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摘要 h i n o c ( h i g hp e r f o r m a n c en e t w o r ko v e rc o a x ) 网络是在当前删已经存在 和普遍应用的前提下，利用有线电视网已有的同轴电缆线路和分配网络，组建而 成的最后1 0 0 米范围内的宽带接入网。该技术完全利用现有有线电视网同轴电缆 的网络布线，仅增加h i n o cb r i d g e ( h b ) 和h i n o cm o d e r n ( h m ) 等相关设备，实现 高速和高质量多业务接入，可提供用户包括i p t v 、s d t v h d t v 、上网等宽带应 用。 本文首先对h i n o c 网络及h i n o c 系统m a c 协议进行了分析，在此基础上， 重点研究了m a c 协议中的汇聚子层功能；设计了针对h i n o c 网络的基于i g m p s n o o p i n g 的二层组播方案，通过实验证明了该方案的可行性；将v l a n 技术引入 h i n o c 网络，提出了基于m a c 地址的v l a n 划分和基于用户标识的v l a n 划分 机制；最后对h i n o cm a c 协议性能进行了测试，研究了汇聚子层的设计机制对 h i n o c 性能的影响。 关键字：h i n o c 汇聚子层组播v l a n a b s t r a c t h i n o c ( h i g hp e r f o r m a n c en e t w o r ko v e rc o a x ) b r i d g e st h el a s t10 0m e t e r sf r o m f i b e rn o d et oh o m es i n c ef i b e ri sw i d e l yd e p l o y e da n du s e d h i n o ci sah o m e b r o a d - b a n da c c e s sn e t w o r kc o m m u n i c a t i n go v e r e x i t i n g c o a x i a lc a b l e h i n o c t e c h n o l o g yc o m p l e t e l yu s et h ec a b l eo fw i r e dt v , o n l ya d d i n gt h ed e v i c e so fh m ( h i n o cm o d e m ) a n dh b ( h i n o cb r i d g e ) w i t h o u tc h a n g i n gt h ec u r r e n tw i r el i n e h i n o cp r o v i d e sh i g h - s p e e da n dh i g h - q u a l i t ya c c e s sf o rm u l t i - s e r v i c e s ，s u c ha sv o i c e ， i p s d t v h d t va n dd a t a f i r s t l y , t h eh i n o cn e t w o r ka n dt h em a cp r o t o c o la r ea n a l y z e d t h e nt h e f u n c t i o n so ft h ec o n v e r g e n c es u b l a y e r ( c s ) i nt h em a c p r o t o c o la l es t u d i e d a n dt h e n t h el i n kl a y e rm u l t i c a s tp r o t o c o lb a s e do ni g m p s n o o p i n gi sd e s i g n e d t h ep r o t o c o li s v a l i d a t e db ye x p e r i m e n t v l a nt e c h n o l o g yi sp u tf o r w a r di n t ot h eh i n o cn e t w o r k ，a n d t w om e c h a n i s m sa r ep r o p o s e dt oa s s i g nv l a nb a s e do nm a ca d d r e s sa n du s e r i d e n t i t y a tl a s t ，at e s ti sg i v e na b o u tt h ep e r f o r m a n c eo fh i n o cm a cp r o t o c o l ，a n dt h e e f f e c tt h a tm e c h a n i s mo ft h ec o n v e r g e n c es u b l a y e rt ot h en e t w o r kp e r f o r m a n c eo f h i n o ci ss t u d i e d k e y w o r d s ：h i n o cc o n v e r g e n c es u b l a y e r m u l t i c a s tv l a n 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果； 也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明 并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 丛墓经日期丝芝磋! 鱼! ! 鱼 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 日期趔辱! a 四 日期 臣生业 第一章绪论 第一章绪论 1 1h i n o c 网络的背景及意义 三网融合已成为全球范围内不可阻挡的趋势。我国十一五规划纲要中明确指 出了积极推进“三网融合”的发展目标。三网融合当前主要是指高层业务的融合。 近来出现的数字电视、i p t v 和移动电视等业务应用，被业界普遍认为是各大网络 走向三网融合的切入点。 当前的骨干网带宽可以基本满足网络融合的需要，而接入网速率限制成为影 响业务融合发展的瓶颈。以一路数字化标清电视( s d t v ) 和高清电视( h d t v ) 节目分别需要6 m b p s 和2 5 m b p s 左右的带宽计算，若一户家庭同时收看2 套s d t v 和l 套h d t v 节目，加上音频和部分上网带宽，则每户所需接入速率至少为 4 0 m b p s 。现有的接入技术由于带宽、成本、重新布线以及用户接受程度等原因都 难以提供可行的解决方案。由于光结点到用户的距离越来越近，在已经实现光纤 到楼( f 1 t b ) 的情况下，如何提供最后1 0 0 米的宽带接入方案将直接影响着三网 融合的推进。 我国现有1 3 亿有线电视网用户，分布广泛的楼道和户内分配网络具有得天独 厚的频带宽、容量大、抗干扰能力强等优点。其中8 6 0 m h z 以下为广播电视频道， 8 6 0 m h z 以上频带没有使用，本文称这一频段为带外信道。据初步测算，在带外信 道内有超过2 g b p s 的可用物理带宽。在这段有线电视网分配网络内没有放大器等 有源设备，无需进行改造就可以进行双向通信。如果能利用带外信道提供宽带接 入解决方案，则无需重新布线或改造便可提供多业务宽带接入。 1 2h i n o c 网络概述 有线电视网在我国是接入覆盖最大、用户数量最多的一张网络，同时也是目 前我国最高效廉价的综合网络，它具有频带宽，容量大，多功能、成本低、抗干 扰能力强、支持多种业务连接千家万户的优势。目前有线电视网主要用来向用户 传送模拟电视节目，宽带双向的点播电视( v o d ) 及通过有线电视网接入i n t e m e t 开 展双向业务是有线电视网的发展方向，最终目的是使有线电视网走向宽带双向的 多媒体通信网。 h i n o c ( h i g hp e r f o r m a n c en e t w o r ko v e rc o a x ) 网络是在当前f t t b 已经存在 和普遍应用的前提下，利用有线电视网已有的同轴电缆线路和分配网络，组建而 成的最后1 0 0 米范围内的宽带接入网。该技术完全利用现有有线电视网同轴电缆 2 i - l i n o c 网络汇聚子层戈链技术研究 的网络弗线，仅增加h i n o c b r i d g e ( h b ) 和h i n o c m o d e m ( h m ) 等相关设备，实现 高速和高质量多业务接入，可提供用户包括i p t v 、s d t v h d t v 、上网等宽带应 用。h i n o c 技术主要用于f t t b + c a b l e 的应用环境，根据需求，该技术组网应月j 的典型情况如图l 所示。 圈1 一个典型的h i n o c 网络 如图l 所示，h i n o c 网络内存在两种设备，分别为h b ( h i n o cb r i d g e ) 和 h m ( h i n o c m o d e m ) 。g b e ( g i g a b i te t h e m e t ) 信号通过f t t b 方式到达用户楼 fj 口，经h b 调制到同轴电缆带外频带的一个工作信道内井通过楼内分配网络和 电缆终端盒传输到位于用户家内的h m ，经h m 解调后传送给p c 、机顶盒( s t b ) 等设备。原有的c a t v 信号( 8 6 0 m l l z 以下) 在h b 和g b e 信号混合进入电缆分配 | 嘲络，因此不彩响原有电视的收看。一个h b 和若干个h m 以及中问的同轴电缆 分配网络构成h i n o c 网络，工作于同轴电缆的带外信道。 h i n o c 技术允许用户在已有的有线电视电缆上建立起带宽高达4 0 m b p s m a c 层速率的接入网络。同时，由于高速数据业务工作在8 6 0 m 以上的频带因此可与 现有的电视信号兆存。用户可以i 司时享用h i n o c 带来的高速网络及网上冲浪的感 受，又能继续收看现有的模拟数字电视节目。由于h i n o c 提供超太带宽的数据 接入，可以支持高速上网、基于i p 的网络电视、互动电视、视频点播、时移电视、 视频电话、视频会议和网络电话等多种增值应用。 经过计算，同轴电缆的带外信道所能支持的数据传输速度可达到2 g b 口s 以上， 能在干h 当长时间内满足业务发展的带宽要求，f t t b + c a b l c 的组回方案是在目前最 理想的组网方式。一网络建设的成本比较低采用现有的爿轴电缆进行入户， 完全符合现有有线网络分支分配网的网络拓扑能最大程度卜使用已有线路工 程量小，不扰民：二，h i n o c 产品的h 标成本为每户小于9 0 0 元，设备成本相当 低，和v d s l 等技术基本相当，而且其一对多的网络结构，只有很大的灵活性； 三，h i n o c 能够提供非常高的用户接入带宽，这样的带宽水平远远超过v d s l t ”、 a d s l t 2 i i ”，c a b l e m o d e m 4 喀，能够满足i p t v 等商清晰流媒体业务的传输。 第一章绪论 3 h i n o c 技术的主要技术指标是：单信道模拟带宽为1 6 m h z ，单用户的m a c 层接入速率可达到4 0 m b p s 以上；m a c 层网络拓扑支持点到多点的组网方式，单 信道支持最大结点数为3 2 个；网络覆盖范围不小于1 0 0 米，可实现包括 h d t v s d t v 等流媒体在内的多业务宽带接入。 1 3 本文主要工作和组织结构 从协议分层模型看，h i n o c 技术主要涉及h i n o cm a c 层和物理层( p h y ) 的设计。其中m a c 层从下到上又可分为公共部分子层( c p sc o m m o np a r t s u b l a y e r ) 和汇聚子层( c sc o n v e r g e n c es u b l a y e r ) 两部分。本文工作重点是对h i n o c 网络m a c 协议中的汇聚子层技术进行研究。汇聚子层，主要完成上层业务的封装 与转发，使得上层业务可以通过h i n o c 网络透明传输。 本文的主要工作包括：首先对h i n o c 网络及h i n o c 系统m a c 协议进行了 简要分析；重点分析了m a c 协议中的汇聚子层功能，在此基础上设计了针对 h i n o c 网络的基于i g m ps n o o p i n g 的二层组播方案，通过实验证明了该方案的可 行性；将v l a n 技术引入h i n o c 网络，提出了基于m a c 地址的v l a n 划分机 制和基于用户的v l a n 划分机制；最后对h i n o cm a c 协议的性能进行了测试， 研究了汇聚子层对h i n o c 网络性能的影响，通过测试可以看到汇聚子层的设计对 于h i n o c 网络性能有显著影响。 本文组织结构为： 第二章分析了h i n o c 网络的m a c 层协议，主要包括h i n o c 接入网的拓扑结 构、协议栈、信道分配及m a c 层机制，m a c 层机制又分为：网络搜索、网络接 纳和链路维护机制等。 第三章重点研究了h i n o c 网络的汇聚子层功能和机制，包括通过地址学习构 建转发表、数据帧的封装及打包、数据帧的转发以及对业务优先级的划分。根据 汇聚子层的特点及组播原理，提出了基于i g m ps n o o p i n g 的组播方案，在h i n o c 网络中实现了二层组播。将v l a n 技术引入h i n o c 网络，提出了基于m a c 地址 和基于用户的v l a n 划分机制。 第四章主要对h i n o c 网络的性能进行测试，通过对吞吐量及时延的测试，可 以看出汇聚子层对h i n o c 网络性能的影响，从而说明汇聚机制对h i n o c 网络的 重要性。 第五章总结论文工作，指出不足，提出未来工作思路。 第二章h i n o c 网络m a c 层功能概述 5 第二章h i n o c 网络m a c 层协议概述 h i n o c 网络由一个h b 和若干个h m 以及中间的同轴电缆分配网络所构成， 工作于同轴电缆的带外信道，利用现有有线电视网同轴电缆的网络布线，仅增加 局端的相关设备，实现高速和高质量多业务接入，可提供用户包括口t v 、 s d t v h d t v 和上网等宽带应用。 2 1h i n o c 系统及m a c 层概述 h i n o c 网络逻辑拓扑为星型结构，即点对多点结构，如图2 1 所示。h b 作为 中心结点可以连接若干个子结点h m ，h m 相互之间不能互相通信，只能和h b 通 信。h b 发给h m 的帧称为下行帧，h m 发给h b 的帧称为上行帧。 图2 1h i n o c 网络星型逻辑结构 在单个h i n o c 信道内，h b 和多个h m 设备组成总线型的物理拓扑结构，如 图2 2 所示。 螺- 一- 嘲酬- 舅叫_ 嘲利- 髓移 h m h mh mh mh m 图2 21 4 甜o c 网络总线型物理拓扑结构 - 的啊i h m h i n o c 网络采用t d d 方式实现双工通信，下行采用t d m 方式，可以提高传 6 h i n o c 网络汇聚子层关键技术研究 输速率，实现简单，并且在主结点的同意调度下可以非常灵活的实现上、下行带 宽的分配。上行采用t d m a 多址方式，可以动态分配信道资源，t d m a 机制需要 各结点较为严格的时钟同步，在h i n o c 网络中由于电缆接入网范围非常小，通过 主结点h b 定期发送系统时间就可以保证各结点的同步。 h i n o c 网络中h b 和h m 系统的协议栈如图2 3 所示，分别为物理层、媒体 接入层和高层。其中媒体接入层( m a c ) 又分为汇聚子层( c s ) 和公共部分子层 ( c p s ) 。 ll l 高层 l ll | | 弋， j 汇聚子层( c s ) m a i 公共部分子层( c p s ) j 物理层 p h 1 图2 3h i n o c 网络系统协议栈 c s 层是m a c 层的一个功能子层，主要功能是承载上层业务，实现m a c 层 核心功能与高层功能的适配，包括地址学习、数据的封装与解封、帧的转发。其 中上层业务主要是指话音、视频和数据业务，而数据主要是高层协议数据单元 ( p d u ) ，包括i p 分组、以太网帧等。在本文中主要研究的以太网帧，称为以太网 m a c 帧( e m a c 帧) 。以太网m a c 帧在h i n o c 网络中要被封装成h i n o cm a c 帧( 简称h m a c ) 进行传输。c p s 子层提供m a c 层的核心功能，包括结点接纳 控制、接入控制与信道( 带宽) 分配、链路维护、q o s 保证等。传输数据时，c p s 子层接收来自c s 子层的数据封装为h m a cp d u ，然后通过p h y 层发送。 h m a c 帧由帧首部、帧载荷和尾部( c r c 校验) 组成，如图2 4 所示，m a c 帧首部是由发送时钟、帧类型、源结点i d 、目的结点i d 、帧长度、帧子类型、版 l i首部载荷尾部 l 图2 4h i n o c m a c 帧结构 本号、子帧个数、首部校验和构成。结构如图2 5 所示。其中目的结点和源结点i d 是收发该帧h i n o c 网络结点地址；子帧个数表示该帧载荷域内包含的h m a c 业 务数据单元的数目，通过这一功能m a c 层可以支持打包功能，将多个高层p d u 组合为一个m a cp d u ，这样可以提高传输效率。载荷域存放上层业务信息或控制 信息。尾部是帧校验序列，用于实现对载荷域的校验。 第二章h i n o c 网络m a c 层功能概述 7 目的结点i d源结点i d 帧类型帧子类型 版本号子帧个数 帧长度 ， 发送时钟 首部校验和 图2 5m a c 帧首部结构 从功能上分，m a c 帧可以分为控制帧和数据帧两类。数据帧用于承载上层业 务信息( 如以太网帧) 。控制帧用于实现协议的接纳、调度、预约、维护和信道探 测等功能。主要的控制帧见表2 - 1 。 表2 - 1h m a c 控制帧 帧类型发送方向，方式功能 m a p 帧主站一 子站，广播方式调度和发布( 已接纳结点) 各帧 的发送时机 预约请求( r ) 帧子站一 主站，单播方式子站向主站发送预约，请求安排 发送时机 链路控制帧( 多种)双向，单播或广播用于传送接纳、维护、信道探测 过程中的控制信息 b e a c o n 帧主站一 子站，广播方式用于控制和调度未接纳结点的 信息传送 所有的m a c 帧都是通过物理层( p h y ) 发送的，但是m a c 层不产生和发送 用于信道训练的探测帧( p r o b e ) 和功率控制帧，这两种帧是由物理层产生的，但 是这些帧的发送必须由m a c 层为其调度发送时机。 2 2 信道分配 h i n o c 网络采用全协同的t d m t d m a 机制实现对共享信道的访问，信道分 配由h b 决定。h b 通过周期性发送m a p ( m e d i a a l l o c a t i o np l a n ) 帧向各结点发布当 前这一周期内的信道分配方案。一个m a p 帧所控制的一段时间称为m a p 周期。 每个m a p 周期时长可变。m a p 周期的安排主要是考虑提高线路利用率，使开销 达到最小。为了避免发射机在收发状态之间频繁转换，把m a p 周期中的上行数据 区间和下行数据区间分开。m a p 周期的安排及其必须遵守的时间关系如图2 6 所 示。图中t u p 为两个上行帧之间的间隔，t d o w n 为两个下行帧之间的间隔，t i n t 是一个m a p 周期的结束与下一个m a p 周期的开始之间的间隔。 8 h i n o c 网络汇聚子层关键技术研究 hk 瑁伽 图2 6m a p 周期 m a p 周期的使用由m a p 帧分配。m a p 帧包括以下域：m a p 帧头、零个或 多个分配单元( a u ) 。a u 用来给m a c 帧( 如b e a c o n 、m a p 、p r o b e 、控制、预 约请求、数据等) 的发送分配传输带宽；m a p 帧的结构如图2 7 所示。 m a c 头m a p 头 a u la u 2 a u nc l 配 一 翟 j 是 i g m ps n o o p i n g i p 协议号为2 7 i g m p 消息类型 为o x l l 二二 转发给以太网 u 并等待响应 i g m p 消息类型 为0 x 1 6 记录该组播组 并把该帧转发 到c a b l e 口 i g m p 消息类型 为o x i 7 删除该组捅组 表项并把该帧 转发到c a b l e i ( a ) h m 实现组播的过程 否 丢弃该帧 否 查询组播转发表 该组播组存 影 ：i e 一 转发到以太 网口 3 2 h 稍o c 网络汇聚子层关键技术研究 是 h b 收到e m a c 帧并检 查目的地址 组播地址? 二( i g m ps n o o p i n g i p 协议号为2 7 i g m p 消息类型 为0 x 1 1 工 广播到h i n o c 网 络并等待响应 i g m p 消息类型 为0 x 1 6 i g m p 消息类型 为0 x 1 7 查询组播表ii 查询组播表 嘲剐i 卜铲弃 个该组播组表项并il 该组播组下插入此ii 删除此i d ，并丢弃 把信息发到以太网ii d 并且丢弃该帧i该帧 否 查询组播转发表 并做相应的转发 删除该组播组表 项。并把信息转发 到以太网口 ( b ) h b 结点实现组播的过程 图3 1 0h i n o c 网络中结点对组播的支持的流程图 如图3 1 0 ( a ) 和( b ) 所示，无论是结点h b 还是h m 收到e m a c 帧以后都要检查 e m a c 帧的目的地址。如果目的地址是组播地址，需要将需要交给i g m ps n o o p i n g 模块去处理。i g m ps n o o p i n g 会探测每个e m a c 帧中的i p 报文，检测e m a c 帧 头找出使用m 协议的e a m c 帧，检查口包头中的协议标示符，过滤出i p 协议号 为2 的口包即i g m p 报文，然后根据i g m p 报文中的消息类型进行相应的处理。 不同的结点对同一个消息类型会进行不同的处理，如图3 1 0 ( a ) 所示，当h m 收到 消息类型为o x l l 的i g m p 报文即成员关系查询消息时，会把报文转发到以太网口 即传送到与其相连的主机。而h b 会把该帧封装以后广播到h i n o c 网络中如图 3 1 0 ( b ) 所示。当收到消息类型为0 x 1 6 的成员关系响应i g m p 报文时，h m 只是记 录下该组播组并把消息转发到另一侧的c a b l e 口，h b 则需要查找组播表，然后决 定是插入该组播组表现还是只是插入成员的i d 号。如果收到的报文是消息类型为 节 第三章h 1 n o c 网络汇聚子层的研究 3 3 0 x 1 7 的离开组i g m p 报文，h m 只需要删除该组播组并转发给消息到c a b l e 口即可， 但是h b 却需要查找组播表来决定是删除该组播组表项还是删除发送该消息的i d 号。但是对非i g m p 报文的组播数据帧，h b 的处理就会简单一些，只是查找组播 表，并做相应的转发，而h m 不但要查找组播表，还要根据组播表决定是转发还 是丢弃该帧。h m 这个功能可以为主机正确接收组播信息提供一个重要的保证，因 为主结点h b 在转发表中一个组下有多个i d 号的时候，组播消息就会被当成广播 消息发送到h i n o c 网络中的各个h m 上，h m 则可以根据自己的组播表来确定是 丢弃还是转发这些消息，这样加入组的主机就可以收到自己希望收到的组信息， 而未加入组的主机就不会收到该组的信息，这样既减少了网络上的负担，也减少 了主机处理无用消息的负担。 从以上的叙述可以看出h m 中对组播的处理相对h b 是比较简单的，这是因 为h i n o c 网络是星型结构，在h i n o c 网络中h i m 只和h b 直接通信，这样在建 立组播表的时只考虑组播组。而h b 不仅需要和网络中各个h m 结点通信，还需 要和外网进行通信，所以在实现组播上比较复杂。h b 在构建组播表的时候不仅要 考虑组播组，还要考虑组播组下的成员。组播表的结构如下图所示： ( a ) h b 组播表结构 3 4 h i n o c 网络汇聚子层关键技术研究 圈 ( b ) h m 组播表结构 图3 i ih i n o c 网络中的组播表结构 链表的每一个结点表示一个组播组的信息，包括的信息有：组播组地址，每 一个多播组都有各自的组播组地址。i d 号用来标识在这个组播组里面有哪些i d 号 属于组成员。因此可以定义组播表的结构体为： t y p e d e fs t r u am u l t i a d d r t a b u n s i g n e dl o n gm u l t i a d d r ；组播地址 u n s i g n e dl o n gh i l d ；h i n o c 网络i d 号 m u l t i a d d r t a b 奎n e x t ； ) m u l t i a d d r t a b _ s ； ( 2 ) i g m ps n o o p i n g 模块使用的主要函数 1 )i g m p 报文结构： 由图3 6 可知i g m p 的报文格式，可定义i g m p 的结构如下： t y p e d e fs t r u c t u n s i g n e dc h a rt y p e ；i g m p 报文的类型 u n s i g n e dc h a rm a x r e s p o n s e t i m e ；最大响应时间值 u n s i g n e ds h o r tc h e c k s u m ；校验和 u n s i g n e dl o n gg r o u p a d d r e s s ；组地址 ) i g m p m e s s a g e ； 说明：此结构体定义了i g m p 报文的结构。i g m p 报文由i g m p 报文的类 型、最大响应时间值、校验和、组地址四部分组成。类型是用于区分i g m p 报文的类别；最大响应时间值只有在i g m p 报文类型是i g m p 成员关系查 询时才有效，它表示组播路由器从发出查询到收到响应的时间间隔：校验 罱曰 第三章h i n o c 网络汇聚子层的研究 3 5 和的计算方法和口报文的校验和的计算方法相同；组播地址，在通用查询 时此字段为零，其余均为有效的i p 组播地址。 2 )插入组播地址表的函数： i n t i n s e r t m u l t i a d d r t a b ( u n s i g n e dl o n gm u l t i a d d r , u n s i g n e ds h o r ti d ) 功能：用于创建或者插入组播地址表项，也可以对组播组下的成员进行 修改。 参数： u n s i g n e dl o n gm u l t i a d d r ：e m a c 帧中的m a c 组播地址。 u n s i g n e ds h o r ti d ：发送e m a c 帧的h m 的i d 号。 返回值：返回l 表示插入成功，返回0 表示不成功。 调用者：被i g m ps n o o p i n g 模块调用。 3 )查询组播地址表的函数： u n s i g n e ds h o r ts e a r c h m u l t i a d d r t a b ( u n s i g n e dc h a r 木m u l t i a d d r 一) 功能：该函数用来完成在组播地址表中查找组播地址与i d 的对应关系， 根据组播地址进行查找后返回d 号。 参数： u m i g n e d c h a r * m u l t ia d d r ：指向组播地址的指针。 返回值： u n s i g n e ds h o r t ：取值为1 6 b i t 的h i n o c 结点i d 调用者：由i g m ps n o o p i n g 模块调用 4 ) 删除组播地址表的函数： i n td e l m u l t i a d d r t a b ( u n s i g n e dl o n gm u l t i a d d r ，u n s i g n e ds h o r th i l d ) 功能：该函数用于在组播地址表中删除相应得组播地址表项，同时也可 以将一个组播组中的成员进行删除，即删除该组播组下的成员的 i d 号。 参数： u n s i g n e dl o n gm u l t i a d d r ：e m a c 帧中的m a c 组播地址。 u n s i g n e ds h o r ti d ：发送e m a c 帧的h m 的i d 号。 返回值： i n t ：删除成功返回l ，不成功返回0 调用者：被i g m ps n o o p i n g 模块调用 5 )两个组播地址比较的函数： i n t m u l t i a d d r e o m p a r e ( u n s i g n e d c h a rm a d d r a ， u n s i g n e dc h a rm a d d r b ) 3 6 h 烈o c 网络汇聚子层关键技术研究 功能：该函数完成两个组播地址值的比较 参数： u n s i g n e dc h a rm a d d r a ，u n s i g n e dc h a rm a d d r _ b 】是两个需要比较 的组播地址 返回值： i n t ：两个组播地址相等时返回1 ，不相等时返回o 调用者： 由u n s i g n e ds h o r ts e a r c h m u l t i a d d r t a b ( u n s i g n e dc h a r 幸m u l t i a d d r 一) 函 数、u n s i g n e dl o n gi n s e r t m u l t i a d d r t a b ( u n s i g n e dl o n gm u l t i a d d r , u n s i g n e d s h o r ti d ) i 函数及i n td e l m u l t i a d d r t a b ( u n s i g n e dl o n gm u l t i a d d r ，u n s i g n e d s h o r th i i d ) 函数调用，即在组播地址表中插入组播地址表项、查找组播 地址及删除组播地址表时调用。插入时如果发现地址表中已经有相等的 组播组地址，则只是该组播组下插入成员的i d 号，否则插入新的组播组 地址到组播地址表中；查找时如果找到相等的组播组地址，则返回该组 播组下所有h i n o ci d ；删除时如果找到相等的组播组地址，则查看组播 组下是否还是其他成员，若有其他成员则删除该离开组成员的i d ，若没有 其他成员即该成员是此组播组的最后一个成员，则删除该组播组。 6 ) 接收报文的函数： v o i d r e c v m e s s a g e ( u n s i g n e ds h o r th i l d ，i p _ si p p a c k e t ) 功能：该函数用于接收各种i g m p 报文并作相应的处理 参数： u n s i g n e ds h o r th i l d ：1 6 b i t 的h i n o c 网络i d 号 口si p p a c k e t ：i p 报文 返回值：无 调用者：被i g m ps n o o p i n g 模块调用 7 )查询子模块接收输入报文的函数： v o i d p r o c e s s q u e r y ( i g m p m e s s a g ei g m p p a c k e t ) 功能：该函数用于接收i g m p 查询报文并作相应的处理( 处理过程如图 3 1 0 所示) 参数： i g m p m e s s a g ei g m p p a c k e t ：i g m p 报文 返回值：无 调用者：被函数v o i d r e c v m e s s a g e ( u n s i g n e ds h o r th i l d ，i p si p p a c k e t ) 调用 8 )报告子模块接收输入报文的函数： v o i dp r o e e s s r e p o r t ( u n s i g n e ds h o r th i l d ，i o m p m e s s a g ei g m p p a c k e t ) 第三章h i n o c 网络汇聚子层的研究 3 7 功能：该函数用来接收i g m p 成员响应报告的报文并做响应的处理( 处 理过程如图3 1 0 所示) 参数： u n s i g n e ds h o r th i l d ：1 6b i th i n o c 网络d i g m p m e s s a g ei g m p p a c k e t ：i g m p 报文 返回值：无 调用者：被函数v o i dr e e v m e s s a g e ( u n s i g n e ds h o r th i l d ，i p _ si p p a c k e t ) 调用 9 )离开组子模块接收报文的函数： v o i dp r o c e s s l e a v e ( u n s i g n e ds h o r th i l d ，i g m p m e s s a g ei g m p p a c k e t ) 功能：该函数用来接收i g m p 离开组报文并作相应的处理( 处理过程见图 3 1 0 ) 参数： u n s i g n e ds h o r th i i d ：1 6b i th i n o c 网络d i g m p m e s s a g ei g m p p a c k e t ：i g m p 报文 返回值：无 调用者：被函数v o i dr e c v m e s s a g e ( u n s i g n e ds h o r th i l l ) ，i p si p p a c k e t ) 调用 ( 3 ) i g m ps n o o p i n g 的测试方案 根据h i n o c 网络结构组建实验网：4 台主机和4 个网络结点。其中主机3 作 为组播源发送组播信息。h i n o c 网络中的设备结点可采用i x p 4 2 5 开发板【2 2 】【2 3 1 ， 简称m a c 板。i x p 4 2 5 开发板是根据h i n o c 网络而开发的，可以运行h i n o c 系 统的m a c 协议。这4 个m a c 板中，一个作为主结点h b ，其他3 个作为结点h m 。 并且设置结点h b 的i d 号为0 ，h m 的i d 号分别为1 ，2 ，4 。组播在结点h b 和h m 实现是相似的，且主结点h b 中会复杂一些，所以我们将以h b 中实现为例 进行说明。 1 ) 在结点中加入i g m ps n o o p i n g 模块，加入一个组 主机1 希望加入组播组2 2 4 1 3 2 ，因此组播一个主动提供的i g m p 成员关系 报告给该组，该报告中的m a c 目的地址为0 x 0 1 0 0 5 e 0 1 0 3 0 2 。最初组播表上没 有这个组播m a c 地址的项( 见图3 1 2 ) 。当i g m ps n o o p i n g 模块收到主机1 组播 的i g m p 报告时，会根据报告中的信息建立一个组播表项，如表3 1 所示，该项包 括主机l 所连接的h m 的i d 号，组播组地址。 3 8 h l n o c 网络汇聚子层关键技术研究 表3 - 1 主机1 加入后的转发表 目的地址 i d 0 1 0 0 5 e 0 1 - 0 3 0 2l 图3 1 2 加入i g m ps n o o p i n g 模块的h i n o c 网络 如果主机4 也想加入该组，并主动地发一个i g m p 报告给该组，表3 2 显示了 主机4 加入该组后的转发表的情况，报告经过h m 4 转发到h b 上，交给i g m p s n o o p i n g 模块进行处理，由于转发表中已经有该组播组表项，因此只在该组播组 项后面加入与主机4 相连的h m 的i d 号4 ，由于路由器已经知道该网段上有该组 播组成员了，因此i g m ps n o o p i n g 模块不需要把该报告转发到路由器了。 表3 - 2 主机4 加入后的转发表 目的地址 i d 0 1 0 0 5 e 0 1 0 3 0 2 1 ，4 此时我们可以让组播源主机3 向目标组2 2 4 1 3 2 发送信息，会发现在主机2 上接收不到该组播信息如图3 1 3 中( b ) 所示。由此可以得出结论，在h i n o c 网络 的结点中加入i g m ps n o o p i n g 模块后，可以实现二层组播，组播不再以广播的形 式来处理。 第三章h d q o c 网络汇聚子层的研究 3 9 c a ) 发送纽描信息 b ) 接收组描信息 图3 1 3l i l 插测试 2 l 在i g m ps n o o p i n g 方式下离开一个组 主机1 接收数据完毕要离开组播组2 2 4 13 2 ，通过向2 2 40 0 2 ( m a c 地址 0 x 0 1 0 0 5 e 0 0 0 0 0 2 ) 组播一个离开组消息声明它正在离开组。该消息经过h m 时 被提交到i g m ps n o o p i n g 模块，经过相应的处理后被转发到h b h b 收到该消息 后也把该消息提交到h b 中的i g m ps n o o p i n g 模块中，发现是离丌组消息，就查 询转发表，若该组播组下还有其他成员就删除与主机1 相连的h m l 的m 号， 然后丢弃该消息。如表3 - 3 所示，表中没有了h m l 的i d 号1 。这里和普通的交 换机处理离开组消息不同的是h b 不需要向接收到该消息的端口发送一个i g m p 通用查询来作为对离开组消息的响应，这是因为每个h mi d 下只有一个用户设 备。 表3 - 3 主机1 离开后的转发表 目的地址 i d 0 1 - 0 0 5 e - 0 1 - 0 3 0 24 从表3 - 3 中可以看出，组播组2 2 4 1 3 2 中主机1 所连接的h m 的i d 号1 已经 被删除。此时在主机1 上测试组播发现主机1 上己无法收到组2 2 4 132 的数据 包了。 总之，在h i n o c 网络的各结点中加入i g m ps n o o p i n g 模块后，可以实现对二 层组播的支持，组播数据包不再以广播的形式传送，这对h i n o c 网络宝贵的网络 带宽和主机资源来讲，有着重要的意义。二层组播在h i n o c 网络中的实现，为多 媒体信息清晰，流畅的在h i n o c 网络传输奠定了坚实的基础。 4 0 h i n o c 网络汇聚子层关键技术研究 3 3v l a n 在h i n o c 网络中的实现方案 3 3 1v l a n 概述 ( 1 ) 。a n 概述 v l a n ( v i r t u a ll o c a la r e an e t w o r k ) 即虚拟局域网，是一种通过将局域网内 的设备逻辑地划分成一个个网段从而实现虚拟工作组的新兴技术。它建立在局域 网交换机的基础之上，通过v l a n 用户能方便地在网络中移动和快捷地组建宽带 网络，而无需改变任何硬件和通信线路。这样，网络管理员就能从逻辑上对用户 和网络资源进行分配，而无需考虑物理连接方式。v l a n 充分体现了现代网络技 术的重要特征：高速、灵活、管理简便和扩展容易。网络的虚拟化是未来网络发 展的潮流。 传统的抑制广播风暴的基本方法是隔离广播域。显而易见的解决方法是限制以 太网上的结点，这就需要对网络进行物理分段。将网络进行物理分段的传统方法 是使用路由器【2 4 】【2 5 1 ，如图3 1 4 所示。路由器的基本作用是只发送和接收来往于不 同物理网段的信息。 图3 1 4 传统的l a n