ДОКСИС

Спецификация интерфейса передачи данных по кабелю - это международный телекоммуникационный стандарт, который разрешает добавление высокоскоростной передачи данных к существующей системе кабельного телевидения (CATV). Он используется многими операторами кабельного телевидения для предоставления доступа в Интернет (см. Кабельный Интернет ) через их существующую гибридную волоконно-коаксиальную (HFC) инфраструктуру. К номерам версий иногда добавляется просто «D» вместо «DOCSIS» (например, D3 для DOCSIS 3).

История [ править ]

DOCSIS был разработан CableLabs и участвующими компаниями, включая 3Com , ARRIS , BigBand Networks , Broadcom , Cisco , Comcast , Conexant , Correlant, Cox , Harmonic , Hitron Technologies , Intel , Motorola , Netgear , Technicolor , Terayon , Time Warner Cable и Texas. Инструменты . ^{[1] [2] [3]}

Версии [ править ]

• DOCSIS 1.0  : выпущенный в марте 1997 года, DOCSIS 1.0 включал в себя функциональные элементы предыдущих проприетарных кабельных модемов . ^[4]
• DOCSIS 1.1  : выпущенный в апреле 1999 года, стандартизированный механизм качества обслуживания (QoS) DOCSIS 1.1 , описанный в DOCSIS 1.0. ^[5]
• DOCSIS 2.0  : выпущенный в декабре 2001 года, DOCSIS 2.0 увеличил скорость передачи данных в восходящем направлении в ответ на повышенный спрос на симметричные услуги, такие как IP-телефония.
• DOCSIS 3.0  : выпущенная в августе 2006 года, DOCSIS 3.0 значительно увеличила скорость передачи данных (как восходящую, так и нисходящую) и представила поддержку Интернет-протокола версии 6 (IPv6).
• DOCSIS 3.1  : впервые выпущенный в октябре 2013 года и впоследствии несколько раз обновленный, набор спецификаций DOCSIS 3.1 поддерживает пропускную способность до 10 Гбит / с в нисходящем направлении и 1 Гбит / с в восходящем направлении с использованием 4096 QAM . Новые спецификации устранили разнос каналов шириной 6 МГц и 8 МГц и вместо этого используют более узкие (25 кГц или 50 кГц ) поднесущие мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM) ; они могут быть соединены внутри блочного спектра, который может иметь ширину около 200 МГц. ^[6] Технология DOCSIS 3.1 также включает функции управления энергопотреблением, которые позволят кабельной промышленности сократить потребление энергии, и DOCSIS-PIE ^[7]алгоритм для уменьшения буферной пробки . ^[8] В Соединенных Штатах провайдер широкополосного доступа Comcast объявил в феврале 2016 года, что в нескольких городах в его зоне обслуживания будет доступна DOCSIS 3.1 до конца года. ^[9] В конце 2016 года Mediacom объявила, что станет первой крупной кабельной компанией США, которая полностью перейдет на платформу DOCSIS 3.1. ^[10]
• DOCSIS 4.0  : Улучшает DOCSIS 3.1 для использования всего спектра кабельной сети (от 0 МГц до ~ 1,8 ГГц) одновременно как в восходящем, так и в нисходящем направлениях. Эта технология обеспечивает мультигигабитные симметричные сервисы, оставаясь при этом обратно совместимой с DOCSIS 3.1. CableLabs выпустила полную спецификацию в октябре 2017 года. ^[11] Эти технологии, ранее называвшиеся DOCSIS 3.1 Full Duplex, были переименованы в DOCSIS 4.0. ^[12]

Совместимость между версиями поддерживалась во всех версиях DOCSIS, при этом устройства возвращались к наивысшей поддерживаемой версии, общей для обеих конечных точек: кабельный модем (CM) и оконечная система кабельного модема (CMTS). Например, если у кого-то есть кабельный модем, который поддерживает только DOCSIS 1.0, и система работает под управлением 2.0, соединение будет установлено на скоростях передачи данных DOCSIS 1.0.

Сравнение [ править ]

В 1994 году стандарт 802.14 был разработан для разработки средств управления доступом к среде передачи данных через HFC. В 1995 году была образована система мультимедийных кабельных сетей (MCNS). Первоначальными партнерами были TCI , Time Warner Cable , Comcast и Cox . Позже к группе присоединились Continental Cable и Роджерс . В июне 1996 года SCTE сформировала Подкомитет по стандартам данных, чтобы начать работу по установлению национальных стандартов для высокоскоростной передачи данных по кабелю. Июль 1997: SCTE DSS проголосовала за документ DSS 97-2. Этот стандарт основан на хорошо известной DOCSISТехнические характеристики. Стандарт также был представлен в Сектор стандартизации электросвязи Международного союза электросвязи (ITU-T) и был принят в качестве Приложения B к ITU-T J.112.

Европейская альтернатива [ править ]

Поскольку планы распределения частот для систем кабельного телевидения США и Европы различаются , стандарты DOCSIS до 3.1 были изменены для использования в Европе. Эти модификации были опубликованы под названием EuroDOCSIS . Различия между полосами пропускания существуют, потому что европейское кабельное телевидение соответствует стандартам PAL / DVB-C с полосой пропускания радиочастотного канала 8 МГц, а кабельное телевидение Северной Америки соответствует NTSC / ATSC.стандарты, которые определяют 6 МГц на канал. Более широкая полоса пропускания канала в архитектурах EuroDOCSIS позволяет выделить большую полосу пропускания для нисходящего пути передачи данных (по направлению к пользователю). Сертификационные испытания EuroDOCSIS выполняет бельгийская компания Excentis (ранее известная как tComLabs), а сертификационные испытания DOCSIS выполняет CableLabs. Обычно оборудование в помещении клиента проходит «сертификацию», а оборудование CMTS - «квалификацию».

Международные стандарты [ править ]

Сектор стандартизации электросвязи МСЭ (ITU-T) одобрил различные версии DOCSIS в качестве международных стандартов. DOCSIS 1.0 был ратифицирован как Рекомендация ITU-T J.112, Приложение B (1998), но был заменен DOCSIS 1.1, который был ратифицирован как Рекомендация ITU-T J.112, Приложение B (2001). Впоследствии DOCSIS 2.0 был ратифицирован как Рекомендация ITU-T J.122 . Совсем недавно DOCSIS 3.0 был ратифицирован как Рекомендация ITU-T J.222 ( J.222.0 , J.222.1 , J.222.2 , J.222.3 ).

Примечание. Хотя Приложение B к Рекомендации МСЭ-Т J.112 соответствует DOCSIS / EuroDOCSIS 1.1, в Приложении A описана более ранняя европейская система кабельных модемов (« DVB EuroModem»), основанная на стандартах передачи ATM. Приложение C описывает вариант DOCSIS 1.1, предназначенный для работы в японских кабельных системах. Основная часть Рекомендации МСЭ-Т J.122 соответствует DOCSIS 2.0, Приложение F J.122 соответствует EuroDOCSIS 2.0, а Приложение J J.122 описывает японский вариант DOCSIS 2.0 (аналогично Приложению C к J.112).

Особенности [ править ]

DOCSIS предоставляет большое разнообразие опций, доступных на уровнях 1 и 2 взаимодействия открытых систем (OSI), физическом уровне и уровне канала передачи данных .

Физический уровень [ править ]

• Ширина канала:
  • В нисходящем направлении: все версии DOCSIS до 3.1 используют каналы либо 6 МГц (например, Северная Америка), либо каналы 8 МГц («EuroDOCSIS»).
  • Восходящий поток: DOCSIS 1.0 / 1.1 определяет ширину канала от 200 кГц до 3,2 МГц. DOCSIS 2.0 и 3.0 определяют 6,4 МГц, но могут использовать более раннюю, более узкую ширину канала для обратной совместимости.
• Модуляция:
  • Нисходящий поток : все версии DOCSIS до 3.1 определяют, что 64-уровневый или 256-уровневый QAM (64-QAM или 256-QAM) должен использоваться для модуляции данных нисходящего потока, используя стандарт ITU-T J.83-Annex B ^{[14 ]} для работы канала 6 МГц и стандарта модуляции DVB-C для работы на 8 МГц (EuroDOCSIS). DOCSIS 3.1 добавляет 16-QAM, 128-QAM, 512-QAM, 1024-QAM, 2048-QAM и 4096-QAM с дополнительной поддержкой 8192-QAM / 16384-QAM.
  • Восходящий поток: данные восходящего потока используют QPSK или 16-уровневую QAM (16-QAM) для DOCSIS 1.x, тогда как QPSK, 8-QAM, 16-QAM, 32-QAM и 64-QAM используются для DOCSIS 2.0 и 3.0. DOCSIS 2.0 и 3.0 также поддерживают 128-QAM с решетчатой ​​модуляцией в режиме S-CDMA (с эффективной спектральной эффективностью, эквивалентной 64-QAM). DOCSIS 3.1 поддерживает модуляцию данных от QPSK до 1024-QAM, с дополнительной поддержкой 2048-QAM и 4096-QAM.

Уровень канала передачи данных [ править ]

• DOCSIS использует смесь детерминированных методов доступа для восходящей передачи, в частности TDMA для DOCSIS 1.0 / 1.1 и TDMA и S-CDMA для DOCSIS 2.0 и 3.0, с ограниченным использованием конкуренции для запросов полосы пропускания. Из-за этого системы DOCSIS испытывают относительно мало конфликтов, в отличие от чистого MAC CSMA / CD на основе конкуренции, используемого в более старых системах Ethernet (конечно, в коммутируемом Ethernet нет конкуренции ).
• Для DOCSIS 1.1 и выше уровень данных также включает в себя расширенные функции качества обслуживания (QoS), которые помогают эффективно поддерживать приложения, которые имеют особые требования к трафику, такие как низкая задержка, например передача голоса по IP .
• В DOCSIS 3.0 реализовано связывание каналов , что позволяет одновременно использовать несколько нисходящих и восходящих каналов одним абонентом. ^[15]

Пропускная способность [ править ]

Первые три версии стандарта DOCSIS поддерживают нисходящую пропускную способность с 256-QAM до 42,88 Мбит / с на канал 6 МГц (примерно 38 Мбит / с после накладных расходов) или 55,62 Мбит / с на канал 8 МГц для EuroDOCSIS (примерно 50 Мбит / с после накладных расходов). Возможная пропускная способность восходящего потока составляет 30,72 Мбит / с на канал 6,4 МГц (приблизительно 27 Мбит / с после служебных данных) или 10,24 Мбит / с на канал 3,2 МГц (приблизительно 9 Мбит / с после служебных данных).

DOCSIS 3.1 поддерживает пропускную способность нисходящего потока с 4096-QAM и разнесением поднесущих 25 кГц до 1,89 Гбит / с на канал OFDM 192 МГц. Возможная пропускная способность восходящего потока составляет 0,94 Гбит / с на канал OFDMA 96 МГц . ^[16]

Сетевой уровень [ править ]

• DOCSIS модемы управляются через интернет - протокол адреса (IP).
• Спецификация «DOCSIS 2.0 + IPv6» позволяла поддерживать IPv6 на модемах DOCSIS 2.0 посредством обновления прошивки. ^{[17] [18]}
• В DOCSIS 3.0 добавлено управление через IPv6 . ^[15]

Пропускная способность [ править ]

Максимальная необработанная пропускная способность, включая накладные расходы (максимальная пропускная способность полезной нагрузки после накладных расходов). В таблицах предполагается модуляция 256-QAM для нисходящего потока и 64-QAM для восходящего потока в DOCSIS 3.0 и модуляция 4096-QAM для OFDM / OFDMA (первый нисходящий / восходящий методы) в DOCSIS 3.1, хотя реальные скорости передачи данных могут быть ниже из-за переменных значений. модуляция в зависимости от SNR. Возможны более высокие скорости передачи данных, но требуются схемы QAM более высокого порядка, которые требуют более высокого коэффициента ошибок модуляции в нисходящем направлении (MER). DOCSIS 3.1 был разработан для поддержки до 8192-QAM / 16,384-QAM, но только поддержка до 4096-QAM является обязательной для соответствия минимальным стандартам DOCSIS 3.1.

Для DOCSIS 3.0 теоретическая максимальная пропускная способность для количества связанных каналов указана в таблице ниже.

Обратите внимание, что количество каналов, которое может поддерживать кабельная система, зависит от ее настройки. Например, объем доступной полосы пропускания в каждом направлении, ширина каналов, выбранных в восходящем направлении, и аппаратные ограничения ограничивают максимальное количество каналов в каждом направлении. Также обратите внимание, что, поскольку во многих случаях емкость DOCSIS распределяется между несколькими пользователями, большинство кабельных компаний не продают максимальную техническую емкость, доступную в качестве коммерческого продукта, чтобы уменьшить перегрузку в случае интенсивного использования.

Обратите внимание, что максимальная пропускная способность нисходящего потока для всех версий DOCSIS зависит от используемой версии DOCSIS и количества используемых восходящих каналов, если используется DOCSIS 3.0, но ширина восходящего канала не зависит от того, используется ли DOCSIS или EuroDOCSIS.

Оборудование [ править ]

Архитектура DOCSIS включает в себя два основных компонента: кабельный модем, расположенный в помещении клиента, и оконечную систему кабельного модема (CMTS), расположенную в головной станции CATV. В кабельных системах, поддерживающих программирование по запросу, используется гибридная коаксиальная волоконно-оптическая система . По волоконно-оптическим линиям цифровые сигналы передаются в узлы системы, где они преобразуются в радиочастотные каналы и сигналы модема по коаксиальным магистральным линиям.

Типичный CMTS - это устройство, на котором размещены нисходящие и восходящие порты (его функции аналогичны мультиплексору доступа к цифровой абонентской линии (DSLAM), используемому в системе цифровой абонентской линии (DSL)). В то время как нисходящие и восходящие коммуникации передаются по общей коаксиальной линии в помещении клиента и подключаются к одному F-разъемуна кабельном модеме CMTS обычно имеет отдельные F-разъемы для нисходящей и восходящей связи. Это обеспечивает гибкость кабельному оператору. Из-за шума в обратном (восходящем) тракте восходящий порт обычно подключается к одному соседству (оптоволоконному узлу), тогда как нисходящий порт обычно используется в небольшом количестве соседств. Таким образом, на CMTS обычно больше восходящих портов, чем нисходящих. Типичный CMTS имеет четыре или шесть восходящих портов на нисходящий порт.

Прежде чем кабельная компания сможет развернуть DOCSIS 1.1 или выше, она должна модернизировать свою гибридную оптоволоконно-коаксиальную (HFC) сеть для поддержки обратного пути для восходящего трафика. Без обратного пути старый стандарт DOCSIS 1.0 все еще позволяет использовать данные по кабельной системе, реализуя обратный путь через обычную старую телефонную службу (POTS). Если HFC уже является «двусторонним» или «интерактивным», высока вероятность того, что DOCSIS 1.1 или выше может быть реализован.

Клиентский ПК и связанные с ним периферийные устройства называются клиентским оборудованием (CPE). CPE подключаются к кабельному модему, который, в свою очередь, подключается через сеть HFC к оконечной системе кабельного модема (CMTS). Затем CMTS направляет трафик между HFC и Интернетом. Используя CMTS, оператор кабельного телевидения (или операторы нескольких служб - MSO) полностью контролирует конфигурацию кабельного модема; Конфигурация CM изменена, чтобы приспособиться к изменяющимся условиям линии и требованиям обслуживания клиентов.

DOCSIS 2.0 также используется Digiweb в Ирландии на сверхвысоких частотах (10 ГГц) , используя выделенные беспроводные каналы, а не сеть HFC. В помещении каждого абонента обычный CM подключен к антенной коробке, которая преобразует / из микроволновых частот и передает / принимает на 10 ГГц. У каждого клиента есть выделенная линия связи, но мачта передатчика должна находиться в зоне прямой видимости (большинство сайтов расположены на вершине холма). ^[19]

Архитектура DOCSIS также используется для фиксированной беспроводной связи с оборудованием, использующим микроволновый диапазон службы многоканального многоточечного распределения (MMDS) 2,5–2,7 ГГц в США.

Безопасность [ править ]

DOCSIS включает службы безопасности уровня управления доступом к среде (MAC) в свои спецификации интерфейса базовой конфиденциальности. В DOCSIS 1.0 использовалась исходная спецификация базового интерфейса конфиденциальности (BPI). Позднее BPI был улучшен с выпуском спецификации Baseline Privacy Interface Plus (BPI +), используемой DOCSIS 1.1 и 2.0. Совсем недавно как часть DOCSIS 3.0 был добавлен ряд улучшений в интерфейс базовой конфиденциальности, а спецификация была переименована в «Безопасность» (SEC).

Назначение спецификаций BPI / SEC состоит в том, чтобы описать услуги безопасности уровня MAC для связи DOCSIS CMTS с кабельным модемом. Цели безопасности BPI / SEC двояки:

• Предоставление пользователям кабельных модемов конфиденциальности данных в кабельной сети
• Предоставление операторам кабельных услуг защиты услуг (т. Е. Предотвращение доступа неавторизованных модемов и пользователей к сетевым службам RF MAC)

BPI / SEC предназначен для предотвращения прослушивания пользователями кабеля друг друга. Это достигается за счет шифрования потоков данных между CMTS и кабельным модемом. BPI и BPI + используют 56-битное шифрование стандарта шифрования данных (DES), в то время как SEC добавляет поддержку 128-битного расширенного стандарта шифрования (AES). Ключ AES, однако, защищен только 1024-битным ключом RSA, который обеспечивает безопасность примерно 80 бит в качестве самого слабого звена ^[20]. Все версии предусматривают периодическое обновление ключа (в период, установленный оператором сети), чтобы повысить уровень защиты.

BPI / SEC позволяет операторам кабельной связи отказывать в обслуживании несертифицированным кабельным модемам и неавторизованным пользователям. BPI + усилила защиту услуг, добавив аутентификацию на основе цифровых сертификатов к своему протоколу обмена ключами, используя инфраструктуру открытых ключей (PKI), основанную на цифровых центрах сертификации (ЦС) тестеров сертификации, в настоящее время Excentis (ранее известная как tComLabs) для EuroDOCSIS и CableLabs для DOCSIS. Как правило, оператор кабельной связи вручную добавляет MAC-адрес кабельного модема в учетную запись клиента у оператора кабельной связи; ^[21]и сеть разрешает доступ только к кабельному модему, который может подтвердить этот MAC-адрес, используя действительный сертификат, выданный через PKI. Более ранняя спецификация BPI (ANSI / SCTE 22-2) имела ограниченную защиту услуг, поскольку лежащий в основе протокол управления ключами не аутентифицировал кабельный модем пользователя.

Безопасность в сети DOCSIS значительно повышается, когда разрешены только критически важные для бизнеса коммуникации, а связь конечных пользователей с сетевой инфраструктурой запрещена. Успешные атаки часто происходят, когда CMTS настроена для обратной совместимости с ранними предстандартными модемами DOCSIS 1.1. Эти модемы «могли обновлять программное обеспечение в полевых условиях», но не имели действительных корневых сертификатов DOCSIS или EuroDOCSIS.

См. Также [ править ]

• Кабель для передачи данных
• Приставной шлюз DOCSIS
• Ethernet через коаксиальный кабель
• Список пропускной способности устройства
• Мультимедиа по коаксиальному кабелю Alliance

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Спецификации DOCSIS 1.0
• Спецификации DOCSIS 1.1
• Спецификации DOCSIS 2.0
• Спецификации DOCSIS 3.0
• Спецификации DOCSIS 3.1
• Спецификации DOCSIS 4.0
• DOCSIS 3.1 В этой заметке по применению Rohde & Schwarz обсуждаются фундаментальные технологические достижения DOCSIS 3.1.
• Учебное пособие по DOCSIS (2009 г.) в фирме Volpe