DOCSIS

Especificación de interfaz de servicio de datos por cable (DOCSIS) es un estándar internacional de telecomunicaciones que permite agregar transferencia de datos de gran ancho de banda a un sistema de televisión por cable (CATV) existente.. Muchos operadores de televisión por cable lo utilizan para proporcionar acceso a Internet por cable a través de su infraestructura híbrida de fibra coaxial (HFC) existente.

DOCSIS fue desarrollado originalmente por CableLabs y empresas colaboradoras, incluidas Arris, BigBand Networks, Broadcom, Cisco, Comcast, Conexant, Correlant, Cox, Harmonic, Intel, Motorola, Netgear, Terayon, Time Warner Cable y Texas Instruments.

Versiones

DOCSIS 1.0

En marzo de 1997, el DOCSIS 1.0 incluyó elementos funcionales de los módems patentados anteriores.

DOCSIS 1.1

Publicado en abril de 1999, DOCSIS 1.1 Mecanismos estandarizados de calidad de servicio (QoS) que se esbozaron en DOCSIS 1.0.

DOCSIS 2.0 (abbreviado D2)

Publicado en diciembre de 2001, el DOCSIS 2.0 mejoró las tasas de datos iniciales en respuesta al aumento de la demanda de servicios simétricos como la telefonía IP.

DOCSIS 3.0 (abbreviated D3)

Publicado en agosto de 2006, DOCSIS 3.0 incrementó significativamente las tasas de datos (tanto aguas arriba como aguas abajo) e introdujo apoyo a la versión 6 del Protocolo de Internet (IPv6).

DOCSIS 3.1

Primero liberado en octubre de 2013, y posteriormente actualizado varias veces, el DOCSIS 3.1 conjunto de especificaciones de apoyo capacidades de hasta 10 Gbit/s downstream y 1 Gbit/s upstream utilizando 4096 QAM. Las nuevas especificaciones eliminaron 6 MHz y 8 MHz de ancho canal espaciamiento y en lugar de utilizar más estrechos (25 kHz o 50 kHz de ancho) ortogonal frecuencia-division multiplexing (OFDM) subcarriers; estos pueden ser unidos dentro de un espectro de bloques que podría terminar siendo cerca de 200 MHz de ancho. La tecnología DOCSIS 3.1 también incluye características de gestión de energía que permitirán a la industria del cable reducir su uso de energía, y el algoritmo DOCSIS-PIE para reducir el bufferbloat. En los Estados Unidos, el proveedor de banda ancha Comcast anunció en febrero de 2016 que varias ciudades dentro de su huella tendrán disponibilidad DOCSIS 3.1 antes de finales de año. A finales de 2016, Mediacom anunció que se convertiría en la primera empresa de cable de EE.UU. importante para la plena transición a la plataforma DOCSIS 3.1.

DOCSIS 4.0

Mejora el DOCSIS 3.1 para utilizar el espectro completo de la planta de cable (0 MHz a ~1.8 GHz) al mismo tiempo en direcciones de corriente y aguas abajo. Esta tecnología permite servicios simétricos multi-gigabit conservando la compatibilidad atrasada con DOCSIS 3.1. Cable Los laboratorios publicaron la especificación completa en octubre de 2017. Anteriormente marcada como DOCSIS 3.1 Full Duplex, estas tecnologías han sido remarcadas como parte de DOCSIS 4.0.

Comparación

En 1994, se autorizó 802.14 para desarrollar un control de acceso a los medios sobre un HFC. En 1995, se formó el Sistema de red de cable multimedia (MCNS). Los socios originales fueron TCI, Time Warner Cable, Comcast y Cox. Más tarde, Continental Cable y Rogers se unieron al grupo. En junio de 1996, SCTE formó el Subcomité de Estándares de Datos para comenzar a trabajar en el establecimiento de estándares nacionales para datos de alta velocidad a través de plantas de cable. Julio de 1997: SCTE DSS votó afirmativamente el documento DSS 97-2. Este estándar se basa en la conocida especificación DOCSIS. El estándar también se envió al Sector de Normalización de Telecomunicaciones de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU-T) y se adoptó como ITU-T J.112 Anexo B.

Alternativa europea

Como los planes de ancho de banda de asignación de frecuencia difieren entre los sistemas CATV de Estados Unidos y Europa, los estándares DOCSIS anteriores a 3.1 se han modificado para su uso en Europa. Estas modificaciones se publicaron con el nombre EuroDOCSIS. Las diferencias entre los anchos de banda existen porque la televisión por cable europea cumple con los estándares PAL/DVB-C de ancho de banda de canal RF de 8 MHz y la televisión por cable de América del Norte cumple con los estándares NTSC/ATSC que especifican 6 MHz por canal. El ancho de banda de canal más amplio en las arquitecturas EuroDOCSIS permite asignar más ancho de banda a la ruta de datos descendente (hacia el usuario). Las pruebas de certificación EuroDOCSIS son realizadas por la empresa belga Excentis (anteriormente conocida como tComLabs), mientras que las pruebas de certificación DOCSIS son realizadas por CableLabs. Por lo general, el equipo de las instalaciones del cliente recibe la 'certificación', mientras que el equipo CMTS recibe la 'calificación'.

Estándares internacionales

El Sector de Normalización de las Telecomunicaciones de la UIT (UIT-T) ha aprobado las distintas versiones de DOCSIS como estándares internacionales. DOCSIS 1.0 fue ratificado como Recomendación ITU-T J.112 Anexo B (1998), pero fue reemplazado por DOCSIS 1.1 que fue ratificado como Recomendación ITU-T J.112 Anexo B (2001). Posteriormente, DOCSIS 2.0 fue ratificado como la Recomendación ITU-T J.122. Más recientemente, DOCSIS 3.0 fue ratificado como la Recomendación ITU-T J.222 (J.222.0, J.222.1, J.222.2, J.222.3).

Nota: Si bien el Anexo B de la Recomendación ITU-T J.112 corresponde a DOCSIS/EuroDOCSIS 1.1, el Anexo A describe un sistema de módem por cable europeo anterior ("DVB EuroModem") basado en estándares de transmisión ATM. El Anexo C describe una variante de DOCSIS 1.1 que está diseñada para operar en sistemas de cable japoneses. El cuerpo principal de la Recomendación ITU-T J.122 corresponde a DOCSIS 2.0, el Anexo F de J.122 corresponde a EuroDOCSIS 2.0 y el Anexo J de J.122 describe la variante japonesa de DOCSIS 2.0 (análogo al Anexo C de J.112).

Características

DOCSIS proporciona una variedad de opciones disponibles en las capas 1 y 2 de interconexión de sistemas abiertos (OSI): las capas física y de enlace de datos.

Capa física

• Ancho de canal:
  • Downstream: Todas las versiones de DOCSIS antes de 3.1 utilizan ya sea 6 canales MHz (por ejemplo, Norteamérica) o 8 canales MHz ("EuroDOCSIS"). DOCSIS 3.1 utiliza anchos de banda de canales de hasta 192 MHz en la corriente baja.
  • Arriba: DOCSIS 1.0/1.1 especifica los anchos de canal entre 200 kHz y 3.2 MHz. DOCSIS 2.0 & 3.0 especificar 6.4 MHz, pero puede utilizar los anchos de canal más estrechos antes para la compatibilidad atrasada. DOCSIS 3.1 utiliza anchos de banda de canales de hasta 96 MHz en el río arriba.
• Modulación:
  • Downstream: Todas las versiones de DOCSIS antes de 3.1 especifican que QAM de 64 niveles o 256 niveles (64-QAM o 256-QAM) se utilizan para la modulación de datos de aguas abajo, utilizando el estándar ITU-T J.83-Annex B para la operación de 6 MHz canal, y el estándar de modulación DVB-C para 8 MHz (EuroDOCSIS). DOCSIS 3.1 añade 16-QAM, 128-QAM, 512-QAM, 1024-QAM, 2048-QAM y 4096-QAM, con soporte opcional de 8192-QAM/16384-QAM.
  • Arriba: Los datos de arriba utilizan QPSK o QAM de 16 niveles (16-QAM) para DOCSIS 1.x, mientras que QPSK, 8-QAM, 16-QAM, 32-QAM y 64-QAM se utilizan para DOCSIS 2.0 y 3.0. DOCSIS 2.0 y 3.0 también admiten 128-QAM con modulación codificada de trellis en modo S-CDMA (con una eficacia espectral equivalente a la de 64-QAM). DOCSIS 3.1 admite modulación de datos desde QPSK hasta 1024-QAM, con soporte opcional para 2048-QAM y 4096-QAM.

Capa de enlace de datos

• DOCSIS emplea una mezcla de métodos de acceso determinístico para las transmisiones de corriente avanzada, específicamente el acceso múltiple de la división del tiempo (TDMA) para DOCSIS 1.0/1.1 y TDMA y S-CDMA para DOCSIS 2.0 y 3.0, con un uso limitado de la contención para las solicitudes de ancho de banda. Debido a esto, los sistemas DOCSIS experimentan relativamente pocas colisiones, en contraste con el MAC CSMA/CD basado en la pura contención empleado en sistemas Ethernet antiguos (por supuesto, no hay contención en Ethernet conmutado).
• Para DOCSIS 1.1 y más arriba, la capa de datos también incluye extensas características de calidad de servicio (QoS) que ayudan a apoyar eficientemente aplicaciones que tienen requisitos de tráfico específicos como baja latencia, por ejemplo voz sobre IP.
• DOCSIS 3.0 cuenta con la unión de canales, lo que permite que varios canales de aguas abajo y aguas arriba sean utilizados juntos al mismo tiempo por un único suscriptor.

Rendimiento

Las primeras tres versiones del estándar DOCSIS admiten un rendimiento descendente con 256-QAM de hasta 42,88 Mbit/s por canal de 6 MHz (aproximadamente 38 Mbit/s después de la sobrecarga) o 55,62 Mbit/s por canal de 8 MHz para EuroDOCSIS (aproximadamente 50 Mbit/s después de la sobrecarga). El rendimiento ascendente posible es de 30,72 Mbit/s por canal de 6,4 MHz (aproximadamente 27 Mbit/s después de la sobrecarga) o 10,24 Mbit/s por canal de 3,2 MHz (aproximadamente 9 Mbit/s después de la sobrecarga).

DOCSIS 3.1 admite un rendimiento descendente con 4096-QAM y espaciado de subportadora de 25 kHz de hasta 1,89 Gbit/s por canal OFDM de 192 MHz. El rendimiento de subida posible es de 0,94 Gbit/s por canal OFDMA de 96 MHz.

Capa de red

• Los módems DOCSIS se gestionan a través de una dirección del Protocolo de Internet (IP).
• El DOCSIS 2.0 + IPv6' especificación permitió soporte para IPv6 en módems DOCSIS 2.0 mediante una actualización de firmware.
• DOCSIS 3.0 agregó gestión sobre IPv6.

Rendimiento

Las tablas asumen modulación QAM 256 para flujo descendente y QAM 64 para flujo ascendente en DOCSIS 3.0, y modulación QAM 4096 para OFDM/OFDMA (primeros métodos de flujo descendente/ascendente) en DOCSIS 3.1, aunque las velocidades de datos del mundo real pueden ser más bajas debido a la modulación variable dependiendo de SNR. Son posibles velocidades de datos más altas, pero requieren esquemas QAM de orden superior que requieren una mayor tasa de error de modulación (MER) aguas abajo. DOCSIS 3.1 fue diseñado para admitir hasta 8192-QAM/16,384-QAM, pero solo es obligatorio admitir hasta 4096-QAM para cumplir con los estándares mínimos de DOCSIS 3.1.

Para DOCSIS 3.0, el rendimiento máximo teórico para la cantidad de canales vinculados se enumeran en la siguiente tabla.

Tenga en cuenta que la cantidad de canales que puede admitir un sistema de cable depende de cómo esté configurado el sistema de cable. Por ejemplo, la cantidad de ancho de banda disponible en cada dirección, el ancho de los canales seleccionados en la dirección ascendente y las restricciones de hardware limitan la cantidad máxima de canales en cada dirección.

Tenga en cuenta que el ancho de banda descendente máximo en todas las versiones de DOCSIS depende de la versión de DOCSIS utilizada y la cantidad de canales ascendentes utilizados si se usa DOCSIS 3.0, pero los anchos de canal ascendente son independientes de si se usa DOCSIS o EuroDOCSIS.

A la corriente

El DOCSIS tradicional de subida en Norteamérica utiliza el rango de frecuencia de 5 a 42 MHz. EuroDOCSIS utiliza el rango de 5 a 65 MHz. Esto se conoce como "split bajo" o "subdivisión" diseño, capaz de una capacidad compartida total de ~108 Mbit/s de subida (suponiendo 4 canales de subida SC-QAM).

En los últimos años, los operadores de cable han comenzado a aumentar la cantidad de ancho de banda dedicado al upstream. Las dos opciones más populares para esto incluyen un "split medio" o "división alta".

Una división intermedia aumenta el rango de frecuencia ascendente a 5-85 MHz, lo que admite una capacidad ascendente compartida total de ~450 Mbit/s (suponiendo 4 canales SC-QAM + OFDMA).

Una división alta aumenta el rango de frecuencia ascendente a 5-204 MHz, lo que admite una capacidad ascendente compartida total de ~1,5 Gbit/s (suponiendo 4 canales SC-QAM + OFDMA).

DOCSIS 4.0 en configuraciones de dúplex completo (FDX) y DOCSIS de espectro extendido (ESD) admitirá velocidades de subida que superen los 5 Gbit/s.

Equipo

Una arquitectura DOCSIS incluye dos componentes principales: un módem de cable ubicado en las instalaciones del cliente y un sistema de terminación de módem de cable (CMTS) ubicado en la cabecera de CATV. Los sistemas de cable que admiten la programación bajo demanda utilizan un sistema híbrido de fibra coaxial. Las líneas de fibra óptica llevan señales digitales a los nodos ópticos del sistema, donde se convierten en canales de RF y señales de módem en líneas troncales coaxiales.

La PC del cliente y los periféricos asociados se denominan equipos en las instalaciones del cliente (CPE). Los CPE están conectados al módem de cable, que a su vez está conectado a través de la red HFC al CMTS. El CMTS luego enruta el tráfico entre el HFC e Internet. Utilizando sistemas de aprovisionamiento ya través del CMTS, el operador de cable ejerce el control sobre la configuración del módem de cable.

Digiweb también utiliza DOCSIS 2.0 en frecuencias de microondas (10 GHz) en Irlanda, utilizando enlaces inalámbricos dedicados en lugar de una red HFC. En las instalaciones de cada suscriptor, el CM ordinario está conectado a una caja de antena que convierte a/desde frecuencias de microondas y transmite/recibe en 10 GHz. Cada cliente tiene un enlace dedicado, pero el mástil del transmisor debe estar a la vista (la mayoría de los sitios están en la cima de una colina).

Seguridad

DOCSIS incluye servicios de seguridad de capa de control de acceso a medios (MAC) en sus especificaciones de interfaz de privacidad básica. DOCSIS 1.0 utilizó la especificación inicial de la interfaz de privacidad básica (BPI). BPI se mejoró posteriormente con el lanzamiento de la especificación Baseline Privacy Interface Plus (BPI+) utilizada por DOCSIS 1.1 y 2.0. Más recientemente, se agregaron una serie de mejoras a la interfaz de privacidad básica como parte de DOCSIS 3.0, y la especificación pasó a llamarse "Seguridad" (SEGUNDO).

La intención de las especificaciones BPI/SEC es describir los servicios de seguridad de la capa MAC para DOCSIS CMTS para comunicaciones de módem por cable. Los objetivos de seguridad de BPI/SEC son dos:

• Proporcionar a los usuarios de módem de cable con privacidad de datos en la red de cable
• Proporcionar a los operadores de servicios de cable protección (es decir, evitar que los módems y usuarios no autorizados obtengan acceso a los servicios de RF MAC de la red)

BPI/SEC tiene como objetivo evitar que los usuarios de cable se escuchen entre sí. Lo hace cifrando los flujos de datos entre el CMTS y el módem por cable. BPI y BPI+ utilizan el cifrado del Estándar de cifrado de datos (DES) de 56 bits, mientras que SEC agrega compatibilidad con el Estándar de cifrado avanzado (AES) de 128 bits. Sin embargo, la clave AES está protegida solo por una clave RSA de 1024 bits.

BPI/SEC está destinado a permitir que los operadores de servicios de cable rechacen el servicio a módems de cable no certificados y usuarios no autorizados. BPI+ reforzó la protección del servicio al agregar autenticación basada en certificados digitales a su protocolo de intercambio de claves, utilizando una infraestructura de clave pública (PKI), basada en autoridades de certificación digital (CA) de los probadores de certificación, actualmente Excentis (anteriormente conocido como tComLabs) para EuroDOCSIS y CableLabs para DOCSIS. Por lo general, el operador del servicio de cable agrega manualmente la dirección MAC del módem de cable a la cuenta del cliente con el operador del servicio de cable; y la red permite el acceso solo a un módem de cable que pueda dar fe de esa dirección MAC utilizando un certificado válido emitido a través de la PKI. La especificación BPI anterior (ANSI/SCTE 22-2) tenía una protección de servicio limitada porque el protocolo de administración de claves subyacente no autentificaba el módem de cable del usuario.

La seguridad en la red DOCSIS mejora enormemente cuando solo se permiten las comunicaciones críticas para el negocio y se deniega la comunicación del usuario final con la infraestructura de la red. Los ataques exitosos a menudo ocurren cuando el CMTS está configurado para compatibilidad con versiones anteriores de los primeros módems DOCSIS 1.1 anteriores al estándar. Estos módems eran "software actualizable en el campo", pero no incluían certificados raíz DOCSIS o EuroDOCSIS válidos.