（通信与信息系统专业论文）hinoc设备网管及组播功能的设计与实现.pdf

摘要 随着我国光纤通信技术的日趋成熟，骨干网光纤化基本完成。h i n o c 网络 ( h i 曲p e r f 0 册a n c en e t w o r ko v e rc o a ) 【) 正是在当前f t t b 已经存在和普遍应用的 情况下，利用有线电视网已有的同轴电缆线路和现有网络，组建最后l o o 米范围 内的宽带接入网。h i n o c 接入技术完全利用有线电视网同轴电缆的网络布线，利 用8 6 0 m h z 以上的同轴电缆信道频段，通过增加h i n o cb r i d g e ( h b ) 和h 玳o c m o d e m ( h m ) 等相关设备，便可实现i p t v 、s d t v h d t v 、上网等宽带应用。 本文结合本实验室承担的科研项目新一代同轴电缆宽带接入技术的研究 及芯片研制，利用a l t e r a 公司的c y c l o n ei i ie p 3 c 1 2 0 f 7 8 0 c 7 和英特尔的处理器 p 墟7 0 ，首先对h i n o c 网络及m a c 层协议进行了分析，然后在分析基于w 曲 方式对设备进行管理的基础上，研究了h i n o c 设备网管软件的设计与开发，包括 系统管理、端口流量监控、m a c 地址管理和用户管理等主要功能。接着介绍了实 现该网管软件的关键技术，包括使用r c b 技术实现h t m l 页面上数据与设备数据 的关联，用h t m l 表单元素描述设备上的数据等，并给出了网管软件的调试方法 和调试结果；论文最后提出了h i n o c 网络m a c 协处理器组播模块及插入捕获模 块与c p u 的数据交互方案，并完成了c p u 插入捕获模块的l i n u x 驱动程序，成功 地与f p g a 内部硬件模块进行了数据交互，这为基于i g m ps n 0 0 p i n g 的组播模块 的实现提供了良好的基础。 关键词：h i n o cp 坦7 0基于w e b 的网络管理组播 a b s t r a c t w i t ht l l ed e v e l o p m e n ta n dm a n 髓t i o no f o p t i c a lf i b e rc o m m u i l i c a t i o nt e c l l l l o l o 鼢 o p t i c a lf i b e r h 2 l sb e e n 、 ，i d e l yu s e di nb a c k b o n en e t w o r k h i n o c ( h i 曲p e 墒m a n c e n e t w o r ko v e rc o a x ) b r i d g e st i l el a s tl0 0m e t e 璐b r o a d b a n da c c e s sn e t w o r k ，t a k i n g a d v a i l t a 【g e so ft h ee x i s t i n gc o a x i a lc a b l e 锄dn e 帆o r k so nt h eb a c k g r o u n do ff 1 v r b b e i n g 州d e l yd e p l o y e d 锄du s e d h 烈o ca c c e s st e c h n o l o g yw o r l ( so nt h ec o a x i a lc a b l e c h a n n e lb a n da b 0 v e8 6 0 m h za n dm a k e sm l l yu s eo ft h ee x i s t i n gc o a ) ( i a lc a b l e ，a i m i n g t op r 0 v i d em 锄yb r o a d b 锄d 印p l i c a t i o n ss u c h 舔s e r v i c e so fi p t vs d t v h d t va l l d i n t e m e ts e n ，i c e ，o n l yb ya d d i n gc o 玎e l a t i v ed e v i c e so fh 烈o cb r i d g e ( h b ) a n dh i n o c m o d e m ( h m ) t h i sp a p e ri sb a s e do nt 1 1 ep r o j e c tu i l d e r t a l ( e ni no l l rl a b o r a t o 旷“r e s e a r c ha n d c h i pd e s i 舻o fm en e wg e n e r a t i o no fb r o a d b a n da c c e s st e c h n o l o g yo v e rc o a ) 【i a l c a b l e ”，u s i n ga l t e mc y c l o n ei i ie p 3 c l2 0 f 7 8 0 c 7a n di n t e lp x a2 7 0p r o c e s s o r f i r s t l y t l l e 锄a l y s i so fh i n o cn e 觚o r k 锄dm a cl a y e rp r o t o c o l 、v a sp r o p o s e d s e c o n d l y b a s e d 0 nt 1 1 e a n a l y s i so ft h ew e b - b a s e dn e t w o r km a n a g e m e 吐t h eh i n o cn e 觚6 最 m a n a g e m e n to nd e v i c ew 嬲i n v e s t i g a t e di nt h j sp a p e r ，i n c l u d i n gs y s t e mm a n a g e m e n t ， n o wc o n t r o lm o n i t o r i n g ，m a ca d d r e s s e sm a n a g e m e n t 锄du s e rm a n a g e m e n t t h e nt h e k e yt e c l l l l o l o g i e so fh i n o cn e t w o r km a i l a g e m e n ts o 觚御ew e r ei n n d d u c e d ，i n c l u d i n g r c bt e c l l i l o l o g ) rt 0i m p l e m e n tt h ed a t a 嬲s o c i a t i o nb e t 、e e nh t m l 锄dd e v i c e s ，a n d h o wt 0d e s c r i b ed a 妇o nd e v i c e s 谢t l lh t m lf 0 硼e l e m e n t m o r e o v e r ，t h ed e b u g m e 也o da n dt e s t i r i gr e s u l t sw e r e 西v e ni nt l l ee n d f i n a l l yt h i sp a p e rp u tf o n ) 州t h ed a t a i n t e m c t i o nd e s i 印s c h e m eb e t 、e e nc p u 锄dm u l t i c 嬲t 锄di n s e r t c 印t u 】陀m o d u l e so n t h em a cc o p 眦e s ro fh i n o cn e 似o r k 晰t l lt 1 1 e c o m p l e t i o no fm cl i n u ) 【拍v e r p r o g m m ，t l l ei m p l e m e n t a t i o no fd a t ai n t e r a c t i o nb e t 、e e nc p u 卸dh a r d 、v a r em o d u l e s 0 nf p g a w 嬲c o m p l e t e d ，p r o m o t i n gt l l er e a j i z a t i o no fm u l t i c 嬲tm o d u l eb 部e do ni g m p s n 0 0 p i n g k e y w o r d ：h i n o c p x a 2 7 0w 曲- b a s e dn e 柳o r km a 的g e m e n tm u l t i c 鼬t 第一章绪论 第一章绪论 1 1h 烈o c 网络研究背景与意义 h i n o c 网络有一个更广义的、更社会化的叫法，即三网融合。所谓“三网融 合 ，就是指电信网、广播电视网和计算机通信网的相互渗透、互相兼容、并逐 步整合成为全世界统一的信息通信网络。“三网融合”是为了实现网络资源的共 享，避免低水平的重复建设，形成适应性广、容易维护、费用低的高速宽带的多 媒体基础平台。该技术的提出，是国际信息化发展的必然结果。当前，各国政府 都在大力推进广播影视数字化，发展广播影视数字内容产业，加快“三网融合” 进程。兰网融合在现阶段并不是指三大网络的物理合一，而是指高层业务应用的 融合，其具体表现为技术上趋于一致，网络层上实现互联互通，形成无缝覆盖， 业务层上互相渗透和交叉等l l j 。 在国内，相关行业已完成从模拟技术向数字技术的转换，具备了提供音视频 服务的能力，广播电视与通信、互联网等行业正处在融合、汇聚、转型过程中。 伴随着广大人民群众物质文化和精神生活的提高，人们对交互式电视业务的需求 日益增加，相关行业利用数字技术、采用各种方式正力图进入传统的广播影视服 务领域，收音机、电视机和银幕已不再是广播影视独享的接收和显示终端。并且， 随着我国光纤通信技术的成熟，骨干网光纤化已具雏形，这也为三网融合的实现 打下了良好的基础。光纤具有很高的传输速率和可靠性，但是“最后一公里”的 接入网成为整个宽带网带宽上升的瓶颈。 宽，是新一代宽带网络建设的关键所在， 因此，进行接入网改进，提高接入网带 也是推进“三网融合”的有效途径。 目前主要的接入方式有以太网接入、光纤到户、电话线接入、电力线接入、 同轴电缆接入和无线接入等方式。与此同时，高速大容量的同步数字系列( s d h ) 光纤通信系统以及波分复用密集技术的成熟，已能满足当前高速宽带通信的要求， 而逐渐成熟的a t m 交换技术又为宽带综合业务交换奠定了良好基础。宽带接入网 络在采用了光纤同轴电缆混合( h f c ) 拓扑网络以后，技术上取得了很大的发 展，它可以通过一个h f c 接入网，同时向用户提供电话、数据和视频图像等综合 业务。目前，中国拥有大量的有线电视网用户，分布广泛的楼道和户内分配同轴 电缆网络具有得天独厚的频带宽、容量大、抗干扰能力强等优点，因此h f c 网络 用户接入技术成为最为主要的接入技术1 2 i 。 在我国有线电视网中，8 6 0 m h z 以下频段用于传输广播电视节目，而8 6 0 m h z 以上信道没有使用，本文称其为带外信道。据测算，在该带外信道内有超过2 g b p s 的可用物理带宽，若利用该带外信道提供宽带接入解决方案，无需重新布线或改 2 h i n o c 设备网管及组播功能的设计与实现 造即可提供多业务宽带接入。由于各种原因，我国有线电视网络条件较为复杂， 带外信道的性能与国外有较大差异。我国已将研究低成本同轴电缆高速接入技术 列入中国高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 新一代高可信网络重大项目，h i n o c ( h i g hp e r f o 肌a l l c en e t w o r k o v e rc o a x ) 技术就是利用有线电视同轴电缆的带外信 道组建多业务宽带接入网的一种新型接入技术【3 j 。三网融合是指现有的电信网络、 计算机网络及广播电视网络相互融合，是一个全数字化的网络设施来支持包括数 据、话音和视像在内的所有业务的通信1 4 j 。 1 2h 烈o c 网络系统概述 h i n o c 网络( h i g hp e r f o n i l 锄c en e 咖r ko v e rc o a x ) 接入技术是一种采用同 轴电缆射频调制的新型宽带接入技术，是在当前f t t b 已经存在和普遍应用的情 况下，利用有线电视网已有的同轴电缆线路和现有网络，组建最后1 0 0 米范围内 的宽带接入网。该技术完全利用有线电视网同轴电缆的网络布线，仅增加h i n o c b r i d g e ( h b ) 和h i n o cm o d e m ( h m ) 等相关设备，便可实现i p t v 、s d t v h d t v 、 高速上网等宽带应用。 1 2 1h i n o c 网络技术指标 h i n o c 接入技术的主要技术指标是：网络最大覆盖范围不小于l o o 米，频率 范围为7 5 0 m h z 1 0 0 6 m h z 。单信道模拟带宽为1 6 m h z ，单用户m a c 层接入速 率可达到4 0 m b p s 以上：采用o f d m 传输方式，t d d 厂r d m a 双工多址方式。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不低于3 2 个：支持 动态带宽分配( d b a ) 、网络管理、v l a n 和组播过滤功能。支持包括v o i p 、i p t v 、 h d t v s d t v 、高速上网等传统与新型业务【5 1 。 1 2 2h i n o c 系统基本结构 h i n o c 网络具有良好的网络拓展性。h 州o c 网络在对现有用户分配网络同轴 电缆网络结构改动比较小的情况下，就可实现有线网络双向化。并且通过f d m 方 式分割调试信道，可以增加信道带宽，使h i n o c 网络可承载包括高速上网、高清 标、广播、i p t v 、v o d 、v o i p 等多种业务应用，所以能够保证每一个用户的需 求。图1 1 描述了h 烈o c 网络的一种典型应用场景。 ， 第一章绪论 图1 1h 跗o c 网络的一种典型应用环境 1 2 - 3h i n o c 网络拓扑结构 h i n o c 网络由位于楼内的h b 和位于户内的h m 组成。h i n o c 技术可在一根 电缆上支持多信道组网，提高了信息传输速率。将c a b l e 的带外信道分割成多个带 宽为1 6 m h z 的频带( 称为h i n o c 信道) ，在每个h i n o c 信道上建立一个h i n o c 接入网。其结构如图1 2 所示： 图1 2 同一电缆上构造多个h 烈o c 信道示意图 在单个h i n o c 信道内，其物理拓扑结构为总线型，易于扩展，各节点共享带 宽。如图1 3 所示： 4 h i n o c 设备网管及组播功能的设计与实现 。戡妒- l j 畦。妒e ，：珏尹电戢矿- 越p 峰e 菘妒 玎瑚瑚hmh mh m 图1 3h o c 网络总线型物理结构 h i n o c 网络逻辑拓扑采用点到多点结构。如图1 4 所示，h b 处于中心控制地 位，各h m 可与h b 通信并受其控制，各h m 不能直接通信。一个h b 最多可支 持3 2 个h m 。 图1 4h i n o c 网络逻辑拓扑结构 1 3 网络管理概述 网络管理是计算机网络、电信网络以及广播电视网络研究与建设的一个很重 要的部分。网络管理的主要作用是提高网络运行的可靠性和资源利用的有效性。 网络设备如果能加入网络管理功能，不仅可以大大提高其性能，也会使其增添新 功能。h i n o c 网络中的接入设备可以提供网络管理接口，以供运维人员进行本地 或远程的安装维护。 1 3 1 网络管理的功能概述 在o s i 网络管理框架模型中，基本的网络管能被分成五个功能域：配置管理、 故障管理、性能管理、安全管理和计费管理【6 1 。这五个功能域通按其英文首字母简 第一章绪论 5 称为f c a p s ( f a u l t c o n f i g 删i o n ，a c c o u n t i n g ，p e r f o n n a 芏l c e 孤ds e c u r i t ) r ) 。这五个 功能域通过与其它开放系统交换管理信息，分别完成不同的网络管理功能。关于 这五个功能将会在下文3 1 节详细讲述。 网络管理通常用到以下术语： 网络元素( n e 似o r ke l e m e n t ) ，网络中具体的通信设备或逻辑实体。 对象( o b i e c t ) ，通信和信息范畴里可标识的拥有一定信息特性的资源。 被管理对象( m a n a g e do b j e c t ) ，被管理对象可使用管理协议进行管理和控 制的网络资源的抽象表示。 管理信息库m i b ，m i b 是网络管理系统中的重要构件。它是由一个系统 内的许多被管对象及其属性组成。m i b 实际上就是一个虚拟数据库，由管 理进程和各个代理进程共同使用。 1 3 2 现有网管方式的概述 网络设备的管理有以下几种方式： 基于终端控制台的网络管理 基于t e l n e t 远程登录控制管理 s n m p 管理和i 之m o n 基于w e b 的网络管理 以上几种网管方式各有优缺点。在对设备的网管系统进行设计时，可以根据 实际情况来选择所需的管理方式。当然，提供的管理方式越多，意味着用户可以 更加灵活的管理设备，用户可以通过多种方式在不同的场合管理和配置设备。 1 3 3 基于w 曲的网络管理 基于w e b 的网络管理w b m ( w e b b 船e dm a i l a g e m e n t ) 技术允许管理人员通 过w e b 浏览器来监测他们的网络，因此，这使得大量的i n t e m e t 成为更加有效的 通信工具。w b m 使用户管理网络的方式得以彻底改善，从而实现“自己管理网络” 和“网络管理自动化”。w b m 是网管方案的一次革命，它使得网络用户管理网络的 方式得以改善1 7 j 。 w b m 技术的优点是不需要专门的管理软件，而是通过互联网使用网络浏览器 来管理，这就使网络管理突破了地理条件的限制，只要能够上网，网络管理人员 可以使用任何一种w e b 浏览器，通过输入设备的i p 地址，在网络任何节点上方便 迅速地配胃、控制以及存取网络的各个部分。 w b m 有两种基本的实现方法。第一种是基于代理的方案，也就是将一个w e b 服务器加到一个内部工作站( 代理) 上，工作站轮流与端设备通信，浏览器用户 6 h i n o c 设备网管及组播功能的设计与实现 通过h 1 v r p 协议与代理通信，同时代理通过s n m p 协议与端设备通信。第二种是 w b m 嵌入式方式，将w e b 能力真正地嵌入到网络设备中，每个设备有它自己 的w e b 地址，管理人员可轻松地通过浏览器访问到该设备并且管理它。 两种方式各有优劣。基于代理的w b m 方案保留了现存的基于工作站的网管 系统及设备的全部优点，同时还增加了访问灵活的优点。另一方面，嵌入式方案 给各独立被管设备带来了图形化的管理，它为管理者提供了非常简单易用的接口， 优于现在的命令行或基于菜单的远程登录界面。 本文所讲述的h i n o c 网管系统的开发就是采用基于w e b 的开发方式。基于 w e b 的管理是近几年随i n t e m e t 发展而出现的一种新的管理方式，它使用户管理网 络的方式得以彻底改善，从而实现“自己管理网络”和“网络管理自动化”。 1 4 本文的主要工作与论文结构 本文课题来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 新一代同轴电缆宽 带接入技术的研究及芯片研制，利用有线电视网带外信道的多业务宽带接入网技 术研究。本文首先在深入理解h i n o c 网络m a c 层协议的基础上，通过对h i n o c 网络m a c 协处理器中设备需要实现的网管功能的分析，设计并开发了基于w e b 的h i n o c 网管软件，实现了通过w e b 浏览器对设备的系统管理、端口流量管理、 m a c 地址管理和用户管理等网管例程。然后提出了m a c 协处理器组播模块与 c p u 的数据交互方案，并在h i n o c 网络开发平台上实现了插入捕获模块与c p u 数据交互流程，这为后期m a c 协处理器组播模块与c p u 的数据交互提供了极大 的方便，内容安排如下： 第一章为绪论部分，首先分析了h i n o c 接入技术的研究背景，介绍了h i n o c 网络应用场景和网络基本结构特点，然后介绍了基于w | e b 的网络管理功能概述， 最后介绍了本论文主要研究工作以及研究成果。 第二章介绍了h i n o c 网络m a c 协处理器的开发平台环境、h o c 系统协议 栈、m a c 层帧类型以及h i n o c 网络工作方式等。 第三章详细介绍了h i n o c 设备网管软件的设计，根据h i n o c 网络特点分析 了相应的网管功能模块，包括系统信息管理模块、流量监测模块、用户管理模块 及m a c 地址管理模块，并对每个模块的设计方案及网管开发工具r a p i d c 0 n 仃o l s d k 进行了详细的介绍。 第四章首先详细介绍了h o c 网络m a c 协处理器插入捕获模块与c p u 数据 交互的设计方案并在h i n o c 网络开发平台上通过了测试验证。然后介绍了基于 i g m ps n 0 0 p i n g 的组播方案，提出了m a c 协处理器组播模块与c p u 的数据交互 设计方案。 第二章h i n o c 接入网络 7 第二章h i n o c 接入网络 本章首先介绍了m a c 协处理器开发平台环境，然后介绍了h 烈o c 网络协议 栈参考模型，最后对h i n o c 网络m a c 层帧类型和网络工作方式给予说明。 2 1m a c 协处理器开发平台环境 h i n o c 网络m a c 协处理器的开发验证平台，c p u 采用i n t e lx s c a l ep ) 乙啦7 0 微处理器，f p g a 采用的是a l t e r ac y c l o n ei i ie p 3 c 1 2 0 。c p u 主要用于实现h i n o c m a c 层调试功能，而f p g a 主要用于实现m a c 协处理器各个功能模块。h i n o c 验证平台硬件框图如图2 1 所示： 2 1 1 处理器p 心7 0 图2 1h i n o c 验证平台硬件框图 p ) 乙墟7 0 是一款应用于高性能、低功耗的手持移动设备中的嵌入式系统 s o c ( s y s t e m o n a - c h i p ) 微处理器，配合嵌入式l i n u ) ( 或m n c e 操作系统，特别适 合于智能手机、掌上电脑、信息家电、网络设备、无线通信和工业控制等嵌入式 系统的应用开发。 p 蛇7 0 具有较高的主频，最高可达6 2 4 m h z 。p 心7 0 最引人注目的是加入 了w i r e l e s sm m x 技术，大大提高了多媒体处理能力。同时p 心7 0 还加入了i n t e i 8 h i n o c 设备网管及组播功能的设计与实现 s p e e d s t e p 动态电源管理技术，在保证c p u 性能的情况下，最大限度地降低了移动 设备功耗。s p e e d s t e p 技术可以保证系统需要的比较高的主频，当系统不需要时。 它就将处理器主频调节到最低。 在p 心7 0 芯片内部，x s c a l e 核、u s bh o s t 控制器、l c d 控制器、片内s r a m 、 存储控制器和q u i c kc a p n h 接口直接挂接到系统总线( s y s t e mb u s ) 上；其它外设如 s s p 、d a i 汀、1 2 c 、a c 9 7 等慢速设备则通过d m a 控制器转接桥连接到系统总 线上【8 j 。p ) 乙心7 0 整个芯片的框架图如图2 2 所示： 图2 2p x a 2 7 0s o c 板主要功能模块 各部分主要功能如下： d m a 控制器 d m a 控制器( d m a c ) 是使c p u 处理其他数据总线无关的处理，而由d m a 控制器负责数据传输的机制。这种机制使得c p u 从繁重的数据传输中解脱出来， 可以执行其他计算，从而大大提高了系统的运行速度。 p 地7 0 控制器提供了3 2 个d m a 通道( 从0 3 1 ) ，可以响应内部或外部设备 的请求，完成数据从主存储器( 内存) 的读出和写入。并且这3 2 个通道被分为4 组， 每组都包括8 个通道，并具有不同的优先级。d m a c 每个通道由4 个3 2b i t 寄存 器所控制，分别是：描述器地址寄存器d d a d r ( 指向下一个描述器地址或标注停 止) 、源地址寄存器d s a d r 、目的地址寄存器d t a d r 、控制寄存器d c m d 。每个 从外投传来的d m a 请求信号必须持续一个时钟周期以上。这些通道提供了 f l o w - t l d u 曲的数据传输方式。表2 1 介绍了这3 2 个通道的属性： 第二章h i n o c 接入网络 9 表2 1p x a 2 7 0 控制器d m a 通道属性 s e tc h 甜m e i s p r i o r i t y n u m b e ro f1 r i m e ss e r v e d 0 o ，l ，2 ，3 ，1 6 ，1 7 ，1 8 ，1 9 最高 4 8 1 4 ，5 ，6 ，7 ，2 0 ，21 ，2 2 ，2 3 较高2 8 2 8 ，9 ，lo ，l l ，2 4 ，2 5 ，2 6 ，2 7 比s e t3 高l 8 3 1 2 ，1 3 ，1 4 ，1 5 ，2 8 ，2 9 ，3 0 ，3 l 最低l 8 g p i o 引脚 p 屹7 0 处理器提供了1 2 1 个g p i o 引脚，同时提供了3 6 个寄存器来控制这 些引脚的工作方式和状态。这3 6 个寄存器控制了引脚的输出输入方向、引脚状态 以及引脚的附加功能。 当g p i o 引脚被设置为输入状态时，可以作为中断输入引脚使用。在系统复位 后，所有1 2 1 个g p i o 引脚都被设置成输入状态。 当g p i o 引脚被设置为输出状态时，可以通过向引脚赋值来决定引脚电平的高 低。 存储系统m e m o 巧c o n t r o l l e r p x a 2 7 0 有3 种类型的存储区域：s d r a m 、静态内存和卡式内存。其中， s d 洲接口有4 个1 6 位或3 2 位的s d 洲分区。每个分区最高可对应外部存储 器的6 4 m b 空间。静态内存控制器接口提供了6 个分区，每个分区最多可有“m b ， 并可以被单独设定支持不同类型的静态存储设备。 2 1 2f p g ae p 3 c 1 2 0 e p 3 c 1 2 0 是6 5 胁c y c l o n ei i if p g a 系列中容量最大的型号。在本项目中承载 了h i n o c 网络m a c 协处理器的主要功能。下面对c y c i o n ei i i 系列f p g a 作简要 介绍。 在性能和功耗上，e p 3 c 1 2 0 占有强大的优势。c y c l o n e i i i f p g a 前所未有地同 时实现了低功耗、低成本。高性能同等密度f p g a 的典型待机功耗在l 瓦以上， 而e p 3 c 1 2 0 的待机功耗不到2 0 0 m w 。目前，企业和消费者越来越关注低能耗、低 成本的环保产品，因此，e p 3 c 1 2 0 将会在市场中会有较为广泛的应用。并且， e p 3 c 1 2 0 的低功耗特性使其非常适合对功耗敏感或者散热困难的应用，在这类应 用中，器件工作产生的热量不容易散掉，影响了产品的可靠性和成本。而e p 3 c 1 2 0 因其显著的低功耗性能，因此能够提供高质量、低延时的数字视频和语音数据， 而在过去，用户是无法获得这些性能的。另外，e p 3 c 1 2 0 的功率消耗远远低于同 等容量的其他f p g a ，适合整合度高和需要低功率消耗的应用，例如无线通讯基础 设施、软件无线电和以及视讯和影像处理等，因其价格相对比较低，因此又适用 l o h l n o c 设备网管及组播功能的设计与实现 于大批量、低成本的f p g a 应用。也就是说，c y c l o n ei i if p g a 以其突出的特性满 足了我们的需求，例如其丰富的逻辑( 5 k 至1 2 0 k 逻辑单元) 、存储器( 高达4 m b i t s ) 和数字信号处理d s p 资源( 高达2 8 8 个d s p 乘法器) ，以及非常低的功耗等等，并 且还能提供高性能、低功耗、而成本低的解决方案。总之，e p 3 c 1 2 0 能以最低的 成本实现最佳性能的正确资源组合。因此，e p 3 c 1 2 0 在低成本f p g a 的应用领域 中得到了迅速普及。 2 1 3l a n 9 l c l l l l a n 9 l c “l 是s m s c 公司为嵌入式应用系统推出的第三代快速以太网控制 器。l a n 9 l c l l1 的芯片上集成了遵循s m s c c d 协议的m a c ( 媒体层) 和p h y ( 物 理层) ，符合i e e e 8 0 2 3 8 0 2 u 1 0 0 b a l s e t ) 【1 0 b a u s e t 规范，其系统结构如图2 3 所 示。从图2 3 中可以看出l a n 9 l c l ll 是将p h y ( 物理层) 和m a c ( 媒体层) 集成在 一块芯片上，连接内部p h y 和m a c 的数据通道是由内部的m i i 接口提供的。 l a n 9 1 c 1 1l 也支持外部p h y 模式e x tp h y 来代替内部p h y 的功能，在配置寄 存器中只需将e x tp h yb i t 设置为l 就可以进入这种模式。l a n 9 l c l l1 芯片的框 架图如图2 3 所示： 量 暑 曹 暮 z 图2 - 3l a n 9 l c l ll 基本功能框图 以太网网卡的主要功能是负责通信数据的发送和接收。发送时，网卡将从总 线传送过来的数据根据特定的格式并加上前导码、定界符等装配成数据包，并进 行c r c 计算。校验后，将数据串行的从网线上发送出去。接收时，首先判断报文 的目的地址是否为本机地址。如果是本机地址，则对报文进行校验，若校验正确， 则将报文送往存储器并发送一个a c k 应答包；如果校验后发现报文错误，则将收 到的报文丢弃并发送一个n a k 否定应答包。l a n 9 l c l l1 工作流程比较简单，驱 第二章h i n o c 接入网络 动程序将要发送的数据包按指定格式写入芯片并启动发送命令，l a n 9 l c l ll 会自 动把数据包转换成物理帧格式在物理信道上传输：反之芯片收到物理信号后自动 将其还原成数据，并按指定格式存放在芯片r a m 中以便主机程序取用。总而言之 就是l a n 9 l c ll l 完成数据包和电信号之间的相互转换。l a n 9 l c l l1 的编程主要 包括：初始化、发送数据包、接收数据包三部分。 该以太网控制器的主要功能如下： 自适应地选传输速率，支持l o m b 例1 0 0 m 1 ) s ； 充分支持全双工交换式以太网； 支持突发数据传输； 8 k 字节的内部存储器用作接收发送的f l f o 缓存； 增强式能量管理功能； 支持总线8 位、1 6 位、3 2 位的c p u 访问； 提前发送和接收。 2 2h i n o c 网络m a c 层协议概述 h i n o c 网络是在当前光纤网络普遍应用的基础上，利用目前广泛分布的有线 电视分配网络，在原有的广播电视带外信道，即8 6 0 m h z 以上频段，无需重新布 线和进行其它改造而构建的高速接入网。因此，h i n o c 技术可以在对现有同轴电 缆网络结构改动较小情况下，即可实现有线网络双向化。 2 2 1h i n o c 系统协议栈参考模型 h i n o c 系统协议栈包括物理层和m a c 层，其中m a c 层又包括位于上部的 汇聚子层( c o n v e r l g e n c es u b l a y e r ，c s ) 和位于下部的公共部分子层( c o m m o np 抓 s u b l a y e r ，c p s ) 。c p s 实现m a c 层的接入控制和信道分配等核心功能，c s 实现 m a c 层核心功能与高层功能的适配。h i n o c 系统协议栈参考模型如图2 4 所示： 高层 l 汇聚子层( c s ) 公共部分子层 m ( c p s ) ， jl p 物理层 r 图2 4h i n o c 系统协议栈 1 2 h i n o c 设备网管及组播功能的设计与实现 物理层定义的信号传输模式包括帧结构、信道编码以及调制技术。调制技术 采用了o f d m 方式实现调制，o f d m 方式具有较高的频谱利用率，使得h i n o c 系统在同样的载波带宽下可以提供更高的传输速率。同时，o f d m 方式在抵抗多 径效应、频率选择性衰落或窄带干扰上也具有明显的优势。 m a c 层主要功能是实现h i n o c 网络中的媒质接入控制和业务适配等。 汇聚子层( c s ) 从层次上讲是m a c 层的一个功能子层，主要负责接收高层 的协议数据单元( p d u ) ，并将高层p d u 映射到c p s ，以及进行相反方向的转换 操作。其中，高层p d u 指以太网m a c 帧。因此，c s 层的主要功能是：地址学习 与转发表构建、数据帧转发、数据帧打包拆包，以及优先级映射。 公共部分子层( c p s ) 是m a c 层的另一个功能子层，主要实现m a c 层的接 入控制和信道分配等核心功能。其信道分配的主要机制如下： 各个h m 必须先接纳到h i n o c 网络后，才能访问信道。 h m 被接纳到网络后，其对信道的访问完全是在h b 的控制下进行。 h b 将信道划分为在时间轴上连续且互不重叠的时间段，每个时间段称为 一个m a p 周期。在每个m a p 周期中h b 通过发送一种特定的m a p 帧向 各结点发布下一m a p 周期的起止时刻以及该周期内的信道分配方案。 各h m 通过预约许可机制实现信道访问。在每个m a p 周期内，h b 为h m 分配预约帧发送时隙，h m 利用各自的预约时隙向h b 预约信道。h b 收 到预约帧后，通过m a p 帧发布信道分配方案。 在信道分配的过程中，协议支持基于优先级的q o s 保障。 所有m a c 层的预约帧、m a p 帧和数据帧，均封装在p h y 层的d d 和d u 帧内进行发送。 2 2 2h i n o c 网络m a c 层帧类型 h i m a c 帧可以分为数据帧、控制帧和信令帧三类【5 1 。数据帧用于承载上层业 务信息( 如以太网帧) 。 1 ) 数据帧 h 玳o c 网络有自己的数据帧类型，即h i m a c 帧。当以太网数据帧从以太网 口进入h i n o c 网络之后，必须打包成适合于在h i n o c 网络传输的数据帧h i m a c 帧，同理，当数据帧传输到目的结点后，会在对等层进行拆包。一个h i m a c 帧最 大不超过4 6 0 0 字节，其打包结构如图2 5 所示： 第二章h i n o c 接入网络 h i m a c 数据帧 图2 5h i m a c 帧打包不惫图 通过打包，一个h i m a cp d u 可以包括多个h i m a cs d u 。每个h l m a cs d u 前带有一个2 字节的子帧头，表示其后s d u 长度与子帧头长度之和，即h i m a c s d u 长度+ 2 ，单位为字节。h i m a c 帧头有8 字节，帧结构如图2 6 所示： 三工二二三二二 + j 8 字节 - - 4 字节 ，j ， 图2 6 h i m a c 帧结构 由图2 6 得知，在h i m a c 帧的帧头信息中包含以下内容：目的结点i d ，源结 点i d ，h i m a c 帧长信息，帧类型及该h i m a c 帧包含的子帧个数。 分析打包原理之后，下面详细讲述拆包的过程。当h i m a c 数据帧到达目的结 点的对等层之后，根据打包子报头解封装，还原出以太网帧并交给上层处理。 h i m a c 数据帧的拆包过程其实是h i m a c 数据帧打包的一个反过程，目的就是把 来自低层的h l m a c 数据业务解封装成适合在高层传输的数据业务。 汇聚子层的拆包示意图如图2 7 所示： h l m a c 帧 8 拆包 8 e m a c 帧 图2 7h i m a c 拆帧示意图 2 ) 控制帧 数据帧控制帧用于实现信道预约和信道分配。包括预约帧和m a p 帧。控制帧 帧 8 胞8 e 1 4 h i n o c 设备网管及组播功能的设计与实现 结构与数据帧相同，如图2 6 所示。表2 2 介绍了控制帧的类型、传送方向、传 送方式和功能。 表2 2 h i m a c 控制帧 帧类型 发送方向，方式功能 m a p 帧h b 一 h m ，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h m 一 h b ，单播方式h m 向h b 发送预约，请求安 排发送时隙 3 ) 信令帧 信令帧实现结点接纳、结点退出和链路维护过程中h b 和h m 之间的信令交 互。信令帧分为下行信令帧和上行信令帧。下行信令帧与上行信令帧首部有所区 别：上行信令帧首部包括h i n o c 目的结点标识( d e s t i n a t i o nn o d ei d ) 和 源结点标识( s o u r c en o d ei d ) 、帧长度( f 洲el e n g t h ，包括首部和载 荷) 、帧类型( f r a m et y p e ) 、版本号( v e r s l 0 n ) 、分片标志( f f ) 、最后一个 分片标志( l f f ) 、分片序号( f s n ) 以及预均衡标志( p i 迮e qe n ) 。而下行信令 帧首部除了包含上行信令帧首部的信息外，还包括h i n o c 网络标识( h i n o ci d ) 、 h m 的个数( h mn u m ) 、h 烈o c 网络状态( h i n o cs l 盯e ) 以及m a p ( m e d i a a c c e s sp l a l l ，媒质接入规划) 帧的相关信息。其帧结构分别如图2 8 和图2 9 所示： 酋部 载荷 ，j ， - - - 。- 。- - 。，- 。- 。，- ，- - ，- - - ，_ 一 m n o ci dh mn u m m n o c p r e e q lr s v i 。d e d ；掣j s t a t e e nd m a pi n f 0 砌姒1 1 0 n 图2 8 下行信令帧结构 2 2 3h i n o c 网络工作方式 1 ) 双工方式 图2 9 上行信令帧结构 第二章h i n o c 接入网络 1 5 i二享二二二二二二二二二二二= 。i j 自适应 ： 、一 2 3 小结 本章首先介绍了h i n o c 网络m a c 协处理器的开发平台环境，包括处理器 p 墟7 0 ，f p g a e p 3 c 1 2 0 和l 州9 l c l l l 的性能特点。然后重点介绍了h i n o c 网 络系统的基本概念，包括h 矾o c 网络协议栈模型、m a c 层帧类型和帧结构以及 h 玳o c 网络的工作方式和多址方式等等。通过对这些有关m a c 层机制的描述， 展开了本文的主要工作。 1 6 h i n o c 设备网管及组播功能的设计与实现 第三章h i n o c 设备网管的需求分析与设计 1 7 第三章h 烈o c 设备网管的需求分析与设计 近年来，随着i n t 锄e t 的迅速发展，网络规模不断扩大，网络复杂性不断增高， 网络的异构性也越来越高。网络管理已成为制约网络发展的一个重要因素，并对 网络发展有很大的影响。网络管理系统可以实时监控网络运行情况，配置设备数 据，收集故障和告警信息，并向用户或管理员提供当前网络信息，以便操作员对 网络进行处理，并根据操作员的指令或根据对上述数据的处理结果向网络中的设 备发出控制指令( 改变工作状态或参数) ，监视指令的执行结果，保证网络设备按 照网络管理系统的要求工作。因此，网络管理系统的目的是：对网络中的各种设 备进行监测、分析与控制，从而保证整个网络可靠、有效地运行。h i n o c 设备提 供s n m p 和w r e b 两种网络管理接口，供运维人员进行本地和远程的安装维护。 3 1 网管系统的管理内容 h 玳o c 网管系统是h i n o c 接入网络系统的一个重要组成部分。对于h i