CATVによるIPv6サービスとDOCSIS3.0

2010/3/10-2

先日、IPv6テストベッドにお邪魔ときに、イッツ・コミュニケーションズ株式会社(以下イッツコム)の芦田氏にCATV網によるIPv6対応とDOCSIS3.0について伺いました。 10.0.0.0/8枯渇問題に伴ってIPv6がDOCSIS3.0に追加された話や、CATV網内で大量にIPアドレスが必要となる理由が良くわかりました。

日本国内においてNTT NGNよりも先にIPv6サービスが開始しそうな、CATVインターネットですが、CATVサービスでのIPv6コネクティビティ提供にはDOCSIS3.0が必要です。 IPv4アドレス枯渇とIPv6移行の話題で良く登場するDOCSIS3.0ですが、私はその内容やCATV網に関して知らなかったので色々と教えて頂けて非常に有意義でした。

以下、インタービュー内容です。芦田様、ありがとうございました！

Q: DOCSIS3.0に関して教えて下さい

DOCSIS3.0は、規格として既に固まっています。対応している製品が出てきたのが２年前ぐらいからですね。

現時点では、もう製品が世に出始めています。製品版ではなく、試験版という状態のものもあります。たとえば、メーカがエンドユーザは嫌だけど、オペレータには試してもらえるという状態の製品もあります。

オペレータは、試験版の端末モデムなどを実際に試してみつつ、お客様に提供するときにどのような問題が発生する可能性があるのかなどを調査しています。

イッツコムさんでDOCSIS3.0を導入したのはいつからですか？

イッツコムでも2008年からDOCSIS3.0対応のモデムを導入しはじめています。

しかし、これはIPv6のためではなく、高速サービス提供のためです。 DOCSIS2.0は上りの拡張や信頼性などのQoSを中心に仕様策定が行われましたが、DOCSIS3.0では高速化が大きな要素のひとつでした。

この高速化ですが、DOCSIS3.0にはリンクアグリゲーションと同じような感じで複数のチャネルを束ねる技術が採用されています。 IPv6に関しては「規格が2006年リリースならばIPv6も不可欠だよね」という感じで、高速化に付随する形でした。

さらに、DOCSIS3.0のIPv6対応はIPv4アドレス枯渇問題への対応が必ずしも主眼ではありませんでした。どちらかというと、ケーブルモデムのマネジメントに利用されるIPv4アドレスが枯渇するという問題にフォーカスがあたっていました。 CATVネットワーク内では、ケーブルモデムマネジメントにRFC1918で規定されている10.0.0.0/8のプライベートアドレスを使っていたのですが、たとえばインターネットアクセスだけで約1600万家庭と契約しているComcastさん(*)や、日本最大のCATV事業者であるJ:COMさんのように数百万～数千万規模になると、CATV網内で10.0.0.0/8が枯渇してしまうという問題が発生します。この10.0.0.0/8枯渇問題に対応するためにIPv6を使いたいという意識が強かったと言えます。

さらに、「モデムマネジメントにIPv6を利用できるのであればCPE(Customer Premises Equipment)にもIPv6を使えるでしょ」という形でIPv6をDOCSIS3.0に加えるというモチベーションがありました。

(*) Comcast Press Room - Corporate Overview

Q: そもそも何故モデムに対して通信する必要があるのでしょうか？

DOCSISの規格は策定当時に製品化されていた幾つかの独自仕様のケーブルモデムモデムシステムが母体になっています。モデムにIPアドレスを付与して管理に使う考え方はLANcityなどのモデムシステムから受け継いだものです。モデム自体にインテリジェンスを持たせてセンタ装置を簡便にすることと、管理にはDHCP,TFTP,SNMPをはじめとするIP上の汎用プロトコルを使用することで全体のコストを抑制する狙いがあります。

余談ですが、LANcityの時代はモデムへのIPアドレス割り当てにBOOTPが使われていました。 DOCSISではDHCPが使われます。

また、モデムの起動時にコンフィグファイルをTFTPでダウンロードさせることで最大転送速度やフィルタなどのモデム個別の設定を行います。昔色々あった、ディスクレスクライアントと同じような動きをしているとも言えます。

Q: ということはDOCSIS2.0から3.0へのソフト的なアップデートも出来ちゃうんですか？

DOCSIS2.0から3.0へのアップデートには高速化のためのハードウェア変更という要素があるので、ソフトウェアだけをアップデートというのは難しいかも知れないですね。

ケーブルテレビという媒体を使う関係上搬送波一つあたりのチャンネル幅は(北米や日本の場合)6MHzと決まっていて、この搬送波一つあたり42Mbpsの容量を設定することができます。

DOCSIS3.0はチャネルボンディングと呼ばれる手法を使って高速化を実現しています。これは複数の搬送波を使って同時に伝送することで高速化します。冒頭に少しお話が出ましたが、誤解を恐れずに言えばリンクアグリゲーションやWDMと同じ考え方です。

DOCSIS2.0では一部メーカが独自に拡張してそのような機能を実現していましたが、DOCSIS3.0ではチャネルボンディングが標準化されました。今現在多く製品化されているのは4チャンネルボンディングですが、8チャンネルに対応した製品もいくつかあります。

チャネルボンディングを実現するためには、端末モデム側に複数の搬送波を同時に変復調するためのマルチチューナが必要となります。そのため、DOCSIS2.0から3.0へのアップグレードにはハードウェア的な変更点が多くなります。

ただ、DOCSIS2.0以前のモデムはこれまでに膨大な数が接続されていて、IPv6のためにこれらを全てリプレースするのは不経済です。そこでDOCSIS2.0モデムでIPv6を利用するための規格が DOCSIS2.0 + IPv6 Cable Modem Specification としてCableLabsよりリリースされており、一部機種のDOCSIS2.0モデムはソフトウェアをアップグレードすることで対応することができます。

参考: DOCSIS Specifications : DOCSIS2.0 Interface（DOCSIS2.0仕様書）

Q: 何故そんなにIPv4アドレスが必要なのでしょうか？ディスクレスクライアントであることとIPv4アドレスが多く必要なのは直接関係なさそうに思えるのですが？

CATV事業者が実施する各サービス毎にIPアドレスが必要になるからです。

たとえば、インターネット接続サービス用のCPEにIPアドレスが一つ必要になりますが、そのお客様のご家庭にIP電話サービスがあればVoIP用にもIPアドレスが必要になります。 IP電話サービスをつけるようになってから、IPアドレスの消費が一気に増えた感はありますね。

当社ではデジタル放送サービス用にパナソニック社製のSTB(Set Top Box,セットトップボックス)を採用していますが、一部の機種にはアクトビラを使ったりVoD機能を使うためにモデムが内蔵されています。

お客様がインターネット接続サービス、IP電話、VoD対応の多チャンネルサービス(いわゆるトリプルプレイサービス)をご利用であれば、その家庭に対して3個のグローバルIPv4アドレスと3個のプライベートIPv4アドレス(10.0.0.0/8)が割り当てられていることになります。

これも余談かもしれませんが、VoDでは再生や早送りなどの制御にIPを使っていても、映像そのものは多チャンネル放送と同様トランスポートストリームを使っています。

Q: わかりました！ということは自分の家にあるIP電話とSTBの関係は、自分の家にあるIP電話と隣の家にあるSTBとの関係と同じということですね！

はい。乱暴いえばそのとおりです。ホームゲートウェイとして一つの端末の配下に全てのサービスを統合するのではなく、現在はサービス毎に独立した端末が接続されます。

というのはケーブルテレビが元々共同視聴用のメディアですので、家庭内にある複数テレビと隣の家のテレビが幹線上で区別できないため、STBやモデムなど端末上のIDを使ってプロビジョニングすることで区別しているためです。

Q: ComcastのAlain Durand氏がDual-StackLiteを提案した背景は、こういう構造にあったのですね！

そのとおりです。 Dual-stack liteが出てきたのは

MSOのような大規模のネットワークでは、10.0.0.0/8でも新しい空間を定義しても端末に個別のIPv4アドレスを割り当てるのは非常に困難である
センタ装置や端末はMSOの管理化にある

という背景があります。 CPEにはIPv6アドレスを割り当ててて網内の伝送を全てIPv6で行い、IPv4をCPE-コンセントレータ間のソフトワイヤとNATで共有するというのは技術的に理にかなった形態です。

いっぽう、ケーブルモデムそのものはネットワーク上ではラーニングブリッジすなわちL2スイッチと同じデバイスですので、ネイティブデュアルスタックにすることもDual-stack lite風にIPv6だけを割り当てることもできます。

Comcastからも、Dual-stack liteだけではなく6RDやnative Dual Stackでのトライアルを行うことが表明されています。(http://www.comcast6.net/)

Q: インターネット接続サービスのときの構成がわからなくなってきました。。。ユーザに渡されるIPアドレスと10のプライベートアドレスの関係を教えて下さい

CATV網内でのIPv4インターネット接続サービスでは、お客様宅にある端末に2つのIPv4アドレスが割り当てられていることになります。 1つはモデム本体に割り当てられるプライベートIPv4アドレス、もう一つがお客様がご利用されるグローバルIPv4アドレスです。

モデム本体にプライベートIPv4アドレスが付くといっても、あくまでモデムの管理用の通信を実現するためのもので、お客様から見ればモデムはルータではなくL2スイッチとして動作します。

そのため、ユーザへの通信はそのままモデムを通過する形になり、お客様に見えるのはブロードバンドルータやPCに割り当てられるグローバルIPv4アドレスのみとなります。

Q: そうすると、DOCSIS2.0でIPv6が出来ない理由がわからなくなってきました。CPEが何も考えずにIPv6パケットを通せば、モデムコントロール用のIPアドレスはv4でも、DOCSIS2.0でIPv6できますか？

とても良いご質問です。おっしゃるとおり、モデムがただのブリッジであればIPv4もIPv6も透過できてしかるべきですので、端末のバージョンに関わらずL3を終端するセンタ側の装置がIPv6化されればIPv6を提供できるはずです。

しかし、DOCSIS 2.0 + IPv6 Cable Modem Specification という別の規格が策定されているとおり、結果としてDOCSIS2.0そのままではIPv6を提供できません。

DOCSIS2.0ではマルチキャストも考慮されていますが、必要なければフィルタする仕様になっています。これまでIPv4マルチキャストサービスの需要がなかったため、多くのセンタ装置やモデムではマルチキャストが無効化されている、あるいは実装そのものがされておらず単純に遮断してしまうという状況にあります。

一見マルチキャストとIPv6は直接関係無いように思えるかも知れませんが、マルチキャストが無いとIPv6では不具合が発生します。IPv4ではブロードキャストという通信形態が存在しましたが、IPv6ではブロードキャストが無くなり代わりにマルチキャストで代替されます。

マルチキャストがケーブルモデムで遮断されると、たとえばRA(Router Advertisement)がユーザに届かなくなってしまいます。 DOCSIS2.0のケーブルモデムでは、CMTSからのRAが遮断されてしまうのです。

ただ、遮断されるのは局側からユーザに向かう(いわゆる下り方向の)マルチキャストパケットだけで、ユーザ側から局側への(いわゆる上り方向の)マルチキャストパケットは通るようになっています。

そのため、マルチキャストでユーザから局側に送信されるDHCPv6のSolicitはCMTSをリレーしてDHCPv6サーバまで届き、ユーザ側に送信されるDHCPv6のAdvertizeやReplyなどの応答はユニキャストで送信されるためユーザに届き、IPv6アドレスの割り当ては問題なく行われます。

いっぽうDHCPv4とは異なりDHCPv6ではデフォルト経路の情報は通知されずRAを利用します。このRAは下り方向のマルチキャストなので、DOCSIS2.0モデムでは遮断されてしまいます。結果、IPv6アドレスは割り当てられてもデフォルト経路だけが得られないという状況が発生します。

その他、DADに使われるNSが各端末に届かないことでアドレス重複を検出できないなど、マルチキャストを利用できなければ実用的にIPv6を使うことはできません。

Q: IPv6をユーザに提供する準備としてどのようなことを行っていますか？

イッツコムにおいて既にDOCSIS3.0対応のハードウェアでサービスしている160Mbpsインターネット接続(商品名: "かっとびメガ160")では、局側のソフトウェアアップデートでIPv6を提供することができます。現在はテストリリースの段階ですので、それが正常に動作するか、安定して動作するかなどの検証を行っています。

いっぽう30Mbps以下のサービスでは局側の設備がまだDOCSIS1.x～2.0のままで、お客様側の端末もDOCSIS1.x～2.0という状況です。 DOCSISはバックワードコンパチな仕様になっているのでお客様のモデムはそのままに局側の設備をDOCSIS3.0に交換することができます。そのため、局側のハードウェア交換を進め、ケーブルモデムの準備が整い次第提供させていただくことになります。

局側のCMTSや端末モデムがDOCSIS3.0化される、あるいはIPv6を透過できる状態になっても、DHCPv6やDHCP-PDを利用できるOSやブロードバンドルータがまだ普及していませんので、事業者としてはそのケアをどうするかも悩んでいます。

Q: DOCSIS3.0対応のCMTSが製品として、まだ無いということですか？

現在は、DOCSIS3.0のCMTSが出ていても、高速化機能が優先されているという状況ですね。

残念ながら、IPv6対応のDOCSIS3.0対応CMTSは、まだエンドユーザに提供できる品質ではありません。現時点では、これが正常に動くかどうかを検証しており、必要があればメーカにフィードバックを行っています。

このような検証とフィードバックも、IPv6テストベッドの大切な役割の一つです。

Q: CMTSの正式リリースが出ればIPv6化されていきそうですか？

160Mbpsサービスについては前出のとおり局側のソフトウェアの準備が整い次第提供を開始したいと考えています。ただ残念ながら2010年中に全てのお客様にIPv6を提供できるかというとそういうわけではありません。

最終的には局側の設備を全てDOCSIS3.0対応にすることになりますが、保守を理由にした更新や高速化を主眼において計画しているためレガシーな設備を今後2年間ぐらいかけて順次置き換えてからの提供となります。

Q: CATV業界全体としてIPv6移行はどのように進んで行くと思いますか？

CATV業界にとって、IPv6への移行はインターネットコネクティビティを提供する商品の仕様をどうするかという問題といえます。 MSO(multiple Service Operator)がサービスする場合には、商品を提供するスペックは同じになので問題になりませんが、日本のように様々なCATV事業者が存在している環境では各自が独自手法でサービスをバラバラに提供してしまう可能性があります。

アメリカでは、CATVの多くがMSOです。たとえば、アメリカで一番大きいComcastも、様々なCATV会社を統括する形でサービスされています。

日本は、イッツコムなど、MSOに入らずに独自サービスをしているCATV事業者が比較的多い状況にあります。 MSOに入らないことで、各社が技術的に違うサービスが出来ると同時に、商品としてサービスも独自のものができて、値段も自由に決定できます。

しかし、それによって、ケーブルテレビインターネットの当初のように混沌とした状況が生まれる可能性があります。昔、お客様にとって「ケーブルテレビよくわからん」という時代がありましたが、各社がインターネット接続サービスを提供する方法がわからずに提供してしまったとか、自分の目の前だけを見て仕様を考えた結果と言えます。

IPv6で同じ事をやってしまうと、昔混乱させたものを、もう一度混乱させることになりかねず、お客様が離れてしまう可能性があります。そのようなことがおこらないように、日本ケーブルラボでガイドラインを作成中です。このガイドラインは春に出る予定です。

ガイドラインが完成して、メーカによるCMTSが安定すれば、DOCSIS3.0である日突然IPv6が振ってくるようにも技術的には可能です。 DOCSIS3.0のIPv6機能を搭載したCMTSのファーストリリースは出そろっています。ただし、まだ顧客への提供というレベルではないので、半年ぐらいかかるのかも知れません。メーカに対して、オペレータは時期を指定して依頼をしているので、メーカもようやく本気を出し始めたという感じですかね。

IPv6テストベッドでは、メーカ毎に細かい仕様の差なども検証しています。実は仕様の解釈によって細かい動きが異なっていることが少なくありません。こうした差異をオペレータとメーカ間で確認してフィードバックすることもテストベッドの重要な機能の一つと考えています。

さきほど技術仕様のガイドラインについて説明させていただきましたが、そもそもこれに沿って設備を実装できるのかどうか、実装したネットワークで正常にサービスできるのかという検証もテストベッドで行いつつ進めています。

Q: CATVといえばNATというイメージが昔ありましたが、LSNとCATVに関して教えて下さい

CATVインターネットの黎明期はそのままブロードバンドインターネットの黎明期にあたります。当時は個人向けの常時接続を前提としたIPv4アドレスの割り当てポリシがなく、充分な割り振り/割り当てを受けられないと考えた幾つかのオペレータがNATを使ってスタートしてしまいました。

イッツコム(当時の社名は東急ケーブルテレビジョン)でも1998年の開始当初は全面的にNAT経由でサービスでした。 APNICでIPv4アドレスの割り振り/割り当てのガイドラインが策定されたり、1ユーザあたり1IPv4アドレスの割り当てが一般的になってからはCATV各社はNATをやめてグローバルIPv4アドレスを使ったインターネット接続サービスへと切り替えています。

当社でも30Mbps以上の高速サービスではグローバルIPv4アドレスのみの提供となっています。低速サービスでもデフォルトはグローバルIPv4アドレスですが、過去の商品との互換性を保つために無料オプションという形でNATサービスを残しています。

NATオプションをご利用のお客様は、DHCPで複数のプライベートアドレスがCATV網側から提供される形になります。グローバルIPアドレスでは、各ユーザに割り当てられるIPアドレスは一つなので、NATオプションを使うとお客様がブロードバンドルータを用意せずにHUBだけで複数台接続できます。

当初はIPv4アドレス枯渇まで見越してNATを残したというわけでは必ずしもないのですが、気がついてみれば枯渇後も活用できるサービスになっているのかも知れません。

今サービスしている設備そのものはレガシーなものでフルコーンでもありませんしヘアピニングは外のルータでやる必要がありますので、いわゆるLSN(Large Scale NAT)とは異なりますが、大規模にNATを運用するための長年の経験の蓄積はあります。

Q: グローバルIPv4アドレスの使用量は増えているのですか？

おかげさまでインターネット接続サービス以外にも電話や多チャンネルサービスも順調に御加入いただいており、グローバルIPv4アドレスの需要は衰える気配がありません。

当社もJPNICのIPアドレス管理指定事業者でLIRとしての割り振りを受けていますので、80パーセントルールに従って定期的に追加を申請して新たな割り振りを受けています。

枯渇対策としては、IPv6の提供とともにこうしたIPv4アドレス需要への対応も同時に考えています。

Q: 勉強するためにDOCSIS仕様を見たい人はどこを見れば良いでしょうか？

www.cablelabs.comで公開されているので、そちらをご覧下さい。

仕様書ダウンロードは、www.cablelabs.com/specifications/ から行えます。

Q: ありがとうございました！

ありがとうございました。

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