（通信与信息系统专业论文）hfc网络融合通道双向传输关键技术研究.pdf

中文摘要 摘要：“三网融合”意指电信网络、有线电视网络和数据通信网的相互渗透、互相包 容、并逐步融合成为统一的通信信息网络。它不仅是有效整合现有网络资源、实 现多种网络的互联互通，而且是新的服务和运营机制的形成，有利于信息产业结 构的优化。 目前互联网动摇着电视本来第一媒体的地位。互联网集多种媒体的优势与一 身并且具有其他媒体缺少的互动性，深受广大用户的欢迎。而有线电视仍然是以 单向广播的为主要方式向用户提供服务，无法满足人们对双向互动性业务的需求。 三网融合是未来网络发展的必然趋势，h f c 网络的双向化改造是一个重要的机 遇，借此机会大力发展数字电视业务，宽带接入业务，和互动电视业务，提高有 线电视网络的竞争力，是三网融合背景之下，有线电视网络发展壮大的必然选择。 本文的主要研究内容，融合通道网关( c o n v e r g e dc h a n n e lg a t e w a y ，c c g w ) 就是在h f c 网络双向改造的大背景之下，针对当前用户对高速双向互动业务的需 求，作为一种h f c 双向改造的过渡方案被提出的。根据统计表明双向互动业务具 有明显的上行带宽要求低下行带宽要求高的非对称传输特征，融合通道网关利用 了两种不同数据传输通道，即窄带的i p 通道和h f c 通道。为用户提供代理和业务 提速的功能。i p 通道可以用来进行双向通信，h f c 通道有足够的带宽可以满足高 清视频业务的要求。同时融合通道网关在逻辑上属于网关设备，需要同时面对大 量用户请求以及封装转发高速的业务数据如高清视频等。这些都对融合通道网关 的处理运算能力提出了一定要求。 本文首先介绍了三网融合，h f c 网络双向改造等融合通道网关应用的大背景， 然后介绍了融合通道网关设计实现过程中涉及的关键技术。主要有隧道封装技术， n e t f i l t e r 内核数据包捕获技术，l i b p c a p 数据包捕获技术，l i b n e t 数据包发送技术 等。本文分别简略的介绍这些技术的实现原理以及调用方法等。最后使用c + + 语 言设计实现了融合通道网关的主要功能包括在数据的隧道封装传输，数据包的捕 获功能，以及数据包的改造转发功能等。 本文最后还针对融合通道网关的设计对其进行了测试。测试结果表明融合通 道网关实现了融合两种不同数据传输通道进行数据通信的功能，同时具有一定的 数据处理能力，具有能够投入到实际应用的价值。 关键词：n e t f i l t e r ；l i b p c a p ；l i b n e t ；隧道封装 分类号：t p 3 9 3 a bs t r a c t a b s t r a c t ：”t r i p l ep l a y ”r e f e r st ot h ep r o c e s so fa b s o r p t i o n ，a d a p t i o na n di n t e g r a t i o n a m o n gt h en e t w o r k so ft e l e c o m m u n i c a t i o n ，c a b l et va n di n t e r n e t ，w i t h t h ea i mo f e s t a b l i s h i n gau n i f o r mn e t w o r ko fc o m m u n i c a t i o n n o to n l yi t w i l l i m p l e m e n tt h e i n t e g r a t i o na n dc o n n e c t i o no fc u r r e n tn e t w o r kr e s o u r c e s ，b u ta l s oe n c o u r a g e sn o v e l s e r v i c e sa n do p e r a t i o nm e c h a n i s m ，a sw e l la st h eo p t i m i z a t i o no ft h ei n f o r m a t i o n i n d u s t r ys t r u c t u r e c u r r e n t l y , w i t ht h ea d v a n t a g e so fi n t e r a c t i o n ，i n t e m e ti sc o m p e t i n gf o r ”p r i m a r y m e d i a ”，w h i c hb e l o n g st ot vf o rm a n yy e a r s h o w e v e r , c a b l et vs t i l lo n l yp r o v i d e s s e r v i c e sm a i n l yi nu n i l a t e r a lt r a n s m i s s i o n ，i no t h e rw o r d s ，i nt h et r a d i t i o n a lb r o a d c a s t i n g w a y , w h i c hc a nn o ts a t i s f yt h ec u s t o m e r s ”t r i p l ep l a y ”i st h ei n e v i t a b l et r e n do ff u t u r e n e t w o r kd e v e l o p m e n t t h eo p p o r t u n i t yo fh f cn e t w o r kb i l a t e r a lr e c o n s t r u c t i o n ，w h i c h i st h en e c e s s a r i l yc h o i c eo ft h ed e v e l o p m e n to fc a b l et vn e t w o r k ，w i l lg r e a t l yp r o m o t e t h es e r v i c e so fd i g i t a lt v , b r o a d b a n da c c e s sa n di n t e r a c t i v et v , a n df i n a l l yi n c r e a s i n g t h ec o m p e t i t i v es t r e n g t ho fc a b l et vn e t w o r k i nt h i sa r t i c l a ，c o n v e r g e dc h a n n e lg a t e w a y ，o rc c g w , i s p r o p o s e da sat r a n s i t i o n s c h e m ef o rh f cb i l a t e r a lr e c o n s t r u c t i o na c c o r d i n gt ot h ec u r r e n td e m a n df o rh i g h - s p e e d b i l a t e r a li n t e r a c t i v es e r v i c e s s u r v e ys h o w e dt h a t ，b i l a t e r a li n t e r a c t i v es e r v i c e sh a v et h e o b v i o u sc h a r a c t e r i s t i c so fa s y m m e t r i ct r a n s m i s s i o n ，w h i c hm e a n st h er e q u i r e m e n t si s w e a ko nu p l o a d i n ga sw e l la ss t r o n go nd o w n l o a d i n g t h ec c g wm a k eu s eo ft w o d i f f e r e n td a t at r a n s m i s s i o nc h a n n e l s ，w h i c hi n c l u d et h eb i l a t e r a ln a r r o w - b a n di pc h a n n e l a n du n i l a t e r a lh i 曲一s p e e db r o a d b a n dh f cc h a n n e l ，t op r o v i d es e r v i c e so fp r o x ya n d p e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t ，s a t i s f yt h ec u s t o m e r s d e m a n df o rh i g h s p e e di n t e r a c t i v e s e r v i c e s ，a n di m p r o v et h eu s e r s e x p e r i e n c e m e a n w h i l e ，c c g w , w h i c hb e l o n g st o g a t e w a yd e v i c e sl o g i c a l l y , w i l lf a c et h ec h a l l e n g eo fal a r g ea m o u n to fc o n c u r r e n t r e q u e s t so fd a t at r a n s m i s s i o n ，s u c h a st h ep a c k i n ga n df o r w a r d i n gt h ed a t ao f h i g h r e s o l u t i o nv i d e oc l i p s s u c hc h a l l e n g e w i l lm a k eg r e a tr e q u i r e m e n t so nt h e p r o c e s s i n gc a p a b i l i t yo fc c g w t h i sa r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e dt h eb a c k g r o u n do fc c g w , i n c l u d e dt h ec o n c e p to f ”t r i p l ep l a y ”a n dh f c n e t w o r kb i l a t e r a lr e c o n s t r u c t i o n ，f o l l o w e db yt h ei n t r o d u c t i o no f t h ek e yt e c h n o l o g yi n v o l o v e di nt h ei m p l e m e n tp r o c e s so fc c g w , w h i c hm a i n l y i n c l u d e dt h et u n n e l p a c k i n gt e c h n o l o g y , n e t f i l t e r k e r n e ld a t a p a c k a g ec a p t u r e l v j e 立交道太堂亟堂僮论塞旦墨i 至 t e c h n o l o g y , l i b p c a pd a t ap a c k a g ec a p t u r et e c h n o l o g y , l i b n e td a t ap a c k a g es e n d i n g t e c h n o l o g y , e t c t h i sa r t i c l eb r e i f l yi n t r o d u c e dt h ei m p l e m e n tp r i n c i p l ea n dc a l l i n g m e t h o do fs u c ht e c h n o l o g i e s f i n n a l y , a p p l i c a t i o nc o d e di nc + + w i l lb ep r o p o s e dt o i m p l e m e n tt h em a i n l yf u n c t i o n o fc c g w , w h i c hi n c l u d e dt h et u n n e lp a c k i n g t r a n s m i s s i o n ，a n dt h ec a p t u r e ，c o n v e r t i o na n dt r a n s m i s s i o no fd a t ap a c k a g e f i n n a l y , t h i sa r t i c l et e s t e dt h ep e r f o r m a n c eo fc c g wa c c o r d i n gt ot h eo r i g i n a l d e s i g n t h er e s u l ts h o w e dt h a tc c g wd i di m p l e m e n tt h ef u n c t i o no fc o n v e r g et w o d i f f e r e n td a t at r a n s m i s s i o nc h a n n e l sf o rt e l e c o m m u n i c a t i o n ，a n dt h ec a p a b i l i t yo fd a t a p r o c e s s i ss u f f i c i e n tf o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：n e t f i l t e r ；l i b p c a p ；l i b n e t ；t u n n e lp a c k i n g c i a s s n o ：t p 3 9 3 v 致谢 转眼之间，我的研究生生活即将结束，非常荣幸能有机会和实验室的老师、 同学们一起度过这两年半的时间，他们对我的关爱让我成长，让我感动。 本论文的工作是在我的导师毕红军副教授的悉心指导下完成的，在论文的选 题、构思、撰写直到完成的整个过程中，毕老师都耐心的指点和鼓励着我。在此 衷心的感谢毕老师对我学业的关心和指导。毕老师不论在做学问还是在做人上都 是我的榜样，两年半来跟随着他的脚步，让我在各个方面都受益匪浅。他对学生 的态度也让我十分感动，不论是在学习方面还是生活方面，他对我们的关怀都无 微不至。在此我对毕老师表示崇高的敬意和由衷的感激。 同时还要感谢刘云教授，作为学科带头人和实验室主任，她对待我们却十分 亲切，仿佛亲人一般，她用渊博的学识和高尚的人格魅力打动了我们，激励着我 们不断的向新的高峰前行。在此向刘老师表示衷心的感谢。 还要感谢实验室张振江老师，他对我们的严格要求和辛辛苦苦的指导，使我 们的技术水平在项目实践中得到了很大提高。在此对张老师表示衷心的感谢。 感谢刘磊、王献冠、牛津等同学，在外实习的一年时间里他们在学习和生活 上都给了我极大的帮助。在撰写论文期问，他们对我的论文提出了很多宝贵的意 见，在此向他们表达我的感激之情。 最后还要感谢在百忙中审阅我论文的各位老师，你们辛苦了! 1 引言 论文的研究背景及意义 有线电视网络作为我国广播和电视节目传输的重要的基础网络，最初是被用 于大众用户接收模拟电视信号使用的。经过二十多年的改造与建设，我国的 h f c ( h y b r i df i b e rc o a x ) 网络已经成为世界上规模最大用户数量最多的有线电视网 络。截至2 0 0 7 年底，我国有线广播电视用户数量达到一亿四千万，有线电视网络 的总里程超过了三百多万公里，其中四万公里为国家级的光缆线路，超过十万公 里的光缆线路为省级及地市级。目前，全国省级网络公司已有3 1 个、地市级的网 络公司已有3 2 1 个、县级有线电视网更多达1 0 0 0 多个、此外专用电视网已有两千 多个| 1 1 。 传统意义上来讲，从模拟时代开始，有线电视网络就一直是单向的广播网络， 其网络只能提供视频信号从网络前端单向传送到用户的功能，由于广播技术的采 用，在任何地点终端只要可以接入有线电视网络都可以接收到相同的电视内容。 所以有线电视网络分发视频内容是在所有媒体中最为有效的。有线电视网在带宽、 用户数目、高质量的节目保证方面占尽优势，实现了内容的集中管理和简单、方 便的运营及维护。与此同时这种不变的、单向的、单一的视频广播方式也为有线 电视网的发展带了严重的局限。伴随着互联网的快速发展，用户已经广泛接收互 联网的的交互式的个性化的基于内容的获取方式，人们对交互电视业务的需求r 益增强。单向的广播内容分发已不能满足用户对个性化交互业务的需求，单一的 视频内容服务也已经不能满足用户对多样化业务的需求。有线电视网络的现状不 能满足有线运营商开展双向交互多业务的迫切需求2 1 。 有线数字电视具有容量大质量高的节目内容，丰富的服务内容、在满足个性 化需求方面有着极大的优势，电视是中国目前最普及和最便捷的信息工具和载体， 数字机项盒的产生和发展把电视机转变为家庭多媒体信息终端，以较短时间、较 低成本，极大推进了数字电视的发展。 而数据业务的新一代宽带互联网，作为当今时代高科技的代表作品，f 在对人类信息社会产生深远的影响。宽带互联网影响到了整个社会的政治、商业、 教育和文化产业，促进了互联网、广电、电信、移动、传媒等行业的相互融合， 以及影响到人们日常生活和工作的方方面面。 由双向数据通信业务和交互视频业务组合而成的互动电视业务或称i p t v 业 务，代表了未来有线电视的发展方向。随着社会的发展和科技的进步，人们对精 神文化产品的需求日益增强，尤其是以个性化、多元化的需求已经逐渐形成一种 新的发展趋势，并且带有双向互动的特点。人们在观看电视节目、视频的时候， 更加渴望能够拥有更多的自主权，能够从被动地接收变为主动地挑选。互动电视 技术，充分利用丰富的有线网络带宽资源，借助最新的数字多媒体技术，为传统 模拟电视用户开辟了一个丰富多彩的视听新世界。据有关资料，近几年美国有线 电视业收人大幅度增长，6 0 来自于新业务的增长，特别是宽带互联网接入业务 的视频点播业务的增长。 国内外研究现状 为了利用h f c 网络进行多媒体和数据的宽带传输、开展个性化双向交互业务， h f c 网络多业务和交互业务的支撑技术己成为近年来广播电视领域的研究热点。 1 9 9 7 年，多媒体电缆网络系统m c n s 提出了第一代双向h f c 网络接入标准 d o c s i s1 0 ，到2 0 0 7 年c a b l a b s 工作组已推出了d o c s i s 3 0 。该标准能够提供下 行1 6 0 m b p s 、上行不低于1 2 0 m b p s 的双向通信信道，同时支持视频、语音、数据 的三种接入和交互。 2 0 0 5 年，s a l l g e e t a r a m a k r i s h n a n 提出下一代边缘汇聚的h f c 网络架构，利用 边缘资源管理器e r m ( e d g er e s o u r c em a n a g e r ) 管理和共享网络频谱带宽，统一为广 播电视( b r o a d c a s t i n gt v ) 、视频点播电视v o d ( v i d e o o n d e m a i l d ) 、音频v o l p ( v o i c e o v e ri p 讦口高速i n t e m e t 数据业务分配传输网络带宽h 1 。 2 0 0 6 年，l u i sr o v i a 等提出了一种交换数字广播s d v ( s w i t c hd i g i t a lv i d e o ) 的 开放性框架和相关模块的通信协议，尝试对s d v 技术进行标准化。同时美国最大 的h f c 网络运营商c o m c a s t 在2 0 0 7 年开始部署基于s d v 技术的数字电视业务， 同年t i mw r a u t e r s 等人对s d v 业务的流量进行了建模，用于指导实际网络的设计 与部署。2 0 0 4 年，以i p q a m 为代表的新一代h f c 网络边缘传输交换设备开始推 向市场，i p q a m 连接l p 骨干网和h f c 接入网进行下行视频传输、数据和控制信 令分开的交互业务业务系统得到了广泛研究与开发。 本文研究的主要内容和组织结构 根据c c n i c2 0 1 1 年1 月的统计数据显示，搜索引擎、网络音乐、网络新 闻、即时通信、网络游戏、博客应用、网络视频是前七大网络应用，也是使用率 超过6 0 的网络应用。除了即时通信外，其它六大应用都具有上行低下行高的非 对称传输特征。 h f c 接入网的网络设计和业务部署时也应该充分考虑到这一点。目前，h f c 网络的接入形式主要有c m t s + c m 、e p o n + e o c l a n 。其中，c m t s + c m 和 e p o n + e o c 是目前h f c 双向改造的主要模式，两者都是多用户共享带宽，用户 在高峰期会竞争带宽资源，尤其是下行带宽资源。系统扩容受到运营商资金、设 备能力、网络规划等多种因素限制，本文介绍一种数据融合传输系统，设计开发 了其核心设备即融合通道网关。它利用h f c 接入网的双向信道进行信令交互， 利用i p q a m 作为下行传输设备，可以与交互视频等其它应用共享i p q a m 带 宽，具有较好的传输效率。 融合通道网关是针对h f c 双向网络改造的需求设计了一套融合传输系统。本 文首先介绍了融合通道网关的应用背景和主要功能，根据融合通道网关的设计要 求，简略介绍了融化通道网络设计实现过程中涉及的关键技术。最后分别介绍了 其主要模块( 隧道模块，地址转换模块，数据包捕获模块，数据包发送模块) 的 设计思想和具体实现方案。 本文的研究工作主要有以下几个方面： 1 网络通信的建立机制。 2 隧道封装技术 3 以太网数据包的截获机制。 4 数据解析技术。 本文组织结构如下： 第一章，简单说明了本文的研究背景和国内外研究现状，随后介绍了主要研 究内容及本文的组织结构。 第二章，介绍融合通道网关的设计背景，在h f c 网络双向改造的背景下、针对 绝大多数网络应用都具有上行低下行高的非对称传输特征，提出了一种融合窄带 的i p 通道和高速的h f c 通道的网关设备实现h f c 双向通信。 第三章，介绍融合通道网关设计实现时采用的主要技术。包括隧道封装技术， 列举了当前主流的隧道封装协议；底层数据包捕获技术，包括基于l i n u x 内核框架 的n e t f i l t e r 和旁路监听l i b p c a p 技术；以及数据包解析发送技术等。 第四章，介绍了融合通道网关的具体实现。包括融合通道网关的系统结构， 工作流程，各个模块的实现方案等。实现融合通道网关实现融合i p 通道和h f c 通 道进行通信的功能。 第五章，对融合通道网关的功能和性能进行测试。 第六章，总结了本课题的主要的工作及取得的研究成果，并对今后的研究进 行了展望。 2 融合通道网关设计背景 三网融合工程是指电信网络、广播电视网络、互联网在向着宽带通信网、数 字电视网、下一代互联网演进过程中，其技术功能趋于一致，业务范围趋于相同， 网络互联互通、资源共享，能为用户提供语音、数据和广播电视等多种服务。 从近期、中期来看，三网融合业务主要包含基础电信业务、增值电信业务、 互联网接入业务、电话业务、i p t v 、手机电视以及上述各类业务融合互动的新型 业务。三网融合业务对宽带接入网的网络技术水平和业务承载能力都提出了更高 的要求，根据近、中、远期三网融合业务需求，合理发展宽带接入网显得尤为重 要。 2 1三网融合业务对宽带接入网的需求 为满足三网融合业务的多业务、多样性等级、高品质要求，宽带接入网建设发 展中，带宽、组播、q o s 、管理等是重要考虑因素3 1 。 1 支持多业务承载、多业务分类能力 三网融合后，运营商为用户提供的是融合的多种业务。多种业务均通过同一 接入网承载，接入网必须支持多业务承载、多业务分类能力。 多种业务要求不同的q o s ，尤其是视频类业务和语音类业务要求更高的q o s 保障。由于视频业务的实时性，通常无法支持丢包的重传，因此丢包可能导致画 面冻结、马赛克等问题；实时性对时延抖动也比较敏感；因此接入网应支持视频业务 的带宽保证和优先级调度机制，提供低丢包率、低时延、快速切换的传输，保证 用户体验。 2 支持组播 随着i p t v 业务规模的增长，为了节省i p 城域网带宽，组播控制点会逐步下 移到接入网，因此，接入网设备应支持组播功能，并支持用户组播请求的快速处 理、组播路由的快速收敛。 3 更高的网络带宽和用户线路带宽 各类业务对带宽的需求如表2 1 所示。高清电视业务带宽一般需要8 l o m b i t s 的，标清电视带宽一般需要2 4m b i t s ，同时伴随网络视频的发展，高速 上网带宽越来越大，将向1 0m b i t s 甚至更高发展，并且都具有上行带宽要求低下 行带宽要求高的非对称传输特征。 4 表2 1 各类业务宽带需求 t a b l e 2 1b a n d w i d t hr e q u i r e m e n t so fn e t w o r ks e r v i c e s 2 2 h f c 网络的双向改造技术 借助三网融合的机遇大力发展数字电视业务，宽带接入业务，和互动电视业务， 提高有线电视网络的竞争力，是h f c 网络未来发展的必然趋势。然而发展交互电 视的基础是有线电视网络具有双向数据传输能力。目前我国大部分城市的有线电 视网络是单向广播网，上海、深圳等经济发达城市的部分网络采用c m t s 构建了 双向h f c 网，杭州等城市采用l a n 接入方式构建了市区的双向宽带数据网，总 体上看有线电视网络完成双向化改造的规模非常小，面对有线电视数字化和双向 化的发展趋势，亟待解决的问题是全网覆盖的有线电视双向化改造解决方案。 有线电视网双向改造技术已经呈现多样化，主要分为基于同轴电缆和基于新 增五类线两大类。有线电视双向改造传统的方式是采用d o c s i s 技术的c m t s 系 统的双向h f c 网络，以美国有线电视运营商在全美成功应用，但由于c m t s 技术 对h f c 网的线路改造成本较高、运维成本高、不适应中国密集用户的城市住宅小 区，在中国没有被有线电视运营商普遍采用推广。c m t s 解决方案虽然经过1 0 多 年的发展在一定程度上实现了双向h f c 网的数据回传和i n t e r n e t 服务，由于上下 行非对称性、上行带宽的限制以及扩容升级的投资都制约了在我国有线电视双向 改造中的应用。f t t b + l a n 宽带接入方式采用了双网异构方法解决有线电视双向 改造同时提供了宽带数据的接入能力，但f t t b ( 光纤到楼) 的施工周期、工程成 本、五类线入户对运营商而言都是相当大的问题。 2 2 1双向h f c 网的c a b l em o d e m 接入 c a b l em o d e m 接入网方案是基于双向h f c 网的数据传输系统，系统包括刖, # - 墒1 l i l 设备c m t s 和终端设备c a b l em o d e m ( c m ) ，采用d o c s i s l 0 2 0 技术标准，利 用有线电视网下行频段和上行频段分别提供数据回传和下载通道，下行通道的频 率范围为8 8 - - - 8 6 0 m h z ，每个通道按频道带宽8 m h z 设定，采用6 4 q a m 或2 5 6 q a m 调制方式，下行数据传输速率最大为4 0 m b p s 。上行通道的频率范围为5 , - - - 6 5 m h z ， 每个通道的带宽可为2 0 0 、4 0 0 、8 0 0 、1 6 0 0 、3 2 0 0 k h z ，采用q p s k 或1 6 q a m 调 制方式，对应的数据传输速率为5 m b p s 或1 0 m b p s 。 c a b l em o d e m 在组网方式上，很适合于原先的有线电视网络，光节点以下采 用树型总线结构。c m t s 输出端的c a b l e 电缆通过分配器和分支器输入到用户家 庭的c a b l em o d e m 的r f 输入端，完成视频与数据的接入。 c a b l em o d e m 在实际应用中的组网架构如下图： 图2 一lc a b l em o d e m 组网架构不恿图 f i g u r e2 - 1s c h e m eo fc a b l em o d e m n e t w o r ks t r u c t r e 基于c a b l em o d e m 的双向有线电视网络具有的优势是充分利用了h f c 网络已 有的接入网资源，对入户线路没有安装工程，但这种方案存在着一定的限制，主 要的问题在线路双向改造成本较高、带宽共享不能满足多用户高带宽的应用、不 易扩容升级、低频端的回传噪声积累不可避免。 1 线路的改造成本较高 现有的用于c a t v 的h f c 网络是单向传输网络，而数据传输系统是双向的， 这就需要对现有的网络进行改造，在线路上增加反向传输模块，将原有链路中的 单向放大器改为双向放大器，因此，在线路上要有一定的改造成本。 c a b l em o d e m 所组成的h f c 宽带接入系统的拓扑结构是分层的树状总线 结构，其终端用户将共享连接段线路的带宽，c m t s 下联的c a b l e 总线越多，用 户数越多。按照一个光节点覆盖5 0 0 用户计算，若按实际并发用户2 0 计算，用 户平均使用带宽为4 0 m b p s 5 0 0 0 2 = 4 0 0 k b p s 。事实上，在实际应用中，由于用户 的增多，线路上插入损耗增加，c m t s 达不到王里论上的4 0 m b p s 的速度。在平均速 率3 0 0 k b p s 的速率下，用户用c a b l em o d e m 接入i n t e m e t 仅适用于浏览网页， 诸如高速卜载、流媒体以及视频通信等一般需要持续速率达到3 0 0 7 0 0 k b p s 以上 的应用，就不能满足应用需求了。 3 扩容升级成本高 为提升用户带宽，使视频通信等新业务不会因为速率的限制无法开展，缩小 光节点是c a b l em o d e m 在现阶段唯一可行的办法。 以下行速率达到1 m b p s 为设计带宽，理论上，一路c m t s 输出可以支持4 0 个并发用户，按照实际并发用户为2 0 ，则光点覆盖用户数要控制在2 0 0 户，即 光点的数量提高2 5 倍，c m t s 设备投资要增加2 倍以上。面对宽带应用的用户需要 更高的速率，用户增长同时造成并发用户的增加，当网络向f t t b 过渡，c m t s 采用继续升级系统扩容业务是不现实的，因此c m t s 系统实际进一步扩容的能力 有限。 由此可见，c a b l em o d e m 接入方式可以解决h f c 双向数据传输的问题， 但性价比不占优势，尤其业务一旦开展，后续的扩容需要很大的投资。 2 2 2基于i p 的l a n 接入 有线电视网络双向改造另- 1 0 0 方案是利用现有的光纤资源和拓扑构建独立的 双向网络，采用以太网数据交换方式光纤延伸到楼幢，形成了h f c 网络和l a n 接入组合的城域网同时支持广播和交互业务。 l a n 接入网一般采用光缆+ 五类线的方式对社区进行综合布线，即 f t t b + l a n 的网络架构，采用了光纤到楼、五类线入户。每一个楼幢用户通过集 线器交换机组成以太网的接入层，然后通过光纤上联汇聚节点，汇聚节点光纤上 联骨干层，归纳起来，基于i p 的l a n 方式的宽带接入一般是千兆光纤n d , 区、 百兆光纤到楼、1 0 1 0 0 m 五类线到户的模式。 基于l a n 接入的双向组网方案是充分利用了h f c 网络骨干光纤和管路资源， 并把数据网络光纤延伸到楼幢，在是双线( 同轴电缆和五类双绞线) 入户的组合 网络，全网是h f c 和以太网叠加的城域网，双向组网示意图如图2 2 所示。这种 双向网络改造较好地综合h f c 单向网和以太网的优势，并对未来的业务发展提供 非常良好的环境。 h f c i _ a t 、j 图2 2l a n 组网架构示意图 f i g u r e2 - 2s c h e m eo fl a n n e t w o r ks t r u c t r e 在图2 2 中可以清楚地看到在f t t b + l a n 接入方式下，c a t v 网络独立于l a n 网络之外。c a t v 视频信号与i p 数据信号在两张不同的网络内传输，分别完成视 频与数据功能的接入。这是具有创新的方案，发挥了h f c 网络和i p 宽带网的优势， 为应用以及扩展提供了良好的基础，通过探索获得了扩展性很强的有线电视双向 网络。 基于i p 的l a n 接入是日 i ，j 用户接入带宽最高的方式，特点在于技术和设备 相对成熟，用户侧不需要有附加设备接入而直接通过网线连接设备的网络端口， 1 0 1 0 0 m 端口速率升级主要是扩充汇聚层的带宽，网络升级扩容容易，可操作性强。 适应业务的需要，未来网络十分容易演进到f t t h 全光纤网络。 2 3融合通道网关的引出 综上所述，有线电视网双向改造技术已经呈现多样化，主要分为基于同轴电 缆和基于新增血类线两大类，利用有线电视同轴电缆解决双向数据传输是双向改 造最方便可行的方案，c m t s 解决方案虽然经过l o 多年的发展在一定程度上实现 了双向h f c 网的数据回传和i n t e r n e t 服务，由于上下行非对称性、上行带宽的限 制以及扩容升级的投资都制约了在我国有线电视双向改造中的应用。 针对以卜接入网的现状，本文提了一种融合窄带i p 通道和高速的h f c 通道 的数据融合传输系统，其核心思想是基r r 联网业务的非对称特性，以h f c 接 入网舣向改造为基础，利用双向信道进行信令交互，结合i p 数据封装和i p q a m 技术，作为宽带数据下行传输的分流途径。陔系统结构不但可以扩展下行带宽， 缓解高峰期双向交互信道捌塞的问题，义町以利用h f c 接入网的一播特性开展 形式更多样的数据业务。典型的数据融合传输系统的结构如图2 1 所示。 ； ， | 图2 3 数据融合传输系统 f i g u r e2 - 3d a t ac o n v e r g e dt r a n s m i s s i o ns y s t e m 数据融合传输系统的核心设备是融合通道网关( c o n v e r g e dc h a n n e lg a t e w a y ， c c g w ) 。c c g w 作为连接互联网和其它应用服务器的另一个网络设备，用于融合 双向交互和单向广播两种传输路径。数据融合传输系统的终端需要具备双向通信 能力，在不向c c g w 注册的情况下，终端仍可以进行正常的双向通信，开展数 据业务。向c c g w 注册之后，终端所有下行数据都需要经过c c g w ，c c g w 根 据一定策略选择数据发送通道，具有扩展下行传输带宽的能力，能提供较高的下 行传输速率；终端上行数据可选择通过c c g w 转发或直接向目的地址发送。当 终端具有多信道接收能力时，c c g w 可以演进为多信道接收系统。 2 4本章小结 本章首先列举了在三网融合趋势下，网络应用的需求呈现出了新的特点，对 带宽要求高且带有不对称的特征。然后分析了有线电视网络双向改造中不同方案 的优势和不足。最后引出了本文提出的融合i p 网络和h f c 网络两种通道的数据传 输系统 固 三 融合通道网关关键技术 3 1隧道封装技术 3 1 1隧道封装技术原理 隧道技术( t u n n e l i n gt e c h n o l o g y ) 主要是指将协议的封装嵌套在开放性网络的 传输媒体上并复用隧道连接，将用户的应用数据经过封装处理后在隧道上进行通 信传输。 它通过比特传输的原始信息经过加密和协议封装处理后再嵌套装入另一种协 议的数据包送入网络中，对于网络上的设备来说和正常的数据包没有任何不同， 实现了私有数据包在公共网络传送的目的。经过隧道封装处理之后，只有信源端 和信宿端的用户会对通过隧道传输的嵌套信息进行解析和处理而对于网络上的 其他用户来说毫无意义的数据包。隧道封装技术本质上是改变了数据包的原有的 结构在隧道内部的数据包使用的协议和寻址方式可以与承载隧道封装数据包的 主干网所用的协议和寻址方式完全不同1 9 1 。 隧道可以近似的看做点到点的通信连接。这种方式能够使来自不同信源的网 络数据包在同一个网络设施中通过不同的隧道协议进行传输。隧道技术使用点对 点通信协议代替了交换连接，通过路由网络来连接数据地址t 6 l o 通过隧道的建立，可实现： 1 数据流从信源到指定目的地的强制传输 2 掩盖用户和服务端的地址信息 3 非i p 数据包得以在i p 网络上传输 4 为数据传输安全提供必要的支持 为了保证隧道f 常通信，隧道两端的客户端和服务器需要采用相同的封装协 议。封装协议可以工作在不同层次上。第二层隧道封装协议工作在o s i 模型中对 应的第二层数据链路层，以数据帧作为交换单位。p p t p 、l 2 t p 和l 2 f 都属于工 作在第二层的隧道封装协议，都是把用户数据嵌套在点对点协议( p p p ) 数据帧中 通过i p 网络中发送。第三层隧道封装协议工作在o s i 模型的第三层网络层，以数 据包作为交换单位。i p i p 协议以及i p s e c 隧道模式属于工作在第三层隧道封装协 议，是将完整的l p 包嵌套在另外的i p 头部后，通过i p 网络传送。所有的隧道封 装协议都是由用户数据包，不同的封装嵌套格式以及承载的数据包的载体组成的。 它们的本质区别在于，用户数据包是被嵌套在哪种封装协议中在隧道上传输的。 3 1 2主流隧道封装协议的介绍 1 点对点隧道协议( p p t p ) p p t p ( p o i n tt op o i n tt u n n e l i n gp r o t o c 0 1 ) 为支持p p t p 协议的客户端和服务端 之间的通信提供加密服务。p p t p 客户端是指支持该协议的p c 机，如启动了p p t p 协议功能的w i n d o w s 9 5 9 8 客户端；p p t p 服务器是指支持该协议的服务器，如启 动了该协议功能的w i n d o w s n t 服务端。p p t p 扩展了p p p 协议。它提供了一种通 信方式，可以在i p 网上建立可以多协议传输的安全v p n 网络。远端的客户端可以 通过任意提供p p t p 服务的互联网服务提供商访问公司的内部网络t 8 l 。 p p t p 协议使用了r s a 公司著名的r c 4 的数据加密算法，保证了隧道传输数 据的安全。用户如果通过采用拨号等方式接入互联网。首先可以按常规方式拨到 互联网服务提供商的接入服务器( n a s ) ，建立p p p 连接；再通过进行二次拨号建 立连接到p p t p 服务器，该连接即p p t p 隧道，本质上是在i p 协议上建立另一个 p p p 连接，其中的i p 协议中可以嵌套入多种协议数据，包括n e t b e u i 、i p x 和 t c p i p 。而对于直接连到互联网的用户则可以直接与p p t p 服务器建立隧道连接而 不需要第一次p p p 的拨号连接。用户拥有建立p p t p 隧道的主动权，但需要在其 客户机上配置p p t p ，用户虽然拥有更多灵活性，但是也加大了工作量，并且会带 来安全隐患。另外，p p t p 目前只支持i p 协议作为承载数据包的传输协议。 2 第二层转发协议( l 2 n l 2 f ( l a y e rt w of o r w a r d i n gp r o t o c 0 1 ) 是可以在多种传输介质，如异步传输网、 帧中继网络、互联网上建立多协议的安全v p n 网络的封装协议。是由c i s c o 公司 提出的。远端客户端在能通过使用任意拨号方式连接上公用数据网的情况下，首 先按常规方式拨到互联网服务提供商的接入服务器，建立p p p 连接；接入服务器 根据用户名等信息，建立第二重连接到h g w 服务器。由此可以看出，搭建和配置 隧道对于用户来说是透明的。其体系结构见图3 1 。 l11lll1ll11l1 1 6 2 4 3 2 b i t f kps000000000v e r s i o np r o t o c o ls e q u e n c e m u l t 。p l e xi dc 1 i e n ti d l e n g t h o f f s e t k e y 图3 1l 2 f 协议的结构 f i g u r e3 - 1l 2 fp r o t o c o ls t r u c t u r e 其中v e r s i o n 一主修版本号表示l 2 f 隧道协议的版本。 p r o t o c o l 一标识l 2 f 隧道中封装的协议类型。 s e q u e n c e 一当前序列号，l 2 f 包头的s 位为1 时有效。 m u l