（信号与信息处理专业论文）宽带接入网关中natnapt技术研究和硬件实现.pdf

宽带接入网关中n a t n a p t 技术研究利硬件实现摘要 摘要 文章列举了x d s l 、h o m e p n a 、c a b l e m o d e m 等几种宽带接入技术，介绍了 以太网技术和基于以太网技术的宽带接入网，着重探讨了网络地址转换( n a t ) 技术和网络地址端口转换( n a p t ) 技术，最后阐述了宽带接入网关设备中 n a t n a p t 的硬件实现及相关的f p g a 设计。 关键词：宽带接入，以太网，网络地址转换，网络地址端口转换，f p g a 设计 a b s t r a c t t h em a i nb r o a d b a n dn e t w o r ka c c e s st e c h n o l o g i e s ，s u c ha sx d s l ，h o m e p n a ， c a b l em o d e m ，a r eo v e r v i e w e df i r s t l y a n dt h e ne t h e m e tt e c h n o l o g ya n db r o a d b a n d a c c e s sn e t w o r kb a s e do ne t h e m e tt e c h n o l o g ya r ei n t r o d u c e d e m p h a s i si sp u to nt h e a n a l y s i s o fn e t w o r ka d d r e s s t r a n s l a t i o n ( n a t ) a n dn e t w o r ka d d r e s sp o r t t r a n s l a t i o n ( n a p t ) t e c h n o l o g i e s f i n a l l y , t h eh a r d w a r ei m p l e m e n t o fn a t n a p ti n t h eb r o a d b a n da c c e s s g a t e w a ye q u i p m e n t a n dr e l e v e n tf p g a d e s i g na r ep r e s e n t e d k e y w o r d ：b r o a d b a n d a c c e s s ，e t h e r n e t ，n a t , n a p t , f p g ad e s i g n 童蕊鎏黧：i ! i 璧釜叠翌黧垒譬鎏蕊鎏塞黧冀整塞鎏 鎏= 篷鍪鎏 第章绪论 1 薹论文背景 i n t e r a c t 自惩墩以来取锵了融大的成幼，越浆越多的企渡和个人用户纷纷加 入甄袋瓣静璇界，魄孑离努、褪簇赢攘、鬣臻瓣鼹游戏、惫予送疗、魄予教育等 越来麓多躲藏联网娆务正凌蠢令方甏影噙我 l 每令人戆雯满，影拣每个嚣家慧至 整个檄爨。宅绘我们带来了审富多彩豹娱琢节目，带来丁足不出户也黥详细了解 静耨瓣信息，带来了誉攒熹藏髓寅簸瓣黪、豁、鬃等备耱璞霉瓣鬣裁。 嚣袋网述在不麟静扩张、成繁，压程疑原来黥窜磐随络、攀一潜意彩鼗、攀 一遂努建宽辩随绦、数蠢逶誉鼙德“三含一”多媒镰信愚黪鼗器综合鼗务方淹笈 震。露覆楚翘终翅户数爨娃每6 个月魏番熟港皮增长。搜网络越来越捌挤； 另一方瓣是鹤新胃浑酌多媛侮、鼍动照务谴褥肇个丽产瓣带宽髂需求不灏穗翔， 这警部遮馁鼢要求嚣联丽涟入“宽繁辩蕊”。 爨2 0 0 1 年娃来，宽豢小嚣瓣建设旗是一令热门鹣话惩，僚绕懿蜜带逡藩穗 中国魄黎秘皆避联逡、器巾篷网遵、广电簿灏兴爨帮运鹫离纷黔采用鼹掰的窥露 接入技术建设张京、上海、潲潮等大城帑的信怠仡社嚣潮络。中萄藏倍秘周添裔 蕊枣活疑绞嫒瓷澡箍广赛鼯a d s l 揆入，广彀蹩台冀璐户疆盏察缀寓豁h f c 瓣 终，藻予c a b l em o d e m 鼓零发震雾媒体襁援遵势，孛燃联通、原中爝嬲邋等没 肖自己的本地潮豹遮营商斓采用馘笊瓣接入方式进入宽带柱嚣。 针对这些宽带小隧网络都需要强大酌黼篱功能遴行流蘧管理、谗费鬻壤释安 金管理鹣姆点，嚣裘豁藏大学意广邀镶技拳磷究中心醛发了b a g 宽蘩搂 入弼必设备。逡营薅遴遵该浚餐莓豁方覆鹣对爨攀小嚣瓣绦遴霸上述管理，对，? 、 鳗用户瓤害，该设罄巍保证他们宽带上网的丽时璺满楚的了解自卷的上嗣时间、 上弼魏褥等倍蕊。 嚣l 夏 蔓童堡垒旦荃! 型垒旦型垒! ! 垫查塑塞型堡丛窒堡丝二童丝堡 山于互联网的用户数量大大增加，原有的i p v 4 地址空间即将耗尽，因此在 宽带小区的建设中，运营商由于自己拥有的i p 地址有限，往往无法为小区用户 提供足够的公网p 地址，而只能分配私有i p 地址。这时必须采用- - , e e 称为网络 地址翻译( n a tn e t w o r ka d d r e s st r a n s l a t e ) 的技术，将小区内部用户的p 报文 中的私有地址转换为公网地址，或者将外部互联网的i p 报文中的公网地址转化 为私有地址，才能使小区用户与互联网之间进行互相通信。采用n a t 技术除了 解决i p 地址短缺的问题，对于增加网络的安全性能也有很大的帮助。 b a g 设备中在实现n a t 的同时，也提供了对与之相近的网络地址端口翻译 ( n a p t n e t w o r k a d d r e s s p o r t t r a n s l a t e ) 技术的实现，运营商可以根据需要进行 选择。很多类似的网关设备中对n a t 、n a p t 的实现是采用软件进行的，当遇到 大量用户同时上网的情况下很可能无法实现报文的线速处理，而b a g 设备采用 硬件实现了n a t 、n a p t 技术，并针对这类技术无法处理f t p 协议等报文数据 中口地址的缺陷设计了相应的应用层网关( a l g ) ，对提高网络性能、保证上网 的质量有很大的帮助。 1 2 论文结构 论文的结构如下：第一章是绪论；第二章宽带接入技术介绍了x d s l 、 h o m e p n a 、c a b l em o d e m 、以太网接入、光纤接入、无线接入这几种最新的用 于宽带网络的接入方式；第三章以太网技术简单介绍了以太网的历史和最新发 展，以太网的基本结构和工作原理；第四章基于以太网技术的宽带接入网分析了 它的网络结构及所需的网管功能，介绍了网关设备在其中的应用：第五章n a t 和n a p t 技术研究详细介绍了有关的协议，通过与i p v 6 、r s 口等技术比较分析 其优缺点；第五章n a t 和n a p t 的硬件实现说明了在f p g a 器件中对n a t 和 n a p t 的具体实现，同时介绍了采用f p g a 器件设计通信电路的方法；最后的结 论部分是总结对n a t 技术的研究和硬件实现的设计经验。 第2 页 煎塑堡垒塑零中n a t i n a p t 技术孵零稀1 礁件实现第二章宽带搂入技术 第二章宽带接入技术 2 , 1 芍l 畜 飙电臻瓣懿建溲考意，霹潋将垒殛燃分烫公耀惑蕊麓鄹耀产驳煺嬲( c p n ) 两大块，公用穰信刚又可以划分为兰部分，即长途丽、中继嘲鞠接入网。鞠前国 舔主镢辫子将长途灏帮中继瓣食套起羚为谈一0 霹，嚣魏惫蕊瓣迩鬻豁番黢楚奁 孩，昏掰、按入瓣及鼹产驻她瓣等三爨努缀蕊。辫2 。 绘出了熬令电傻耀豹缀戏示 意潮。 u n i ：弼户瓣终攘疆 s 掇：效务麓焦接秘 黼2 1电蒲潮豹缀成示意黼 在羧一逊潮方面， 圭i 予密絮波势笺用( d w d m ) 豹擞溺，辩络键旃容鳖裙了 辫瓣突破褴鹣避最。嚣籍罄瓣竞辨鲶蜜辩镗辕容誊已逸戮3 2 0 g b p s ，薅镶，瓣终 节煮( 纛浚怒交换规述是裹建交换照瘗嚣) 静交按戆力魂均邑凳破6 0 8 0 g b p s t 在鞠户驻地网方面，以太嘲由话魏缴向干箍缀旗至t 滗猕缀发鼹，爝域网豹毪麓 鬃蘸掇囊。瓷这辩臻嚣下，熬褥游犬容爨黉怠驮挟心瓣秘是螓簧遴瓤溪户驻憋鼹 翦褥产壤，郄鳐袈爨黪靛实凌搿谴“爨惹一公攫”豹接入爨建设，僵艘为今簿室 带网络发蔽的关键所谯。 接入网农整个电播网建设的投资中约占有4 0 。5 0 的托燕，而传统韵澈绞线 按入方式，灏毳法瀵嚣太镪辩离邃数摆麓枣震整壤灏莓藏带渣务裳袋靛需要，露 藏蠹龟绩阏氍互联瓣发震懿“簸矮”。瓣鼹，接入网裕笼交换爨帮鼹户终避乏阕 豹联系热带必须采爝娥新驹技术采痢宽带化、数字化、翟向化及综台化方向茨展。 纂喜菱 宽带接入网关中n a t n a p t 技术研究和硬什实现第二章宽带接入技术 宽带接入技术方案有多种，根据用户驻地网的传输媒介、用户带宽流量、服 务质量需求的不同，不可能用一种接入技术解决所有需求。目前的宽带接入技术 有基于双绞线的x d s l 技术和h o m e p n a 技术、基于同轴电缆的c a b l em o d e m 技 术、基于五类线的以太网技术、基于光纤的p o n 技术和基于无线方式的l m d s 技术，每一种技术均有其特点和应用领域。 由于现存大量可以利用的双绞线和同轴电缆，x d s l 接入方式和c a b l e m o d e m 接入方式是实现利用现有设施平滑升级的主要方式，而以太网接入方式 由于能方便的实现用户流量和计费管理受到了众多企业用户的青睐。光纤到户和 宽带无线上网则代表了未来宽带网络的发展趋势，将随着技术的发展逐渐普及。 2 2 双绞线接入方式 2 2 1 传统的窄带接入技术 本地的电话运营公司基本上都是采用市话双绞铜线作为传输介质。当电信网 传送的数据业务量逐渐超越原来的话音业务量时，运营公司和用户都希望能够继 续使用原来传话音的双绞线传送数据，因此先后采用了m o d e m 技术和i s d n 技 术。 采用m o d e m 拨号上网容易受环境干扰、线路噪音大、误码率高，理论可以 双工传送5 6 k b p s 数据，但通常实际传输速率也就稳定在“k b p s 的水平。利用 i s d n 上网最大的好处就是速度较快( 数据传输率较高) 、不掉线( 传输质量较高) ， 而且误码率低。最高能提供1 2 8 k b p s 的下载速度。 2 2 2 x d s l 接入技术 m o d e m 技术和i s d n 技术使得电话线可用于传输窄带数据，为了继续采用 双绞线实现宽带接入，九十年代后期出现了各种d s l 技术。它们进一步发挥了 双绞线的传输能力。d s l 是数字用户线环路( d i g i t a ls u b s c f i b e r l o o p ) 的英文缩 写。它是一种以普通电话线和3 类5 类线等铜质双绞线作为传输媒质的介入技 术。由于它采用了全新的数字调制解调技术，所以传输速率比采用音频调制技术 电话拨号的方式快的多。d s l 技术有一个庞大的家族，统称x d s l ，主要有a d s l 、 第4 页 宽带接入网关中n a t n a p t 技术研究和硬件实现第二章宽带接入技术 v d s i 和e d s l 等，它们各自有各自的特点。 2 2 2 1不对称数字用户环路( a d s l ) a d s l 允许在一对双绞铜线上，在不影响现有电话业务的情况下，进行非对 称高速数据传输。a d s l 上行速率为2 2 4 k b p s 6 4 0 k b p s ，下行传输速率 1 5 4 4 m b p s 9 2 m b p s ；传输距离在2 7 5 5 公里。 i t u ts g l 5 在1 9 9 8 年1 0 月通过了关于a d s l 的g 9 9 2 1 和g 9 9 2 2 建议草 案。g 9 9 2 1 规范了带分离器的a d s l 系统，利用该系统可在同一对金属双绞线 对上传输高速数据和模拟信号，采用的线路编码为d m t ，下行速率为6 1 4 4 m b p s ， 上行速率为6 4 0 k b p s 。g 9 9 2 2 规范了不带分离器a d s l 系统，它是一种简化的 a d s l ( e l i t ea d s l ) ，具有成本低、安装简便的优点，也采用d m t 线路编码， 下行速率为1 5 3 6 m b p s ，上行速率为5 1 2 k b p s 。 随着a d s l 的大规模铺设，宽带业务的发展以及其他相关技术的迅速发展， a d s l 技术正暴露出一系列固有弱点：1 、较低的传输速率限制了高等级流媒体 应用和h d t v 等业务的开展；2 、非对称特性不适于企事业和商业环境；3 、a d s l 采用a t m 传输多媒体信息，由于a t n i 设备成本较高，因而a d s l a t m 设备 成本仍较高：4 、对于视频应用，用户数和传输距离迅速减少。 2 2 2 2 甚高比特率数字用户环路( v d s l ) v d s l 技术在短距离内的最大下行速率可达5 5 m b p s ，上行速率可达 1 9 2 m b p s 。v d s l 技术同时具有对称和非对称的工作模式，它的对称数据传输模 式在未来接入网的发展中非常有利。由于v d s l 在链路层直接采用以太网的帧格 式，因此它和以太网对于口业务的支持能力完全一致，是目前承载i p 和以太网 的最理想的x d s l 技术，也是目前代替f t t h 的最佳手段。 v d s l 不仅不存在a t m 和口之间的转换问题，而且克服了传输带宽和出线 率低等问题。但是，v d s l 存在覆盖距离相对a d s l 较短的缺陷，约1 5 公里。 因此，v d s l 比较适合对企业用户和业务量集中区域用户的覆盖。 第5 页 蜜霆堡垒塑茎主丝垒：! 塑垒2 三垫娄堑塞量! 蠖堡塞恶 笺三童塑堂堡垒垫查 2 ，2 + 2 3 以太湖数字羽户环路( e d s l ) e d s l 菝术结合了以太潮稻d s l 两誊韵特点，它采焉以太溺送信协议，结 合利用d s l 技术可以在现有电话劂基础设施上实现高遴数据传送。采用6 4 q a m 调制方式后，传输比特率可达1 0 m b p s ，而传输距离可塑达到约l 妁n 。其物理传 输鞭制与a d s l 相近，餐由予工 睾在半双工乒乓方式，敌其一个方向上的速率可 以达到a d s l 上下喹馕速率之和。 这耱技术爨蓑尚处于小规模齑用阶段，出于技术较复杂，成本较蠢，支持的 厂家较少，主要应用场合是酒店，蹶院，企事业专线和高级住窀区，应用于普通 住宅区的成本还嫌过离。 2 2 3h o m e p n a 按入技术 h o m e p n a ( h o m e p h o n e l i n en e t w o r ka l l i a n c e ) ，是家庭电话线阏络联鼗豹简 称。h o m e p n a 按入技术毙够在现鸯铜线嬲光纡卿终上为每个用户提供1 m b p s 1 0 m b p s 的高速数据传输。 从根本上说，h o m e p n a 属于种组网技术。它与利用五类线组网相似，其 嚣尉在于它使掰现有的电话线代替五类线，且传输距离爵达3 0 0 5 0 0 来。 2 3 同轴电缆接入方式 有线电视( c a t v ) 网与电信网、计算机网并称实现信息传输的三大网络。 与其它两种网络比较，有线电视网鼠有以下优势：1 、高传输速率；2 、线路始终 遴畅( 不矮拨号，没寿忙音) ；3 、多磊户绽用一条线路( 包括宠整熬恕季冕信号) ； 4 、不占用公用电话线；5 、提供真正的多媒体功能。可见肖线电视网非常适合提 供宽带数据传输业务。当然，由于有线电视网当初是用于广播式的电视传播，也 藏是说，是单向酌，辑蔽要蠲予宽繁互联潮、监务，必矮对现有豹网络蘸瀵秘臻户 端进行改造，键之具有双向传输功能。 目裁，在鸯线电襁网上开发的爨带接入技术已经成热并进入市场。其中电缆 调制解调器( c a n em o d e m ) 就是基于h f c 网的宽带网络接入技术。电缆调制 第6 贸 垄堕鲨竺尘! 型垒旦型垒旦二垫查型! 壅翌! 塑! ! ：窒婴 苎三兰壅堂鳖全垫查 解调器又名线缆调制解调器，与以往的m o d e m 在原理上都是将数据进行调制后 在c a b l e 的一个频率范围内传输，接收时进行解调，不同之处在于它是通过有线 电视网的某个传输频带进行调制解调的。 在对称式传输模式中c a b l em o d e m 的上下行信号各占用一个普通频道8 m 带宽。非对称传输通过频分复用、时分复用的配合加之以新的调制方法，每8 m h ： 带宽下行速率可达3 0 m b p s ，上行传输速率为5 1 2 k b p s 或2 0 4 8 m b p s 。 除了双向c a b l em o d e m 接入方案之外，有线电视厂商亦推出单向c a b l e m o d e m 接入方案。它的上行通道采用电话m o d e m 回传，从而节省了现行有线 电视网进行双向改造所需的庞大费用，节约了运营成本，可以即刻推出高速 i n t e m e t 接入服务；但也丧失了c a b l e m o d e m 技术的最大优点：不占用电话线、 不需拨号及永久连接。 2 4 以太网接入方式 以太网是一种物理层和数据链路层标准，传统以太网技术不属于接入网范 畴，而属于用户驻地网领域，然而其应用领域却正在向包括接入网城域网在内 的公用电信网领域扩展。目前全球企事业用户的9 0 以上都采用以太网接入， 它已成为企事业用户的主导接入方式。 采用以太网作为接入手段的主要原因包括已有巨大的网络基础和长期的经 验知识，目前所有流行的操作系统和应用也都与以太网兼容，初始成本和运营成 本均较低、扩展性好、容易安装开通以及高可靠性等。以太网接入采用异步工作 方式，很适于处理口突发数据流，技术已有重要变化和突破( l a n 交换，星形 布线，大容量m a c 地址存储以及管理性等) ，与传统的以太网相比，除了名字 以外，仅剩的特征只有帧结构和简单性仍然保留，其余基本特征已有根本性变化。 以太网带宽容量分为1 0 m b p s 、1 0 0 m b p s 、1 0 0 0 m b p s 三种等级，可按需升级，t 比特级以太网技术也在逐渐成熟。采用专用的无碰撞全双工光纤连接，已可以使 以太网的传输距离大为扩展，完全可以满足接入网和城域网的应用需要。 基于以太网技术的宽带接入网支持的业务以基于i p 的业务为主。这种接入 第7 页 宽带接入网关中n a t n a p t 技术研究和硬件实现第二章宽带接入技术 网幂瑁萁带宽的优势，为高速互联阐接入，语音、视频、图文簿交互服务以及视 频广援暇务等提供综合、监务按入平台。对于不嗣麴用户嚣，宽繁接入网委选务支 持能力方面有不同的侧重点。对于商业用户，主臻支持高速互联网接入、局域网 互联、v p n 、碑电话传真、视频会议等业务；时于居民用户，则以高速互联网 接入、褪频点播、运稷医疗、远程教育为主。 2 5 光纤攘入方式 所谓的光接入网( o a n ) 就是采用光纤传输技术的接入网。光纤接入方式 鬣大弱後势裁猩予可耀带宽和瘦蔫潜力区太。丽时，巍纡接入网络还其有转输凌 量好、传输距离长、挽干扰能力强、网络可靠性赢以及带约管道资源等特点。因 此，光纤接入将是未来宽带接入发展的一个重要方向。 光按入网根据所采用的技术类型，又可分为商源光网络( a o n ，a c t i v eo p t i c a l n e t w o 呔) 和无源先丽络( p o n ，p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) ，两者的分潞方式不同， 前者用电复用器( 可以为p d h 、s d h 或a t m ) ，后者用无源光分路嚣。无派光 网络，有窄带与宽带之分，目前宽带p o n 已经标准化的是基于a t m 的p o n ， 繇a p o n 。 a p o n 是数摇链鼯层a t m 技术与物壤层p o n 技术相结台的技术，在a t m 懿黄金时代被认炎是当时的最佳结仑。然惩，隧整这几冬p 鲍冁起秘发震，塞 于a t m 不敌以太网而导致a p o n 的发展受阻，针对这问题宥人提出了e p o n 韵概念和实施方案，邳在与a p o n 类似韵结构和g 9 8 3 的基础上，设法保留a p o n 的精华部分物理鼷p o n ，嚣以以太隧代替a t m 终为数攥链爨层携议，魏成 个可以提供更大带宽、更低成本和更宽业务能力的新的结合体一一e p o n ， e p o n 的标准化工作芷在进行。 根据光网络单元的具体位置，光纤接入方式可分为：f t t r ( 光纤到远端接点) 、 f t t b ( 光纾到大楼) 、f t t c ( 必绥到繇逮) 、f t t z ( 毙纾裂小区) 以及f t t h ( 竞纤曩 用户) 等。一个全光纤的f t t h 网农战略上具有十分重要的位嚣，是真正的多媒 体时代的信息岗速公路，具商无限的发展前景。然而目前主要由于经济的原因尚 不辘立靼实现光野臻户，夔装技拳熬发震，竞纾毙缆帮先源嚣释成本稳步下降， 第8 摄 宽带接入网关中n a t n a p t 技术研究引哽件实现第二章宽带接入技术 新技术新器件不断被发明并投入应用，多媒体全业务对带宽的需求不断增加，在 用户接入网中较大规模引入f t t h 的时间也就不太遥远了。 2 6 无线接入方式 传统的接入手段是双绞线或同轴电缆，新兴的接入手段是光纤和无线，前者 尽管前途无量，但概念上仍属于有线接入手段，而无线接入手段则从概念上产生 了一个重要的飞跃，即用无需物理传输媒质的无线传播手段来代替接入网的部分 甚至全部从而达到降低成本，改进灵活性和扩展传输距离的目的。 无线接入可分为移动接入与固定接入两种。通常所指的无线接入是指固定接 入，即从交换节点到固定用户终端采用无线接入，它实际上是p s t n i s d n 网 的无线延伸。主要的宽带固定无线接入技术包括本地多点分配业务( l m d s ) 和 无线局域网( w l a n ) 。 2 6 1 本地多点分配业务( l m d s ) 系统 l m d s 是近年来逐渐发展起来的一种工作于2 4 g h z 3 8 g h z 频段的宽带无 线点对多点接入技术。该技术利用毫米波传输，可提供双向话音、数据及视频图 像业务，可以实现n x 6 4 k b p s 到2 m b p s 、甚至1 5 5 m b p s 的用户接入速率，具有 很高的可靠性，号称是一种“无线光纤”接入技术： 2 6 2 无线局域网( w l a n ) 无线局域网( w l a n ) 基于i e e e8 0 2 1 1 协议族( 包括8 0 2 1 1 ，8 0 2 1 l a ，8 0 2 1 1 b ， 8 0 2 1 1 9 ) ，其中8 0 2 1 1 速率为2 m b p s ，8 0 2 1 l b 为1 l m b p s ，8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 l g 可达5 4 m b p s 。无线以太网主要使用2 4 g h zi s m ( 工业、科学、医疗) 频段和 5 g h z 频段( 8 0 2 1 l a 使用5 g h z 频段) ，其中2 4 g h z 频段属于开放频段。w l a n 支持的范围是在室外为3 0 0 米，在办公环境中最长为1 0 0 米。它使用与以太网类 似的连接协议和数据包确认，来提供可靠的数据传送和网络带宽的有效使用。 第9 页 宽赘接八润关中n a t i n a p t 技术硪究和硬件嶷现 第三章甄太网技术 第三章以太网技术 3 1 技术懿发箍 夺1 9 7 3 1 9 8 2 ：以太阐的产生与d i x 联盟 1 9 7 3 年，位予趣利裰尼亚p a l o a l t o 憋x e r o x 公司掇蹬著实现了最初的| 奠太 网。r o b e r tm e t c a l f e 博士被公认为以太网之父，他研制的实验室原型系统运行速 发是2 9 4m b p s 。然囊，x e r o x 没芝残臻缝将a l t o 或3 m b p s 鞋太溺囊鑫传。这鼹 项实验性技术几乎完全保留在x e r o x 公司内部，没有向外部传播。 1 9 7 9 年，x e r o x 、d e c 公司( d i g i t a le q u i p m e n tc o r p o r a t i o n ) 以及i n t e l 公司 联合起寒，整它锻组成蛉d e c i n t e l x e r o x ( d i x ) 三驾露车，1 9 8 0 年9 舞开发 并发布了1 0 m b p s 版的以太网标准 d i x 8 0 。 与d i x 工作同步的是，i e e e 成立了如今闻名的8 0 2 计划，熬目标是为l a n 技术挺凇诧提供广泛熬工业框絮，瑟著名戆i e e e8 0 2 。3 就是专门磅究基予| 冀太 网技术的标准。 夺1 9 8 2 1 9 9 0 ：1 0 m b p s 以太湖发展成熟 1 9 8 3 年6 蔑，i e e e 标准委爨会透过了第令8 0 2 。3 标准。这个标熬与d i x 以太网标准相比，除了襁一些不太重要的方面有所差别外，基本上使用的是相同 瓣技术。在夔嚣熬冗年审，这矮橱准孛又港攘了一系捌孛继器燕蕊并可支持多释 物理介质：适用于桌面设备的细同轴电缆以及用于建筑物之间连接的光纤等。 随着非屏蔽双绞线结构化布线系统的广泛使用，大多数以太网系统的基础结 秘发生了交纯。在2 e 毯绍8 0 年代赣润，多数鞋太网都采震耪瑾总线雍矜结鞫， 使用粗战细的同轴电缆。这种模式与采用星型拓扑结构的结构化布线是不兼容 的。s y a o p t i c sc o m m u n i c a t i o n s 公司便开发了在敞绞线上传输l o m b p s 以太网信 号的技术。i e e e 于1 9 9 0 年9 月通过了使用双绞线介质的以太网( 1 0 b a s e t ) 标准，该标准很快成为办公自动化应用中首选的以太网技术。 第1 0 嚣 塞堂鉴全里茎! 型垒：! 型垒! 二垫查堡窒型堡竺塞翌 篁三童坠查塑垫查 夺1 9 8 3 1 9 9 7 ：以太网网桥与以太网交换机 d e c 在8 0 年代初开发了第一个透明l a n 网桥，并于1 9 8 4 年发布了商品化 产品。虽然开始时网桥的性能不高、价格较贵，但它非常容易安装和使用，与当 时其他产品( 如网络互连路由器) 相比，具有较好的性能价格比。网桥成为多个 以太网互连的主流设各。 1 9 9 1 年，k a l p a n a 公司开发出一种新型的以太网网桥，这种网桥可以连接大 量的设备，所有端口可同时以全容量工作，我们称之为“以太网交换机”。 使用交换机后，计算机可以专用l a n 的带宽，而不再是多个设备共享一份 带宽。这省去了访问控制机制，并且实现了“全双工以太网”。1 9 9 5 年，i e e e8 0 2 3 委员会开始研究全双工操作的标准，并在1 9 9 7 年通过了一项标准 i e e e9 7 1 。 夺1 9 9 2 1 9 9 7 ：快速以太网 1 9 9 1 - 1 9 9 2 年间，g r a n dj u n c t i o n 公司开发了一种高速以太网，这种网的基 本特征，如帧格式、软件接口、访问控制方法等，与以往以太网相同，但是运行 速度达到l o o m b p s 。随后提出的快速以太网标 f l i i e e e9 5 】促使一批高容量以太 网产品的诞生。注意，这是从最初d i x 规范提出后的1 5 年里，以太网数据速率 的第一次提升。 夺1 9 9 6 2 0 0 1 ：千兆以太网 在快速以太网的官方标准提出后不到一年，对千兆以太网的研究工作也开始 了，这种网的速率可达到1 0 0 0 m b p s 。1 9 9 6 年i e e e8 0 2 3 成立了一个标准开发任 务组，1 9 9 8 年完成并通过了标准 i e e e9 8 。研究工作又向支持桌面应用的双绞 线千兆以太网技术方面拓展。 夺2 0 0 1 今：1 0 g 以太网 自1 9 9 9 年以来，i e e e 8 0 2 3h s s g ( h i g h s p e e ds t u d y g r o u p ) 小组专门研究 1 0 g 标准8 0 2 3 a e 。其目标是完善8 0 2 3 协议，将以太网应用扩展到广域网， 提高带宽，兼容现有的8 0 2 3 接口，并与原有的网络操作和网络管理保持一致。 2 0 0 2 年6 月1 3 日，i e e e 标准委员会已经正式批准了8 0 2 3 a e1 0 g 以太网标准。 在市场上，网捷、思科等公司已经向客户交付了1 0 g 以太网产品。 第1 i 页 宽带接入瀚关中n a t t n a p t 技术研究和淀件实躐第三章以太掰技术 由上述奔绣可以誊出，以太丽技术的发 展是一种演进，是台乎逻辑的技术进步。图 3 1 说明了在过去的段时间里以太网速率 的增长情况。终端甭户对带宽需求酌增长， 特别是服务器的强烈嚣求，是以太网速率煺 长的强大驱动因索。1 0 g 以太网的下一步， 可能是4 0 g ( 2 0 0 3 年) 甚至1 0 0 g ( 2 0 0 5 年) 。 当然，提关兹拣准瑷在还不可能出妒。提镶 更先进的以太网技术仍然会在不久的将来 出现并影响网络世界。 0 e ；i； 图3 。1 以太魁数据率增长趋势图 3 2 基本结构 3 2 1 以太网的组成 以太网网络一般豳网络站( d t e ) 、集线器( h u b ) 、网桥、交换机及网络互 联介质缀成。 鼹络蛞 它一般是令人计算瓠、工终站躐蠢爨撬照务器及存德设螽这榉懿弱络辍务 器。每个网络站必须配备必要的硬件和软件，以便实现接入以太网所需的协议功 能j 一般由一块网络接口卡( n i c ，n e t w o r k i n t e r f a c ec a r d ) 实现到以太网的接入a 集线器 它觚本质上说是物理层设备。草期共攀式潋太弱中的集线滞都只箍工 擘于半 双互的模式，i e e e s 0 2 ，3 标攫也只援定了半双工摸式。履来为了提离线路剩用率 和实际传输速率，在半双工集线器的基础上，人们开发出了全双工的集线器a 其 中全双工链路包括两条单工链路，一条用于发送，另一条用予猿牧，这两条链路 可以裁孵工佟。 第1 2 撰 宽带接入网关中n a t n a p t 技术研究和硬件实现第三章以太网技术 嘲桥 网桥是工作于m a c 子层的设备，最初主要是用来隔离冲突域，隔离通信流 量并改善网络性能。它既可以连接具有相同m a c 技术的网络( 如以太网到以太 网) ，也可以连接具有不同m a c 技术的网络( 如以太网到令牌环网) 。网桥利用 包含在网络帧中的目的地址和源地址信息来作出更加智能化的转发选择，而不是 仅仅向所有其它端口复制所收到的网络帧。 交换枧 2 0 世纪9 0 年代，使用先进的a s i c 技术、处理器和存储技术可以容易构建 高性能网桥，这种网桥的所有端口都能以线速转发帧。这种网桥被叫做交换机。 交换机的基本工作机制与网桥相同，但是它增加了很多强大的功能。包括信息流 优先级、服务分类、v l a n 、远程检测( r m o n ) 、内嵌网络管理代理等。核心 交换机更是能够提供三层交换和动态资源预留等功能。 网络互联介质 在以太网设备间用于传播数据帧的物理介质。目前常用的类型包括1 0 m b p s 5 0 0 米同轴电缆( 1 0 b a s e 5 ) 、1 0 m b p s 双绞线电缆( 1 0 b a s e t ) 、1 0 0 m b p s 双绞 线电缆( 1 0 0 b a s e t x ) 、1 0 0 m b p s 光缆( 1 0 0 b a s e f x ) 、1 0 0 0 m b p s 同轴电缆 ( 1 0 0 0 b a s e c x ) 和1 0 0 0 m b p s 长波光缆( 1 0 0 0 b a s e l x ) 。 3 2 2 标准参考模型 网络屡 数据链路层 物理层 传输屡 网络屡 数据链路层 物理屡 l0 0 m 以太网参考模型 高层协议 l l c ( 逻辑链路控制) m a c 控制( 可选) m a c ( 嫩体访问控制) 协调子屡i i 叫i p c s p m p m d ；i 一l im * 图3 2 i e e e8 0 2 3 以太网参考模型 第1 3 页 ，、 眦 m 、| 、 ， ， ， 1 | ， ，、| ， 童堂鳖垒塑茎生竺坚! 型垒旦工垫查婴窒型堡丛窒塑 兰三兰坠奎堕丝查 以太网是局域网技术，大致占据o s i 参考模型中的第一层和第二层，即数据 链路层和物理层。以太网的数据链路层部分包括逻辑链路层和媒体接入控制层。 以太网的物理层部分也包括了几个子层以实现数据的发送和接收任务，如图3 2 所示。 3 2 2 1 逻辑链路控制子层 逻辑链路控制( l o g i c a ll i n kc o n t r o l ，l l c ) 子层提供的服务允许本地网络 层实体与远程对等网络实体交换协议数据单元。由i e e e 8 0 2 2 标准定义。各种局 域网对l l c 子层是透明的，只有m a c 子层才和特定的局域网有关，l l c 子层 把网络层和实际的局域网隔开，对于网络层来说，无论采用哪一种局域网，看到 的l l c 子层都是一样的。 3 2 _ 2 2 媒体接入控制子层 m a c 控制子层介于逻辑链路控制子层与媒体接入控制子层之间，是可选的 子层，全双工流量控制是它定义的第一个也是唯一的一个操作。媒体接入控制 ( m e d i aa c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 子层是访问网络的主要控制实体。它把数据单 元放入帧中，并且决定一个网络设备如何排定、发送和接收数据。m a c 还负责 保证数据通过媒质传输的可靠性。 3 - 2 - 2 3 物理层 物理层用传输所需的分界符对帧进行编码，然后沿合适的媒质把它们传送出 去，同时接收媒质上正在传送的帧。物理层包括物理编码子层( p h y s i c a lc o d i n g s u b l a y ，p c s ) 、物理介质连接子层( p h y s i c a l m e d i u ma t t a c h m e n t ，p m a ) 和物理 介质相关子层( p h y s i c a l m e d i u m d e p e n d e n t ，p m d ) 。 p c s 子层完成将经过完善定义的以太网m a c 功能映射到现存的编码和物理 层信号系统上去的功能；p m a 子层提供了p c s 和p m d 层之间的串行化服务接 口。另外p m a 子层还从接收位流中分离出用于对接收到的数据进行正确的符号 对齐( 定界) 的符号定时时钟；p m d 子层的功能是支持在p m a 子层和介质之间 交换串行化的符号代码位。p m d 子层将这些电信号转换成适合于在某种特定介 质上传输的形式。 第1 4 页 宽带接入网关中n a t n a p t 技术研究和硬件实现第三章以太网技术 3 3 工作原理 3 3 1 c s m a c d 协议 c s m a c d 的全称是载波监听多址访问冲突检测协议，它是共享介质以太网 的精髓。该协议提供了极其简单的算法，通过以下几种策略，可以在多个设备之 间进行信道使用仲裁： - 载波监听。所有运行的站必须连续监听网络。如果出现一个信号载波，表示 网络正处于忙状态；如果不出现载波，则表示网络安静，可认为不忙。 多路访问。任何站只要检测到网络已空闲一小段时间，都可以发出一帧数据。 一冲突检测。如果两个以上的站同时监听到网络空闲并发送帧，那么发送的数 据帧就会相互干扰( 冲突) 。每个站必须能够检测发送期间的冲突。 - 随机延时。某个站监测到冲突时立刻停止发送，并随机延时一段时间后再重 新进入监听状态。 3 3 2 以太网的帧格式 互 叵匝卫丑夏叵工玉丑三丑圄! 运三： 图3 3 基本的m a c 帧格式 图3 3 所示的m a c 帧中各个字段意义如下： p a ( 预同步码) 使信号电路达到稳定同步状态，由7 个值为0 x 5 5 的字 节组成： s f d ( 帧定界符) 表示有效帧的开始，由一个字节的0 x 5 d 组成； d a 、s a ( 目的地址、源地址) 可以选择1 6 位或4 8 位，但这两个地址 长度必须保持一致； f l t y p e ( 长度，类型字段) 用于指示p d u 的字节数或帧的类型： p d u ( 数据单元) 表示要传送的数据，字节长度必须小于1 5 0 0 ； p a d ( 填充字段) 保证6 4 字节的最小帧长度要求； f c s ( 帧校验序列) 表示3 2 位的c r c 校验码； e x t e n s i o n ( 扩展字段) 在千兆以太网中，冲突窗口可能大于传送分组所 需要的时间，此时需要通过扩展字段来扩展该帧的长度； 第1 5 页 宽带接入网关中n a t n a p t 技术研究和硬件实现第三章以太网技术 3 3 3 数据帧的发送和接收 以太网中数据帧的发送工作过程如下 1 一个站要发送数据帧，首先要监听总线，以确定网络上是否有其它站点 正在发送数据； 2 如果网络是空闲的，则可以发送：如果网络是忙碌的，则要继续监听， 一直等到网络空闲时才可以发送： 3 在发送数据帧的同时，还要继续监听总线。一旦监听到冲突发生，便立 即停止发送，并向网络发出一串阻塞信号来加强冲突，以便通知网络上 个个站点已发生冲突。这样，通道的容量不致因传送已损坏的帧而白白 浪费； 4 冲突发生后，应随机延迟一个时间量，再去争用总线。通常采用的延迟 算法是二进制指数退避算法。这个算法是按照后进显出的次序控制的， 即未发生冲突或很少发生冲突的帧，具有优先发送的概率。而发生过多 次冲突的帧，发送成功的概率反而小。 总线上的非发送站点总是处于监听总线状态。当网络上有数据帧而活跃时， 则启动数据帧的接收过程。对于接收到的帧，要进行如下的帧有效性检查： 1 滤除因冲突而产生的“帧碎片”，即当接收的帧长度小于最小帧长限制时， 则认为是不完接的帧而将它丢弃掉； 2 检查帧的目的地址字段( d a ) 是否与本站地址相匹配，如果不匹配，则 说明不是发送给本站的而将它丢弃掉； 3 进行帧的c r c 校验。如果c r c 校验有错，则丢弃该帧： 4 进行帧长度检验。接收到的帧长必须是8 位的整数倍，否则丢弃掉： 5 最后将有效的帧提交给软件层。 第1 6 页 宽带接入网关中n a t n a p t 技术研究雨硬件实现第四章基于以太网技术的宽带接入网 第四章基于以太网技术的宽带接入网 由以太网的发展历史可以看出，以太网技术已经发展的非常成熟，目前已成 为使用最广泛的局域网技术。而且，由于以太网技术具有其简单、成本低、可扩 展性强、与i p 网能够很好的结合的特点，它的应用正从企业的内部网络向公用 互联网络的领域发展，成为一种新兴的宽带接入技术。基于以太网技术的宽带接 入网就是指将以太网技术与综合布线相结合，作为公用互联网络的接入网，直接 向用户提供基于p 的多种业务的传送通道。 4 1 网络结构 随着以太网技术向通信领域的渗透，国内的通信标准研究组逐渐开始制定一 系列与以太网技术关系密切的通信行业标准。鉴于目前的解决方案和设备还不能 完全满足接入网这样一个公用网络环境的要求，接入标准组提出了基于以太网技 术的宽带接入网( y d t1 1 6 0 2 0 0 1 接入网技术要求基于以太网技术的宽 带接入网) 。 基于以太网技术的宽带接入网由局侧设备和用户侧设备组成。它的网络结构 见图4 1 。局域设备提供与口骨干网的接口，用户侧设备提供与用户终端计算机 相接的1 0 1 0 0 b a s e - t 接口。局侧设备具有汇聚用户侧设备网管信息的功能。 图4 1基于以太网技术的宽带接入网 第1 7 页 宽带接入网关中n a t n a p t 技术研究和硬件实现第四章基于以太网技术的宽带接入网 在基于以太网技术的宽带接入网中，用户侧设备只有链路层功能，工作在 m u x ( 复用器) 方式下，各用户之间在物理层和链路层相互隔离，从而保证用 户数据的安全性。用户侧设备可以在局侧设备的控制下动态改变其端口速率，从 而保证用户最低接入速率、限制用户最高接入速率，支持对业务的q o s 保证。 对于组播业务，由局侧设备控制各多播组状态和组内成员的情况，用户侧设 备只执行受控的多播复制，不需要多播组管理功能。局侧设备还支持对用户的认 证，授权和计费以及用户i p 地址的动态分配。为了保证设备的安全性，局侧设 备与用户侧设备之间采用逻辑上独立的内部管理通道。 在基于以太网技术的宽带接入网中，局侧设备不同于路由器，路由器维护的 是端口网络地址映射表，而局侧设备维护的是端口主机地址映射表；用户侧 设备不同于以太网交换机，以太网交换机隔离单播数据帧，不隔离广播地址的数 据帧，而用户侧设备完成的功能仅仅是以太网帧的复用和解复用。 4 2 网络管理问题 由于以太网技术从本质上来说仍是一种局域网技术，而接入网是一个公用网 络环境，所以采用以太网技术提供公用网络的接入，建设可运营、可管理的宽带 接入网络，需要妥善解决一系列网络管理问题，包括认证计费管理、网络安全管 理、业务质量管理、网络运维管理等。 4 2 1 认证记费管理 认证管理指的是用户需要到接入网运营商那里进行开户登记，并且在用户进 行通信时对用户进行认证、授权。对所有运营商而言，掌握用户信息是十分重要 的，从而便于对用户的管理，因此需要对每个用户进行开户登记。而在用户进行 通信时，要杜绝非法用户接入到网络中，占用网络资源，影响合法用户的使用， 因此需要对用户进行合法性认证，并根据用户属性使用户享有其相应的权力。 计费管理指的是接入网需要提供有关计费的信息，包括：用户的类别( 是账 号用户