DOCSIS 20年发展历程

DOCSIS即将迎来20岁生日！

如今，近80%的有线住宅高速互联网市场由符合DOCSIS标准的电缆调制解调器（CM）提供支持。随着我们即将迎来DOCSIS标准的20周年，回顾这一技术的起源及其如何在美国大多数家庭的家庭互联网接入中占据主导地位，并在欧洲、日本以及全球许多其他国家得到广泛应用，具有重要意义。

故事始于多媒体电缆网络系统有限责任公司（MCNS）

一些资料将DOCSIS规范的开发归功于CableLabs，但这是错误的；尽管CableLabs在MCNS中有代表，并在规范发布后的支持活动中发挥了重要作用，但领导开发今天被称为DOCSIS 1.0技术的是MCNS而非CableLabs。MCNS是一个开创历史的组织，引领有线电视行业走到今天。MCNS是由行业创建的组织，旨在开发第一代DOCSIS规范，即如今所称的DOCSIS 1.0。MCNS作为一个联盟成立，成员包括电信公司（TCI）（TCI是当时由约翰·马龙控制的一家主要有线电视运营商，最近已被康卡斯特公司收购，现为康卡斯特公司的一部分）、时代华纳有线、考克斯和康卡斯特。

斯蒂芬·达克斯曾担任TCI的技术副总裁，同时也是MCNS的首席执行官。MCNS指导委员会的其他成员包括：时代华纳有线首席技术官詹姆斯·奇迪克斯、考克斯执行副总裁大卫·伍德罗以及康卡斯特高级副总裁马克·科布利茨。有线电视实验室总裁兼首席执行官理查德·格林、大陆公司首席技术官大卫·费洛斯以及罗杰斯有线系统首席技术官尼克·汉密尔顿‐皮尔斯作为访问参与者，为MCNS的工作做出了重要贡献。

尽管CableLabs和有线电视公司参与了DOCSIS规范的开发，但MCNS的知识产权直到1996年12月初始规范完成之后才移交给了CableLabs。

一个面向未来的标准

或许与这一市场成功同样引人注目的是，这项拥有20年历史的原始标准，从当今的版本3.0一直向后兼容至1996年原始版本1.0。尽管最初的文档是为了抢占竞争对手在新兴数字用户线路技术上的先机而加速制定的，但其制定过程恰好延迟了足够长的时间，从而得以构建一个面向未来的愿景：互联网协议（IP）将超越对延迟不敏感的网页浏览，发展以支持未来对时间敏感的服务质量（QoS）服务，例如网络电话。

此处的IP指的是互联网上使用的一整套相关协议，包括IP、传输控制协议以及许多其他相关协议。通过在1.0版本规范中设计具有前瞻性的功能和能力，支持平滑演进至如今版本3.0的“钩子”经受住了时间的考验。

在DOCSIS出现之前，有线电视运营商市场中存在多种专有的数字电话系统和高速数据解决方案。由于一些系统同时支持电话系统和数据，我们包含了两个表格：表1列出了专注于数字电话系统的系统，表2列出了专注于分组数据的系统。主要的OEM厂商包括摩托罗拉、LANcity、康姆21、Terayon和第一太平洋网络，如表1和表2所示。

摩托罗拉拥有最大数量已部署的电缆调制解调器。由于有线电视行业长期受到来自两家根深蒂固供应商的专有视频解决方案所带来的诸多弊端影响，有线多系统运营商（MSO）面临的挑战是打破这种专有模式，建立一个基于单一规范集的通用平台，并实现广泛采用。

表1. DOCSIS之前的有线电视运营商部分列表 电话系统
供应商
ADC电信
AT&T网络系统
爱立信Raynet
第一太平洋网络
通用仪器公司
摩托罗拉
NEC
北电网络
飞利浦
科学亚特兰大
Tellabs
优利系统

DOCSIS的开发与标准化

DOCSIS的开发与标准化在如此快速的上市时间、标准的复杂性以及有线电视行业此前从未支持过单一标准的情况下，显得尤为remarkable。

网络空间协作是关键

DOCSIS的开发也具有独特性，它很可能是首次利用互联网门户来促进顾问、多系统运营商以及近100家感兴趣的OEM厂商和利益相关方之间的通信。通过该门户，规范制定者与产品原始设备制造商之间实现了紧密而高效的沟通，从而切实可行。这一开发过程进而推动了一系列规范和标准的制定，使得合规硬件几乎在文档定稿的同时即可投入运行。

面对如此众多且背景各异的利益相关方，真正的挑战在于如何确立一个所有有线多系统运营商都将遵循、制造商将据此进行设计和支持的系统模型。

克服初期障碍

DOCSIS差点就没有发生。像许多好创意一样，它还没开始就差点夭折。

Terayon曾寻求与TCI合作投资，希望其专有技术能够被采纳。而这些公司的反对是可以理解的，因为他们的有线电视运营商客户推行免版税的通用标准，这与他们期望获得有利局面的愿望相悖。

采用每家公司互不兼容的专有标准的结果。

DOCSIS项目启动后，摩托罗拉曾试图通过提交一项提案，将其CM专有知识产权交由MCNS，使MCNS能够自由授权该技术，从而引导该项目的方向。摩托罗拉拥有强有力的理由：当时（1996年初），时代华纳有线已部署了超过20万台摩托罗拉CM设备。然而，MCNS认为摩托罗拉的技术未能达到DOCSIS设定的一些关键目标。

全球许多其他制造商，包括思科和索尼，对有线电视运营商支持单一标准持怀疑态度或有所保留。

尽管有许多方面支持推进DOCSIS项目，但这一进展在很大程度上归功于当时TCI的首席执行官约翰·马龙。他认识到，采用面向未来且非专有的开放标准，有助于吸引更多OEM厂商为行业开发创新硬件，并营造一个竞争性的多供应商环境，从而降低价格。

DOCSIS的影响

DOCSIS将当时的有线电视系统从单向广播视频基础设施转变为能够支持语音、数据和视频的动态双向交互式基础设施。一组新的制造商由此进入有线电视行业。风险投资随后，制造商开始销售用于该有线电视网络基础设施的系统和子系统。

有线电视服务提供商获得了监控和管理其网络的新能力。

由DOCSIS实现的高速服务质量管理的透明IP传输，最终为将语音、数据和视频的服务和独立系统整合到单一IP平台奠定了基础。这一集成平台还吸引了一批具备将有线电视带入下一代所需技能的新一代高素质人力资源。

DOCSIS技术细节

DOCSIS被设计用于双向反向路由光纤环基础设施，该基础设施与一个混合光纤同轴网络互连，而该混合光纤同轴网络正从单向传输缓慢演变为双向传输（图1）。

虽然MCNS专门专注于高速数据，但DOCSIS之外的许多组织则致力于ATM协议，认为ATM协议在语音和数据方面都是更有利的选择。而DOCSIS则以单播IP作为初始市场方案，但在DOCSIS标准中预留了可用于未来支持ATM的码点。为了进一步增强灵活性以支持广播和单播业务的混合，在下行方向的物理层（PHY）与上层IP层之间增加了MPEG传输汇聚层。在整个协议中，许多码点未定义并被保留用于未知的未来用途，从而提供了更大的灵活性。

表2. 部分前DOCSIS调制解调器列表 系统
供应商
AT&T/Intel/混合网络
ADC
康姆21
DEC
第一太平洋网络
通用仪器公司
通用仪器公司
惠普公司
LANcity
摩托罗拉
北电网络
顶点
顶点

设定挑战

来自MCNS母公司的高管们认为，由四家有线MSO组成的小型联盟在满足规范需求方面将比拥有72家会员公司的CableLabs更加灵活。最初，人们对知识产权（IPR）的所有权存在担忧，但后来确定，除非MCNS建立一种免费开放的知识产权架构，否则其余68家有线运营商将不会支持该标准，这会使OEM厂商对制造产品失去兴趣。上市时间对于MCNS的创建至关重要。为此，各方设计了一项免版税专利许可协议，解决了这一挑战：那些提交其知识产权的利益相关方将获得权利，共享其他参与者的知识产权（IPR）。

MCNS的任务是在一年内完成DOCSIS规范，从1996年1月开始，到1996年12月结束。通过网络门户通信和项目管理工具，将进行中的工作信息与原始设备制造商及组件供应商等利益相关方共享，从而使合规硬件在规范发布的同时得以展示。在此期间，MCNS与CableLabs内的有线多系统运营商成员以及感兴趣的外部利益相关方合作，共同完成了这些规范。

第一步

最初，MCNS与IEEE 802委员会会面，以确定该IEEE环境是否适合制定标准，但IEEE标准协会通常需要两年时间，并可能再延长四年。北电网络的杰克·特里领导了在IEEE 802.14下制定标准的工作，但未能满足MCNS团队完成DOCSIS规范所规定的一年时间限制。尽管如此，DOCSIS团队还是采纳了802.14工作的注记为DOCSIS规范的制定提供了有益的初步进展。

在MCNS开发流程启动之前，CableLabs最初通过发布1994年招标书来测试另一种途径，以寻求调制解调器和电话解决方案。当时希望至少有一家原始设备制造商能将其专有技术和协议开放为开放标准，供多系统运营商判断其是否为一种有吸引力的选择。然而，该招标书流程未能成功，因为它面临诸多竞争性挑战，其中最突出的是要在高度竞争的方案之间做出实际选择。

一组供应商，以及各有线多系统运营商内部高管在如何推进方面缺乏共识。

在放弃CableLabs的方法后，MCNS的管理人员决定掌控标准开发进程。1996年1月，MCNS将规范开发管理工作交由阿瑟·D·利特尔公司（ADL）承担，由斯图·利波夫领导。

ADL的合同规定其需向MCNS首席执行官斯蒂芬·达克斯以及TCI架构总监米歇尔·库斯卡汇报，并接受他们的日常指导。

鉴于安全问题可能需要更长时间来解决，因此在ADL工作并行开展的同时，还分别与SAIC和康科德网络的罗伯特·威尔逊签订了独立合同，任务是为高速数据服务开发可更新安全系统（RSS），并提出针对数字视频和语音长期支持的解决方案。

问题与挑战

DOCSIS的开发过程并非一帆风顺。在DOCSIS 1.0和1.1的早期阶段，存在若干技术争论，这些争论可能会导致无法按时达成短暂的上市时间目标。例如，一个主要的争议话题是选择交换机还是基于路由器的调制解调器终端系统（CMTS）[2]。思科系统公司和CADANT（现为ARRIS）提出的精心论证成功地打破了这一僵局。

远程站点安全（RSS）的复杂性使得所期望的灵活可再生安全机制无法及时完成规范制定。为了实现规范开发的一年目标，决定先以一种基础且轻量版本的安全机制进入市场，并在未来添加下一代安全机制。

尽管人们认识到有线电视运营商市场的短期需求是高速数据，但在设计DOCSIS协议时，一个重要考虑因素是兼顾未来的语音和数字视频；为所需未来的服务质量预留钩子在一定程度上延迟了项目进度。

另一个挑战在于确定是由CMTS还是CM发起会话，这虽然是一个小问题，但芯片制造商在该规范完全定义之前便已开始进行设计和生产。此外，在1996年期间还有一个不容忽视的因素，即有线电视运营商正在从单向系统向双向系统过渡，而双向系统是数据和语音等交互式应用的必要条件。

DOCSIS包含了一个可选的拨号电话回传接口，以帮助尚未实现双向系统的运营商。

众多部分的总和

马克·劳巴赫当时就职于康姆21，现任职于博通，他对有线电视网络设施中噪声较大的上行信道部分进行了深入研究。这一理解对于设计上行物理层和高层协议层以在非理想信道中实现最高可靠性至关重要。DOCSIS标准并非单一规范，而是实际上是一系列规范，如图2所示。

图2中的每个接口都有一个独立的规范文档。端到端目标是在公共互联网和最终用户之间提供一个IP透明通道，使中间的DOCSIS协议复杂性对最终用户不可见。

所谓的“射频接口（RFI）”规范最为复杂，因为它涵盖了从前端CMTS到用户驻地CM之间的有线混合光纤同轴网络上，OSI模型各层从PHY到应用层的全部内容。由于项目的主要目标是实现低风险快速上市，因此决定在OSI模型的每一层都采用业界领先且广泛可用的技术。

当然，有必要根据需要调整和优化现有技术，并添加所需的集成模块，以将技术的各个部分紧密结合起来。简而言之，PHY技术由通用仪器公司（GI）（后并入摩托罗拉，现为ARRIS）提供，链路层技术则基于LanCity（后并入Bay Networks公司）提供的核心MAC协议。RFI工作由MCNS选定的一小群厂商作者开展，并由ADL的罗杰·海协调。通用仪器公司团队包括史蒂文·安德森、汤姆·科尔泽、侯维克和克莱夫·霍尔伯勒，而LanCity团队则包括约翰·厄尔姆、大卫·翁格尔、威尔逊·索耶和杰里·怀特。博通的托马斯·奎格利与所有厂商作者协作，推动技术选择向最有利于低成本硅器件及时供应的方向发展。

为符合低风险、快速上市时间的目标，下行PHY采用了国际电信联盟J.83B有线电视数字视频规范。上行物理层技术则基于通用仪器公司用于按次付费视频信号的技术基础，但经过高度修改和可配置，使其适用于高速数据。

以类似的方式，LANcity链路层和MAC协议是对市场上专有的LANcity CM产品进行修改后的版本，但经过调整以支持集中管理的电缆调制解调器系统。同时还增加了钩子和额外的码点，使该标准能够面向未来，适应尚未出现的技术演进。LANcity MAC协议的吸引力在于它是一种混合型协议，结合了争用和预留机制，允许供应商在标准框架内进行厂商创新，开发专有调度算法，以优化整体系统性能和容量。

成长的烦恼

DOCSIS经历了成长的阵痛，DOCSIS 1.0很快被修订为DOCSIS 1.1，以增加服务质量（QoS）和更高速度的物理层选项；然而，在制造商获得CableLabs认证和资格认证之前，共进行了七轮认证。这给制造商带来了问题，因为有线运营商在产品完成认证和资格认证之前不会采购基于DOCSIS 1.1规范的产品。在DOCSIS 1.1阶段，该规范包含了第二层桥接以及基于第三层路由的结构，最终这两种功能都被纳入，相关工作由CADANT主导，而CADANT后来成为ARRIS的一部分。

DOCSIS规范的另一个组成部分是由康科德网络的罗伯特·威尔逊开发的远程站点安全（RSS）。早期版本的RSS安全机制在实施上被证明复杂且成本高昂，因此采用了一个轻量版。RSS开发的预期目标是建立一个能够支持语音、数据和视频的安全系统。

但机顶盒和数据工作的分歧导致了各方的不接受。而且安全组件的实际开发成本甚至超过了DOCSIS规范本身。

1996年9月，当DOCSIS技术团队发现原定一年内完成规范存在障碍时，出现了一个重大挑战。MCNS执行团队采取措施解决了导致延迟的主要原因，并制定了确保在1996年12月完成的行动方案。

这一挑战通过设计一项免版税专利许可协议得以解决，根据该协议，那些提交其知识产权的利益相关方将获得共享其他参与者知识产权权利的权利。

商业部署

MCNS管理团队的最初目标是至少拥有两家CMTS和三家调制解调器制造商。考虑到许多制造商对有线电视行业坚持并支持基于标准解决方案的决心持怀疑态度，这一目标颇具雄心，尤其是思科和索尼。MCNS执行团队在全球范围内与超过37家制造商会面，以确保他们承诺支持相关规范和标准。

两年内，DOCSIS拥有15家CMTS制造商和75家CM制造商。后来，有线电视行业出现了整合，但这对有线电视行业而言是一次巨大的成功。到1996年底，共有95家MCNS供应商参与了DOCSIS进程。

1996年底，MCNS将DOCSIS的知识产权以及未来CM标准的持续维护和支持责任移交给了CableLabs。CableLabs成立了一个由有线多系统运营商成员组成的认证委员会，负责监督CMTS平台的资格认证以及电缆调制解调器的认证。

有线多系统运营商要求DOCSIS设备必须经过资格认证或获得认证后方可采购并在其网络中部署。CableLabs认证委员会由有线多系统运营商的高管组成，负责根据规范审查CM和CMTS制造商的产品。测试套件是一系列确保产品符合规范要求的测试。如果CM或CMTS制造商未获得认证，则有线运营商不太可能在其网络基础设施中采购该产品用于商业部署。

走向全球

另一个重要里程碑是DOCSIS标准获得国际认可。在完成美国规范后的两年内，DOCSIS被国际电信联盟实现标准化。在此期间，理查德·格林博士担任国际电信联盟第9研究组主席，J.112附录B在该研究组获得批准。为了使美国版本的标准获得正式的美国国家标准学会designation，所有版本的DOCSIS规范都被提交至有线电视工程师协会进行标准化，因为该协会已获得美国国家标准学会认可作为标准制定机构。

国际标准制定过程如图3所示，展示了来自供应商的贡献最初如何通过MCNS，再经由CableLabs，逐级向上传递，最终由国际电信联盟采纳并发布。

推动行业向前发展

在1997年期间，约翰·钱伯斯和思科系统公司邀请了有线电视行业的多位首席技术官会面，讨论遵守标准的必要性。此次会议旨在重申有线电视行业必须支持DOCSIS规范，不得偏离。这对于留住行业内的制造商以及支持该平台的产品至关重要。

组织@Home成立的目的是管理和开发支持新数据的国家基础设施，与TCI.net等集团协同合作，为各个有线多系统运营商提供数据业务。威廉·赫斯特担任@Home的代理首席执行官，米洛媒体担任首席技术官。后来，@Home与Excite合并成为Excite@Home。

最终，有线多系统运营商建立了自己的基础设施，实际上不再需要Excite@Home。视频领域早期也出现了类似情况，科学亚特兰大曾作为系统集成商负责在有线电视物业部署卫星天线，但后期由有线电视运营商自行承担了部署工作。

在完成DOCSIS 1.0后，规范已最终确定，调制解调器和CMTS制造商已向有线电视行业交付了经过认证和合格的产品；随后讨论转向了对规范的修订，被称为DOCSIS 1.1。当有线多系统运营商决定等待功能更丰富的DOCSIS 1.1规范时，出现了一个重大挑战。经过七次“认证波次”后，才出现了经过认证和合格的系统。尽管这些延迟对有线电视行业和制造商构成了挑战，但进入高速数据有线市场的初创企业真正面临了财务困难，在完成销售之前需要进行额外的融资轮次。

有线多系统运营商在电缆调制解调器和CMTS产品经历了漫长的上市延迟后部署了DOCSIS 1.1，但不久之后，CableLabs便开始着手将DOCSIS修订至DOCSIS 2.0，其主要目标是提升PHY性能。这引发了支持TDMA与S‐CDMA两方之间的重大争论。最终作为妥协，DOCSIS 2.0同时包含了一个增强型TDMA PHY以及一个基于S‐CDMA的可选高级PHY。Terayon是S‐CDMA的倡导者，但由于多种原因，S‐CDMA调制未能成为主流技术。

幸运的是，博通提供了及时上市的符合DOCSIS 2.0的芯片，推动了DOCSIS 2.0调制解调器的广泛采用。随着CableLabs启动下一代DOCSIS规范的开发，以实现更高的带宽能力以及新的功能和特性，进一步的挑战也随之出现。

不久之后，在有线电视运营商寻求更高带宽和更多功能的推动下，CableLabs开始了DOCSIS 3.0的研发工作。每一代规范在复杂性上都比前一代固有地增加。生产符合DOCSIS规范的产品的初始成本随着每一新系列规范的推出而上升。然而，随着产量的增加，如今DOCSIS 3.0电缆调制解调器的成本已与第一代DOCSIS 1.0设备相当。此外，向后兼容性也已实现，即任何一代的电缆调制解调器都可以自动适应并在符合DOCSIS规范的MSO系统上运行。

欧洲曾考虑在北美采用数字视频广播（DVB）作为高速数据解决方案，但DOCSIS的先发优势及其被有线电视行业的广泛采用，使得北美DVB的发展机会基本落空。

未来机遇

DOCSIS使有线电视行业能够与电信运营商竞争，并在数据传输以及最终的语音和数字视频服务的市场份额上超越了后者。在2000年CableLabs的一次会议上，贝尔通信研究公司的鲍勃·拉ucky表示：“如果没有DOCSIS，DSL将因成本高昂和复杂性而缓慢消亡，但竞争迫使贝尔运营公司采用了该技术，尽管直到今天他们仍然没有一个统一的DSL标准。” 最初，DOCSIS主要关注住宅市场的数据业务，但随着PacketCable规范对DOCSIS的电话系统功能进行增强，有线多系统运营商已成功进入中小企业市场。如今，有线电视运营商routinely有效地与电信运营商在中小企业客户领域展开竞争。

自1999年以来，已开始考虑通过DOCSIS支持语音、数据和数字视频的未来发展方向。该方法可扩展至基于IP的语音、数据和数字视频传输。1997年，语音、数据和视频通过五类交换机、CMTS以及模拟和数字前端实现支持。这些独立系统由专门的人力资源团队和完全分离的业务部门负责运营。随着模拟视频向数字视频、数据和语音的全面融合，并统一到单一IP平台，有线电视运营商能够消除各个独立系统，整合业务孤岛，并将人力资源集中到通用平台上。

康卡斯特和基普·康普顿在修订DOCSIS规范以分离MAC和PHY从而降低成本方面发挥了关键作用。全频带捕获的新发展已将DOCSIS的频谱从最初的6兆赫兹扩展至1吉赫兹。

如果存在错失的机遇，那就是延迟了将基于分组电缆的VoIP集成到DOCSIS中，从而未能及时将语音、数据和数字视频整合到单一平台。在2000年至2001年期间，有线电视行业错失了推出分组电缆并给电信运营商带来重大压力的机会。虽然随着分组电缆的后期开发，语音、数据和数字视频最终实现了整合，但这也导致客户终端设备未能及时集成到单一平台，从而延缓了成本和复杂性的快速降低。尽管基于DOCSIS的分组电缆技术在推出基于分组电缆的VoIP方面入市较晚，但多系统运营商如今已成为住宅和商业客户语音市场领域的重要力量。

结论

DOCSIS真正将有线电视从单向广播视频基础设施转变为支持语音、数据和视频的动态双向交互式基础设施。一组新的制造商由此进入有线电视行业的可选范围。风险投资紧随其后，制造商开始向有线电视网络基础设施销售系统和子系统。有线电视公司获得了监控和管理其网络的新能力。

DOCSIS最终将提供一种架构，将语音、数据和视频的服务与独立系统整合到单一的IP平台之上。此外，这一集成平台要求有线电视行业扩展其工程技术人员的技术专长范围，使其具备推动有线电视进入下一代所需的技术能力。

我们努力的成果是一项新标准，它通过一个共享的技术平台为产业服务，并使消费者和市场受益，该平台可作为新产品和服务的基础。

DOCSIS永久地改变了有线电视行业的格局。如今，有线多系统运营商在国际市场上与电信运营商竞争语音、高速数据和数字视频领域的住宅和商业业务。已有超过1.4亿台电缆调制解调器部署符合DOCSIS规范。尽管许多有线电视公司的名称因并购而改变，但DOCSIS仍然是高速数据、语音以及最终数字视频的行业标准。

TCI被AT&T宽带收购。康卡斯特收购了AT&T宽带和MediaOne。美国西部公司曾收购大陆公司和猎鹰公司，并将这些有线电视物业命名为MediaOne，随后将其作为独立实体剥离。目前，时代华纳正在被康卡斯特收购的过程中。考克斯仍是一家独立且蓬勃发展的有线电视运营商MSO。

由于并购，CableLabs的会员公司数量有所减少，但它仍然是有线电视行业应用研究与开发的实体，尽管康卡斯特拥有自己的实验室，专注于提升向住宅用户和商业客户交付语音、数据和视频的服务。CableLabs正在对DOCSIS进行再次修订，推出3.1版本。

到1996年12月DOCSIS 1.0项目结束时，我们已向95家签署参与协议的OEM厂商和利益相关方提供了网站访问凭证。所有这些供应商均审阅了进行中的文档，许多供应商还提交了技术贡献以供考虑纳入规范，大多数参与者都提供了富有见地的意见和建议修改，对我们帮助很大。

回顾从1996年至今DOCSIS的发展历程，有线电视行业及其消费电子合作伙伴可以为他们在竞争激烈的电信领域中创建新的业务支柱所付出的努力感到自豪。