（通信与信息系统专业论文）docsis30中下行通道绑定调度方案设计和仿真.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：圣壹：! 垒 日论文作者签名：i = 塑：! 垡日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：皿导师签名： 中文摘要 h f c ( 混合光纤同轴) 网络一直被广泛应用于有线电视系统，并且自1 9 9 0 年 前后已被用来进行数据传输。d o c s i s 作为在h f c 网络上进行双向数据传输的标准， 目前正面l 隘带宽不足的挑战。最新的d o c s i s 3 0 协议提出了使用通道绑定技术提 供更高带宽的方法。然而在下行通道绑定系统的实现上，仍然存在几个问题需要 解决，这些问题包括下行通道的负载均衡方法、下行再排序窗口的取值选择、下 行绑定系统的性能分析等。 本文结合对协议的分析，就上述问题进行了讨论。重点研究了如何在下行方 向实现通道绑定技术，在此基础上，完成了三个方面的工作。第一，分别设计了 c m t s 与c m 中的m a c 层下行数据调度处理方案，在c m t s 中提出了针对下行数据发 送的基于状态检测的随机负载均衡算法，在c m 中设计了接收数据包再排序算法。 第二，通过建立下行通道绑定数据传输的仿真模型，对所设计的方案进行了验证 和性能分析，重点讨论了传输通道时延和误码对系统的影响。第三，通过仿真的 方法对c m 中的一个重要参数再排序窗口的取值区间进行分析，找出了合理的 取值范围。 关键词：d o c s i s ；通道绑定；再排序窗口 当奎查主竺主兰簦兰耋 a b s t r a c t w i d e l yu s e di nc a t vi n d u s t r y , h f c ( h y b r i df i b e rc o a x ln e t w o r k sh a v eb e e n a p p l i e di nd a t at r a n s m i s s i o ns i n c et h ey e a r1 9 9 0 e s t a b l i s h e da sam a j o ri n d u s t r y s t a n d a r df o rt w o - w a yc o m m u n i c a t i o n so v e rh f cc a b l ep l a n t s ，d o c s l s ( d a t ao v e r c a b l es e r v i c ei n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n ) i sn o wu n d e rg r i tc h a l l e n g e ，d u et oi n s u f f i c i e n t b a n d w i d t h t h el a t e s tv e r s i o n ，d o c s i s 3 0 ，h a sd e v e l o p e dat e c h n o l o g ya p p r o a c ht o b o n dm u r i p l ep h y s i c a lc h a n n e l si n t oas i n g l ev i r t u a lc h a n n e ls o 嬲t oo b t a i n h i g h - b a n d w i d t h h o w e v e r , t h e r ea r es t i l ls e v e r a lk e yp r o b l e m st os o l v ei nr e a l i z i n gt h e d o w n s t r e a mc h a n n e lb o n d i n gs y s t e m ，i n c l u d i n gt h ew a yf o rd o w n s t r e a mc h a n n e ll o a d b a l a n c e ，r a n g ef o rd o w n s t r e a mr e s e q u e n c i n gw i n d o ws i z e ，a sw e l l 嬲t h ep e r f o r m a n c e a n a l y s i so f d o w n s t r e a mb o n d i n gs y s t e m b a s e do nt h es t u d yo ft h ep r o t o c o l ，t h i st h e s i sd i s c u s s e st h ea b o v ep r o b l e m s ， p u t t i n gf o r w a r das c h e d u l ep l a nf o rd o w n s t r e a md a t at r a n s m i s s i o n t h ej o bi n c l u d e st h e f o l l o w i n gt h r e et a s k s f i r s to fa l lw ed e s i g nt h ed o w n s t r e a md a t as c h e d u l es c h e m e si n m a cl a y e rf o rc m t sa n dc m r e s p e c t i v e l y , i n c l u d i n gs t a t e - b a s e dr a n d o ml o a db a l a n c e a l g o r i t h mo nd o w n s t r e a mt r a n s m i s s i o ni nc m t s ，a n dp a c k e tr e s e q u e n c i n ga l g o r i t h mo n d a t ar e c e i v ei nc m t h e nw ec o n s t r u c tas i m u l a t i o nm o d e if o rt h es c h e m e s 。w i t hw h i e h w ec a nd os o m ea n a l y s i sa n dv e r i f yt h es c h e m e s a n dw ed i s c u s si nd e p t ht h ee f f e c to f c h a n n e ld e l a ya n dc o d ee r r o ro nt h es y s t e m f i n a l l yw eh a v ei d e n t i f i e dt h er a n g eo ft h e r e s e q u e n c i n gw i n d o ws i z eb ys i m u l a t i o n ，a ni m p o r t a n tp a r a m e t e ri nc md o w n s t r e a m d a t ap r o c e s s 2 k e yw o r d s ：d o c s i s ；c h a n n e lb o n d i n g ；r e s e q u e n c i n g w i n d o w 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 背景概述 在用户接入网领域，不同的技术之间一直存在着激烈的竞争。目前大规模的 固定用户接入网实现技术主要有两种，即基于双绞线的d s l 技术和基于有线电视 h f c 网络的c a b l em o d e m 技术。c a b l em o d e m 是一种通过有线电视网络进行高速数 据接入的设备。c a b l em o d e m 在两个不同的方向上发送和接收数据，它把上、下行 的数据用不同的调制方式调制在双向有线电视网的不同频道上。本文所研究的下 行通道绑定问题即与c a b l em o d e m 的下行数据传输有关，因此首先将对h f c 网络 及其使用的数据传输协议进行简要介绍。 1 1 1 怍c 网络的产生与发展 有线电视( c a t v ) 在初期阶段被称为共用天线电视( c o m m u n i t ya n t e n n a t e l e v i s i o n ) 系统，目前通常称为电缆电视( c a b l et e l e v i s i o n ) ，i e c 称之为电 缆分配系统( c a b l ed i s t r i b u t i o ns y s t e m ) 。最早的共用天线系统于1 9 4 8 年在宾 夕法尼亚开始应用，其主要目的是为了服务于居住在山区等无线电视广播信号接 收条件不好的地区。通常把接收天线架设到社区的高处，并用同轴电缆将信号输 送分配到用户家中。后来这种系统发展到由运营者接收卫星或其他电视信号，再 加上自行制作的节目，统一分配到用户家中，这样内容就大大丰富了，于是这种 网络也被称为有线电视。由于有线电视具有覆盖面广、信道稳定、信号质量高、 树枝状拓扑结构、成本低和频道资源丰富等特点，经过5 0 余年的发展，逐渐从电 缆电视网发展到混合光纤同轴( h f c ，h y b r i df i b e rc o a x i a l ) 网，成为与电信网、 计算机网并列的三大网络之一。 由于传统有线电视网络的单向广播式特性，家庭用户只能没有选择的接收运 营者提供的内容。这种情况在1 9 8 0 年前后开始发生改变。为了能够像用户提供更 有吸引力的同时对运营商而言更具盈利性的业务( 如付费频道、按次付费点播等) ， 工程师们开始考虑在有线电视网络上使用双向业务。随后由于光纤的普遍使用， 使在北美等地的大规模的双向化改造得以实现。在美国，根据联邦通信委员会的 山东大学硕士学位论文 - l _ _ _ l i _ _ _ _ l _ i _ _ _ _ _ _ - _ - - _ _ - l _ - _ l _ - - l l _ _ _ _ _ _ i l _ _ _ _ o ! ，_ 统计( 见文献 4 ) ，截至2 0 0 5 年6 月，通过有线电视网络接入i n t e r n e t 的用户 已经达到2 3 0 0 万，占全部接入用户的6 0 3 ；同期使用d s l 技术接入的用户占 3 7 2 。在中国，也有北京歌华有线、上海东方有线、深圳天威视讯、广东江门有 线等运营商提供基于h f c 的宽带接入业务，截至2 0 0 5 年6 月，中国的宽带接入用 户中，使用c a b l em o d e m 的用户已有7 0 万户( 见文献 5 ) 。 f 1 2h f c 网络组成 混合光纤同轴网( 以下简称h f c 网) 主要由四部分组成，即前端、光缆干线、 光节点、同轴电缆分配网。如下图所示： 图1 - 1h f c 网的基本结构 各个部分的主要功能是： 前端：前端是有线电视系统的心脏和信号的源头。前端的功能是将各种信号， 如地面电视广播信号、电缆或光缆传递的电视信号、卫星广播电视信号、自播 电视信号、数据信息等经过接收、处理、变换和混合，转变为射频或光信号， 然后送入由宽带有线电视光缆和电缆混合组成的传输分配系统，直至进入千家 万户。由于双向网络的开展，前端的功能又有所增加，需要负责数据业务的终 4 山东大学硕士学位论文 结，并与i n t e r n e t 实现互联。 光缆干线：负责提供主前端与分前端及前端与光节点之间的业务传输通道。 光节点：对下行方向来说，负责将前端发出的光信号转为r f 信号并送入同轴 电缆分配网中；对上行方向，需要把经由双向滤波器分离出的上行r f 信号转 为光信号，再通过回传光纤送回前端。 同轴电缆分配网络：提供i l f 信号传输的通道。 t t f c 网络上可以承载多种业务，如基本业务，主要指现行的模拟和数字电视节 目传输业务；扩展业务，如图文电视、数据广播、电缆调频广播；增值业务，即 通过双向传输进行交互式多功能应用的业务，如互联网接入、r o d 点播等。 在h f c 网络中，为有效的传输多种业务，需要各种业务所使用的频带范围进 行划分，也称之为频谱分配。国家广电总局在1 9 9 9 年2 月发布了g y t 1 0 6 1 9 9 9 有线电视广播系统技术规范中，把上下行频谱做了扩展( 上行5 - 6 5 y h z ，下行 8 7 一1 0 0 0 m i q z ) ，有利于h f c 扩展数据业务的传输。我国目前的频谱分配标准如下图 所示： 电视信号 山l山山0 00 凸凸n 凸凸隘雨凸凸凸 ：!：；嘉：!二爿r调频广辐。1一电视及数据下行频段1 图卜2 有线电视系统频谱分配图 1 3h f c 网络上的数据传输协议比较 由前面对l t f c 网络组成的分析可以发现，与传统的电信网相比，有线电视网 络具有如下几个特点： 树枝形的拓扑结构。放置在前端的c i d t s 为某一个范围内的所有c m 服务，在此 范围内的c l 共享下行和上行信道。 较高的传播时延。由于f i f e 网络的覆盖距离可以从数公里到数十公里，因此总 山东大学硕士学位论文 体上具有较高的传播时延。 上下行频带分配的不对称性。从前面的频谱分配图可以看出，在h f c 网络中， 上行频带为5 姗z 6 5 唧z ，而下行频带为8 8 m h z i g h z 。上行方向提供了从c m 到c m t s 的数据传输通道，下行方向提供从c m t s 到c m 的数据传输通道。由于 频率分配的历史原因，用于下行的带宽远大于用于上行的带宽。 由于h f c 网络具有上述特点，因此在利用它进行数据双向传输时，需要考虑 一些与传统计算机或其他通信网络不同的地方。首先要解决的就是在i p 层以下的 数据处理问题，此外，针对调制方式、误码纠错、电气接口等方面，也需要有一 个统一的标准以便规范产品，实现最为普遍的应用，降低制造和运营的成本。 从1 9 9 0 年开始，有线电视行业就在研究利用h f c 网络进行双向数据传输的方 案，分属不同利益团体的多个组织相继推出了一系列的方案，由于各自着眼点不 同，在许多地方存在差异。主要有三种方案参加了相互竞争： i e e e 8 0 2 1 4 方案。i e e e ( 电气与电子工程师协会) 8 0 2 1 4 工作组于1 9 9 4 年建 立，最早开始研究在c a t v 网络上提供数据通信业务，试图建立一个包括物理 层、m a c 层和整体体系的标准。该方案支持a t m 的c b r ，v b r ，u b r ，a b r 等业 务，但由于迟迟未能获得大部分厂商支持，该工作已被中止。 d o c s i s ( d a t a - o v e r - c a b l es e r v i c ei n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n ) 电缆数据服务 接口标准。是由c a b l e l a b s 于1 9 9 7 年开始推出的用于有线电视数据传输的协 议体系。c a b l e l a b s 作为一个非营利组织，由多家有线电视运营商和主要设备 提供商于1 9 8 8 年创建，其制定的协议具有行业规范的性质，得到了广泛的应 用。在1 9 9 8 年3 月，国际通讯联盟接受o o c s i s 标准，作为有线电视调制解调 器的标准，称为i t uj 1 1 2 标准。 d v b d a v i c l 5 中的d a v i cc a b l em o d e m 协议。数字广播联盟( d a v i c ) 一直 支持以d v b d a v i c 为基础d a v i cc a b l em o d e m 作为d o c s i s 标准在欧洲的替换， 当然也有支持欧洲本地产品的原因，而不是简单引进美国供应商的解决方案。 但由于市场规模和产品成本的原因，运营商和设备提供商也逐渐向 e u r o d 0 c s i s 靠拢。 n g o l m i e 等在文献 6 中对i e e e 8 0 2 1 4 和d o c s i s l 0 方案进行了比较分析， 6 i ；当奎奎兰至圭兰竺笙塞 根据他们的研究，同a i m 密切相关的8 0 2 1 4 方案在q o s 上能提供较好的支持，但 在传输i p 包方面效率不高，相反d o c s i s 方案由于使用了较简单的争用和管理算 法而无法提供较好的q o s 保障。 d v b d a v i c 与i e e e 8 0 2 1 4 相同，着眼点在于音频、视频传输的服务质量保证 方面，把数据都封装成a m 的信源来处理，核心交换技术是用a t m 来完成。而为 了适应欧洲有线电视系统频谱分配方案，c a b l e l a b s 制定了e u r o - d o c s i s 标准。与 d o c s i s 标准相比，主要对物理层的参数如带宽等进行了修改，而保留了m a c 层及 以上的处理方式。 h e n r yb a r t o n 在文献 8 中，对d o c s i s 标准与d v b d a v i c 标准进行了比较分 析，归纳起来，主要有以下几点： 在性能方面，由于d o c s i s 可以在上行方向采用1 6 q a m 的调制方式，相对 只能采用d q p s k 的d a v i c 方案，具有较明显的优势。 在效率方面，由于d o c s i s 直接支持i p 传输，而d a v i c 的方案需要将数据 报封装到a t m 中，因此增加了分段和重新装配的开销。例如一个6 4 字节 的i p 数据包需要使用两个a t m 信元来承载，这就损失了约4 0 的效率。 此外，d 0 c s i s 还提供了足够的灵活性，允许根据h f c 网络的不同结构和性能 调整m a c 层和物理层的上行传输与控制参数。在安全性方面，提供了基线隐私机 制，能够更好的保证用户数据传输的安全。 基于前面所述，d o c s i s 作为在h f c 网络上进行数据传输的协议之一，由于其 本身的优势，逐渐占领了北美、欧洲、亚洲等绝大多数市场，成为有线运营商的 首选。在下一节中，我们将对d o c s i s 进行概括性的介绍。 1 1 4d o c $ i s 标准概述 d o c s i s l 0 标准在1 9 9 7 年3 月发布，下行使用6 m h z 或8 m h z 带宽，能够提供 最多4 0 m b p s 的下行速率；上行为3 2 l h z 带宽，每个通道可以提供最多l o m b p s 的 速率。1 9 9 8 年4 月，i t u - t 正式接纳d o c s i s 为国际标准，即j 1 1 2 和于2 0 0 0 年 发布的j 1 2 2 标准。d o c s i s1 1 公布于1 9 9 9 年3 月。这个版本增强了操作的灵活 性、提供了传送实时业务的q o s 、解决了业务安全等问题，还能够提供i p 电话( v o i p ) 山东大学硕士学位论文 - - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - - - _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ 一 和交瓦式游戏等业务。为了改善系统的抗噪声干扰性能，采用了a _ t d m a 和s - c d m a 技术的d o c s i s2 0 在2 0 0 1 年1 2 月公布。由于将单个上行通道带宽提至最高 6 4 蛐z ，为对称业务大大增加了上行业务的吞吐量。 设计d o c s i s 标准的目的是为了能够通过h f c 网络实现电缆系统头端和用户之 间的透明i p 传输。下图所示为其系统参考结构： 图i - 3 电缆数据传输系统参考结构 在上图中，c m t s 与广域网相连，由服务器发送到用户端的数据到达c m t s 后， 由c m t s 进行相应处理后通过边缘q a m 调制器送入双向h f c 网络中，最终被c m 接 收并发送给用户；而由用户向服务器端发送的数据需要通过双向h f c 网络的上行 到达c m t s ，并经由c m t s 与广域网相连的接口发送。 d o c s i s 标准实际上就是对上图中各类接口和处理过程定义的规范的集合。比 较重要的有下面几个： l l f i ：射频接口规范 o s s i ：操作支持系统接口规范 b p i ：基线保密接口规范 c m c i ：电缆调制解调器与用户设备之间接口规范 文献 7 中详细的介绍了d o c s i s i 1 标准的射频接口规范。并对其他规范也进 行了说明。 当奎奎兰! i 圭兰! 耋笙奎。 d o c s i s 的演进过程实际上就是对上面这些主要规范不断扩充修改的过程。 ) c s i s l 0d ( ) c s i s l 1d ( ) c s i s 2 0d o c s i s 3 0 r f ir f i v l 1r f i v 2 0d r f i p h y m u l p y o s s io s s i v l 1o s s i v 2 0o s s i v 3 0 b p ib p i +s e c c m c i 图l - 4 不同d o c s i s 版本的主要规范的比较 从上图可以看出，d o c s i s 3 0 标准对原来的射频接口标准( r f i ) 进行细化，将 其一分为三，分别是下行射频接口标准( d r f i ) 、物理层标准( p h y ) 、m a c 及以上层 标准( m u l p y ) ，这说明在d o c s i s 3 0 新标准在m a c 及以上层的控制方面进行了相 当大的改进，较前面而言发生了很大变化。这些变化主要是围绕系统性能的提高 而采取的，我们将在下一节中对此进行讨论，并由此提出本文的研究目的。 1 2 课题的提出 在上一节中，我们看到d o c s i s 3 0 标准相对前面的版本有了较大的变化，这 是由竞争压力和技术进步共同推动的。 在有线电视h f c 网络中，虽然可供使用的频率范围可以达到1 g h z ，但受到有 线电视网络树形结构的限制，用户共享下行带宽。在采用c a b l em o d e m 接入技术 的h f c 网络中，随着网络业务的不断增加，c m t s 可以提供的每用户平均接入带宽 日益紧张。采用1 x 2 o 协议的系统中每个c m 只能同时使用单个下行通道，由此 造成的带宽限制已经无法满足现有视音频及更高要求业务传输的需要。 由于在c a b l em o d e m 接入网络中使用通道绑定技术这种思路在2 0 0 5 年前后才 提出，在这方面的研究较少。作为业内领先的公司，m o t o r o l a 在文献 9 中对使用 通道绑定技术提供更高的数据传输带宽的设想进行了说明，提出相应的处理方法 与实现框架。a r r i s 公司也在文献 1 0 中提出了该公司针对通道绑定技术的建议。 在吸收相关厂商建议的基础上，d o c s i s 3 0 提出了基于通道绑定的带宽解决方 案，这是其相对于前面版本的主要改进之一。其思路是通过允许c a b l em o d e m 同 9 山东大学硕士学位论文 时接受来自多个下行通道的数据，提高下行数据传输速率。同时，由于允许调度 不同业务流使用不同的下行通道，能够提供对不同业务需求的分类保障。 下行输入- t 至至三至) _ ， 三至 + 三垂三亘三至至三 一- 垂乎萋 普通c m 下行处理过程 下行输入 _ f 行输入 下行输入 m p e gm a c 处理处理 转 发 使用通道绑定的c m 下行处理过程 图1 - 5 使用通道绑定技术的嘣与不使用的c m 对下行数据的接收处理过程对比 由图卜5 可以看到，由于通道绑定技术允许c a b l em o d e m 同时接收处理多个 下行数据流，所以与不使用通道绑定的c m 相比，能够提供更高的接收带宽。在默 认的情况下，c m t s 将对数据包编号排序，以保证通过多个下行通道传输后数据可 以在c a b l em o d e m 处重组。由于在标准中针对下行通道绑定只给定了必须遵守的 规范，并未规定使用何种算法和实现方案。在具体的实现中，需要解决这样几个 存在的问题： 在使用多个下行通道的情况下，如何实现下行通道之间的负载均衡? 在使用多个下行通道接收数据的c m 中，数据包的再排序算法如何设计? 对于使用下行通道绑定的系统，其性能与哪些因素有关? 在c m 中，再排序窗口的取值范围如何确定? 本论文针对以上问题进行了相关讨论，主要研究了c m t s 中m a c 层下行数据调度发 送算法和c m 中下行数据包再排序算法。在此基础上实现了使用通道绑定进行下行 数据传输的处理过程设计，并通过仿真对所设计的方案进行了性能分析。 1 3 论文结构 本文的结构分为五章，其主要内容分别是： 第一章介绍了本文的研究背景和目的，主要是混合光纤同轴( h f c ) 网的基 本知识，包括h f c 网上的数据传输标准讨论和d o c s i s 协议的整体情 l o 况，在此基础上提出了本文的研究方向。 第二章针对d o c s i s 3 0 协议中的m a c 层下行数据传输进行了讨论。对协议中 的关键之处进行了分析。 第三章讨论了d o c s i s 3 0m a c 层数据下行传输设计方案和算法。 第四章首先对所使用的仿真工具情况进行了概述，接着详细说明了用第三章 中的设计方案建立仿真模型的过程，最后通过仿真对设计方案从功能 和性能两方面进行了分析，并对结果进行了讨论。 第五章总结了本文的工作，并提出了下一步的研究方向。 山东大学硕士学位论文 _ i l l l l _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 第二章d o c s i s 3 0 协议中的m a c 层数据下行传输 d o c s i s 3 0 协议中的m a c 层部分是协议的核心，包括c m t s 的带宽分配与控制， 数据包格式，链路安全与q o s 等内容。本章将重点研究与下行传输有关的部分， 即业务流、数据包分类与帧格式、下行数据的发送与接收。通过对这些内容的讨 论，将使我们掌握协议中对下行数据处理的要求，同时了解与下行处理有关的重 要参数，为下一章实现下行数据调度传输设计建立基础。 2 1 业务流 m a c 协议是d o c s i s 的基础，而业务流是m a c 协议的基础。业务流是一种m a c 层的传输业务，它提供了对于c m 发送的上行数据包或c m t s 发送的下行数据包的 数据包单向传输。下行数据在不同通道上的分配通过业务流的分配来实现，因此 要研究下行数据传输，必须先了解业务流的建立与分配。 2 1 1 业务流的建立 业务流可以静态的配置，但一般是通过c l o t s 与c m 的交互过程动态的建立。 一个业务流由一组q o s 参数进行描述，业务流标识( s f i d ) 被c m t s 和c m 用来标 识系统中已经被创建的不同的业务流。业务流的参数集有三种状态：指派、接纳、 激活。被指派的参数集就是在对业务流进行配置时指定的q o s 参数集。配置可以 是静态的，也可以是动态的。系统可以在配置或创建业务流时对它的资源要求进 行审查。被接纳的q o s 参数集是通过注册或动态添加过程被c m t s 接纳的参数集， c m t s 必须为接纳的业务流预留资源，但不必实际占用资源。c m t s 只为激活的业务 流分配相应资源，业务流实际占用的资源有可能小于其要求预留的资源。在注册 过程中，c m t s 为注册请求中的每个业务流分配一个s f i d ；在动态业务添加过程中， c m t s 为动态添加的业务流分配一个s f i d 。分配了s f i d 的业务流可能没有被激活， 甚至可能没有被接纳。只有当业务流被删除，与它所对应的s f i d 才会被释放。 2 1 2 业务流的分配 对于每个业务流，c m t s 必须将其分配到单独的上行或下行通道，或分配到绑 定组。这个分配可以是动态的，并且c m t s 可以在任意时间将业务流重新分配到别 山东大学硕士学位论文 _ i1 一 的单一通道或绑定组。d o c s i s 3 0 采用二进制属性的方法来将业务流分配到每个通 道。管理员将为每个通道或预置的绑定组配置一系列操作者定义的二进制属性。 同时，管理员可以在c m 的配置文件中配置一个针对某个业务流的请求属性掩码和 禁止属性掩码。c m t s 通过使用掩码来进行判断。只有当所有的请求属性都满足同 时禁止属性都不满足时，c m t s 才能将业务流分配到此通道。无论是初始分配还是 重分配操作，都要使用基于属性的分配方法。 运营商可以针对不同的情况定义各种通道属性，例如： 高可靠性。该通道是否具备冗余的硬件以便能够实现业务倒换。 高时延。该通道是否由于使用了较深的交织而具有较高的时延。 i p v i d e o 。该通道是否主要用于i p - v i d e o 。 每个业务流都可选择的包括以下t l v 参数( t l v 指类型、长度、值) ： 业务流需求掩码 业务流禁止掩码 业务流属性集合规则掩码 以上参数出现在c m 配置文件中的业务流编码中。并随注册请求而发送到c m t s 中。这些参数也可能会出现在由c m 发起的动态业务消息中。如果这些参数在业务 流编码中没有出现，那么对于相关的业务流来说，c m t s 将不会应用基于属性的分 配方式。在这种情况下，c m t s 可以以它认为合适的方式来将业务流分配到通道或 绑定组。 2 2 数据包分类规则 数据包依靠数据包分类规则映射为业务流，然后才能够根据业务流的分配规 则选择下行通道。数据包分类规则是一些匹配准则的集合，它应用到每一个进入 电缆网络的数据包上。它由一系列的包分类准则( 例如目的i p ) 组成，并附有每 个准则的优先级别。数据包分类规则与参考业务流相关联，当数据包与特定的分 类规则相匹配时，它将被按照参考业务流的要求发送。在上行方向，c m 将建立一 个上行丢弃分类规则，当数据包满足该规则时，将被丢弃而不进行传输。 不同的数据包分类规则可以映射到相同的业务流。分类规则的优先级将决定 对数据包进行分类的顺序。对分类规则必需要有明确的应用顺序，因为用于分类 山东大学硕士学位论文 i i _ _ _ _ _ _ _ i 的各种模式有可能重叠。c m t s 使用下行分类规则，c m 使用上行分类规则，如下图 所示： 图2 - 1m a c 层内部的分类 c m 或c m t s 必须先应用具有较高优先级的分类规则。如果一个数据包与分类规 则中的一个或一个以上的参数相匹配，c m 或c m t s 必须按照相应的业务流转发数据 包。如果对于一个给定的数据包，分类规则中找不到相关的参数，则数据包不能 与此规则匹配，需要再与其它规则进行匹配尝试。如果一个数据包不满足任何一 个分类规则的条件，它将被归类到缺省业务流中。 数据包分类规则表包括下面的字段： 优先级：决定了每个规则在数据包分类表中被搜索的先后顺序。 i p 分类参数：可以为空或包括以下参数( i p 协议，源i p 地址掩码，目 的i p 地址掩码，t c p u d p 起始源端口，t c p u d p 终止源端口，t c p u d p 起始 目的端口，t c p u d p 终止目的端口) l l c 层分类参数：可以为空或包括以下逻辑链路层分类参数( 目的m a c 地 址，源m a c 地址，以太类型) i e e e8 0 2 1 p o 参数：可以为空或包括8 0 2 1 p 优先级范围或8 0 2 1 qv l a n i d 。 业务流标识符：符合此分类规则的数据包将被转发的业务流的标识。 数据分类规则可以通过管理操作( 如配置文件，注册) 或通过动态的操作来 在表中添加或删除。注意，只有当与数据包分类规则关联的业务流处于激活的状 1 4 山东大学硕士学位论文 态时，该规则才能被使用。 2 3d o c s i sm a c 帧格式 m a c 帧是两个以上数据链路层实体进行数据交换的基本单元。d o c s i sm a c 帧 结构，如下图所示： f c蛐虻p a r ml ne h o r i c s踟协p d u 1 砷嘲f 1 )伫删( 1 - 2 4 0b y t )仁渊( o p , , o n 6 0 、? 1 、 、l 、。 f c t 、p ef c 纠墩“h d ro n e h t y p ee h j e n 器燃! 叫 。娃 ( r e s v e d ) - 1 1 4b a s ( 4 阮) 图2 2d o c s i sm a c 帧结构 其中，e h d r 表示扩展标头。这里可以放入多个种类的内容，使用不同的扩展标头 类型( e h _ t y p e ) 来标明，使用扩展标头长度( e h _ l e n ) 来分界。 这里，用于下行业务的扩展标头内容如下图： e he l m n tf i e i d u 口 s l z e ht y p ed h 鲰 t c e e l it y p e = 84b 如i e hu 4 b 鹏 e h 、札u e t r a f f i c ! p i l o r i t y 3b i 协 s r c tc h a n g ec o u n t lb n d o w n q f e a m 女- 1 w l c cm ( d s i d l2 0 p a c k e tm q en u m b e r1 6 b i b 图2 3 用于下行业务的扩展标头结构 其中包含用于流量分级的3 b i t ，可以从0 到7 。s e q u e n c ec h a n g ec o u n t 为序号变 更位，用i b i t 表示。还有2 0 b i t 的d s i d 以及1 6 b i t 的包序列号。 2 4 下行通道绑定的几个重要概念 在下面两节对数据包的发送与接收进行讨论之前，首先要对几个重要概念进 行解释和讨论，它们是： 下行通道 下行通道表示集成在c m t s 上的下行射频端口上的单一下行射频传送通路。下 行数据通过下行通道进行传输。当采用6 4 q a m 调制时，下行通道的符号率为 5 0 5 6 4 9 1 m s y m s ，当采用2 5 6 q a m 调制时，下行通道的符号率为 山东大学硕士学位论文 1 6 5 3 6 0 5 3 7 m s y m s 。 下行通道规则 下行通道规则是指通过管理人员预先在c m t s 中配置的或通过c m t s 与c h i 交互 过程而建立的各种映射与分类关系表，c m t s 通过对表的查询决定数据包的转 发方向。主要包括前面提到的数据包分类规则，业务流分配规则以及下行通 道绑定规则。 通道绑定 通道绑定是指在多个通道上进行的一种d o c s i s 业务流信息调度。对于一个特 定的业务流来说，它为进行数据发送而使用的两个及以上的通道组成了一个集 合，叫做绑定组。 绑定业务流 c m t s 根据前面所说明的业务流分配规则决定每个下行业务流是分配给一个绑 定组还是一个单一下行通道。分配给一个绑定组的业务流被称为下行绑定业务 流，分配给单一通道的则被称为非下行绑定业务流。对于绑定业务流，c m t s 将数据包发送到属于该绑定组的多个下行通道上。c m t s 在每个通道上传送完 整的数据包。在默认的情况下，绑定业务流中的数据包必须首先被序列化，以 便接收到这些数据包的c m 能够按照顺序转发它们。 下行绑定组 一个下行绑定组是c m t s 能够在其上分发数据包的所有下行通道的集合。下行 绑定组可以静态的配置也可以由c m t s 动态的生成。 下行业务标识( d s i d ，d o w n s t r e a ms e r v i c ei d ) 下行业务标识是位于下行扩展标头中的2 0 b i t 的值，c m 依靠它实现下行数据 包的再排序、过滤及转发。如果d s i d 的值已经被c m t s 告知了c m ，该d s i d 被 认为是“已知”的，否则，对c m 来说，这个d s i d 就是“未知”的。 d s i d 的分配在每个m a c 域中是唯一的，也就是不会出现重复的情况。 下行再排序通道列表 下行再排序列表包含了与某个特定的d s i d 有关的一系列的通道，c m 在这些通 道上接收该用该d s i d 标识的数据包。 山东大学硕士学位论文 2 5o u t s 在向绑定组发送数据包之前的准备工作 2 5 10 5 i d 的通告 为了保证c m 能够识别它所需要的数据包，c m t s 必须首先将与此c m 有关的d s i d 通告给该c m ，这种通告可以通过以下三种方式进行： 通过f 1 1 ) d ( l a c 域描述) 消息发送。 通过r e g r s p 或i i e g r s p - l l p 消息发送。 通过d b c r e q ( 动态绑定变更请求) 消息发送。 具体通过那种手段发送取决于当时业务的需要，由c m t s 决定。 2 5 2 再排序列表的通告 c m t s 在向某个绑定组发送数据包之前，首先要将在排序列表通告给相关的c m 。 这样c m 就可以决定对于某个d s i d ，它使用哪个通道来接受。如果c m 没有收到明 确的再排序列表，c m 将在所属的接收通道集内的所有通道上接受与这个d s i d 有关 的数据包。在接收到了再排序列表的情况下，c m 必须严格按照列表所标明的通道 接收。 同样，如果c m t s 发出了再排序列表，就必须限定标有该d s i d 的数据包的发送 范围在列表所规定的范围内；如果没有发出，则c m t s 可以在该c m 所属的接收通 道集内的所有通道上发送数据包。 2 5 3 对下行数据包的序列化处理 c m t s 需要在发送之前，为每个下行的数据包加上下行业务展标头。在标头内 通常要加入d s i d ，序列号变更位，序列号等内容。 在理想的情况下，c m t s 总是以递增的顺序来向数据包中写入序列号。不管把 数据包发送到哪个通道，较高序列号的数据包总是排在较低序号的包的后面或同 时发送。但在实际实现中，c m t s 在将数据包送入通道时有可能不会这么准确，也 就是说，可能会出现先发送较高序号的包的情况。但是，对于c m t s 的每个通道来 说，其数据包的发送顺序总是由低到高的。 对于每个新分配并使用的d s i d ，其向第一个写入此d s i d 的数据包的起始序列 号必须是0 。同时，此数据包的e h d r 标头中的序号变更位可以置为0 或l 。在需 要的时候，c m t s 可以改变此序号变更位的值，以表示序列号的计数发生了变化。 1 7 山东大学硕士学位论文 c m t s 连续改变序号变更位的值是受到限制的，两次变更之间的时间间隔必须 大于l s 。而当c m 收到一个数据包时，如果发现序号变更位发生变化，则在l s 中 之内可以丢弃使用原有序号变更位的数据包，如果超过1 s 后还收到使用原有序号 变更位的数据包，则应将其视为又发生了一次序号变更。 2 6c a biem o d e m 所进行的下行数据处理 当下行数据包从c m t s 发出后，有可能经历不同的时延。不过，我们总可以假 定对于每个下行通道而言，数据包是按照先后顺序发送并接收的。当一个c m 从多 个下行通道接收数据时，需要对从不同通道接收的数据包进行再排序。在这个过 程中，有几个重要的参数需要考虑，它们是偏移、再排序窗口值、下一期望序列 号、再排序等待时间。 2 6 1 偏移 如果一个序号较高的数据包早于序号较低的数据包到达，则相差的到达时间叫 做偏移。显然，各种不同的原因造成的时延的差异都会造成偏移，偏移可以用来 表征不同链路的时延差。 我们可以从4 个部分来分析从c 盯s 到c m 的路径，考虑每个部分引入的时延。 c m t s 内置的队列及处理时延 c i n 时延和e q a m 内部的队列和处理时延。( 对m - c m t s ) 下行交织时延 h f c 网络的物理时延，如传播延迟、群时延等。 对使用同一h f c 网络的c m t s 的每个下行通道来说，h f c 网络的物理时延可以 被认为差异不大的。在这种情况下，影响偏移的主要因素是前面几个部分。在 d