ドクシス

DOCSIS ( Data Over Cable Service Interface Specificaion ) 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を追加できるようにする国際電気通信規格です。多くのケーブルテレビ事業者が、既存のハイブリッド光ファイバー同軸(HFC) インフラストラクチャを介してケーブル インターネット アクセスを提供するためにこの規格を使用しています。

DOCSISはもともとCableLabsと、 Arris、BigBand Networks、Broadcom、Cisco、Comcast、Conexant、Correlant、Cox、General Instrument、Harmonic、Intel、Motorola、Netgear、Terayon、Time Warner Cable、Texas Instrumentsなどの協力企業によって開発されました。^{[1] [2] [3]}

ドクシス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。^[4]

1.1 の

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。^[5]

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。

ドクシス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のダウンストリームと1 Gbit/sのアップストリームの容量をサポートしています。新しい仕様では、6 MHzと8 MHz幅のチャネル間隔が削除され、代わりに狭い（25 kHzまたは50 kHz幅）直交周波数分割多重（OFDM）サブキャリアが使用されます。これらは、約200 MHz幅になる可能性のあるブロックスペクトル内で結合できます。 ^[6] DOCSIS 3.1テクノロジには、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 ^[7]アルゴリズムも含まれています。^[8]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。^[9] 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。^[10]

ドクシス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）をアップストリームとダウンストリームの両方向で同時に使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月に完全な仕様をリリースしました。^[11]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。^[12]

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]

米国とヨーロッパの 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、3.1 より前の DOCSIS 標準はヨーロッパでの使用に合わせて変更されています。これらの変更は、EuroDOCSISという名前で公開されました。帯域幅に違いがあるのは、ヨーロッパのケーブルテレビが8 MHz RF チャネル帯域幅のPAL / DVB-C標準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 6 MHz を指定するNTSC / ATSC標準に準拠しているためです。EuroDOCSIS アーキテクチャの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 (ユーザーに向かう方向) に割り当てる帯域幅を増やすことができます。EuroDOCSIS 認証テストはベルギーの Excentis (旧称 tComLabs) によって実行され、DOCSIS 認証テストは CableLabs によって実行されます。通常、顧客宅内機器は「認証」を受け、CMTS 機器は「適格性」を受けます。

ITU電気通信標準化部門(ITU-T) は、DOCSIS のさまざまなバージョンを国際標準として承認しています。DOCSIS 1.0 は ITU-T 勧告 J.112 Annex B (1998) として承認されましたが、ITU-T 勧告 J.112 Annex B (2001) として承認された DOCSIS 1.1 に置き換えられました。その後、DOCSIS 2.0 が ITU-T 勧告 J.122 として承認されました。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) として承認されました。

注: ITU-T 勧告 J.112 付録 B は DOCSIS/EuroDOCSIS 1.1 に対応していますが、付録 A は ATM 伝送規格に基づく以前のヨーロッパのケーブル 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 付録 F は EuroDOCSIS 2.0 に対応し、J.122 付録 J は DOCSIS 2.0 の日本版 (J.112 の付録 C に類似) について説明しています。

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。

• チャネル幅:
  • 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、6MHzチャネル（北米など）または8MHzチャネル（「EuroDOCSIS」）が使用されます。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 のチャネル幅が指定されています。DOCSIS 2.0 および 3.0 では 6.4 MHz が指定されていますが、下位互換性のために以前の狭いチャネル幅を使用することもできます。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: 3.1 より前のすべてのバージョンの DOCSIS 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) を使用することが指定されており、6 MHz チャネル動作にはITU-T J.83-Annex B 標準^[15]が使用され、8 MHz (EuroDOCSIS) 動作には DVB-C 変調標準が使用されます。DOCSIS 3.1 では、16-QAM、128-QAM、512-QAM、1024-QAM、2048-QAM、4096-QAM が追加され、オプションで 8192-QAM/16384-QAM がサポートされます。
  • 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 が使用されます。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 もサポートします(有効スペクトル効率は64-QAM と同等)。DOCSIS 3.1 は、QPSK から最大 1024-QAM 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、アップストリーム伝送に決定論的アクセス方式を組み合わせて採用しており、具体的には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、帯域幅予約要求の競合を限定的に使用しています。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付与します。^[16]
• DOCSIS 1.1 以降では、データ層に、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つ広範なサービス品質(QoS) 機能も含まれています。
• 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]

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​​ープ内で、HFCのユーザー間で共有されます。^[18]

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

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

• 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経由の管理が追加されました。^[17]

表では、DOCSIS 3.0 のダウンストリームに 256-QAM、アップストリームに 64-QAM 変調、DOCSIS 3.1 の OFDM/OFDMA (最初のダウンストリーム/アップストリーム方式) に 4096-QAM 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、より高いダウンストリーム変調エラー比(MER) を必要とする高次の QAM 方式が必要です。DOCSIS 3.1 は最大 8192-QAM/16,384-QAM をサポートするように設計されていますが、最小の DOCSIS 3.1 標準を満たすには、最大 4096-QAM のサポートのみが必須です。

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]

ケーブル システムがサポートできるチャネルの数は、ケーブル システムの設定方法によって異なります。たとえば、各方向で使用可能な帯域幅の量、アップストリーム方向で選択されたチャネルの幅、およびハードウェアの制約により、各方向のチャネルの最大数が制限されます。^{[引用が必要]}

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、使用される DOCSIS のバージョンと、DOCSIS 3.0 が使用される場合は使用され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 または EuroDOCSIS のどちらが使用されているかには関係ありません。^{[引用が必要]}

北米の従来のDOCSISアップストリームは5〜42MHzの周波数範囲を使用しています。5〜65MHzの範囲はEuroDOCSISで使用されています。これは「ロースプリット」または「サブスプリット」設計として知られており、サービスグル​​ープで合計約108Mbit/sのアップストリームの共有容量（4つのSC-QAMアップストリームチャネルを想定）が可能です。^[23]

近年、^{[いつ? ]}ケーブル事業者^{[どれ? ]}はアップストリーム専用の帯域幅を増やし始めました。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」または「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に拡大し、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をサポートします。^[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]

DOCSISアーキテクチャには、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が含まれています。 ^[27]

顧客の PC とそれに関連する周辺機器は、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。プロビジョニング システムと CMTS を介して、ケーブル オペレータはケーブル モデムの構成を制御します。^[27]

DOCSIS 2.0は、アイルランドのDigiwebでも、HFCネットワークではなく専用の無線リンクを使用して、マイクロ波周波数（10GHz）で使用されました。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、マイクロ波周波数に変換して10GHzで送受信します。各顧客には専用のリンクがありますが、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上にある）。^[28]

DOCSIS のBaseline Privacy Interface 仕様には、メディア アクセス制御(MAC) 層セキュリティ サービスが含まれています。DOCSIS 1.0 では、初期の Baseline Privacy Interface (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 Baseline Privacy Interface Plus (BPI+) 仕様のリリースで改良されました。最近では、DOCSIS 3.0 の一部として Baseline Privacy Interface に多数の機能強化が追加され、仕様の名前が「Security」(SEC) に変更されました。

BPI/SEC 仕様の目的は、DOCSIS CMTS からケーブル モデムへの通信のための MAC 層セキュリティ サービスを説明することです。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でデータのプライバシーを提供する
• ケーブルサービス事業者にサービス保護を提供する（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ぐ）

BPI/SEC は、ケーブル ユーザーが互いに盗聴す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によって実現されます。BPI と BPI+ は 56 ビットのデータ暗号化標準(DES) 暗号化を使用し、SEC は 128 ビットの高度暗号化標準(AES)のサポートを追加します。ただし、AES キーは 1024 ビットの RSA キー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、公開鍵インフラストラクチャ(PKI)を使用して、認証試験機関 (現在、EuroDOCSIS の場合は Excentis (旧称 tComLabs)、DOCSIS の場合は CableLabs) のデジタル証明機関(CA)に基づく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 モデムにのみ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、サービス保護が制限されていました。

DOCSIS ネットワークのセキュリティは、ビジネスに不可欠な通信のみを許可し、ネットワーク インフラストラクチャへのエンド ユーザ通信を拒否することで大幅に向上します。CMTS が初期のプレ標準 DOCSIS 1.1 モデムとの下位互換性を持つように構成されている場合、攻撃が成功することがよくあります。これらのモデムは「現場でソフトウェア アップグレード可能」でしたが、有効な DOCSIS または EuroDOCSIS ルート証明書は含まれていませんでした。^{[引用が必要]}

• DOCSIS セットトップゲートウェイ – 通信技術仕様
• 同軸ケーブル経由イーサネット – 通信技術
• デバイス帯域幅のリスト
• マルチメディア・オーバー・コアックス・アライアンス – 同軸ケーブルを介したネットワークの仕様を公開する国際標準化団体
• ノード（ネットワーク）  – データを作成、受信、または送信できるネットワーク内のデバイスまたはポイント
• パケットケーブル
• 通信ケーブル – 情報伝送に使用される電線の束

• DOCSIS 3.1 この Rohde & Schwarz アプリケーション ノートでは、DOCSIS 3.1 の基本的な技術的進歩について説明します。
• Volpe Firm の DOCSIS チュートリアル (2009)

• DOCSIS 1.0仕様
• DOCSIS 1.1仕様
• DOCSIS 2.0仕様
• DOCSIS 3.0仕様
• DOCSIS 3.1仕様
• DOCSIS 4.0仕様