilo přetížení v případě intenzivního používání.

Všimněte si toho, že maximální šířka pásma po proudu ve všech verzích DOCSIS závisí na použité verzi DOCSIS a počtu použitých kanálů proti proudu, pokud je použit DOCSIS 3.0, ale šířky kanálů proti proudu jsou nezávislé na tom, zda je použit DOCSIS nebo EuroDOCSIS.

Zařízení

Kabelový modem DOCSIS 3.0
Systém ukončení kabelového modemu

Architektura DOCSIS zahrnuje dvě primární komponenty: kabelový modem umístěný v prostorách zákazníka a koncový systém kabelového modemu (CMTS) umístěný na hlavní stanici CATV. Kabelové systémy podporující programování na vyžádání využívají hybridní vlákno-koaxiální systém . Linky s optickými vlákny přinášejí digitální signály do uzlů v systému, kde jsou konvertovány na RF kanály a signály modemu na koaxiálních dálkových linkách.

Typický CMTS je zařízení, které je hostitelem po proudu a proti proudu porty (jeho funkce je podobný přístup k multiplexoru digitální účastnické linky (DSLAM), používané v digitální účastnické linky (DSL) systému). Zatímco komunikace po proudu a proti proudu putuje po sdílené koaxiální lince v prostorách zákazníka a připojuje se k jedinému F konektoru na kabelovém modemu, pro CMTS je typické mít oddělené F konektory pro downstream a pro upstream komunikaci. To umožňuje kabelovému operátorovi flexibilitu. Kvůli hluku ve zpáteční (upstream) cestě je výstupní port obvykle připojen k jednomu sousedství (vláknový uzel), zatímco navazující port je obvykle sdílen přes malý počet čtvrtí. Na CMTS je tedy obecně více upstream portů než downstream portů. Typický CMTS má čtyři nebo šest upstream portů na downstream port.

Než může kabelová společnost nasadit DOCSIS 1.1 nebo novější, musí upgradovat svoji hybridní opticko-koaxiální (HFC) síť, aby podporovala zpáteční cestu pro provoz proti proudu. Bez zpětné cesty starý standard DOCSIS 1.0 stále umožňuje využití datového kabelového systému implementací zpáteční cesty přes obyčejnou starou telefonní službu (POTS). Pokud je HFC již „obousměrný“ nebo „interaktivní“, je velká šance, že lze implementovat DOCSIS 1.1 nebo vyšší.

Zákaznický počítač a související periferie se nazývají zařízení zákazníka (CPE). CPE jsou připojeny ke kabelovému modemu, který je zase připojen prostřednictvím sítě HFC k systému ukončení kabelového modemu (CMTS). CMTS poté směruje provoz mezi HFC a internetem. Pomocí CMTS vykonává kabelový operátor (nebo více provozovatelů služeb - MSO) plnou kontrolu nad konfigurací kabelového modemu; konfigurace CM se změní tak, aby odpovídala měnícím se podmínkám linky a požadavkům na zákaznický servis.

DOCSIS 2.0 se také používá v Irsku na mikrovlnných frekvencích (10 GHz) společností Digiweb , a to pomocí vyhrazených bezdrátových spojení místo sítě HFC. V každém prostoru předplatitele je běžný CM připojen k anténní krabici, která převádí na/z mikrovlnných frekvencí a vysílá/přijímá na 10 GHz. Každý zákazník má vyhrazený odkaz, ale stožár vysílače musí být v přímé viditelnosti (většina míst je na kopci).

Architektura DOCSIS se také používá pro pevné bezdrátové připojení se zařízením využívajícím mikrovlnné pásmo 2,5–2,7 GHz Multichannel Multipoint Distribution Service (MMDS) v USA

Bezpečnostní

DOCSIS ve svých specifikacích rozhraní Baseline Privacy Interface zahrnuje služby zabezpečení vrstvy řízení přístupu k médiím (MAC). DOCSIS 1.0 používal původní specifikaci BPI (Baseline Privacy Interface). BPI byl později vylepšen vydáním specifikace Baseline Privacy Interface Plus (BPI+) používané DOCSIS 1.1 a 2.0. V poslední době byla v rámci DOCSIS 3.0 přidána řada vylepšení rozhraní Baseline Privacy Interface a specifikace byla přejmenována na „Zabezpečení“ (SEC).

Účelem specifikací BPI/SEC je popsat služby zabezpečení vrstvy MAC pro komunikaci DOCSIS CMTS a kabelového modemu. Bezpečnostní cíle BPI/SEC jsou dvojí:

  • Zajistěte uživatelům kabelových modemů ochranu dat v celé kabelové síti
  • Poskytovat provozovatelům kabelových služeb ochranu služeb (tj. Zabránit neoprávněným modemům a uživatelům v přístupu ke službám RF MAC sítě)

Systém BPI/SEC má zabránit uživatelům kabelů navzájem si naslouchat. Dělá to šifrováním toků dat mezi CMTS a kabelovým modemem. Systémy BPI a BPI+ používají 56bitové šifrování DES ( Data Encryption Standard ), zatímco SEC přidává podporu 128bitového standardu Advanced Encryption Standard (AES). Klíč AES je však chráněn pouze 1024bitovým klíčem RSA, který nabízí zhruba 80 bitů zabezpečení jako nejslabší článek. Všechny verze zajišťují pravidelné aktualizace klíčů (v období nakonfigurovaném provozovatelem sítě) za účelem zvýšení úrovně ochrany.

BPI/SEC má umožnit provozovatelům kabelových služeb odmítnout službu necertifikovaným kabelovým modemům a neoprávněným uživatelům. BPI+ posílila ochranu služeb přidáním autentizace založené na digitálních certifikátech do svého protokolu pro výměnu klíčů pomocí infrastruktury veřejného klíče (PKI), založené na digitálních certifikačních autoritách (CA) certifikačních testerů, v současné době Excentis (dříve známý jako tComLabs) pro EuroDOCSIS a CableLabs pro DOCSIS. Provozovatel kabelové služby obvykle ručně přidává MAC adresu kabelového modemu k účtu zákazníka u provozovatele kabelové služby; a síť umožňuje přístup pouze ke kabelovému modemu, který může ověřit tuto MAC adresu pomocí platného certifikátu vydaného prostřednictvím PKI. Čím dříve Specifikace BPI (ANSI / SCTE 22-2) omezila ochrana služby, protože je základem pro správu klíčů protokolu nebylo ověření uživatele kabelového modemu.

Zabezpečení v síti DOCSIS je výrazně vylepšeno, pokud jsou povolena pouze důležitá obchodní sdělení a je odepřena komunikace koncového uživatele se síťovou infrastrukturou. Úspěšné útoky se často vyskytují, když je CMTS nakonfigurován pro zpětnou kompatibilitu s dřívějšími předstandardními modemy DOCSIS 1.1. Tyto modemy byly „softwarově aktualizovatelné v terénu“, ale neobsahovaly platné kořenové certifikáty DOCSIS nebo EuroDOCSIS.

Viz také

Reference

externí odkazy