（通信与信息系统专业论文）电缆调制解调器中实现snmp代理的研究.pdf

重庆大学硕士论文 中文摘要 摘要 电话、电视、计算机网络三网合一是目前通信技术发展的必然趋势。h f c 由于 其频带宽、覆盖广、成本低等优点而成为主流的接入方式之一。随着h f c 网的用户 和增值业务日益增多，网络变得庞大而复杂，网络的运行、管理和维护( o a m ) 成 本大大增加，这些使h f c 网络的管理成为h f c 网络运营的越来越重要的一部分。 h f c 接入网中的关键设备是c a b l e m o d e m 和c m t s ，c a b l e m o d e m 是用户端设备， 且数目众多。因此，采取一种有效的方式对c a b l em o d e m 的控制及管理就显得尤其 重要。在众多的网络管理协议中，s n m p 协议本着简单性( s i m p l i c i t y ) 和扩展性 ( e x t e n s i b i l i t y ) 原则，具有简单、实用、软硬件开销小和扩展性强等优点，并且已在 因特网得到广泛、成功的应用。因此，本文采用了s n m p 协议作为h f c 网的网络 管理协议。 本文作者参与了重庆市的重点科研项目- - c a b l em o d e m 及其前端系统c m t s 的 研制工作，在成功研制c a b l em o d e m 的基础上使用p s o s 实时操作系统作为开发平 台，实现了一个完整的s n m p 代理。该代理软件与项目组自主开发的s n m p 网管平 台组成一套完整的h f c 网管系统，实现了s n m p 协议规定的g e t r e q u e s t 、 g e t n e x t r e q u e s t 、s e t r e q u e s t 、g e t r e s p o n s e 和t r a p 五种基本操作，并实现了对 r f c l 2 1 3 ( m i b - i i ，除e g p 和d o t 3 组外) 、r f c 2 6 6 9 ( d o c s i sc a b l e d e v i c e m m ) 、 r f c 2 6 7 0 ( d o c s i sc o m p l i a n t r a d i o f r e q u e n c y ( r f ) i n t e r f a c e s m m ) 的支持。目前该 网管系统已初步实现了c a b l em o d e m 的配置管理、故障管理、性能管理和计费管理， 从而为管理和控制c a b l e m o d e m 提供了一种有效的手段，对实现c a b l e m o d e m 的国 产化和促进h f c 接入技术的发展都具有积极的意义。 论文首先对h f c 的体系结构和协议栈进行了分析。提出s n m p 协议适用于树型 结构的h f c 网的控制及管理。然后在s n m p 协议分析和c a b l em o d e m 工作原理研 究的基础上给出了s n m p 网管代理的软件结构，并对每个模块进行了分析。接着结 合开发平台- s o s 实时操作系统对软件实现的关键技术进行了探讨，并给出了 s n m p 网管代理软件的程序流程及其扩展步骤。最后对s n m p v 2 与s n m p v l 两个 版本之间存在的差异以及如何实现两者的兼容作了初步探讨。 关键词：c a b l em o d e m 、p s o s 、s n m p 、网管代理 重庆大学硕士论文英文摘要 a b s t r a c t t e l e p h o n e ，t e l e v i s i o na n dc o m p u t e rn e t w o r km e r g i n gi no n e i st h ed e v e l o p i n gt r e n d o f c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y h f ch a sb e c o m eo n eo f t h em a i na c c e s sm e t h o d si nc h i n a b e c a u s eo f 怄b r o a d - b a n d w i d t h , w i d e - o v e r c a s ta n dl o w c o s t b u t a su s e r si n c r e a s i n ga n d m o l es e r v i c eb e i n gp r o v i d e d ，h f cn e t w o r kb e c o m e sb u l k ya n dc o m p l e x c o s to f o p e r a t i o n , a d m i n i s t r a t i o na n dm a i n t e n a n c e ( o a m ) i n c r e a s e ss h a r p l y t h em a n a g e m e n to f h f cn e t w o r ki sm o r ea n dm o r ci m p o r t a n t b e c a u s ec a b l em o d e mi sk e ye q u i p m e n ti n h f cn e t w o r k , t of i n df i l le f f e c t i v ew a yt oc o n t r o la n dm a n a g ec a b l em o d e mi su r g e n t l y i m p o r t a n t i nt h i st h e s i s s n m pi su n d e r t a k e na st h ep r o t o c o lt oc o n t r o la n dm a n a g ec a b l e m o d e m si nr e s p e c tt h a ts n m ph a sa d v a n t a g e so fs i m p l i c i t y , p r a c t i c a l i t y , l i t t l e - o v e r h e a d a n ds t r o n g - e x t e n s i b i l i t y t h ca u t h o ri so n eo f t h em e m b e r so f t h er e s e a r c hp r o j e c t c a b l em o d e ma n dc a b l e m o d e mt e r m i n a t i o ns y s t a ( c m t s ) b a s e do nt h ef o u n d a t i o no fh a v i n gs u c c e s s f u l l y d e v e l o p e dc a b l em o d e m ，t h ea u t h o rh a si m p l e m e n t e df i l li n t a c ts n m pa g e n t u s i n gp s o s r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e ma sd e v e l o p m e n tp l a t f o r m t h es n m p a g e n t , t o g e t h e r 、i t l lt h e s n m pm a l l l l g , 目t - d e v e l o p e db ya t t o t h e rp r o j e c tm e m b e r , m a k e su pa ni n t a c tm a n a g e m e n t s y s t c 口ao f h f cn e t w o r k 髓em a n a g e r n e i a ts y s t e mh a si m p l e m e a a t e dt h ef i v et y p e so f b a s i c o p e r a t i o n ss p e c i f i e di ns n m pa n dh a si m p l e m e n t e df a u l tm a n a g e m e n t , c o n f i g u r a t i o n m a n a g e m e n t , p e r f o r m a n c em a n a g e m e a a ta n dc o s tm a n a g e m e n tf o rc a b l em o d e a l a a tt h eb e g i r m i n go f t h i st h e s i s , t h ea u t h o rp o i n t so u tt h a ts n m pi sa p p l i c a b l et oh f c n e t w o r kb a s e d0 1 1t h ea n a l y s i st ot h ea r c h i t e c t u r ea n dt h ep r o t o c o ls t a c ko f h f c t h e n , t h e a u t h o rb r i n g sf o r w a r dt h ea g e n ts o t t w a r e sa r c h i t e c t u r ea n da n a l y s e se a c h s o f t w a r e m o d u l eg r o u n d e do i lt h ea n a l y s i st os n m pa n dt h es o t l w a r ea r c h i t e c t u r eo f c a b l em o d e m i nt h ef o l l o w i n gp a r t , t h et h e s i sd i s c u s s e st h ek e y t e c h n i q u e sf o rt h er e a l i z a t i o no fs n m p a g e n tb a s e d0 1 3 t h er e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m - p s o s t h e n , t h es o f t w a r e sf l o wc h a r ta n d a p p r o a c ht oe x t e n ds n m pa g e n t a l eg i v e n a tt h ee n d , t h et h e s i sd i s c u s s e st h ed i f f e r e n c e b e t w e e ns n m p v 2a n ds n m p v la n dt h em e t h o dt or e a l i z ec o e x i s t e n c eo f b o t hv e r s i o n si s g i v e n k e y w o r d s ：c a b l em o d e m , p s o s ，s n m p , a g e n t 重庆大学硕士论文1 绪论 1 绪论 1 1 宽带接入技术综述 当今社会已进入信息时代，人们除了对传统的电话、传真、数据通信的需求外， 又提出了诸如高速率数据通信、会议电视及多媒体通信等更高的要求。特别是美国 推出了国家信息基础设施( n a t i o n a li n f o r m a t i o ni n f i a s t r u c t u r e ，简称n h ，即信息高 速公路) 计划后，世界各国纷纷效仿，促使网络技术得以飞速发展。通信网正朝着 数字化、宽带化、智能化、个人化的方向发展。现代化的通信网主要由传输网、交 换网、接入网等三大部分组成。其中，接入网是整个通信网络中建设技术最复杂、 实施难度最大、也是关键的一部分。因此，传统的铜线接入方式也就成了通信网建 设中的“瓶颈”，如何解决好这“最后一里”的通信问题，就成了实现通信现代化的 关键技术，也就成了国际通信工作者所关注的焦点和研究前沿 1 】【2 1 。 目前有竞争性的宽带接入技术主要有三种：利用现有铜质电话线传送宽带业务 的x d s l 技术：建立在社区综合布线系统上的以太网接入技术：通过对有线电视网 进行双向改造来提供宽带业务的h f c 技术。 x d s l 是各种数字用户环路技术的统称，d s l 指采用不同的调制方式将信息在 现有的p s t n 引入线上高速传输的技术，包括a d s l ( 非对称d s l ) 、h d s l ( 高速 d s l ) 、i d s l ( i s d nd s l ) 、r a d s l ( 速率自适应d s l ) 、s d s l ( 对称d s l ) 和 v d s l ( 甚高速d s l ) 等p 】。在i n t e r a c t 高速接入方面尤以a d s l 最具吸引力。a d s l ( i t u tg 9 9 2 1 ) 上行信道传输速率可达6 4 0 kb i v s ，下行信道的传输速率最高 可达6 m b i t s 。a d s l 的主要优点在于：( 1 ) 利用了电信局己铺设的引入铜线；( 2 ) 提供适应i n t c r n c t 接入特点的非对称高速接入速率；( 3 ) a d s l 局端设备直接将 a d s l 信号传送至数据网( f r 、a t m 等) 或相反，缓解用户长时间上网对电话交换 机和中继线造成的拥塞。不足之处在于其传输性能在很大程度上受到用户引入线距 离、线径、环境等因素的限制，并且电信运行商需要在同时提供p o t s 通道的用户 家中安装分离器，既增加了终端安装的复杂性，又不利于价格的降低。 以太网接入技术是在社区综合布线系统的基础上利用以太网技术提供宽带接入 的技术，它的主要优点是技术成熟，而且千兆以太网的出现更是推动了以太网接入 技术的发展。但需要重新布线，安装成本及管理成本都较高，网络安全性欠佳。所 以一般只应用于新兴的住宅小区。 h f c ( h y b r i d f i b e r c o a x ) ，即光纤同轴电缆混合网。h f c 接入技术是利用现 有的有线电视网，综合应用模拟和数字传输技术、同轴电缆和光缆技术、射频技术、 高度分布式智能型的接入网络，是电信网和c a t v 网相结合的产物，是将光纤逐渐 重庆大学硕士论文 1 绪论 向用户延伸的一种新型的经济的演进策略【4 l 。据统计资料表明，我国目前有有线电 视台2 0 0 0 余个，有线电视用户8 0 0 0 万左右，收视人口超过3 亿，有线电视网覆盖 了全国5 0 的面积和7 0 的城市。在中国最大的城市上海，有线电视的普及率几乎 已经超过了传统的电话普及率。有线电视网作为目前最为普及的宽带网络，在信息 服务上具有良好的技术潜力和市场前景。研究怎样在现有的有线电视网基础上进行 改造，将其升级为提供多媒体业务的宽带信息网，在工程技术上以及商业应用上都 具有十分重要的意义。 其主要优点在于： 1 ) 速度快。h f c 的下行速率在一个8 m 信道上可商达4 1 m b p s ( 6 4 q a m ) ，上 行速率达到1 0 m b p s ( 1 6 q a m ) ；相当于5 6 k m o d e m 的7 0 0 倍，i s d n 的3 5 0 倍。 2 ) 投入资金相对较少。h f c 技术利用已有的c a t v 网，只需对部分网络设备 进行双向改造。因此，整体投入相对较低。 3 ) 用户可以永久连接。由于c a t v 网是2 4 小时开通的，对上网时间毫无限制， 也不会发生像拨号用户那样占线无法上网的情况。 4 ) 有线电视网的频带资源很丰富，最高可达到1 gh z 。因此还可以开发许多增 值业务。 由此可见，h f c 接入技术的优势是较为明显的，今后必将得到快速发展。 1 2 问题的提出 随着h f c 接入技术的发展，有线电视网能够提供的业务己不仅仅局限于高速上 网，提供的增值业务越来越多，例如d 电话、视频点播( v o d ) 、远程教学医疗等。 系统运营商已不可能还使用单一的包月制收费方式，而必须根据用户不同的需求提 供不同的服务并收取相应的费用。而且，为了保证网络安全和服务质量，系统运营 商必须对用户端设备进行控制与管理。与此同时业务的增加也造成网络越来越复杂， 用户对服务质量的要求也越来越高，网络的运行、管理和维护( o a m ) 成本大大增 加，甚至超过h f c 网本身的投资。这些使得h f c 网络的管理显得越来越重要。h f c 接入网中的关键设备是c a b l em o d e m 和c m t s ， c a b l em o d e m 是用户端设备，且 数目众多，难以管理。因此，对c a b l e m o d e m 的控制及管理就显得尤其重要。 h f c 接入网在我国正处于起步与发展阶段，目前所用的设备多数依赖于进口； 且国内设各厂商的网络管理系统处于研究阶段。因此，对c a b l e m o d e m 的控制及管 理的研究对c a b l em o d e m 的国产化和发展h f c 宽带接入技术都具有十分重要的意 义。 1 3 网络管理协议现状嘲唧”1 目前主要的网络管理协议有：t m n 、c m i p 以及s n m p 。 2 重庆大学硕士论文 1 绪论 t m n ( t e l e c o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n tn e t w o r k ) 是h u t ( 原电报电话咨询委 员会c c i t t ) 提出来的关于网络管理系统化的解决方案，t m n 是一种电信网的管理 体系结构，包括了对网络的规划、指配、安装、维护、运行和管理，以及对电信设 备、网络及业务的管理等方面； c m w ( 公共管理信息协议) 是国际标准化组织( i s o ) 为o s i 的7 层开放互连模型 而设计的网络管理协议； s 皿( 简单网络管理协议) 是国际 叫t e m e t 组织制订的，发布于1 9 8 8 年，1 9 9 0 年1 0 月就有7 0 个以上的厂家( 包括m m ，h p ，s u n ，p r i m e 等著名公司) 宣布支 持s n m p 。s n m p 的设计本着简单性( s i m p l i c i t y ) 和扩展性( e x t e n s i b i l i t y ) 的原则，扩 展性主要是通过将管理信息模型与协议、被管理对象的详细规定( m i b ) 分离而实现： 简单性则是通过信息类型的限制、请求响应机制而取得。s n m p 的基本功能包括监 视网络性能、检测分析网络差错和配置网络设备等。 这些标准中，t m n 是针对电信网管理而设计的，因而不适用于h f c 网的管理： c m i p 虽然功能强大，但过于复杂，实现难度很大，因此目前c m i p 还未得到很好 的应用；s n m p 是基于t c p 网的网络管理协议，它从早期的简单网关监控协议 ( s g m p ) 发展而来。由于它的简单和易操作，因此得到广泛的应用，并已成为事 实上的计算机网络管理标准。 s n m p 主要优点如下： 1 ) 应用广泛。目前几乎所有的网管平台都支持驰m 心，它已成为今天事实上的 工业标准； 2 ) s n m p 较为简单、实用，实现所需的软件、硬件开销小； 3 ) 由于驰m 伊的通信机制是建立在无连接的用户数据报协议( u d p ) 之上的， 这种无连接的通信提供了某种程度的健壮性，即使网络发生拥塞时也能进行最基本 的网管操作； 4 ) s n m p 所提供的安全机制，可满足一定网络安全管理的要求。 s n m p 采用的管理模型是管理者( m a n a g e r ) 代理( a g e n t ) 模型，管理者可以 是工作站、微机等，一般位于网络系统的中心，它负责发出管理操作的指令，并接 收来自代理的信息；代理则位于被管设备内部，把来自管理者的命令或信息请求转 换为本设备特有的指令，完成管理者的指示，或返回所在设备的信息。另外，代理 也可以主动向管理者报告重要事件。 代理的实现是实现s n m p 网络管理的重要组成部分，本课题所要做的工作就是 通过对s n m p 协议和p s o s 实时操作系统的研究，从而在c a b l em o d e m 软件中实现 s n m p 代理模块。 重庆大学硕士论文 1 绪论 1 4 研究的目的及意义 研究的目的：在c a b l e m o d e m 中实现s n m p 网管代理 研究的意义：提供了一种管理和控制c a b l em o d e m 的有效方式，具体包括以下 几个方面： 1 ) 使网络管理者可以对c a b l em o d e m 进行监视，从而及时地发现故障并排除 故障： 2 ) 使网络管理者能以集中统一的方式实旅远程控制，并能对c a b l em o d e m 的 参数进行配置； 3 ) 为h f c 网的计费管理奠定基础，从而促进h f c 网增值业务的发展，提高 h f c 网的经济效益； 4 ) 为h f c 网的性能管理提供一种有效的手段，从而提高网络运行的稳定性。 1 5 论文的章节安排 第一章：绪论；简要介绍宽带接入技术和网络管理协议的现状，提出本篇论文 所需解决的问题，并对研究的目的和意义作了说明。 第二章：c a b l em o d e m 及其所在的h f c 网；简单分析了h f c 网的系统结构和 协议栈，然后在分析c 曲l em o d e n 的软、硬件结构的基础上对c a b l em o d e m 的工作 原理进行了说明。 第三章：s n m p 协议分析；首先对s n m p 的起源和发展作了介绍，接着对管理 信息库( m i b ) 、管理信息结构( s m i ) 、s n m p 消息结构以及如何在管理工作站和 被管设各之间交换消息方面作了重点分析。 第四章：s n m pa g e n t 的开发平台- - p s o s y s t e m ；对实时操作系统的基本概念和 组件进行了说明，并对p s o s 3 ，s t e m 与任务相关的概念、p n a + 组件和s o c k e t 编程作 了重点分析。最后给出了p s o s y s t e m 应用系统的开发步骤和调试方法。 第五章：s n m pa g e n t 的具体实现；对s n m pa g e n t 的软件结构进行了分析，将 其划分为四个功能模块，然后对每个模块进行了分析。接着对实现的关键技术进行 了探讨，最后给出了s n m pa g e n t 软件的程序流程和s n m pa g e n t 的扩展步骤。 第六章：结论与进一步探讨；对研究的课题进行了总结，并对s n m p v 2 与 s n m p v l 的兼容性作了初步探讨。 4 重庆大学硕士论文 2c a b l em o d e m 及其所在的h f c 网 2c a b l em o d e m 及其所在的h f c 网 2 1 肿c 网 h f c 网络拥有极其丰富的带宽资源，通常使用的频率范围为5 - - 8 5 0 h z 。且一 般采用上、下行不对称的频率分割，对于p a l 制而言，5 - - 6 5 m h z 作为上行通道； 6 5 - - 8 5 0 m h z 作为下行通道。在前端，各种业务信号如模拟电视信号、数字视频信 号、计算机数据信号、电话信号和各种控制信号等通过副载波复用( s c m ) 方式调 制到下行频段的不同频道，经过电光转换用光纤传送到光节点，在光节点进行光电 转换之后由同轴电缆广播式地传送至用户。用户的上行信号采用多址技术( 如时分 多址接入、频分多址接入或者它们的组合) 复用到上行信道，由同轴电缆传送到光 节点，在光节点进行电光转换，然后用光纤传至前端【8 】1 9 1 o 2 1 1h f c 网的基本特征 具体地说，h f c 网有以下特点： 1 ) 模拟和数字信号共存 在h f c 网传送的信号中，在目前的一段时间内，模拟电视信号仍将占据很大的 比重。而数字信号主要应用于交换业务之中，如传输计算机数据业务等。当然，随 着数字电视和各种增值业务的引入，数字信号的比重将逐渐增加。 2 ) 频分复用和时分复用共存 在h f c 网中，各种业务的复用采用频分复用的方式，如模拟电视信号、数字电视 信号、电话信号以及交互式数字信号分别占用不同的频谱；在信道的竞争传输过程 中采用时分复用的方式，以“微时隙”为基本单位进行传输。 3 ) 光纤网和同轴电缆网共存 h f c 网是一种经济的按入方式，经过双向改造的i - i f c 网具有f t t b 、f t r c 的功 能，从而以相对较低的价格实现高速接入。 4 ) 信号分配和信号交换同时共存 传统的电视广播是单向的分配系统，而交互式业务则是信息的双向交换过程。因 此传统的电视广播仅仅是一个信号分配的过程，而h f c 网因引入了交互式业务使信 号分配和信号交换同时存在。 重庆大学硕士论文 2c a b l em o d e m 及其所在的h f c 网 2 1 2h f c 网的系统结构 图2 1 h f c 网的系统结构 f i g2 1a r c h i t e c t u r eo f h f cn e t w o r k h f c 网的系统结构如图，主要由c a t v 前端系统、网管中心、用户端设备和 h f c 传输网络四部分组成。 c a t v 前端系统主要包括c m t s 、路由器、c a c h e 以及各种增值业务服务器( 如 v o d 等) 。主要完成电视信号和数字信号的混合、i n t e r a c t 的接入以及增值业务的提 供等功能。 网管中心包括s n m p 服务器、计费服务器、d h c p 服务器、t f r p 服务器以及 t o d 服务器等。其中s n m p 服务器对整个h f c 网络进行管理( 包括c m t s 和c m ) ； d h c p 服务器负责给c m 动态分配p 地址；t f t p 服务器负责为c m 提供配置文件 信息：t o d 服务器则是用来提供网络定时服务。 用户端设备主要就是c a b l em o d e r n ，它是用户p c 和h f c 网络的连接设备，与 c m t s 组成完整的数据通信系统。c m 接收从c m t s 发送来的q a m 调制信号并解 调，重建传向1 0 - b a s e te t h e m e t 接口的以太网帧，在相反方向上，从p c 机接收到 的以太网帧经q p s k 调制后，通过h f c 网络的上行通道传送给c m t s 。 h f c 传输网络是树型结构的光纤同轴电缆混合网。树根是c m t s ，从c m t s 到用户邻近节点使用光纤，同轴电缆作为馈线从光节点连到每个用户。在光纤末端 6 重庆大学硕士论文 2c a b l em o d e r n 及其所在的h f c 网 的光节点进行光电转换，每个光节点下一般接2 0 0 - - 5 0 0 户用户i lo 】。由于h f c 是树 形结构的网络，因此适合运用s n m p 协议对h f c 网进行集中式的控制及管理。 2 2 协议栈 c a b l em o d e m 系统的主要功能是在前端和用户端之间透明地传输i p 数据报，除此 之外，还要在i p 协议之上实现网络管理和维护功能。c a b l e 网上( c m 和c m t s 之间) 的协议栈如图2 2 所示【1 1 l 。 图2 2c m 和c m t s 的协议栈 f i g2 2p r o t o c o ls t a c kb e t w e e nc m a n dc m t s 其中，应用层包括的协议有： s n m p ( s i m p l e n e t w o r k m a n a g e m e n t p r o t o c o l ， r f c - 1 1 5 7 1 ) ，简单网络管理协议， 用于网络管理； t f t p ( t r i v i a l f i l e t r a n s f e r p r o t o c o l ， p f c - 1 3 5 0 ) ，小型文件传输协议，用于下载 软件、配置信息等； d h c p ( d y m l i ch o s tc o n f i g u r a t i o np r o t o c o l ，旺江c 2 1 3 1 ) ，动态主机配置协议， 用于通过t c p i p 网络传输配置信息以配置主机。 数据链路层包括两个子层： l l c ( l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 ) 予层：用以保证数据的可靠传输； 链路安全( l i n k - l a y e rs e c u r i t y ) 子层：用以保护用户数据不受恶意侵害。 物理层( p h y ) 主要包括以下三个子层： 介质访问控制子层( m e d i a a c c e s sc o n t r o l ，m a c ) ：对c m 接入上行通道进行控 制； 传输会聚子层( t r a n s m i s s i o nc o n v e r g e n c e , t c ) 只存在于下行方向，i p 数据在 7 重庆大学硕士论文 2c a b l em o d e m 及其所在的h f c 鲥 该层被封装成m p e g - - 2 帧，使其能与其它业务的m p e g 流复接起来并在同一载波 上传输； 物理媒质附属子层( p h y s i c a l m e d i a d e p e n d e n t ，p m d ) ：负责h f c 网上数据的调 制和解调，d o c s i s v l 0 和i n ) c s i s v l 1 中调制方式在下行方向是6 4 q a m 或 2 5 6 q a m ，上行方向是q p s k 或1 6 q a m ，目前最新的d o c s i s v 2 0 在上行方向增加 了抗噪声能力强的s c d m a 。 2 3c a b l em o d e m 的工作原理 2 3 1 硬件结构 硬件结构如图2 3 所示，主要包括c p u 、m a c 芯片、上下行处理器、高频头、 存储器和接口等部分。其中e p r o m 中存储系统程序，f l a s h 中存储升级程序， d r a m 提供程序运行时所需的存储空间，s r a m 作为数据缓冲内存。接口包括 r s 2 3 2 、e t h e t n e tj 口u s b 。 ilh ! 燮竺| 黛& s r t d 。t 图2 3 ( a ) c a b l em o d e m 硬件结构 f i g2 3 ( a ) h a r d w a r e a r c h i t e c t u r eo f c a b l em o d e m 图2 3 ( b ) m a c 芯片结构 f i 9 2 3 ( b ) a r c o f m a cc h i p 下行信号流程：射频信号经h f c 网络到达c a b l em o d e m 后，高频头( t u n e r ) 把射频信号下变频到中频信号，然后交到d s - - p h y 芯片( 完成解调功能) 。d s 重庆大学硕士论文 2c a b l em o d e m 及其所在的h f c 网 p h y 在经过载波同步和位同步后，从q a m 信号恢复出比特流，作为m a c 芯片的 输入。m a c 芯片处理与时间关系密切的任务，如同步消息、带宽分配m a p 消息， 而把其它m a c 消息递交到软件模块处理。同步消息接着被送到时间恢复电路( t r c ) 模块。m a p 消息则送到m a pf i f o 中进行进一步处理。下行处理器主要完成m p e g 2 和d o c s i s 首部去除、c r c 检验等功能，然后把数据包送到d e s 解密模块进行解 密。 上行信号流程：上行数据经d e s 加密后被送到上行处理器。上行处理器从m a p f i f o 输出的m a p 中获取带宽分配信息，然后在所分配的时隙内发送数据和请求帧。 u s p h y 芯片把m a c 芯片递交过来的m a c 帧进行q p s k 或q a m 调制后送到商 频头，然后高频头把信号调到所选择的通道，发送到电缆上。 2 3 1 2 软件结构 图2 4c a b l em o d e m 软件模块及基本的数据流 f i g2 4s o f t w a r em o d u l , b a s i cd a t af l o wo f c a b l em o d e m c a b l em o d e m 软件模块及基本的数据流如图2 4 所示。根据c m 要实现的功能 和它的硬件组织结构，其软件功能模块可划分为四个部分12 】1 1 3 ： 1 ) m a c 驱动程序和数据转发器程序，包括： m i s ct a s k ；杂项任务，控制l e d 等。 s y n c t a s k ；同步任务，使c m 和c m t s 保持同步。 m a i nt a s k ；主任务，c m 的初始化和诊断操作。 m a ct a s k ；m a c 任务，负责上下行的数据帧和m a c 管理帧的传输，并 负责d o c s i s 应用程序，数据外围设备驱动程序以及网络模块之间的数据 转发。 2 ) d o c s i s 应用程序，包括： m s g t a s k ；消息任务，处理c m 接收到的各种d o c s i sm a c 消息。 e v e n t t a s k ；事件任务，激活其它任务对重要事件迸行处理。 9 重庆大学硕士论文 2c a b l em o d e m 及其所在的h f c 网 b p it a s k s ；b p i 任务，提供基线保密支持。 q o st a s k ；q o s 任务，提供服务质量支持。 3 ) 网络模块程序，包括： d o w n l o a dt a s k ；下载任务，实现程序的在线更新。 s n m pt a s k s ；s n m p 任务，实现网络管理功能。 d h c pt a s k s ；d h c p 任务，实现m 地址的动态分配。 4 ) 外围设备驱动程序，包括： l a nd r i v e r ：以太网驱动程序。 u s bd r i v e r ：u s b 口驱动程序。 p c id r j v e r ；p c i 口驱动程序。 c o n s o l ed r i v e r ：串行口驱动程序。 其中网络模块的s n m p 任务的实现就是本课题研究的对象。 2 3 3c a b l em o d e m 工作原理【1 4 】【1 5 】 1 ) c a b i e m o d e m 初始化 c a b l em o d e m 上电时，引导程序在对c p u 寄存器进行初始化和对r a m 进行测 试等必要操作后，把存在e p r o m 或f l a s h 中的代码搬到r a m 中，并把对c p u 的控制权交给它。接着要对d m a 、以太网接口、u s b 和l e d 等电路进行检测，并 通过更新控制寄存器值来对p y h 和m a c 芯片进行配置，需要配置的值包括数字调 制类型、上下行参考频率、波特率和m a c 地址等。在这些完成后，c a b l em o d e m 就可以进行测距过程并最终向前端进行注册。注册成功则表明c a b l cm o d e m 己完成 初始化过程。 2 ) 系统操作 在完成初始化后，c a b l em o d e m 就要处理所有的m a c 消息和d o c s i s 规范中 定义的机制。图2 5 是c a b l em o d e m 系统操作核心模块，中断在初始化的时候被允 许，相应的中断服务则通过中断来触发。这些中断包括有定时器、收到数据包、发 送数据包。m a c 中断服务例程( i s r ) 负责决定哪一个模块来处理这些中断。m a c i s r 有最高的优先级，而事件任务( e v e n t t a s k ) 的优先级要比消息任务( m e s s a g e t a s k ) 高。 1 0 重庆大学硕士论文 2c a b l em o d e m 及其所在的h f c 网 图2 5c a b l em o d e m 系统操作核心模块 f i g2 5c o r eo p e r a t i o nm o d u l eo f c a b l em o d e m 3 ) 多种应用业务的支持 d o c s i s l 1 中定义多种q o s 调度业务和每种业务的q o s 参数。这些业务有主 动授权业务( u g s ) 、实时查询业务( r t p s ) 、带活动性检测的主动业务( u g s a d ) 、 非实时查询业务( n r t p s ) 以及最大努力业务( b e ) 【l6 】。主动授权业务用来支持能 周期地产生固定长度数据包的实时业务流，例如通过p 传送话音( v o m ) 。该业务 周期性地实时提供固定长度的授权，这样就消除了m o d e m 请求的开销和延迟并确 保满足业务流的实时需要。实时查询业务用于支持诸如m p e g 视频一类周期地产生 可变长度数据包的实时业务流。该业务提供周期性的、单播请求机会来满足业务流 的实时需要，并允许c i v i 指定所需的授权长度。带活动性检测的主动业务( u g s a d ) 支持可能在有效的时间( 几秒或更多) 中变为非活动的u g s 业务流，例如能 抑制无话时间的v o i p 。非实时查询业务( n r t p s ) 用来支持需要可变长度数据授权 的非实时业务流，如需要大带宽的f t p 。最大努力业务的目的是提供高效率的业务。 通过这些调度业务和分类器机制，就可以在h f c 网络中满足不同需求的应用。 分类器机制如图2 6 所示，分类器是一组匹配准则，它的组成包括某些数据包 匹配准则( 例如口目的地址) 、一个分类优先级和参考业务流【l ”。如果数据包与某 特定的数据包匹配准则匹配，则它就被送到该参考业务流上排队发送。分类器的优 先级决定了数据包的匹配顺序，如果数据包满足多个分类器，则使用优先级高的分 类器。如果没有一个分类器匹配，数据包被分到基本业务流。分类器包括下行分类 器和上行分类器。下行分类器是c m t s 用于数据包的发送，而上行分类器则在c m 端使用。分类器既可以通过网管操作( 配置文件、注册) 也可以通过动态操作( 动 态信令、d o c s i sm a c 予层业务接口) 加入。基于简单网管协议s n m p 的操作可 重庆大学硕士论文 2c a b l em o d e r n 及其所在的h f c 网 以看作由动态操作加入的分类器。 图2 6 分类器机制 f i 9 2 6 c l a s s i f i e r m e c h a n i s m 2 4 本章小结 本章首先简单分析了h f c 网的系统结构和协议栈，并指出h f c 网适合采用 s n m p 协议进行网络管理；接着对c a b l em o d e m 的软、硬件结构进行了分析，在此 基础上对c a b l em o d 廿 a 的工作原理进行了说明。 1 2 重庆大学硕士论文 3s n m p 协议分析 3s n m p 协议分析 3 1s n m p 的起源和发展 简单网络管理协议( s n m p ，s i m p l en e t w o r km a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 是t c p f i p 协议簇的一个应用层协议，它是随着t c p i p 的发展而发展起来的。 在t c p i p 发展的前期，网络管理问题并未得到重视。直到7 0 年代，还没有正 式的网络管理协议，当时常用的一个管理工具就是现在仍在广泛使用的i n t e r n e t 控 制报文协议( i c m p ，i n t c z n e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c 0 1 ) 。i c m p 提供了一个网络设备 ( 如路由器或主机) 向另一个网络设备传送控制报文的手段。它通过在网络实体间交 换e c h o 和e c h o - r e p l y 的报文对，提供了一种测试网络实体问可达性和通信线路性能 的机制【l ”。 典型的i c m p 工具是广泛应用于互联网络的p 玳g ( p a c k e ti n t e r n e tg r o p e r ) 程 序。利用i c m p 加上一些选项( 如请求的时间间隔和发送请求的次数等) ，p i n g 能 够实现多种功能，包括确定一个物理网络设备能否寻址，检测某条线路的丢包率等 等。 p i n g 在一些工具的配合下满足了t c w i p 网络初期的管理要求。然而随着 i n t e m e t 的爆炸性发展，连接到i n t e r n e t 上的组织和实体数目也越来越多。这些各自 独立的实体主观和客观上都要求能够独立地履行各自的子网管理职责，因此要求一 神更加强大的标准化的网络管理协议来对实现i n t e m e t 的网络管理。 1 9 8 7 年1 1 月发布的简单网关监视协议s g m p ，成为提供专用网络管理工具的 起点。s g m p 提供了一个直接监控网关的方法。随着对通用网