Definition Was ist DOCSIS?

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DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification) ist ein 1997 von CableLabs entwickelter Standard zur Übertragung von Daten in Breitbandkabelnetzen. Er definiert die Anforderungen an die OSI-Schichten eins und zwei. Seit der Version DOCSIS 1.0 aus dem Jahr 1997 wurden überarbeitete und in ihren Eigenschaften verbesserte DOCSIS-Versionen 2.0, 3.0, 3.1 und 4.0 veröffentlicht. Die maximal möglichen Bandbreiten im Up- und Download sind mit jeder neuen Version gestiegen.

Die Abkürzung DOCSIS steht für Data Over Cable Service Interface Specification. Es handelt sich um einen im Jahr 1997 von CableLabs und weiteren Firmen entwickelten Standard zur Übertragung von Daten in Breitbandkabelnetzen, wie die in vielen Ländern vorhandenen Fernseh-Koaxialkabelnetze.

Inhalte der DOCSIS-Standards sind die Spezifikationen für die Schnittstellen und Kabelmodems der OSI-Schichten eins und zwei. Im Jahr 1998 ratifizierte die ITU den Standard als ITU-T Recommendation. Seit der Veröffentlichung der ersten Version DOCSIS 1.0 im Jahr 1997 wurde der Standard kontinuierlich überarbeitet und in seinen Eigenschaften und Leistungsmerkmalen verbessert. Die Versionen DOCSIS 2.0, 3.0, 3.1 und 4.0 steigerten die maximal möglichen Übertragungsraten im Up- und Download stetig. Zudem kamen Leistungsmerkmale wie Quality of Service (QoS), Kompatibilität mit IPv6 oder die flexible Kanalbündelung hinzu.

Da weltweit und in Europa unterschiedliche analoge Fernsehsysteme mit verschiedenen Frequenzbereichen wie das PAL- oder das NTSC-System genutzt wurden, gab es bis zur Version DOCSIS 3.0 eine Unterscheidung zwischen DOCSIS und EuroDOCSIS. Mit der Digitalisierung der Fernsehsysteme und der Einführung von DOCSIS 3.1 ist diese Unterscheidung nicht mehr notwendig.

DOCSIS macht aus den unidirektionalen Fernsehkabelnetzen ein bidirektionales, breitbandiges Datenübertragungssystem. Aktuelle Versionen des Standards erreichen Datenübertragungsraten im Gigabitbereich. Aufgrund der Verwendung von Koaxialkabeln lassen sich größere Reichweiten als beispielsweise mit den Kupferdoppeladern der Telefon- und DSL-Anschlüsse realisieren. In vielen Ländern sind Internetzugänge auf Basis von DOCSIS und Kabelnetzen weit verbreitet.

Im Gegensatz zu DSL-Anschlüssen handelt es sich bei einem Kabelnetz um ein Shared Medium, dessen Bandbreite sich alle Teilnehmer einer Kabelkopfstelle (Cable Modem Termination System - CMTS) teilen. Es sind Sicherheitsmechanismen vorzusehen, die das unberechtigte Mitlesen der auf dem Kabel übertragenen Daten verhindern. Übertragungstechnisch nutzt DOCSIS eine Kombination aus Zeit- und Frequenzmultiplexverfahren.

Die grundlegende Technik von DOCSIS

Im OSI-Schichtenmodell sind die DOCSIS-Spezifikationen auf den Schichten eins und zwei angesiedelt. Auf diesen Schichten sind abhängig von der Version der Spezifikation bestimmte Übertragungsbandbreiten, Modulationsverfahren und Multiplexverfahren definiert. Eingesetzte Verfahren sind beispielsweise die Quadraturamplitudenmodulation (QAM) oder die Quadraturphasenumtastung (QPSK).

Die beiden wesentlichen Architekturkomponenten von DOCSIS sind das Kabelmodem auf der Kundenseite und die Kabelkopfstelle (Cable Modem Termination System - CMTS) auf der Anbieterseite. Die empfangenen oder gesendeten Daten werden über das Koaxialkabel, ein Shared Medium, auf unterschiedlichen Frequenzen zwischen der Kabelkopfstelle und dem Kabelmodem übertragen. Mit einer CMTS ist eine Vielzahl Kabelmodems verbunden. Die Kabelkopfstelle ist auf der Netzseite mit dem IP-Backbone des Anbieters und dem Internet verbunden.

Der DOCSIS-Standard definiert einen MAC-Layer (Media Access Control Layer), über den der Betreiber des Kabelnetzes auch Dienste konfigurieren, Bandbreiten einstellen und Modems warten kann. Aufgrund des Shared-Medium-Charakters findet auf dem MAC-Layer eine Verschlüsselung der Daten statt, die ein unbefugtes Mitlesen der Datenströme zu den einzelnen Kabelmodems und eine Gefährdung der Privatsphäre der Kundenanschlüsse verhindert.

An das Kabelmodem sind auf der Kundenseite die kommunizierenden Endgeräte wie Computer, Tablets, Smartphones oder Telefone angeschlossen. Der auf dem Kabelnetz verwendete Frequenzbereich war in DOCSIS 1.0 ursprünglich auf die Frequenzen zwischen 50 MHz bis 862 MHz festgelegt. Neuere Versionen des Standards nutzen ein erweitertes Frequenzspektrum von bis zu 1,8 GHz.

DOCSIS und EuroDOCSIS

Historisch bedingt waren weltweit verschiedene analoge Fernsehsysteme mit unterschiedlichen Eigenschaften und Frequenzbereichen wie das PAL- und das NTSC-Fernsehsystem im Einsatz. In Europa war PAL das vorherrschende System. Während NTSC die Bandbreite für einen Kanal auf sechs Megahertz festlegt, beträgt die Kanalbandbreite bei PAL acht Megahertz. Aufgrund dieses Unterschieds wurde speziell für den europäischen Markt eine angepasste DOCSIS-Variante mit dem Namen EuroDOCSIS definiert. EuroDOCSIS erlaubt je Kanal zwar eine größere Datenrate, die Gesamtdatenrate ist jedoch gleich. Die jeweiligen Datenraten sind über die Zusammenschaltung einer unterschiedlichen Anzahl an Kanälen realisiert. Mit der Digitalisierung der Fernsehsysteme und der Einführung von DOCSIS 3.1 ist eine Unterscheidung zwischen DOCSIS und EuroDOCSIS nicht mehr notwendig.

Die wichtigsten Merkmale der verschiedenen DOCSIS-Generationen

Im Folgenden ein Überblick über die wichtigsten Leistungsmerkmale der verschiedenen DOCSIS-Generationen. Auf eine Unterscheidung zwischen DOCSIS und EuroDOCSIS wird in dieser Übersicht verzichtet:

DOCSIS 1.0 wurde 1997 spezifiziert und erzielt einen Datendurchsatz von circa 40 bis 50 Mbit/s im Download und 10 Mbit/s im Upload. Der auf dem Kabelnetzwerk verwendete Frequenzbereich liegt zwischen 50 MHz und 862 MHz.

DOCSIS 2.0 erschien im Jahr 2002 und steigerte die maximal mögliche Datenrate im Upload auf 30 Mbit/s. Der unterstützte Frequenzbereich liegt zwischen 88 MHz bis 860 MHz im Downstream und 30 MHz bis 42 MHz im Upstream. Welcher Kanal zwischen der Kopfstelle und dem Kabelmodem genutzt wird, wird während der Synchronisation des Modems festgelegt.

DOCSIS 3.0 wurde 2006 verabschiedet. Durch die Bündelung von bis zu 32 Kanälen und die Verwendung des Modulationsverfahrens 256-QAM sind im Download Datenraten von circa 1,2 bis 1,6 Gbit/s erreichbar. Im Upload werden bis zu acht Kanäle gebündelt und Datenraten bis circa 200 Mbit/s erreicht. Das genutzte Frequenzspektrum liegt im Download zwischen 108 und 1002 MHz und im Upload zwischen 30 und 85 MHz. Die Verteilung der Daten auf die verfügbaren Kanäle ist nicht mehr fest, sondern dynamisch. IPv6 wird von DOCSIS 3.0 unterstützt. Dank Abwärtskompatibilität mit DOCSIS 2.0 lassen sich beide Versionen parallel im Kabelnetz betreiben.

DOCSIS 3.1 wurde 2013 veröffentlicht. Die verbesserte Version des Standards erreicht durch Verwendung von 4096-QAM, OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) und die flexible Zusammenfassung unterschiedlich breiter Träger im Downstream Datenraten von bis zu zehn Gbit/s und im Upstream von bis zwei Gbit/s. Als Fehlerkorrekturverfahren kommt LDPC (Low Density Parity Check) zum Einsatz. Durch die Abschaltung der analogen TV-Kanäle ist das komplette Frequenzspektrum neu organisiert. Das unterstützte Frequenzspektrum reicht im Downstream bis 1,8 GHz und im Upstream von 5 bis 204 MHz. Eine Unterscheidung zwischen DOCSIS und EuroDOCSIS findet nicht mehr statt. DOCSIS 3.0 und 3.1 lassen sich gleichzeitig in einem Kabelnetz betreiben.

DOCSIS 4.0 wurde 2020 veröffentlicht und ist aus dem 2017 erschienenen DOCSIS 3.1 Full-Duplex hervorgegangen. Ein wesentliches Merkmal von DOCSIS 4.0 ist, dass die erreichbaren Datenraten im Up- und Download ähnlich (symmetrisch) sind. Die erreichbaren Datenraten liegen circa bei zehn GBit/s im Downstream und sechs GBit/s im Upstream. Ein weiteres Leistungsmerkmal von DOCSIS 4.0 ist eine sehr niedrige Latenzzeit im Bereich von nur einer Millisekunde.

Bandbreite- und Sicherheitsaspekte im Shared-Medium-Kabelnetz

Da es sich bei den Kabelnetzen um ein Shared Medium handelt, ist der Datenverkehr jedes Teilnehmers eines Kabelstrangs prinzipiell für alle anderen sichtbar. Die vorhandene Bandbreite des Kabels müssen sich die verschiedenen Nutzer teilen. Zu Stoßzeiten kann es abhängig vom Überbuchungsfaktor zu Bandbreiteengpässen für die Teilnehmer eines Kabelstrangs kommen. Damit fremder Datenverkehr nicht unbefugt mitgelesen werden kann, findet auf dem MAC-Layer zwischen Kabelmodem und CMTS eine Verschlüsselung der Daten statt. In der Regel basiert die Verschlüsselung auf einem für die MAC-Adresse des Kabelmodems ausgestellten Zertifikat. So ist es nur dem jeweiligen Adressaten möglich, die Daten zu entschlüsseln.

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