Cable access network, DOCSIS

Cable Access Network란

케이블 액세스 네트워크는 원래 TV 방송용으로 설치된 케이블 인프라를 인터넷 접속에 활용하는 방식이다. 1990년대 후반부터 케이블 TV 사업자들이 기존 동축 케이블망을 통해 인터넷 서비스를 제공하기 시작했다.

케이블 네트워크의 핵심 특징은 공유 매체(shared medium)라는 점이다. 하나의 케이블이 여러 가구를 연결하고, 모든 가입자가 동일한 대역폭을 나눠 쓴다. 이 구조는 DSL과 대비된다. DSL은 각 가정이 전화국까지 전용선으로 연결되는 반면, 케이블은 이웃들과 대역폭을 공유한다.

HFC 아키텍처

케이블 인터넷은 HFC(Hybrid Fiber Coax) 아키텍처를 사용한다. 이름 그대로 광섬유(Fiber)와 동축 케이블(Coax)을 혼합한 구조다.

헤드엔드(head end)에서 동네 근처의 광 노드(fiber node)까지는 광섬유로 연결된다. 광섬유 구간은 수십 km에 달할 수 있으며, 대역폭이 매우 넓고 신호 손실이 적다. 광 노드에서 각 가정까지는 기존 동축 케이블을 사용한다. 동축 케이블 구간은 보통 수백 미터에서 1~2km 정도다.

이 구조가 선택된 이유는 비용과 성능의 균형 때문이다. 모든 가정까지 광섬유를 설치하면(FTTH) 성능은 좋지만 비용이 많이 든다. 반면 기존 동축 케이블 인프라를 재활용하면 적은 투자로 빠르게 인터넷 서비스를 확장할 수 있다.

DOCSIS

DOCSIS(Data Over Cable Service Interface Specification)는 케이블 네트워크에서 데이터 통신을 위한 국제 표준이다. 케이블 모뎀과 케이블 사업자의 CMTS(Cable Modem Termination System) 간의 통신 방식을 정의한다.

다운스트림과 업스트림

케이블 네트워크는 비대칭 구조를 갖는다.

다운스트림(downstream)은 헤드엔드에서 가입자 방향으로의 통신이다. 주파수 대역은 50MHz~1GHz를 사용하며, FDM(Frequency Division Multiplexing) 방식으로 여러 채널을 동시에 전송한다. TV 방송, 인터넷 데이터, VoIP 등이 서로 다른 주파수 대역을 사용해 동시에 전달된다.

업스트림(upstream)은 가입자에서 헤드엔드 방향의 통신이다. 주파수 대역은 5~42MHz로 다운스트림보다 좁다. 여러 가입자가 같은 채널을 공유하기 때문에 충돌이 발생할 수 있다. 이를 해결하기 위해 TDMA(Time Division Multiple Access) 방식을 사용한다. CMTS가 각 케이블 모뎀에게 전송 시간 슬롯을 할당하여 충돌을 방지한다.

DOCSIS 버전별 발전

DOCSIS는 여러 버전을 거치며 속도가 크게 향상되었다.

DOCSIS 1.0(1997)은 다운스트림 40Mbps, 업스트림 10Mbps를 지원했다. DOCSIS 2.0(2002)은 업스트림 속도를 30Mbps로 개선했다. DOCSIS 3.0(2006)은 채널 본딩(channel bonding)을 도입해 다운스트림 1Gbps, 업스트림 200Mbps까지 가능해졌다. DOCSIS 3.1(2013)은 OFDM 변조 방식을 도입해 다운스트림 10Gbps, 업스트림 1~2Gbps를 지원한다.

채널 본딩은 여러 개의 주파수 채널을 묶어서 하나의 논리적 채널처럼 사용하는 기술이다. 예를 들어 8개의 다운스트림 채널을 묶으면 단일 채널 대비 8배의 대역폭을 확보할 수 있다.

케이블 vs DSL

케이블과 DSL은 각각 장단점이 있다.

케이블은 이론적 최대 속도가 더 높다. 하지만 이웃과 대역폭을 공유하기 때문에 피크 시간대(저녁 시간)에 속도가 저하될 수 있다. DSL은 전용선이라 속도가 일정하지만, 전화국과의 거리에 따라 성능이 크게 달라진다.

현재는 두 기술 모두 광섬유(FTTH)로 대체되는 추세다. 하지만 광섬유 인프라가 갖춰지지 않은 지역에서는 여전히 케이블이나 DSL이 주요 인터넷 접속 수단으로 사용된다.