DOCSIS
Data Over Cable Service Interface Specification (DOCSIS) ist eine von Cable Labs um 1997 entwickelte Spezifikation für Schnittstellen von Kabelmodems und dazugehörigen Peripheriegeräten, die von der ITU im März 1998 (ITU-T Recommendation J.112) ratifiziert wurde. DOCSIS ist dabei ein Standard, der die Anforderungen für Datenübertragungen in einem Breitbandkabelnetz festlegt. Der wichtigste Anwendungsbereich von DOCSIS besteht in der schnellen Übertragung von Daten über bestehende Kabelfernsehnetze.
Die Nachfolgespezifikation DOCSIS 2.0 wurde 2002 vorgestellt vor dem Hintergrund der stärkeren Nachfrage von symmetrischen, Echtzeit erfordernden Datendiensten wie IP-Telefonie.
DOCSIS-Reichweite im Vergleich zu DSL-Varianten (nach unitymedia)
DOCSIS erzielt in Empfangsrichtung (englisch „downstream“) eine nutzbare Datentransferrate von etwa 38 Mbit/s (EuroDOCSIS: 50 Mbit/s) pro Fernsehkanal im Frequenzbereich von 50 MHz bis etwa 862 MHz sowie in Senderichtung (engl. „upstream“) eine nutzbare Datentransferrate von etwa 27 Mbit/s pro Kanal im Frequenzbereich von 5 bis 65 MHz. Mit DOCSIS 3.0 können durch Bündelung von vier Kanälen Geschwindigkeiten von bis zu 160 Mbit/s (EuroDOCSIS: 200 Mbit/s) in Empfangsrichtung und bis zu 108 Mbit/s in Senderichtung erzielt werden. Eine Bündelung von acht Kanälen ist gleichfalls möglich bei entsprechend verdoppelten maximalen Datenraten.
DOCSIS wird fälschlicherweise oft mit DSL gleichgesetzt. Zwar erreicht man mit DOCSIS ähnliche Bandbreiten wie mit DSL, jedoch basiert DOCSIS auf einer etwas anderen Technologie.
Besonders in Frankreich, Österreich, der Schweiz und in den USA sowie in Ballungsräumen anderer Industrieländer sind mit dem DOCSIS-Standard arbeitende Kabelmodems weit verbreitet. In Deutschland ist die Anzahl von DOCSIS-Anbietern aufgrund der historisch bedingten komplizierten Aufteilung der Netzebenen der Kabelnetze noch relativ begrenzt, und die angebotenen Bandbreiten reizen die volle Kapazität von DOCSIS noch nicht aus. Die Verfügbarkeit und Akzeptanz der DOCSIS-Angebote wächst aber derzeit auch in Deutschland rasant.
EuroDOCSIS
Durch die unterschiedlichen Fernsehsysteme sind die Frequenzen in den US-amerikanischen und europäischen Kabelnetzen unterschiedlich aufgeteilt. Während das europäische PAL-System Bandbreiten von 8 MHz fordert, genügt dem US-amerikanischen NTSC eine Bandbreite von 6 MHz.
Aus diesem Grunde wurden die DOCSIS-Spezifikationen für den europäischen Markt angepasst und firmieren unter dem Namen EuroDOCSIS.
Bedingt durch die größeren Frequenzbänder ermöglicht EuroDOCSIS eine größere Bandbreite im Downstream.
DOCSIS im OSI-Schichtenmodell
DOCSIS ist in den OSI-Schicht 1 und 2 angesiedelt und stellt also die Plattform für die Übertragung und Sicherung von Daten bereit.
Auf der physikalischen Ebene sieht DOCSIS 1.0 Übertragungsbandbreiten von 200 kHz bis 3.2 MHz, DOCSIS 2.0 bis zu 6.4 MHz vor. DOCSIS 2.0 ist dabei voll abwärtskompatibel zu DOCSIS 1.0. Die zu übertragenen Daten werden mit der Quadraturamplitudenmodulation moduliert (64-QAM oder 256-QAM für den Downstream und 16-QAM bzw. QPSK für den Upstream; DOCSIS 2.0 sieht außerdem 32-QAM, 64-QAM und 128-QAM für den Upstream vor).
Auf Schicht 2 verwendet DOCSIS eine Kombination von Zeitmultiplex- und Codemultiplexverfahren.
Technik
Die DOCSIS-Architektur besteht im Wesentlichen aus zwei Komponenten: Einem Kabelmodem auf der Kundenseite und einem Cable Modem Termination System (CMTS) in der Kabelkopfstelle des Anbieters.
Das CMTS besteht aus mehreren Downstream- und Upstream-Modulatoren, die jeweils einen Port bilden und die Verbindung zum Kabelmodem herstellen, ähnlich einem DSLAM in einem DSL-Netzwerk. Da Up- und Downstream jeweils in unterschiedlichen Frequenzbereichen lokalisiert sind, sind für eine bestehende Duplexverbindung immer zwei physische Ports nötig. Ein WAN-Schnittstelle schafft die Verbindung zwischen dem CMTS und dem IP-Backbone.
Die Teilnehmer-Endgeräte (Customer Premises Equipment) wie Computer oder Telefone sind also über Ethernet, USB oder ATA mit dem Kabelmodem und weiterhin über das CMTS mit dem IP-Backbone verbunden.
Über das von DOCSIS implementierte Media Access Control (MAC) kann der Kabelnetzbetreiber das Kabelmodem konfigurieren, die Übertragungsbandbreiten regulieren und bestimmte Dienste aktivieren oder deaktivieren. Da in einem Breitbandkabelnetz gesendete Information potenziell an jede angeschlossene Einheit (und damit auch an andere Kabelmodems) übertragen wird, wird zudem durch MAC-Verschlüsselung die Privatsphäre der Kunden untereinander gewährleistet.
| Version | Downstream | Upstream | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Channel configuration | DOCSIS throughput | EuroDOCSIS throughput | Channel configuration | Throughput | |||||||
| Minimum selectable number of channels | Minimum number of channels that hardware must be able to support | Selected number of channels | Maximum number of channels | Minimum selectable number of channels | Minimum number of channels that hardware must be able to support | Selected number of channels | Maximum number of channels | ||||
| 1.x | 1 | 1 | 1 | 1 | 42.88 (38) Mbit/s | 55.62 (50) Mbit/s | 1 | 1 | 1 | 1 | 10.24 (9) Mbit/s |
| 2.0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 42.88 (38) Mbit/s | 55.62 (50) Mbit/s | 1 | 1 | 1 | 1 | 30.72 (27) Mbit/s |
| 3.0 | 1 | 4 | m | No maximum defined |
m × 42.88 (m × 38) Mbit/s | m × 55.62 (m × 50) Mbit/s | 1 | 4 | n | No maximum defined |
n × 30.72 (n × 27) Mbit/s |
| Channel configuration | Downstream throughput | Upstream throughput | ||
|---|---|---|---|---|
| Number of downstream channels | Number of upstream channels | DOCSIS | EuroDOCSIS | |
| 4 | 4 | 171.52 (152) Mbit/s | 222.48 (200) Mbit/s | 122.88 (108) Mbit/s |
| 8 | 4 | 343.04 (304) Mbit/s | 444.96 (400) Mbit/s | 122.88 (108) Mbit/s |
Das steckt hinter DOCSIS 3.0
Datenraten von mehreren 100 Megabit/s liefert DOCSIS 3.0 per TV-Kabel ins Wohnzimmer. connect erklärt, was hinter dem Standard steckt
Traditionell ist das Kabelnetz in Europa in 8 MHz breite Kanäle unterteilt, die ein analoger TV-Kanal im PAL-Fernsehsystem benötigt. Darum spricht man auch von Euro-DOCSIS, denn in Amerika wird mit einem 6-MHz-Raster gearbeitet. In einem solchen TV-Kanal kann man aber nicht nur einen analogen TV-Sender, sondern auch mehrere digitale DVB-C-Sender sowie Internetdaten übertragen.
Diese Signale werden mit dem QAM-256-Verfahren moduliert, wobei man sowohl die Amplitude als auch die Phasenverschiebung von zwei aufeinander folgenden Sinuswellen zur Infomationsverschachtelung nutzt.
8 Bit schafft die QAM256-Modulation. Bei einer Symbolrate von 6952 Symbolen pro Sekunde ergibt das eine Datenrate von rund 55 Mbit/s pro TV-Kanal. Berücksichtigt man hier die Headerinformationen, bleiben rund 50 Mbit/s Datenrate im Downstream pro Kanal, die sich alle Kunden eines Netzsegments teilen. Meist geben Kabelprovider derzeit einen Kanal im Upstream und vier Kanäle für den Downstream frei, was 200 Mbit/s Kapazität Downstream für alle Kunden bedeutet.
DOCSIS 3.0 kann aber die Datenströme aller Kunden geschickt zwischen den Kanälen verteilen und bündeln, sodass die Kanäle bestmöglich genutzt werden. Theoretisch kann DOCSIS 3.0 eine unbegrenzte Anzahl von Kanälen nutzen, wenn sie der Kabelbetreiber denn vom TV-Programm abzwackt.
Weitere Vorteile von DOCSIS 3.0 sind durchgängige IPv6-Fähigkeit sowie Multicast für IPTV-Dienste.
Docsis 3.0 Features
Die Features von Docsis 3.0 haben es in sich. Der Kabel Internet Standard der dritten Generation unterstützt durch Kanalbündelung Uploadraten mit bis zu 120 Mbit/s und Downloadraten mit bis zu 160 Mbit/s. Weitere wichtige Features werden unterstützt und bleiben dabei nicht hinter den üppigen Downloadraten zurück. So beherrscht Docsis 3.0 unter anderem das zukünftige Internet-Protokoll Ipv6 sowie die für Video-on-Demand und VoIP bzw. VoC (Voice over Cable) wichtigen Features IP Multicasting und Quality of Service mitsamt garantierter Antwortzeiten.
Besonders die garantierten Antwortzeiten können Online Gamer erfreuen. Die als Latenz, Ping oder Signallaufzeit bezeichnete Antwortzeit soll mit Docsis 3.0 und gutem Kabelmodem auf Werte unter 18 ms gesenkt werden. Wobei selbst ein Standard Docsis 3.0 Kabelmodem keinen Grund zur Klage lässt. Der begehrte und bei DSL häufig durch Fastpath aufgemotzte Ping liegt bei Kabel Internet mit Docsis 3.0 in der Regel zumindest immer noch unter 20 ms.
Potenzial für die Zukunft
Das Ende ist damit nicht erreicht. Für die Zukunft soll mit Docsis 3.0 mehr möglich werden. Eins ist damit sicher: Kabel Internet wird den FTTH (Fibre to the Home) und FTTB (Fibre to the Building) Anschlüssen Konkurrenz machen.
Bis auf Weiteres werden die Anbieter wohl primär auf eine Kanalbündelung von 4 Kanälen setzen, um Übertragungsraten von 100 Mbit/s und mehr zu erreichen. Mit einer Kanalbündelung von 8 Kanälen sollen mit Docsis 3.0 sogar maximale Downloadraten von 400 Mbit/s erreichbar werden. Als nächster Schritt soll künftig für die Kabel Anbieter die Option bestehen, analoge TV Kanäle in digitale TV Sender umzuwandeln, um mehr Internet Bandbreite anbieten zu können. Mit dieser Maßnahme halten die Experten sogar Datenraten mit bis zu 1 Gbit/s auf Basis der Docsis 3.0 Infrastruktur für möglich.
Technische Details
Ähnlich wie bei VDSL2 kommt auch beim Kabel Internet ein Hybrid Netz zum Einsatz. Wobei für die Letzte Meile beim Kabel Netz keine Kupferdoppeladern wie bei DSL und VDSL zum Einsatz kommen, sondern das aus der Fernsehtechnik bekannte Koaxialkabel.
Häufig versorgen jedoch die Koaxialleitungen nicht nur einen Haushalt mit dem schnellen Internet, wie es hingegen beim klassischen Festnetz der Fall ist. Beim Kabel Internet werden für gewöhnlich gleich mehrere Haushalte mit einer Leitung versorgt. Es handelt sich bei Kabel Netz also nicht um eine Stern-Topologie (Sternnetz) wie beim Telefonnetz, sondern um eine Bus Topologie. Damit nun der Nachbar nicht mitlauschen kann und die eigenen Daten sicher sind, wird daher die Verbindung verschlüsselt. Auch dies beinhaltet der Docsis 3.0 Standard.
Die Daten werden bei Docsis 3.0 wie auch bei HSPA und LTE mit einer Quadraturamplitudenmodulation (QAM) moduliert. Beim Downstream kommen zum Beispiel 64 QAM oder 256 QAM zum Einsatz. Der Upload wird mit einem QPSK Verfahren moduliert. Als Kodierungsverfahren kommen S-CDMA (Synchronous Code Division Multiple Access) und TDMA (Time Division Multiple Access) zum Einsatz
Literatur
- Andres Keller: Datenübertragung im Kabelnetz (DOCSIS über Hybrid-Fibre-Coax), Springer, 10.2004, ISBN 978-3-540-22501-0
Weblinks
- zdnet: Highspeed-Internet im Kabel: 200 MBit/s mit EuroDocsis 3.0 28. Oktober 2009
- http://www.cablelabs.com/
- http://www.eurocablelabs.com/
- http://www.ietf.org/proceedings/01dec/slides/ipcdn-3/ – DOCSIS 2.0 (Präsentation)
- http://www.cablemodem.ch/cablemodeminfo/docsis2/docsis2.html – Vergleich zwischen DOCSIS 1.x und DOCSIS 2.0
- DOCSIS-Projektseite
