DOCSIS
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1. 개요
DOCSIS는 케이블랩스 등 여러 기업의 협력을 통해 개발된 기술로, 케이블 모뎀을 통해 데이터 통신을 제공하는 표준이다. DOCSIS는 1997년 DOCSIS 1.0 출시 이후, DOCSIS 1.1, 2.0, 3.0, 3.1, 4.0으로 발전하며 데이터 전송 속도를 향상시켰다. 각 버전은 채널 본딩, IPv6 지원, OFDM 기술 도입 등 다양한 기술적 특징을 갖추고 있으며, 국제 표준으로 채택되었다. DOCSIS는 물리 계층과 데이터 링크 계층에서 다양한 옵션을 제공하며, 보안을 위해 암호화 기술을 사용한다.
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| DOCSIS | |
|---|---|
| 개요 | |
| 이름 | 데이터 오버 케이블 서비스 인터페이스 규격 |
| 영어 명칭 | Data Over Cable Service Interface Specifications |
| 약자 | DOCSIS |
| 설명 | 케이블 TV 시스템을 통한 컴퓨터 네트워킹을 위한 표준 |
| 기술 | |
| 목적 | 케이블 네트워크를 통해 고속 데이터 전송을 가능하게 함 |
| 특징 | 다양한 변조 방식 지원 품질 서비스 (QoS) 제공 보안 기능 제공 |
| 주요 구성 요소 | 케이블 모뎀 (CM) 케이블 모뎀 종료 시스템 (CMTS) |
| 역사 | |
| 초기 개발 | 케이블 랩스 (CableLabs) 와 여러 회사들의 협력으로 개발됨 |
| 주요 개발 참여사 | 브로드컴 (Broadcom) 테라욘 (Terayon) |
| 첫 번째 버전 | 1997년 발표 |
| 표준화 기구 | 케이블 랩스 (CableLabs) |
| 버전 | |
| DOCSIS 1.0 | 초기 버전, 기본적인 데이터 전송 기능 제공 |
| DOCSIS 1.1 | 품질 서비스 (QoS) 기능 추가 |
| DOCSIS 2.0 | 상향 채널 속도 향상 |
| DOCSIS 3.0 | 채널 본딩 기술 도입, 더 높은 속도 지원 |
| DOCSIS 3.1 | OFDM/OFDMA 변조 방식 도입, 더욱 높은 효율성과 속도 제공 |
| DOCSIS 4.0 | 풀 듀플렉스 (Full Duplex) 기능 도입, 상/하향 대칭 속도 지원 |
| 활용 | |
| 주요 응용 분야 | 가정 및 기업용 고속 인터넷 서비스 VoIP (Voice over IP) IPTV (Internet Protocol Television) |
| 서비스 제공 업체 | 전 세계 케이블 TV 사업자 |
| 관련 기술 | |
| 하이브리드 광섬유 동축 케이블 (HFC) | DOCSIS가 주로 사용되는 네트워크 아키텍처 |
| 케이블 모뎀 (CM) | 사용자 단말 장치 |
| 케이블 모뎀 종료 시스템 (CMTS) | 케이블 사업자 네트워크의 핵심 장비 |
| 장점 | |
| 속도 | 광대역 인터넷 접속 제공 |
| 보편성 | 기존 케이블 TV 인프라 활용 가능 |
| 발전 | 지속적인 기술 발전으로 성능 향상 |
| 단점 | |
| 대칭성 | 업로드 속도가 다운로드 속도보다 느릴 수 있음 (DOCSIS 4.0에서 개선) |
| 간섭 | 케이블 네트워크의 노이즈 및 간섭에 민감할 수 있음 |
| 기타 | |
| 참고 자료 | 시스코 (Cisco) DOCSIS 설명 IT 용어 사전 e-Words DOCSIS 설명 (일본어) |
2. 역사
DOCSIS는 케이블랩스와 애리스, 빅밴드 네트웍스, 브로드컴, 시스코, 컴캐스트, Conexant, Correlant, 콕스, 하모닉, 인텔, 모토로라, 넷기어, 테라욘, 타임 워너 케이블, 텍사스 인스트루먼트 등 여러 기업들의 협력을 통해 개발되었다.[40][41][42]
DOCSIS는 북미의 MCNS(Multimedia Cable Network System Partners Limited)가 주도하고 SCTE(Society of Cable Telecommunications Engineers: 케이블 통신 기술자 협회)에서 승인되었으며, ITU-T의 J.112 Annex.B로 규정되었다. Cable Labs(Cable Television Laboratories)가 인증 및 시험을 실시하고 있다.
케이블 모뎀 및 셋톱 박스(STB) 표준화를 통해 비용을 절감하고, IP 전화 및 양방향 디지털 방송에 대응하고 있다.
2. 1. 초기 역사 (DOCSIS 1.0 & 1.1)
1997년 3월에 출시된 DOCSIS 1.0은 이전의 독점 케이블 모뎀의 기능적 요소를 포함했다.[4]1999년 4월에 출시된 DOCSIS 1.1은 DOCSIS 1.0에 개략적으로 설명된 서비스 품질 (QoS) 메커니즘을 표준화했다.[5] DOCSIS 1.1의 주요 기능은 다음과 같다.
- 서비스 흐름 제어: IP 전화, 인터넷 접속 등 서비스 유형별로 동적인 QoS를 설정할 수 있다.
- 실시간 통신 지연 감소: 패킷을 작은 조각으로 나누는 단편화 기능을 제공한다.
- BPI 암호화: 전송로 상의 암호화 기능을 제공한다.
2. 2. 발전 (DOCSIS 2.0 & 3.0)
2001년 12월에 출시된 DOCSIS 2.0은 IP 전화와 같은 대칭형 서비스에 대한 수요 증가에 맞춰 업스트림 데이터 속도를 향상시켰다.[4] 2006년 8월에 출시된 DOCSIS 3.0은 데이터 속도를 크게 향상시키고 인터넷 프로토콜 버전 6 (IPv6)에 대한 지원을 도입했다.[5] 주요 특징은 다음과 같다.- 채널 본딩: 대역을 여러 개 묶어 통신할 수 있다. 예를 들어 하향 160Mbps(40Mbps 256QAM을 4개 다중화), 상향 120Mbps(30Mbps를 4개 다중화).
- IPv6 대응
- M-CMTS
- AES 암호화
2010년 10월 1일, 지타 미디어스 네트워크는 8파 본딩을 통해 실측 하향 최대 270Mbps의 서비스를 시작했는데, 이는 서비스 개시 시점에서 일본 케이블 인터넷 최고 속도였다.[32]
일본 케이블 연구소는 222MHz부터 450MHz의 32파, 256QAM을 사용하여 하나의 간선에서 하향 1.2Gbps를 검토 예시로 제시했다.[33]
2. 3. 혁신 (DOCSIS 3.1 & 4.0)
2013년 10월에 처음 출시된 DOCSIS 3.1은 직교 주파수 분할 다중화(OFDM) 방식을 사용하여 최대 10 Gbps 다운스트림 및 1 Gbps 업스트림 속도를 지원한다.[6] 이 방식은 기존의 6 MHz 및 8 MHz 폭의 채널 간격을 없애고, 더 좁은 (25 kHz 또는 50 kHz 폭) OFDM 서브캐리어를 사용한다. 이러한 서브캐리어는 약 200 MHz 폭의 블록 스펙트럼 내에서 링크 집성될 수 있다.[6] DOCSIS 3.1 기술은 에너지 사용량을 줄이는 전력 관리 기능과 버퍼블로트를 줄이기 위한 DOCSIS-PIE 알고리즘도 포함한다.[8]2017년 10월, CableLabs는 DOCSIS 4.0 규격을 발표했다.[11] DOCSIS 4.0은 케이블 플랜트의 전체 스펙트럼(0 MHz ~ 약 1.8 GHz)을 업스트림 및 다운스트림 방향으로 동시에 사용하는 전이중 통신(Full Duplex)을 지원한다. 이 기술은 DOCSIS 3.1과의 하위 호환성을 유지하면서 멀티 기가비트 대칭형 서비스를 가능하게 한다.[11]
3. 버전별 비교
| DOCSIS 버전 | 제작일 | 최대 다운스트림 용량 | 최대 업스트림 용량 | 기능 |
|---|---|---|---|---|
| 1.0 | 1997년 | 40 Mbit/s | 10 Mbit/s | 최초 출시 |
| 1.1 | 2001년 | VoIP 기능 및 QoS 매커니즘 추가 | ||
| 2.0 | 2002년 | 30 Mbit/s | 업스트림 데이터 속도 개선 | |
| 3.0 | 2006년 | 1 Gbit/s | 200 Mbit/s | 다운스트림 및 업스트림 데이터 속도 상당히 개선, IPv6 지원 도입, 채널 본딩 도입 |
| 3.1 | 2013년 | 10 Gbit/s | 1 Gbit/s ~ 2 Gbit/s | 다운스트림 및 업스트림 데이터 속도 상당히 개선, 채널 사양 재구성 |
| 4.0 | 2017년 | 6 Gbit/s | DOCSIS 3.1 대비 업스트림 속도 상당히 개선 |
4. 기술적 특징
DOCSIS는 개방형 시스템 상호 연결 (OSI) 계층 1 및 2, 즉 물리 계층과 데이터 링크 계층에서 다양한 옵션을 제공한다.
- 하향 방향
- * 액세스 방식: TDM
- * 변조 방식: 30Mbps (64QAM) / 42Mbps (256QAM)
- * 대역폭: 6MHz (사용 주파수: 88 - 860MHz)
- 상향 방향
- * 액세스 방식: TDMA
- * 변조 방식: 5Mbps (QPSK) / 10Mbps (16QAM)
- * 대역폭: 3.2MHz (사용 주파수: 200k/400k/800k/1600k/3200kHz)
- 케이블 모뎀마다 하나의 QoS 설정을 할 수 있다.
DOCSIS 1.1은 DOCSIS 1.0의 보안, QoS, IP 멀티캐스트 등을 강화한 것으로, 다음과 같은 특징을 가진다.
- 서비스 흐름 제어: IP 전화, 인터넷 접속 등 서비스 유형별로 동적인 QoS를 설정할 수 있다.
- 실시간 통신의 지연을 줄이기 위해 패킷을 작은 조각으로 나누는 단편화 기능.
- BPI에 의한 전송로 상의 암호화 기능.
DOCSIS 2.0 (1999년 4월 규격 제정, 2002년 승인)은 다음과 같이 고속화를 수행했다.
- 하향 6MHz 대역폭: 30Mbps (64QAM) / 42Mbps (256QAM)
- 상향 6.4MHz 대역폭: 30Mbps
- * A-TDMA 64QAM (차세대 시분할 다중 접속)
- * S-CDMA 128QAM (동기 코드 분할 다중 접속)
DOCSIS 3.0의 주요 특징은 다음과 같다.
2010년 10월 1일, 지타 미디어스 네트워크는 8파 본딩으로 실측 하향 최대 270Mbps 서비스를 시작했다. (당시 일본 케이블 인터넷 최고 속도)[32]
일본 케이블 연구소는 222MHz부터 450MHz까지 32파, 256QAM을 사용하여 하향 1.2Gbps를 달성하는 방안을 검토했다.[33]
DOCSIS 3.1 (2013년 10월 표준화)은 다운로드 최대 10Gbps, 업로드 최대 1Gbps를 지원하며, OFDM 채택 및 사용 주파수 대역 확장이 특징이다.[34][35]
2016년 2월에는 전이중 DOCSIS 3.1 (다운로드 및 업로드 최대 10Gbps)이 발표되었다.[36]
2019년 1월에는 실시간 통신을 위한 Low Latency DOCSIS가 발표되었다.[37]
DOCSIS 4.0 (2019년 규격화)은 다운로드 최대 10Gbps, 업로드 최대 6Gbps를 지원한다.[38] 일본에서 BS-IF와 혼합하는 경우, DOCSIS 3.1과 마찬가지로 1GHz 이상을 사용할 수 없어 DOCSIS 3.1 대비 가격 효율성이 낮다.[39]
4. 1. 물리 계층 (Physical Layer)
| 구분 | 내용 |
|---|---|
| 채널 대역폭 | |
| 변조 방식 | |
4. 2. 데이터 링크 계층 (Data Link Layer)
DOCSIS는 상향 전송을 위해 결정적 접근 방식의 혼합을 사용한다. 특히 DOCSIS 1.0/1.1의 경우 시분할 다중 접속(TDMA)을 사용하고, DOCSIS 2.0 및 3.0의 경우 TDMA와 S-CDMA를 모두 사용하며, 대역폭 예약 요청에 대한 경쟁 사용은 제한적이다. TDMA에서 케이블 모뎀은 전송 시간을 요청하고 CMTS는 사용 가능한 시간 슬롯을 할당한다.[16]DOCSIS 1.1 이상 버전의 경우 데이터 계층은 낮은 지연 시간과 같이 특정 트래픽 요구 사항이 있는 애플리케이션(예: VoIP)을 효율적으로 지원하는 데 도움이 되는 광범위한 서비스 품질(QoS) 기능도 포함한다.
DOCSIS 3.0은 채널 본딩 기능을 제공하여 단일 가입자가 여러 하향 및 상향 채널을 동시에 사용할 수 있게 한다.[17]
4. 3. 네트워크 계층 (Network Layer)
DOCSIS 모뎀은 인터넷 프로토콜(IP) 주소를 통해 관리된다. DOCSIS 3.0은 IPv6를 통한 관리 기능을 추가했다.[17] 'DOCSIS 2.0 + IPv6' 사양은 펌웨어 업그레이드를 통해 DOCSIS 2.0 모뎀에서 IPv6를 지원할 수 있도록 했다.[20][21]5. 유로DOCSIS (EuroDOCSIS)
유럽의 CATV 시스템은 주파수 할당 대역폭 계획이 북미와 다르기 때문에, 3.1 이전의 DOCSIS 표준은 유럽 환경에 맞게 수정되었다. 이러한 수정 사항은 '''유로DOCSIS'''라는 이름으로 발표되었다. 유럽 케이블 TV는 PAL/DVB-C 표준의 8MHz RF 채널 대역폭을 따르는 반면, 북미 케이블 TV는 NTSC/ATSC 표준에 따라 채널당 6MHz를 지정하므로 대역폭 차이가 발생한다. 유로DOCSIS 아키텍처의 더 넓은 채널 대역폭은 다운스트림 데이터 경로(사용자 쪽으로)에 더 많은 대역폭을 할당할 수 있게 한다. 유로DOCSIS 인증 테스트는 벨기에 회사 Excentis(이전 tComLabs)가 수행하며, DOCSIS 인증 테스트는 CableLabs가 수행한다. 일반적으로 가입자 설비는 "인증"을 받고, CMTS 장비는 "자격"을 받는다.
6. 국제 표준
국제 전기 통신 연합(ITU-T)은 DOCSIS의 여러 버전을 국제 표준으로 승인했다. DOCSIS 1.0은 ITU-T 권고 J.112 부록 B(1998)로 비준되었지만, DOCSIS 1.1이 ITU-T 권고 http://www.itu.int/rec/T-REC-J.112/en J.112 부록 B(2001)로 비준되면서 대체되었다. 이후 DOCSIS 2.0은 ITU-T 권고 http://www.itu.int/rec/T-REC-J.122/en J.122로 비준되었다. 가장 최근에는 DOCSIS 3.0이 ITU-T 권고 J.222(http://www.itu.int/rec/T-REC-J.222.0/en J.222.0, http://www.itu.int/rec/T-REC-J.222.1 J.222.1, http://www.itu.int/rec/T-REC-J.222.2 J.222.2, http://www.itu.int/rec/T-REC-J.222.3 J.222.3)로 비준되었다.
참고로, ITU-T 권고 J.112 부록 B는 DOCSIS/EuroDOCSIS 1.1에 해당하며, 부록 A는 DVB EuroModem을 설명하고, 부록 C는 일본 케이블 시스템에서 작동하도록 설계된 DOCSIS 1.1의 변형을 설명한다. ITU-T 권고 J.122 본문은 DOCSIS 2.0, J.122 부록 F는 EuroDOCSIS 2.0, J.122 부록 J는 DOCSIS 2.0의 일본 변형을 설명한다.
7. 보안
DOCSIS는 매체 접근 제어(MAC) 계층 보안 서비스로 기본 개인 정보 보호 인터페이스(BPI, BPI+, SEC)를 제공한다.[29] BPI/SEC의 보안 목표는 케이블 네트워크에서 사용자에게 데이터 프라이버시를 제공하고, 케이블 서비스 운영자에게는 무단 접속을 막는 서비스 보호를 제공하는 것이다.
BPI/SEC는 케이블 사용자 간 통신 도청을 방지하기 위해 CMTS와 케이블 모뎀 간 데이터 흐름을 암호화한다. BPI 및 BPI+는 56비트 데이터 암호화 표준(DES) 암호화를 사용하며, SEC는 128비트 고급 암호화 표준(AES)을 지원한다. AES 키는 1024비트 RSA 키로 보호된다.[29]
BPI+는 공개 키 기반 구조(PKI)를 활용, 키 교환 프로토콜에 디지털 인증서 기반 인증을 추가하여 서비스 보호를 강화했다. EuroDOCSIS는 Excentis, DOCSIS는 CableLabs의 디지털 인증 기관(CA)을 기반으로 한다.[30] 케이블 서비스 운영자는 케이블 모뎀의 MAC 주소를 고객 계정에 추가하고,[30] 네트워크는 PKI를 통해 발급된 유효한 인증서로 MAC 주소를 증명하는 케이블 모뎀에만 접속을 허용한다.
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