DOCSIS

La spécification DOCSIS ( Data Over Cable Service Interface Specification ) est une norme internationale de télécommunications qui permet l'ajout d'un transfert de données à large bande passante à un système de télévision par câble (CATV) existant. Elle est utilisée par de nombreux opérateurs de télévision par câble pour fournir un accès Internet par câble sur leur infrastructure hybride fibre-coaxiale (HFC) existante.

DOCSIS a été développé à l'origine par CableLabs et des sociétés contributrices, notamment Arris , BigBand Networks , Broadcom , Cisco , Comcast , Conexant , Correlant, Cox , General Instrument , Harmonic , Intel , Motorola , Netgear , Terayon , Time Warner Cable et Texas Instruments .

DOCSIS 1.0

Sorti en mars 1997, DOCSIS 1.0 incluait des éléments fonctionnels des modems câble propriétaires précédents .

DOCSIS 1.1

Publié en avril 1999, DOCSIS 1.1 a normalisé les mécanismes de qualité de service (QoS) qui ont été décrits dans DOCSIS 1.0.

DOCSIS 2.0 (abrégé D2)

Lancé en décembre 2001, DOCSIS 2.0 a amélioré les débits de données en amont en réponse à la demande croissante de services symétriques tels que la téléphonie IP.

DOCSIS 3.0 (abrégé D3)

Lancé en août 2006, DOCSIS 3.0 a considérablement augmenté les débits de données (en amont et en aval) et introduit la prise en charge du protocole Internet version 6 (IPv6).

DOCSIS 3.1

Initialement publiée en octobre 2013, et mise à jour plusieurs fois par la suite, la suite de spécifications DOCSIS 3.1 prend en charge des capacités allant jusqu'à 10 Gbit/s en aval et 1 Gbit/s en amont en utilisant 4096 QAM . Les nouvelles spécifications ont éliminé les espacements de canaux de 6 MHz et 8 MHz de large et utilisent à la place des sous-porteuses de multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence (OFDM) plus étroites (25 kHz ou 50 kHz de large) ; celles-ci peuvent être liées à l'intérieur d'un spectre de blocs qui pourrait finir par être d'environ 200 MHz de large. La technologie DOCSIS 3.1 comprend également des fonctionnalités de gestion de l'énergie qui permettront à l'industrie du câble de réduire sa consommation d'énergie, et l'algorithme DOCSIS-PIE pour réduire le gonflement de la mémoire tampon . Aux États-Unis , le fournisseur de haut débit Comcast a annoncé en février 2016 que plusieurs villes dans sa zone de couverture auront la disponibilité de DOCSIS 3.1 avant la fin de l'année. Fin 2016, Mediacom a annoncé qu'elle deviendrait la première grande société de câblodistribution américaine à effectuer une transition complète vers la plateforme DOCSIS 3.1.

DOCSIS 4.0

Améliore DOCSIS 3.1 pour utiliser l'intégralité du spectre de l'installation de câbles (0 MHz à ~1,8 GHz) en même temps dans les directions montante et descendante. Cette technologie permet des services symétriques multi-gigabits tout en conservant la rétrocompatibilité avec DOCSIS 3.1. CableLabs a publié la spécification complète en octobre 2017. Auparavant appelées DOCSIS 3.1 Full Duplex, ces technologies ont été rebaptisées dans le cadre de DOCSIS 4.0.

Plusieurs versions DOCSIS peuvent coexister en utilisant le multiplexage par répartition en fréquence et en séparant les nouvelles versions DOCSIS des anciennes en fonction de leurs fréquences de fonctionnement.

Les plans de bande passante d'allocation de fréquences étant différents entre les systèmes CATV américains et européens, les normes DOCSIS antérieures à la version 3.1 ont été modifiées pour être utilisées en Europe. Ces modifications ont été publiées sous le nom EuroDOCSIS . Les différences entre les bandes passantes existent parce que la télévision par câble européenne est conforme aux normes PAL / DVB-C de bande passante de canal RF de 8 MHz et que la télévision par câble nord-américaine est conforme aux normes NTSC / ATSC qui spécifient 6 MHz par canal. La bande passante de canal plus large dans les architectures EuroDOCSIS permet d'allouer plus de bande passante au chemin de données en aval (vers l'utilisateur). Les tests de certification EuroDOCSIS sont exécutés par la société belge Excentis (anciennement connue sous le nom de tComLabs), tandis que les tests de certification DOCSIS sont exécutés par CableLabs. En règle générale, les équipements des locaux du client reçoivent une « certification », tandis que les équipements CMTS reçoivent une « qualification ».

Le Secteur de la normalisation des télécommunications de l'UIT (UIT-T) a approuvé les différentes versions de DOCSIS en tant que normes internationales. DOCSIS 1.0 a été ratifiée en tant que recommandation UIT-T J.112 Annexe B (1998), mais elle a été remplacée par DOCSIS 1.1, qui a été ratifiée en tant que recommandation UIT-T J.112 Annexe B (2001). Par la suite, DOCSIS 2.0 a été ratifiée en tant que recommandation UIT-T J.122. Plus récemment, DOCSIS 3.0 a été ratifiée en tant que recommandation UIT-T J.222 (J.222.0, J.222.1, J.222.2, J.222.3).

Remarque : Alors que l'annexe B de la recommandation J.112 de l'UIT-T correspond à DOCSIS/EuroDOCSIS 1.1, l'annexe A décrit un système de modem câble européen antérieur (« DVB EuroModem ») basé sur les normes de transmission ATM. L'annexe C décrit une variante de DOCSIS 1.1 conçue pour fonctionner dans les systèmes câblés japonais. Le corps principal de la recommandation J.122 de l'UIT-T correspond à DOCSIS 2.0, l'annexe F de la recommandation J.122 correspond à EuroDOCSIS 2.0 et l'annexe J de la recommandation J.122 décrit la variante japonaise de DOCSIS 2.0 (analogue à l'annexe C de la recommandation J.112).

DOCSIS fournit une variété d'options disponibles aux couches 1 et 2 de l'interconnexion des systèmes ouverts (OSI) : les couches physique et de liaison de données .

• Largeur du canal :
  • En aval : toutes les versions de DOCSIS antérieures à 3.1 utilisent soit des canaux de 6 MHz (par exemple, l'Amérique du Nord), soit des canaux de 8 MHz (« EuroDOCSIS »). DOCSIS 3.1 utilise des bandes passantes de canal allant jusqu'à 192 MHz en aval.
  • En amont : DOCSIS 1.0/1.1 spécifie des largeurs de canal entre 200 kHz et 3,2 MHz. DOCSIS 2.0 et 3.0 spécifient 6,4 MHz, mais peuvent utiliser les largeurs de canal antérieures et plus étroites pour une compatibilité ascendante. DOCSIS 3.1 utilise des bandes passantes de canal allant jusqu'à 96 MHz en amont.
• Modulation:
  • En aval : toutes les versions de DOCSIS antérieures à la version 3.1 spécifient que la modulation QAM à 64 ou 256 niveaux (64-QAM ou 256-QAM) doit être utilisée pour la modulation des données en aval, en utilisant la norme UIT-T J.83-Annexe B pour le fonctionnement sur canal de 6 MHz et la norme de modulation DVB-C pour le fonctionnement sur canal de 8 MHz (EuroDOCSIS). DOCSIS 3.1 ajoute la modulation 16-QAM, la modulation 128-QAM, la modulation 512-QAM, la modulation 1024-QAM, la modulation 2048-QAM et la modulation 4096-QAM, avec prise en charge facultative de la modulation 8192-QAM/16384-QAM.
  • En amont : les données en amont utilisent QPSK ou QAM à 16 niveaux (16-QAM) pour DOCSIS 1.x, tandis que QPSK, 8-QAM, 16-QAM, 32-QAM et 64-QAM sont utilisés pour DOCSIS 2.0 et 3.0. DOCSIS 2.0 et 3.0 prennent également en charge 128-QAM avec modulation codée en treillis en mode S-CDMA (avec une efficacité spectrale effective équivalente à celle de 64-QAM). DOCSIS 3.1 prend en charge les modulations de données de QPSK jusqu'à 1024-QAM, avec prise en charge facultative de 2048-QAM et 4096-QAM.

• DOCSIS utilise un mélange de méthodes d'accès déterministes pour les transmissions en amont, en particulier l'accès multiple par répartition dans le temps (TDMA) pour DOCSIS 1.0/1.1 et à la fois TDMA et S-CDMA pour DOCSIS 2.0 et 3.0, avec une utilisation limitée de la contention pour les demandes de réservation de bande passante. Dans TDMA, un modem câble demande un temps de transmission et le CMTS lui accorde un créneau horaire disponible.
• Pour DOCSIS 1.1 et supérieur, la couche de données inclut également des fonctionnalités étendues de qualité de service (QoS) qui aident à prendre en charge efficacement les applications ayant des exigences de trafic spécifiques telles qu'une faible latence, par exemple la voix sur IP .
• DOCSIS 3.0 propose une liaison de canaux , qui permet à plusieurs canaux en aval et en amont d'être utilisés ensemble en même temps par un seul abonné.

La bande passante est partagée entre les utilisateurs d'un HFC, au sein de groupes de services qui sont des groupes de clients qui partagent des canaux RF .

Les trois premières versions de la norme DOCSIS prennent en charge un débit descendant avec 256-QAM allant jusqu'à 42,88 Mbit/s par canal de 6 MHz (environ 38 Mbit/s après surdébit), ou 55,62 Mbit/s par canal de 8 MHz pour EuroDOCSIS (environ 50 Mbit/s après surdébit). Le débit montant possible est de 30,72 Mbit/s par canal de 6,4 MHz (environ 27 Mbit/s après surdébit), ou de 10,24 Mbit/s par canal de 3,2 MHz (environ 9 Mbit/s après surdébit).

DOCSIS 3.1 prend en charge un débit descendant avec 4096-QAM et un espacement de sous-porteuses de 25 kHz jusqu'à 1,89 Gbit/s par canal OFDM de 192 MHz. Le débit montant possible est de 0,94 Gbit/s par canal OFDMA de 96 MHz .

• Les modems DOCSIS sont gérés via une adresse IP ( Internet Protocol ).
• La spécification « DOCSIS 2.0 + IPv6 » permettait la prise en charge d'IPv6 sur les modems DOCSIS 2.0 via une mise à niveau du micrologiciel.
• DOCSIS 3.0 a ajouté la gestion sur IPv6 .

Les tableaux supposent une modulation 256-QAM pour le débit descendant et 64-QAM pour le débit montant sur DOCSIS 3.0, et une modulation 4096-QAM pour OFDM/OFDMA (premières méthodes de débit descendant/amont) sur DOCSIS 3.1, bien que les débits de données réels puissent être inférieurs en raison de la modulation variable en fonction du rapport signal/bruit. Des débits de données plus élevés sont possibles mais nécessitent des schémas QAM d'ordre supérieur qui nécessitent un taux d'erreur de modulation en aval (MER) plus élevé. DOCSIS 3.1 a été conçu pour prendre en charge jusqu'à 8192-QAM/16,384-QAM, mais seule la prise en charge jusqu'à 4096-QAM est obligatoire pour respecter les normes minimales DOCSIS 3.1.

Pour DOCSIS 3.0, le débit maximal théorique pour le nombre de canaux liés est répertorié dans le tableau ci-dessous.

Notez que le nombre de canaux qu'un système câblé peut prendre en charge dépend de la manière dont le système câblé est configuré. Par exemple, la quantité de bande passante disponible dans chaque direction, la largeur des canaux sélectionnés dans la direction montante et les contraintes matérielles limitent le nombre maximal de canaux dans chaque direction.

Notez que la bande passante descendante maximale sur toutes les versions de DOCSIS dépend de la version de DOCSIS utilisée et du nombre de canaux montants utilisés si DOCSIS 3.0 est utilisé, mais les largeurs de canal montant sont indépendantes du fait que DOCSIS ou EuroDOCSIS soit utilisé.

Le DOCSIS traditionnel en amont en Amérique du Nord utilise la gamme de fréquences de 5 à 42 MHz. La gamme de fréquences de 5 à 65 MHz est utilisée par EuroDOCSIS. Il s'agit d'une conception dite « low-split » ou « sub-split », capable d'une capacité partagée totale d'environ 108 Mbit/s en amont (en supposant 4 canaux SC-QAM en amont) pour le groupe de services.

Ces dernières années, les opérateurs de câble ont commencé à augmenter la quantité de bande passante dédiée au flux montant. Les deux options les plus populaires pour cela sont le « mid-split » ou le « high-split ».

Une division médiane augmente la plage de fréquences en amont à 5–85 MHz, prenant en charge une capacité totale partagée en amont d'environ 450 Mbit/s (en supposant 4 canaux SC-QAM + OFDMA) pour le groupe de services.

Une division élevée augmente la plage de fréquences en amont à 5–204 MHz, prenant en charge une capacité totale partagée en amont d'environ 1,5 Gbit/s (en supposant 4 canaux SC-QAM + OFDMA) pour le groupe de services.

DOCSIS 4.0 dans les configurations full-duplex (FDX) et DOCSIS à spectre étendu (ESD) prendra en charge des vitesses de montée supérieures à 5 Gbit/s.

Une architecture DOCSIS comprend deux composants principaux : un modem câble situé dans les locaux du client et un système de terminaison de modem câble (CMTS) situé à la tête de réseau CATV.

Le PC client et les périphériques associés sont appelés équipements sur site client (CPE). Les CPE sont connectés au modem câble, qui est à son tour connecté via le réseau HFC au CMTS. Le CMTS achemine ensuite le trafic entre le HFC et Internet. À l'aide de systèmes de provisionnement et via le CMTS, l'opérateur de câble exerce un contrôle sur la configuration du modem câble.

DOCSIS 2.0 a également été utilisé sur les fréquences micro-ondes (10 GHz) en Irlande par Digiweb , en utilisant des liaisons sans fil dédiées plutôt qu'un réseau HFC. Dans les locaux de chaque abonné, le CM ordinaire est connecté à un boîtier d'antenne qui convertit vers/depuis les fréquences micro-ondes et transmet/reçoit sur 10 GHz. Chaque client dispose d'une liaison dédiée mais le mât de l'émetteur doit être en ligne de mire (la plupart des sites sont situés au sommet d'une colline).

DOCSIS inclut les services de sécurité de la couche de contrôle d'accès au support (MAC) dans ses spécifications Baseline Privacy Interface. DOCSIS 1.0 utilisait la spécification initiale Baseline Privacy Interface (BPI). BPI a ensuite été améliorée avec la publication de la spécification Baseline Privacy Interface Plus (BPI+) utilisée par DOCSIS 1.1 et 2.0. Plus récemment, un certain nombre d'améliorations ont été apportées à Baseline Privacy Interface dans le cadre de DOCSIS 3.0, et la spécification a été renommée « Security » (SEC).

L'objectif des spécifications BPI/SEC est de décrire les services de sécurité de la couche MAC pour les communications DOCSIS CMTS vers modem câble. Les objectifs de sécurité BPI/SEC sont doubles :

• Assurer la confidentialité des données des utilisateurs de modem câble sur l'ensemble du réseau câblé
• Fournir aux opérateurs de services câblés une protection de service (c'est-à-dire empêcher les modems et les utilisateurs non autorisés d'accéder aux services RF MAC du réseau)

Le protocole BPI/SEC vise à empêcher les utilisateurs du câble de s'écouter les uns les autres. Pour ce faire, il crypte les flux de données entre le CMTS et le modem câble. Le protocole BPI et BPI+ utilisent le cryptage DES ( Data Encryption Standard ) à 56 bits, tandis que le protocole SEC prend en charge le cryptage AES ( Advanced Encryption Standard ) à 128 bits . La clé AES n'est toutefois protégée que par une clé RSA à 1024 bits.

Le protocole BPI/SEC a pour but de permettre aux opérateurs de services câblés de refuser le service aux modems câblés non certifiés et aux utilisateurs non autorisés. Le protocole BPI+ a renforcé la protection du service en ajoutant une authentification basée sur un certificat numérique à son protocole d'échange de clés , en utilisant une infrastructure à clé publique (PKI), basée sur les autorités de certification numériques (CA) des testeurs de certification, actuellement Excentis (anciennement connu sous le nom de tComLabs) pour EuroDOCSIS et CableLabs pour DOCSIS. En règle générale, l'opérateur de services câblés ajoute manuellement l' adresse MAC du modem câblé au compte d'un client auprès de l'opérateur de services câblés ; et le réseau autorise l'accès uniquement à un modem câblé qui peut attester de cette adresse MAC à l'aide d'un certificat valide émis via la PKI. La spécification BPI antérieure (ANSI/SCTE 22-2) avait une protection de service limitée car le protocole de gestion de clés sous-jacent n'authentifiait pas le modem câblé de l'utilisateur.

La sécurité du réseau DOCSIS est grandement améliorée lorsque seules les communications critiques pour l'entreprise sont autorisées et que la communication de l'utilisateur final avec l'infrastructure réseau est refusée. Les attaques réussies se produisent souvent lorsque le CMTS est configuré pour une compatibilité ascendante avec les premiers modems DOCSIS 1.1 pré-standard. Ces modems étaient « évolutifs sur le terrain », mais n'incluaient pas de certificats racines DOCSIS ou EuroDOCSIS valides.