ドクシス

DOCSIS（データオーバーケーブルサービスインターフェース仕様）は、既存のケーブルテレビ（CATV）システムに高帯域幅のデータ転送機能を追加するための国際電気通信規格です。多くのケーブルテレビ事業者が、既存の光ファイバー同軸ハイブリッド（HFC）インフラ を介してケーブルインターネットアクセスを提供するために、DOCSISを使用しています。

DOCSISはもともとCableLabsと、 Broadcom、Comcast、Cox、General Instrument、Motorola、Terayon、Time Warner Cableなどの協力企業によって開発されました。[ 1 ] [ 2 ]

バージョン

DOCSIS 1.0
1997年3月にリリースされたDOCSIS 1.0には、それ以前の独自仕様のケーブルモデムの機能要素が含まれていました。[ 3 ]
DOCSIS 1.1
1999年4月にリリースされたDOCSIS 1.1は、DOCSIS 1.0で概説されたサービス品質（QoS）メカニズムを標準化しました。 [ 4 ]
DOCSIS 2.0（略称D2）
2001 年 12 月にリリースされた DOCSIS 2.0 は、IP テレフォニーなどの対称サービスに対する需要の増加に応えて、アップストリーム データ レートを強化しました。
DOCSIS 3.0（略称D3）
2006 年 8 月にリリースされた DOCSIS 3.0 では、データ レート (アップストリームとダウンストリームの両方) が大幅に向上し、インターネット プロトコル バージョン 6 (IPv6) のサポートが導入されました。
DOCSIS 3.1
2013 年 10 月に最初にリリースされ、その後数回更新された DOCSIS 3.1 仕様スイートは、4096 QAMを使用して最大 10 Gbit/s の下りおよび 1 Gbit/s の上りの容量をサポートしています。新しい仕様では、6 MHz および 8 MHz 幅のチャネル間隔がなくなり、代わりに狭い (25 kHz または 50 kHz 幅)直交周波数分割多重(OFDM)サブキャリアを使用しています。これらは、最終的に約 200 MHz 幅になるブロック スペクトル内に結合できます。 [ 5 ] DOCSIS 3.1 技術には、ケーブル業界のエネルギー使用量を削減できる電力管理機能と、バッファブロートを削減するDOCSIS-PIE [ 6 ]アルゴリズムも含まれています。[ 7 ]米国では、ブロードバンド プロバイダーの Comcast が、2016 年 2 月に、自社のサービスエリア内のいくつかの都市で年末までに DOCSIS 3.1 が利用可能になると発表しました。[ 8 ] 2016年末、メディアコムは米国の大手ケーブル会社として初めてDOCSIS 3.1プラットフォームに完全移行すると発表した。[ 9 ]
DOCSIS 4.0
DOCSIS 3.1を改良し、ケーブル設備の全スペクトル（0MHz～約1.8GHz）を上り下り両方向で同時に利用できるようにします。この技術により、 DOCSIS 3.1との下位互換性を維持しながら、マルチギガビットの対称型サービスが可能になります。CableLabsは2017年10月に完全な仕様を発表しました。[ 10 ]以前はDOCSIS 3.1 Full Duplexとしてブランド化されていましたが、これらの技術はDOCSIS 4.0の一部としてブランド名が変更されました。[ 11 ]
DOCSIS 5.0
現在、CableLabsがDOCSIS 5.0として宣言したDOCSISの公式バージョンは存在しません。3GHz帯で25Gbit/sの下り速度と少なくとも5Gbit/sの上り速度を目標とする憶測があり、2024年にはリファレンス実装が実証されました。[ 12 ]

比較

周波数分割多重化を使用し、動作周波数に応じて新しいDOCSISバージョンを古いバージョンから分離することで、複数のDOCSISバージョンが共存できます。[ 13 ]

DOCSISバージョンの比較[ 11 ]
DOCSISバージョン 製造日 最大下流容量 最大アップストリーム容量 特徴
1.0 1997 40 メガビット/秒 10 メガビット/秒 初回リリース
1.1 2001 VOIP機能とQoSメカニズムの追加
2.0 2002 30 メガビット/秒 向上したアップストリームデータレート
3.0 2006 1 ギガビット/秒 200 メガビット/秒 ダウンストリームとアップストリームのデータレートが大幅に向上し、IPv6のサポートが導入され、チャネルボンディングが導入されました。
3.1 2013 10 ギガビット/秒 1～2 ギガビット/秒 ダウンストリームとアップストリームのデータレートが大幅に向上し、チャネル仕様が再構築されました
4.0 2017 6 ギガビット/秒 DOCSIS 3.1からのアップストリーム速度が大幅に向上

ヨーロッパの代替案

米国と欧州のCATVシステムでは周波数割り当て帯域幅プランが異なるため、DOCSIS規格3.1より前のバージョンは欧州での使用に合わせて修正されています。これらの修正はEuroDOCSISという名称で公開されています。欧州のケーブルテレビは8MHzのRFチャネル帯域幅のPAL / DVB-C規格に準拠しているのに対し、北米のケーブルテレビはチャネルあたり6MHzを規定するNTSC / ATSC規格に準拠しているため、帯域幅に違いが生じます。EuroDOCSISアーキテクチャではチャネル帯域幅が広いため、ダウンストリームデータパス（ユーザー側）により多くの帯域幅を割り当てることができます。EuroDOCSIS認証テストはベルギーのExcentis社（旧tComLabs）によって実施され、DOCSIS認証テストはCableLabsによって実施されます。通常、顧客宅内機器は「認証」を受け、CMTS機器は「適格性認定」を受けます。

国際基準

ITU電気通信標準化部門（ITU-T）は、DOCSISの様々なバージョンを国際標準として承認してきました。DOCSIS 1.0はITU-T勧告J.112 Annex B（1998年）として批准されましたが、DOCSIS 1.1（ITU-T勧告J.112 Annex B（2001年）として批准）に置き換えられました。その後、DOCSIS 2.0がITU-T勧告J.122として批准されました。最近では、DOCSIS 3.0がITU-T勧告J.222（ J.222.0、J.222.1、J.222.2、J.222.3） として批准されました。

注：ITU-T勧告J.112の付録BはDOCSIS/EuroDOCSIS 1.1に対応していますが、付録AはATM伝送規格に基づく初期の欧州ケーブルモデムシステム（「DVB EuroModem」）について説明しています。付録Cは、日本のケーブルシステムで動作するように設計されたDOCSIS 1.1の変種について説明しています。ITU-T勧告J.122本体はDOCSIS 2.0に対応し、J.122の付録FはEuroDOCSIS 2.0に対応し、J.122の付録JはDOCSIS 2.0の日本版（J.112の付録Cに相当）について説明しています。

特徴

DOCSIS は、オープン システム インターコネクション(OSI) レイヤー 1 と 2 (物理層とデータ リンク層)で利用できるさまざまなオプションを提供します。

物理層

  • チャネル幅:
    • ダウンストリーム：DOCSIS 3.1より前のバージョンはすべて、6MHzチャネル（北米など）または8MHzチャネル（「EuroDOCSIS」）を使用します。DOCSIS 3.1は、ダウンストリームで最大192MHzのチャネル帯域幅を使用します。[ 14 ]
    • アップストリーム：DOCSIS 1.0/1.1では、200 kHz～3.2 MHzのチャネル幅が規定されています。DOCSIS 2.0および3.0では6.4 MHzが規定されていますが、下位互換性のために以前の狭いチャネル幅も使用できます。DOCSIS 3.1では、アップストリームで最大96 MHzのチャネル帯域幅が使用されます。
  • 変調：
    • ダウンストリーム：DOCSIS 3.1より前のすべてのバージョンでは、ダウンストリームデータの変調に64レベルまたは256レベルQAM （64-QAMまたは256-QAM）を使用することが規定されており、6MHzチャネル動作にはITU-T J.83-Annex B規格[ 15 ]、8MHz（EuroDOCSIS）動作にはDVB-C変調規格が採用されています。DOCSIS 3.1では、16QAM、128QAM、512QAM、1024QAM、2048QAM、4096QAMが追加され、オプションで8192QAM/16384QAMもサポートされます。
    • アップストリーム：アップストリームデータは、DOCSIS 1.xではQPSKまたは16レベルQAM（16-QAM）を使用し、DOCSIS 2.0および3.0ではQPSK、8-QAM、16-QAM、32-QAM、および64-QAMを使用します。DOCSIS 2.0および3.0は、S-CDMAモードでトレリス符号化変調による128-QAM （実効スペクトル効率は64-QAMと同等）もサポートしています。DOCSIS 3.1は、QPSKから最大1024-QAMまでのデータ変調をサポートし、オプションで2048-QAMおよび4096-QAMもサポートします。
  • DOCSISは、上り伝送に複数の決定論的アクセス方式を採用しており、 DOCSIS 1.0/1.1では時分割多重アクセス（TDMA）、DOCSIS 2.0および3.0ではTDMAとS-CDMAの両方を採用しています。また、帯域幅予約要求の競合は限定的に使用されています。TDMAでは、ケーブルモデムが送信時間を要求し、CMTSが利用可能なタイムスロットをモデムに付与します。[ 16 ]
  • DOCSIS 1.1 以降では、データ層に広範なサービス品質(QoS) 機能も含まれており、低遅延 ( Voice over IPなど)などの特定のトラフィック要件を持つアプリケーションを効率的にサポートするのに役立ちます。
  • DOCSIS 3.0はチャネルボンディング機能を備えており、これにより単一の加入者が複数のダウンストリームチャネルとアップストリームチャネルを同時に使用できるようになります。[ 17 ]

スループット

帯域幅は、 RFチャネルを共有する顧客のグループであるサービスグル​​ープ内のHFCのユーザー間で共有されます。[ 18 ]

DOCSIS規格の最初の3つのバージョンは、256QAM方式で、6MHzチャネルあたり最大42.88Mbit/s（オーバーヘッド後約38Mbit/s）、またはEuroDOCSISでは8MHzチャネルあたり最大55.62Mbit/s（オーバーヘッド後約50Mbit/s）のダウンストリームスループットをサポートします。アップストリームスループットは、6.4MHzチャネルあたり最大30.72Mbit/s（オーバーヘッド後約27Mbit/s）、または3.2MHzチャネルあたり最大10.24Mbit/s（オーバーヘッド後約9Mbit/s）です。

DOCSIS 3.1は、4096QAMと25kHzサブキャリア間隔で、192MHz OFDMチャネルあたり最大1.89Gbpsのダウンストリームスループットをサポートします。アップストリームスループットは、96MHz OFDMAチャネルあたり0.94Gbpsです。[ 19 ]

ネットワーク層

  • DOCSIS モデムは、インターネット プロトコル(IP) アドレスを介して管理されます。
  • 「DOCSIS 2.0 + IPv6」仕様では、ファームウェアのアップグレードによりDOCSIS 2.0モデムでIPv6をサポートできるようになりました。[ 20 ] [ 21 ]
  • DOCSIS 3.0ではIPv6による管理機能が追加されました。[ 17 ]

スループット

表では、DOCSIS 3.0ではダウンストリームに256QAM、アップストリームに64QAM、DOCSIS 3.1ではOFDM/OFDMA（ダウンストリーム/アップストリーム方式）に4096QAM変調を想定していますが、実際のデータレートはSNRに依存する可変変調のため、これよりも低くなる可能性があります。より高いデータレートも可能ですが、より高次のQAM方式が必要となり、ダウンストリーム変調誤差比（MER）が高くなります。DOCSIS 3.1は最大8192QAM/16,384QAMをサポートするように設計されていますが、DOCSIS 3.1の最低規格を満たすには、4096QAMまでのサポートが必須です。

オーバーヘッドを含む最大生のスループット
バージョン下流上流
チャネル構成DOCSISスループット（Mbit/s）EuroDOCSISスループット（Mbit/s）チャネル構成スループット（Mbit/s）
選択可能な最小チャンネル数ハードウェアがサポートする必要がある最小チャネル数選択したチャンネル数最大チャンネル数選択可能な最小チャンネル数ハードウェアがサポートする必要がある最小チャネル数選択したチャンネル数最大チャンネル数
1.x111142.8855.62111110.24
2.0111142.8855.62111130.72
3.014メートル定義されていませんメートル × 42.88メートル × 55.6214n定義されていませんn  × 30.72
3.11つのOFDMチャネルまたは1つのSC-QAMチャネル2つのOFDMチャネルと32のSC-QAMチャネルメートル1メートル2定義されていませんOFDMチャネル帯域幅（MHz）に依存m 2  × 42.88OFDMチャネル帯域幅（MHz）に依存m 2  × 55.621つのOFDMAチャネルまたは1つのSC-QAMチャネル2つのOFDMAチャネルと8つのSC-QAMチャネルn 1 n 2定義されていませんOFDMAチャネル帯域幅（MHz） ＋n 2  × 30.72 に依存

DOCSIS 3.0の場合、結合チャネル数に対する理論上の最大スループットは以下の表の通りです。[ 22 ]

チャンネル数下流スループット上流スループット
下流上流ドクシスユーロDOCSIS
44171.52 メガビット/秒222.48 メガビット/秒122.88 メガビット/秒
84343.04 メガビット/秒444.96 メガビット/秒
164686.08 メガビット/秒889.92 メガビット/秒
2481029.12 メガビット/秒1334.784 メガビット/秒245.76 メガビット/秒
3281372.16 メガビット/秒1779.712 メガビット/秒

ケーブルシステムがサポートできるチャネル数は、ケーブルシステムの設定方法によって異なります。例えば、各方向の利用可能な帯域幅、アップストリーム方向で選択されるチャネルの幅、ハードウェアの制約などによって、各方向の最大チャネル数が制限されます（下記参照）。

すべてのバージョンの DOCSIS における最大ダウンストリーム帯域幅は、使用されている DOCSIS のバージョンと、DOCSIS 3.0 が使用されている場合は使用されているアップストリーム チャネルの数によって異なりますが、アップストリーム チャネルの幅は、DOCSIS が使用されているか、EuroDOCSIS が使用されているかには関係ないことに注意してください。

上流

北米における従来のDOCSIS上り回線は、5～42MHzの周波数範囲を使用しています。EuroDOCSISでは、5～65MHzの周波数範囲を使用しています。これは「ロースプリット」または「サブスプリット」設計と呼ばれ、サービスグル​​ープ全体で約108Mbpsの上り回線容量（SC-QAM上り回線4チャネルを想定）を共有できます。[ 23 ]

DOCSIS 3.0以降、ケーブル事業者はアップストリーム専用帯域幅の拡大に着手しました。このための最も一般的な2つのオプションは、「ミッドスプリット」と「ハイスプリット」です。[ 24 ]

ミッドスプリットにより、アップストリーム周波数範囲が5～85MHzに拡大され、サービスグル​​ープ全体で約450Mbit/s（4つのSC-QAM + OFDMAチャネルを想定）の共有アップストリーム容量がサポートされます。[ 25 ]

ハイスプリットにより、アップストリーム周波数範囲が5～204MHzに拡大され、サービスグル​​ープ全体で約1.5Gbit/s（4つのSC-QAM + OFDMAチャネルを想定）の共有アップストリーム容量がサポートされます。[ 25 ]

DOCSIS 4.0は、全二重（FDX）構成と拡張スペクトルDOCSIS（ESD）構成の両方で、5Gbit/sを超えるアップストリーム速度をサポートします。[ 26 ]

装置

DOCSIS 3.0ケーブルモデム
ケーブルモデム終端システム（CMTS）

DOCSISアーキテクチャは、顧客宅内に配置されたケーブルモデムとCATVヘッドエンドに配置されたケーブルモデム終端システム（CMTS）という2つの主要コンポーネントで構成されています。 [ 27 ]

顧客のPCと関連周辺機器は、顧客構内機器（CPE）と呼ばれます。CPEはケーブルモデムに接続され、ケーブルモデムはHFCネットワークを介してCMTSに接続されます。CMTSはHFCとインターネット間のトラフィックをルーティングします。ケーブル事業者は、プロビジョニングシステムとCMTSを介して、ケーブルモデムの設定を制御します。[ 27 ]

DOCSIS 2.0は、アイルランドのDigiweb社によって、HFCネットワークではなく専用無線リンクを用いて、マイクロ波周波数（10GHz）でも使用されました。各加入者宅では、通常のCMがアンテナボックスに接続され、マイクロ波周波数への変換と10GHzでの送受信が行われます。各顧客には専用リンクが提供されますが、送信塔は見通し線上にある必要があります（ほとんどのサイトは丘の頂上にあります）。[ 28 ]

安全

DOCSISは、ベースライン・プライバシー・インターフェース仕様にメディア・アクセス制御（MAC）層セキュリティ・サービスを組み込んでいます。DOCSIS 1.0では、初期のベースライン・プライバシー・インターフェース（BPI）仕様が使用されていました。BPIはその後、DOCSIS 1.1および2.0で使用されるベースライン・プライバシー・インターフェース・プラス（BPI+）仕様のリリースにより改良されました。最近では、DOCSIS 3.0の一部としてベースライン・プライバシー・インターフェースに多くの機能強化が追加され、仕様は「セキュリティ」（SEC）に改名されました。

BPI/SEC仕様の目的は、DOCSIS CMTSからケーブルモデムへの通信におけるMAC層セキュリティサービスを記述することです。BPI/SECのセキュリティ目標は2つあります。

  • ケーブルモデムユーザーにケーブルネットワーク全体のデータプライバシーを提供します
  • ケーブル サービス オペレータにサービス保護を提供します (つまり、許可されていないモデムやユーザーがネットワークの RF MAC サービスにアクセスするのを防ぎます)

BPI/SECは、ケーブル利用者同士が盗聴されるのを防ぐことを目的としています。これは、CMTSとケーブルモデム間のデータフローを暗号化することで実現されます。BPIとBPI+は56ビットのデータ暗号化規格（DES）を使用し、SECは128ビットの高度暗号化規格（AES）をサポートします。ただし、AES鍵は1024ビットのRSA鍵によってのみ保護されます。[ 29 ]

BPI/SEC は、ケーブル サービス オペレータが認証されていないケーブル モデムや権限のないユーザへのサービスを拒否できるようにするためのものです。BPI+ は、現在EuroDOCSISの場合は Excentis (旧称 tComLabs)、DOCSIS の場合は CableLabs である認証試験機関のデジタル証明機関(CA) に基づく公開鍵インフラストラクチャ(PKI)を使用して、デジタル証明書ベースの認証をキー交換プロトコルに追加することでサービス保護を強化しました。通常、ケーブル サービス オペレータは、ケーブル モデムのMAC アドレスをケーブル サービス オペレータの顧客のアカウントに手動で追加します。[ 30 ]そして、ネットワークは、PKI 経由で発行された有効な証明書を使用してその MAC アドレスを証明できるケーブル モデムにアクセスを許可します。以前の BPI 仕様 (ANSI/SCTE 22-2) では、基礎となるキー管理プロトコルがユーザのケーブル モデム を認証しなかったため、サービス保護が限られていました。

参照

参考文献

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  3. ^ 「ケーブルモデム終端システム - ネットワーク側インターフェース仕様」(PDF)。CableLabs。 2016年8月17日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。
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仕様

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