（计算机软件与理论专业论文）基于docsis+11的cable+modem固件设计.pdf

摘要 摘要 基于h f c 结构、采用c a b l em o d e m 技术的宽带接入技术由于其技术优势已经成为最 佳的宽带接入技术之一。本文介绍了c a b l em o d e m 技术和相关国际标准的发展，并给 出了一种符合d o c s i s e u r o d 0 c s i s1 1 标准的c a b l em o d e m 固件设计方案( 此设计方案 主要基于c o n e x a n ts u p e r p i p e 单芯片c a b l em o d e m 解决方案) 。c o n e x a n ts u p e r p i p e 芯片具有高度的集成性，可有效降低成本，而且该芯片具有符合d o c s i s1 o 1 1 的可 编程的m a c 层，便于生产厂商在此方案基础上进行二次开发定制自己的c a b l em o d e m 系统。c o n e x a n t 解决方案的软件应用了w i n dr i v e r 公司的v x w o r k s 嵌入式操作系统， v x w o r k s 具有微内核结构和极好的剪裁性，是当前实时性最好、最为稳定的实时操作 系统之一，可以满足c a b l em 0 d e m 的实时性和资源需求，而且在c a b l em o d e m 固件设计 中利用w i n d r i v e r 公司提供的丰富的开发模板( b s p 和e n d 的开发模版) 大大简化了开 发工作。本文给出了基于c n 9 4 1 4 芯片和v x w o r k s 5 4 操作系统的c a b l em o d e m 固件的整 体软件架构设计分析和主要的功能模块设计：板级支持包b s p 设计；c m 外围硬件驱动 设计( g p l 0 总线，i i c 总线，f l a s h ，t u n e r 等) ：c m 的m a c 的软件实现，本文主要介绍 的是v x w o r k s 所特有的e n d 驱动设计和配置( 包括以太网、u s b 和c a b l e 网的e n d ) ；c m 系统的消息流控制；c a b l e 网数据传输安全标准b p i + 的实现。另外，我国将要推出的 线缆网数据传输规范中关于数据传输安全部分是个空白，本文在分析d o c s i s1 1 中的 数据传输安全协议b p i + 的实现技术的基础上，给出了一种可以满足中国国家相关安全 规定的c a b l e 网数据传输安全解决方案( 应用中国设计的数字证书和安全算法) ，并 介绍了在我们研发的c a b l em o d e m 中对此方案的实现。 关键词h f c ；d o c s i s ；c a b l em o d e m ；固件 a b s t r a c t a b s t r a c t c a b l em o d e mb r o a d b a n da c c e s sb a s e do nh f ci so n e b r o a d b a n da c c e s st e c h n i q u e sb e c a u s eo fi t sp a r t i c u l a r o ft h em o s tp o p u l a r t e c h n i q u ea d v a n t a g e s t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep r o g r e s so ft h ec a b l em o d e mt e c h n i q u ea n dt h e i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r dr e l a t e dt oi t ，g i v e sap r o j e c to fc a b l em o d e mf i r m w a r e d e s i g nb a s e do nd o c s i s e u r o d o c s i s1 1 a st h ep r o j e c ti sb a s e do nt h ec o n e x a n t s u p e r p i p es i n g l ei cf o rc a b l em o d e mt h a th a sah i g hi n t e g r a t i o na n da p r o g r a 咖a b l em a cf o rd o c s i s e u r o d o c s i s1 1 ， itjs e a s yf o rp r o d u c e rt o c u s t o m iz eh isc a b l em o d e ms y s t e mo nt h ec o n e x a n tp r o j e c ta n dr e d u c et h ec o s t t h ec o n e x a n tp r o j e c tu s e st h ew i n dr i v e rv x w o r k sr t o st h a tiso n eo ft h e b e s te m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m s v x w o r k sh a sam i c r o k e r n e la n dc a n b ec u to u ta sn e e d i ti sh e l p f u lf o rd e v e l o p e r st od e s i g nt h ec a b l em o d e m f i r m w a r eu s i n gt h ed e v e l o p p i n ge n v i r o n m e n ta n dt h et e m p l a t e s ( f o rb s pa n de n d ) p r o v i d e db yw i n dr i v e r i nt h i sp a p e rt h ea u t h o ra n a l y z e st h ew h o l ec a b l em o d e mf i r r n w a r ep r o j e c t b a s e do nt h ec o n e x a n tc n 9 4 1 4a n d 、r x w o r k s5 4 ，g i v e st h ed e s i g n sf o rt h em a i n f u n c t i o n a lm o d u l e so ft h ec a b l em o d e m t h em o d u l e si n c l u d et h eb s pd e s i g n ，t h e d r i v e r so ft h ep e r i p h e r yh a r d w a r e ( g p l 0 ，i i c ，f l a s h ，t u n e re t c ) ，t h em a ce n d d r i v e r s ( e t h e r n e t ，u s b ，c a b l e ) ，t h em e s s a g eq u e u ec o n t r o l ，t h eb p i + i n a d d i t i o n b e c a u s et h ep i e c e so fs a f ep r o t o c o lf o rd a t at r a n s m i s s i o ni sb l a n ki nt h ec a b l e n e t w o r kd a t at r a n s m i s s i o ns t a n d a r dt h a to u rc o u n t r yw i l lp u to u t ，t h ea u t h o r g i v e sas e c u r i t yp r o j e c tf o rt h ed a t at r a n s m i s s i o no nt h ec a b l en e t w o r k st h a t i sa c c o r dw i t ht h es e c u r i t ys t a n d a r d so fc h i n aa n du s e st h ec h i n a e s ec a c e r t i f i c a t ea n ds e c u r i t ya r i t h m e t i c sa n dr e a l i z e si ti nt h ec a p j n f oc a b l e m o d e m k e y w o r d sh f c ；d o c s i s ； c a b l em o d e m ；f i r 唧a r e 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究目的和意义 1 1 1 本课题来源 本课题是北京网络多媒体实验室基于h f c 网络结构的宽带多媒体接入技术研究课 题的宽带接入终端设备子课题，研究方向是h f c 宽带网络接入技术及其终端设备，并 跟踪中国线缆网数据传输标准，研究设计符合中国标准、具有自主知识产权的的网络 接入终端设备，促进三网融合。 1 1 2 研究基于h f c 的c a b iem o d 鲫宽带接入技术的重要意义 1 1 2 1 宽带接入网是当前接入网的发展方向 随着i n t e r n e t 的超速发展及电子商务的迅速崛起，商业和企业用户上网开拓业务 势在必行。企业上网、政府上网、学校上网、个人上网等表明i n t e r n e t 已经逐渐普及。 随着电子政府、电子商务、电子社区以及各类i n t e r n e t 相关应用的飞速发展，应用对 带宽的需求越来越大，宽带网已成为网络发展的必然。信息高速公路已经成为信息社 会的种标志，通过它，我们可以充分享受到高科技给人类带来的便利，没有人怀疑 信息高速公路辉煌的前景。然而具体的技术实施方案，经济上可行性的论证，特别是 对用户接入网部分，现在仍有许多不同意见。国际权威专家把宽带接入网称作信息高 速公路的最后一公里。宽带网的关键不在干线网，而是在接入网。因此接入网的宽 带方案实际上成为宽带网的关键，成为成败的关键。在向2 1 世纪信息社会的进军中， 接入网特别是宽带接入网不仅成为必须尽快妥善解决的“瓶颈“，而且也成了未 来国家信息基础设施( n i i ) 的发展重点和关键。接入网的宽带化和i p 化已成为未来 接入网发展的主要趋势。 与传统接入方式相比，宽带接入技术最大的优势在于网络带宽。目前宽带接入的 速率一般在上百k b p s 到几十m b p s 之间，是普通m o d e 皿的数十甚至数百倍，且具备无需 拨入的始终联线性能。宽带接入技术带来的不单是网络接入速度的改变，更可能是一 场网络技术及应用的革命，将对通信、商务、娱乐等众多领域带来深远影响，不仅使 诸如v o d 视频点播、远程办公及教育等人们多年梦寐以求的网络服务成为现实，甚至 将从根本上改变音像等软件制品的发行方式及渠道，也为近来崛起迅猛、却备受带宽 桎梏的a s p 市场的发展提供了突破口，可以使a s p 服务从依赖代价高昂的t 1 或t 3 线，转 向费用相对低廉的各种新型宽带接入技术。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 1 2 2h f c 是当前最佳的宽带接入技术之一 实现交互式宽带接入有各种解决方案，如基于铜线的x d s l 、基于同轴电缆的h f c 、 基于光纤的f t t x 、无线接入以及各种混合接入方案等： ( 1 ) 基于双绞线的数字用户线系统( x d s l ) x d s l 是各种数字用户环路技术的统 称。d s l 是指采用不同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 ( j 对称d s l ) 、a d s ll i t e ( 简易a 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，速率从1 2 8 k b s 5 l m b s 。在i n t e r n e t 高速接入方面，以a d s l 和简易a d s l 最具吸引力。 ( 2 ) 光纤同轴混合网( h f c ) c a b l em o d e m 方案是以h f c 为基础的高速接入技术。 h f c 网是一种以模拟频分复用技术为基础，综合应用模拟和数字传输技术、光纤和同 轴电缆技术、射频技术以及高度分布式智能技术的宽带接入网络，是c a t v 网和电话网 结合的产物，也是将光纤逐渐推向用户的一种新的经济演进策略，为人们提供了一条 通向宽带通信的新道路。 ( 3 ) 光纤用户环路( f l t l f b e r lnt h el o o p ) 光纤在接入网中也占有传 输媒介的主导位置，特别是当带宽成为业务瓶颈的时候。但接入网由于距离短，光电 终端及安装施工成为接入网系统成本的决定性因素，由于光电器件成本尚高，而带宽 需求也没到非f t t h ( 光纤到户) 不可时，f t t h 虽理想，但各运营公司都还未定出布署 f t t h 的具体时间表。代之应用的则是f t t e x c h ( 光纤到局) 、f t t c a b c ( 光纤到配线 盒路边) 和f t t b o ( 光纤到大楼办公室) ，这几种方式在光纤之后都需要使用金属 对绞线( 如a d s l 、v d s l ) 或同轴缆( h f c ) 、无线接入( w l l ) 等手段连到终端用户。 ( 4 ) 固定宽带无线接入主要的宽带无线接入技术有三类，即已经投入使用的多 路多点分配业务( 删d s ) 、直播卫星系统( d b s ) 和本地多点分配业务( l m d s ) 。 基于h f c 的c a b l em o d e m 宽带接入方式以高速度、高带宽、低费用、全业务为特点， 自诞生以来就受到了产业界的广泛关注和用户的普遍欢迎。近年来市场发展迅速，目 前在国际上已成为和a d s l 并行的主要高速互联网访问连接方式。建设全光纤用户接 入网不仅需要投入大量的资金，而且完全建成尚需较长时间，而数字用户线技术 又不能适应未来的发展，因此h f c 技术正受到越来越多的青睐。h f c 网靠用户侧的 最末端是一个高品质的宽带网同轴网。话音、高速数据可以通过频分复用方 式调制到不同的频段上传送至用户家中，h f c 网以其较低的价格和普通c a t v 兼容的 特性逐渐成最佳的接入网方式之一。“”“ 1 1 2 3 基于h f c 的c a b i em o d e m 宽带接入的是实现“三网融合”的最佳选择 三网融合是指将电信网、有线电视网和计算机数据网融为一体。使广播电视、通 信和计算机业这些相互分离的技术、业务互相渗透、融合、汇聚，可避免重复投资， 也使网络得到充分利用。 ( 1 ) 电信业务网电信业务网是以电话网为基础逐步发展起来。目前信息到户 第l 覃绪论 主要是双绞线，通过交换机与骨干网相连。电话网是最早进行数字化的，传输方式逐 步向光纤到户发展，传输协议从准同步体系( p d h ) 到同步体系( s d h ) 进而到非同步 转移模式( a t m ) 发展，但由于发展的不平衡，尚不能做到全网传输和交换的数字化 而且是一种全双向，对称流量的结构。虽然有非对称用户环路( 仰s l ) 和高速用户环 路( v d s l ) 等方式，速率可以从几m b p s 到几十m b p s ，但整个网络的流通能力受到双绞 线传输容量这一瓶颈的抑制。 ( 2 ) 计算机网计算机网络发展很快，初期主要是局域网，远程网是在国际互 连网大规模发展后才迅速进入平常百姓家庭的，目前主要依赖于电信网，因此同样受 到到户双绞线原传输容量和调制解调器速度的限制，但其互连网协议( i p ) 由于其灵活 廉价正在被其他网络广泛采用。 ( 3 ) 广播电视网我国的广播电视网络是全国最大的公众信息网络，由于其带宽 比电话要宽得多，而这又恰恰是通信技术发展到极高水平的一个标志和转折点，因而 其网络具有一定优势。特别是近十年来发展起来的有线电视网，具有网络技术设备先 进、光缆为主干线：贯通全国和各省市首府及其大部分的城镇；宽带双向光纤同轴电 缆混合网( h f c ) 入户的优点；与电话接入方式相比，其传输的带宽约为电话线的一 万倍，而且在有线电视的同一根同轴电缆上，利用频分技术，可以同时看电视、打电 话、上计算机网，且互不干扰。广播电视数字化特别是有线电视数字化为信息交换提 供了一种前所未有的广阔前景。其点到面的广播特点及相应的协议为大码率数字电视 广播和数字声音广播提供了廉价的平台。但这一优点并不体现在干线网的传输上，因 为广电干线网的传输与电信干线网的传输基本相同，广电网的优点主要是体现在接入 网上。由于其带宽宽，广播电视系统的数字化和双向化更容易将不同的业务综合在一 起。广播电视网与电信网和计算机网的逐步融合预示着一个全新的信息化时代的到 来。 从以上的分析中可以看出，目前三网在技术上各有长短，但有线电视网既可同时 支持模拟业务和数字业务，又拥有丰富资源，在适应性和可改造性方面，都占有一定 的优势。h f c 与电信的宽带接入方式a d s l 等相比，先进的地方在于完全改变了传输介 质，不再受困于双绞的铜质电话线所固有特性，光纤传输形成主干，接入用户“最后 一公里”则由有线电视线缆完成，这种方案更接近于未来发展的趋势一光纤直达桌面 的“全光纤网”。因此，在目前，基于h f c 网的c a b l em o d e m 接入是实现“三网融合” 的最佳选择。” 1 2 国内外在该方向上的研究现状及分析 随着宽带技术发展的需要，混合光纤网( h f c ) 技术的研究掀起了热潮，因为h f c 网络系统具有的高带宽、高速率接入、不占用电话线路及无须拨号专线连接的优势， 极好地解决了用户接入的瓶颈问题，能真正地提供给用户宽带，互动，高速的各种业 务。 北京工业大学工学硕士学位论文 h f c 的主要应用可以总结为三个主要应用系统：数字电视系统( d i g i t a lt v ) 、 话音系统( c a b l ep h o n e ) 和宽带数据通信系统( c a b l em o d e m ) 。本课题主要研究h f c 网的接入终端一c a b l em o d e m 。 1 2 1c a b i em o d e m 技术及相关标准 1 2 1 1c a b i em o d e m 的基本概念 h f c 网络大部分采用传统的高速局域网技术，但是最重要的组成部分也就是同轴 电缆到用户电脑这一段使用了另外的一种独立技术，这就是c a b l em o d e m 。 电缆调制解调器又名线缆调制解调器，英文名称为c a b l em o d e m ，是一种可以通 过有线电视( c a t v ) 网络实现高速数据接入( 如接入i n t e r n e t ) 的设备。c a b l em o d e m 通 常至少有两个接口，一个用来接墙上的有线电视端口，另一个与计算机相连。c a b l e m o d e m 按接口分为外置式和内置式，外置c a b l em o d e m 通过网卡连接电脑；内置c a b l e m o d e m 是一块p c i 插卡，这是最便宜的解决方案。 电缆调制解调器( c a b l em o d e m ) 其主要功能是将数字信号调制到射频( f r ) 以 及将射频信号中的数字信息解调出来。除此之外，电缆调制解调器还提供标准的以太 网接口，部分地完成网桥、路由器、网卡和集线器的功能。” 1 2 1 2c a b i em o d e m 系统的组成及其工作方式 h f c 网络的分为前端和用户端。前端子系统( h e s ) 主要包含网络管理系统( n m s ) 、 前端设备c m t s 和路由器( r o u t e r ) 等。用户端c a b l em o d e m 包含调制解调器部分、电视 调谐器部分、加密解密装置，基本功能就是将上行数字信号调制成r f 信号，将下行的 r f 信号解调为数字信号。 前端控制器c m t s 通过1 0 b a s e t 、1 0 0 b a s e t 或a t m 、0 c 一3 等接口与前端交换网络相 连，作为c a b l em o d e m 系统与外界网络( i n t e r n e t i n t r a n e t ) 连接的桥梁。前端控制 器负责对各个用户端的c a b l em o d e m 分配带宽，解决信道竞争问题。在c m t s 设备中， 为了减小上行通道的干扰，一个下行通道一般对应有多个不同频率的上行通道，c m t s 根据信道的噪声状况自动跳频到干扰较小的通道，而用户察觉不到跳频的过程。 管理工作站作为集中管理工具，完成对c a b l em o d e m 系统的管理、计费、监测和 错误诊断。管理工作站可以管理几十个前端控制器，它与前端控制器可以通过局域网 相连，也可以通过广域网( w a n ) 进行远程控制。 虽然从整个网络来看，h f c 网是频分复用的，但某一频率上的信道则是被数以百 计的用户共享，因此向同轴电缆网上的用户分配带宽和对信道争用进行仲裁就成为 c a b l em o d e m 系统的关键技术之一。从这个意义上讲，c a b l em o d e m 是一种计算机网络 设备，物理层( p h y ) 和数据链路层的媒质访问控制子层( m a c ) 协议是它的关键部分。 物理层的功能主要是数字信号的调制解调、前向纠错( f e c ) 编解码等。调制方式主 第l 章绪论 要有q p s k 、1 6 6 4 2 5 6 q a m 等。将c a b l em o d e m 和c m t s 所建立的通路叫做c a b l em o d e m 控制层”，它在0 s i 协议中横跨物理和链路两层。在物理层中，它采用了q p s k 和q a m 调 制的方式将数字信号得以在h f c 中传输。在链路层中，利用d h c p 服务器、t o d 服务器可 以实现m a c 层和t c p i p 的管理。m a c 层主要功能是在共享的单一信道中向多个竞争站点 分配带宽。由于同一个信道有数以百计的用户竞争，为了保证效率，大多数厂家的产 品都采用了划分时间槽( t i m es l o t ) 的方式。每个时间槽作为基本的带宽单位，由 前端控制器负责分配给用户。“” c a b l em o d e m 系统的系统结构如下图所示： 一电视信 + 一电话网 + 一数据网 图卜l 基于职c 的c 8 b l e o d e m 系统网络结构图 f i g u r e 卜lt h en e t - o r ks t r u c t u r eo fc a b l em 0 d e ms y s t e mb a s e do n 肝c 由图卜1 可以看到，在h f c 网络中前端设备通过路由器与数据网相连，并通过局用 数据端机与公用电话网( p s t n ) 相连。有线电视台的电视信号，公用电话网来的话音 信号和数据网的数据信号送入混合器形成混合信号后，由这里通过光缆线路送至各个 小区节点，再经过同轴分配网络送至用户本地综合服务单元，并分别将电视信号送到 电视机，语音信号送到电话，数据信号经c a b l em o d e l 送到各种用户终端( 通常为p c ) 。 如果是多个用户共享1 台c a b l em o d e m ，则需在本地的c a b l em o d e m 中添加一个以太网 集线器；如果是通过个局域网与c a b l em o d 鲫相连，在c a b l em o d e m 和局域网之间需 接一个路由器。反向链路则由用户本地服务单元的c a b l em o d e m 将用户终端发出的信 号调制复接送入反向信道，并由前端设备解调后送往网络。“” 1 2 1 3 相关标准 1 9 9 4 年1 1 月，i e e e 计算机学会l a n m a n 标准委员会( i e e ec o m p u t e rs o c i e t y l a n m a ns t a n d a r d sc o m i t t e e ) 宣布成立8 0 2 1 4 c a b l e t v 协议工作组，目的是制定 适于在c a t v 系统上传送双向综合业务的标准，包括传送数据、语音和视频业务的标准， 特别是要制定c a b l em o d e m 的m a c 层和物理层标准。 1 9 9 5 年1 1 月，美国主要的有线电视经营商：c o m c a s t 、c o x 、t c i 、时代华纳、 m e d i a o n e 、r o g e r s 以及研究机构c a b l el a b s 发起组织m c n s ( m u l t i m e d i ac a b l en e t w o r k s y s t e 珊，多媒体电缆网络系统) 合作组织，目的是建立一整套协议以在h f c 网络上进 行高速双向数据传输，为用户提供i n t e r n e t 等服务，同时使各个厂家的c a b l em o d e m 产品具有充分的互操作性。该组织于1 9 9 7 年3 月颁布了h f c 网多媒体电缆网络中电缆数 据业务接口标准d o c s i s ( d a t a0 v e rc 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 ) 。 m c n sd o c s i s 于1 9 9 8 年3 月初获得i t u 通过，成为国际标准i t u t j 1 1 2 b ，确定了在h f c 网络内进行高速数据通信的规范，为线缆调制解调器( c a b l em o d e m ) 系统的发展提 供了保证。 在实际应用中，虽然8 0 2 1 4 是由i e e e 制定的国际标准，但是由于它迟迟没有定稿 使人们对它的兴趣日益减少。最初约有1 5 0 个成员参加8 0 2 1 4 工作组，但1 9 9 8 年只剩 下3 0 多个成员，而且还没有一个厂商宣布开发8 0 2 1 4 的m a c 层芯片( 有厂商宣布开发 8 0 2 1 4 和m c n s 物理层芯片，因为两者的物理层很相似) 。与此相反的是越来越多的厂 商支持m c n s ( 除了最初的各大有线电视经营商之外，还有如北电网络、3 c o m 、a d 、 b r o a d c o m 、n e c 、g i 、松下、r o c k w e l l 、s t a n f o r dt e l e c o m 、s a 、惠普、日立等) 。 1 9 9 8 年以来，各大公司纷纷推出自己的c a b l em o d e m 产品。这时，国际权威组织c a b l e l a b s 开始进行兼容性测试。1 9 9 9 年起有厂商通过”c a b l el a b sc e r t i f i e d ”证书，获 得证书的厂商可以和其它的厂商完成互通性的测试。”1 i e e e 8 0 2 1 4 协议标准参考的是半径为8 0 l ( 1 1 1 的h f c 结构的c a t v 网络，特别强调的是 网络协议要支持a t m 以传输不同类型的多媒体数据：而m c n s 标准则是一种基于以太网 i p 协议的标准，目前有不少产品基于此标准。正是由于标准的多样性才使得产品具有 多样性，用户更具有选择性，产品有了竞争才会不断的得到完善并发展下去。这是 c a b l em o d e m 发展的一个十分有利的条件。 1 9 9 9 年4 月，c a b l e l a b s 发表了第二代标准，即d o c s i s1 1 ，在m a c 层( 媒体访问 控制层) 功能比以前有很多改进，使d o c s i s1 1 能提供长话话音业务、商业数据服务 以及多媒体应用所必须的带宽和质量保证，支持i p 电话以及其它恒码率服务。2 0 0 0 年c a b l e l a b s 又发表了e u r o d o c s i s1 1 标准，其系统在频道划分、频道带宽、信道参 数的规定上完全兼容欧洲标准。2 0 0 1 年底，c a b l e l a b s 再次对d o c s i s 标准进行了重大 修改，发表了d o c s i s2 o 标准，该标准在d o c s i s1 1 的基础上对物理层进行了改进， 在上行增加对s c d m a 同步码分多址技术支持。“”本文主要研究基于d o c s i s1 1 标准的 c a b l em o d e m 的设计。 第1 章绪论 1 2 _ 2c a b i em o d e m 在国内外的应用及发展 1 2 2 1c a b i em o d e m 在国外的发展 基于h f c 结构、采用c a b l em o d e m 技术的宽带接入由于其技术优势，发展势头特别 迅猛。1 9 9 9 年底，美国c a b l em o d 鲫用户数为1 4 m 。2 0 0 1 年底超过8 7 m ，据保守估计， 2 0 0 6 年底将达到2 6 9 m 。8 年增长2 0 倍。由参考文献 5 6 可知截止2 0 0 2 年底，北美宽带 接入用户数达2 0 m ，其中c a b l em o d e m 用户数为1 3 2 m ，d s l 用户数为6 8 m ，c a b l em o d e m 占明显优势。基于h f c 结构、利用c a b l em o d e m 实现宽带接入不仅提供了对i n t e r n e t 的高速数据接入服务，还能提供交互式数字电视服务以及i pp h o n e 话音服务。前不久， t i m ew a r n e r ， c i s c o ，l u c e n t ， c o r r e l a n tc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，i n n d 珊e d i a 等一批相关公司联手在美国开展利用c a b l e 网络传输话音的商业性实验。据美国 s t r a t e g i sg r o u p 估计，未来几年内，美国利用c a b l e 网络提供本地和国际、国内长途 话音服务的规模将从2 0 0 0 年的3 0 万户发展到2 0 0 4 年的1 2 5 0 万户，营业额将超过7 0 亿美 元，这充分显示了三网融合的发展气势。n ” 与北美、西欧一样，亚太地区宽带接入市场的竞争主要在d s l 和c a b l e d e m 之间 进行。根据美国g a r t n e rg r o u p 的调研，在日本、澳大利亚，c a b l em o d e m 占优势，而 在韩i 雾和新加坡则是d s l 占优势，h p n a ( h o m ep h o n e l i n en e t w o r k i n ga 1 1 i a n c e ) 在韩 国也有一定市场。 在芯片设计上随着d o c s i s 标准的推出，b r o a d c o m 、t i 、c o n e x a n t 等都推出了单芯 片解决方案，将上下行通道、m a c 、c p u 、i o 等c a b l em o d e m 主要组成部分集成在一 个芯片上，提高了产品的可靠性，降低了成本，推动了c a b l em o d e m 的应用。 我国的情况与美国不尽相同，我国有线电视网正在建设发展过程中，年增用户达 1 0 0 0 万户，新建网大部分为h f c 网，广电总局要求新建h f c 网每个光结点用户在2 0 0 0 户以下，有利于数据传输和宽带接入。但另一方面，我国不少网络建设不规范，旋工 质量达不到指标，有同轴电缆和接头质量问题，也有施工质量问题，结果就导致屏蔽 不良，上行噪声大，工作不可靠。1 9 9 6 年在我国进行过一些电缆调制解调器的试验， 如深圳有线电视台在c a t v 网上首先实现了c a b l em o d e m 及电缆电话( c a b l ep h o n e ) 的多功能应用。1 9 9 7 年，随着国内信息产业的迅猛发展，c n i i 的提出，c a b l em o d e m 在国内也出现了较大规模的应用。特别是上海有线电视台，在建设上海信息港时， 部分网络使用了c a b l em o d e m ，并得到了很好的使用效果。在1 9 9 8 年，国内各省市 有线电视台对c a t v 网络进行改造升级，现在c a b l em o d e m 在很多省市开始使用。上 海广电集团在1 9 9 8 年开始在建立实验网的基础上研发和生产了与此相关的用户终端 产品。其中包括数字电视机顶盒、数字电缆调制解调器、路由器等。近年来国内多家 厂商如实达，重庆景宏等都推出了自己的d 0 c s i s1 o 1 1 标准的c a b l em o d e m 产品。 北京工业大学工学硕士学位论文 目前，我国正在建更大规模的h f c 宽带接入试验网。8 6 3 计划通信主题也设立了全功能 服务网课题。 在北京，首都信息发展股份有限公司北京网络多媒体实验室从1 9 9 9 年就全面开始 了基于h f c 、采用c a b l em o d e m 技术的宽带接入的研究工作，包括网管系统、线缆调制 解调器、头端设备和整体解决方案的研发。到2 0 0 2 年已自主研发了h f c 网络管理软件 b r o a d c e n t e r 、基于c o n e x a n t 单芯片解决方案的c a b l em o d e m 系列产品、和国外公司合 作研究c m t s 系统，实现了整套应用首信产品的h f c 宽带接入解决方案。从1 9 9 9 年到2 0 0 2 年成功实施了北京西潞园信息化示范小区项目( 1 9 9 9 年) 、北京育新花园示范项目 ( 2 0 0 1 年) 、广东东莞石龙镇金沙湾信息工程项目( 2 0 0 2 年) 三个基于h f c 结构的有 线电视网宽带接入项目，全面采用了我们自主研发的网管软件和c a b l em o d e m 产品。 除提供电视、上网等基本服务外，还成功地开展了视频点播( v o d ) 、数字图书馆、 网上炒股等增值业务。目前，系统运行稳定，状态良好。 北京房山区西潞园小区是北京市第一个面向2 l 世纪的信息化示范小区。该项目从 1 9 9 9 年8 月动工，9 月底完成一期工程，部分小区居民可以通过c a b l em o d e m 访问 i n t e r n e t 。2 0 0 0 年底完成整个小区的双向改造，目前有4 0 0 多户居民在线。由于当时 国内没有相关的产品，c m t s 、c m 和相关的网络管理软件均来自n o r t e l 公司，同时由于 设备价格比较昂贵，采用了多用户共享一个c a b l em o d e m 的方式。现在西潞园小区的 网络管理软件已由首信b r o a d c e n t e r 替代。 北京海淀区育新花园宽带接入项目是首信公司2 0 0 1 年在北京实施的第二个基于 有线电视网络接入的宽带社区项目。头端设备采用c i s c ou b r 7 2 2 3 ，用户端设备采用 t u r b o c o m m 的c a b l em o d e m ，部分采用我们自主研发的内外置c a b l em o d e m ，网络管理 软件采用首信b r o a d c e n t e r 。 广东东莞石龙镇金沙湾宽带信息项目是2 0 0 2 年首信在北京地区以外承担的第一 个基于有线电视网接入的宽带社区项目。该项目在2 0 0 2 年6 月开工，2 0 0 2 年9 月完成一 期。除头端采用国外产品外，其他产品均来自首信公司。我们研发的各种型号的c a b l e m o d e m 产品在这个项目中全面得到应用，性能良好。” 我国有线电视经历了2 0 多年的发展，全国有线电视网络线路总长度超过了3 0 0 万 公里，光纤干线达到2 6 万公里，近2 0 0 0 个县开通有线电视，其中6 0 0 多个县已实现了 光纤到乡、到村，h f c 网正在成为发展的主流。目前，有线电视用户总数已超过l 亿， 并以每年5 0 0 万户以上速度增长，有线电视用户数已位居世界第一。据c n n i c 统计，截 止2 0 0 2 年6 月，我国i n t e r n e t 上网人数达到4 5 8 0 万人，估计2 0 0 5 年有望超过1 亿。这就 是今天中国的国情。在这种条件下，依托有线电视网络资源，利用p c c a b l em o d e m 或t v s t b 组合实现宽带接入，向普通百姓提供视频、话音、数据“三合一”的多媒 体信息服务，落实中央关于在“十五”计划期间大力促进三网融合的重要指示具有更 加特殊的意义。”“ 第1 章绪论 1 3 本课题主要研究内容 1 3 1 符合c s l s e u r o d 0 c s i s1 1 标准的c a b l em o d e m 固件设计 本课题在消化吸收c o n e x a n tc a b l em o d e m 固件设计技术的基础上，研究开发 c a b l em o d e m 产品，进行小批量生产，并投入实际应用；分析c o n e x a n t 基于c o n e x a n t s u p e r p i p e 芯片、符合m c n sd o c s i s 叫r o d o c s i o s1 1 标准的m a c 软件和b p i + 的实现技 术，提出符合中国标准的数据传输安全协议方案，为设计符合中国线缆数据传输标准 的c a b l em o d e m 做准备。 c o n e x a n t 的s u p e r p i p e 芯片实现了c a b l em o d e m 的单芯片设计，这种设计将上下 行通道、m a c 、c p u 、i 0 等c a b l em o d e m 主要组成部分集成在一个芯片上，降低了成本， 而且c o n e x a n tc a b l em o d e m 解决方案的m a c 采用软件实现。采用该解决方案可以设计 符合中国h f c 网络发展需要的低价位c a b l em 0 d e 珊产品，并且在符合中国即将推出的线 缆网数据传输规范的基础上实现一种符合中国相关国家标准的线缆网数据传输安全 方案，并与d o c s i s 叫r o d o c s i s1 1 标准兼容。 针对欧洲的电视制式m c n s 制定了e u r od o c s i s 标准，该标准也是基于m c n sd o c s i s 标准的，只是在一些性能参数上略有不同。由于中国电视制式是欧标( 8 m 带宽) ，因 此将要推出的中国线缆数据传输标准也将基于d o c s i s 标准，在一些具体性能参数上偏 向e u r od o c s i s ；由于涉及国家安全问题，有关部门规定在我国生产的网络产品中不 能采用国外的安全机制，因此在我国的安全标准未出台前，在即将推出的中国线缆网 数据传输标准中将暂不对线缆网的数据传输安全作出规范。在现有的条件下，为了在 我们设计的c a b l em o d e m 中使用符合d o c s i s1 1 标准的安全机制，来保证用户数据在 c a b l e 网的安全传输，并为c a b l e 网运营商提供服务保护，防止没有得到授权的用 户使用c a b l e 网上的资源，并考虑在我国相关部门允许的范围内最大程度的与国际标 准的兼容，本课题在研究m c n sd o c s i s 标准中的数据传输安全规范b p i + ( b a s e l i n e p r o t o c a li n t e r f a c e ) 基础上提出一种符合中国相关安全规定的线缆网数据传输安全 协议实现方案，并在我们设计的c a b l em 0 d e m 中加以实现。这是我们的研究重点之一。 第2 章总体方案设计 第2 章总体方案设计 d o c s i s 是h f c 网络上的高速双向数据传输协议，基于d o c s i s 的c a b l em o d e m 系统具 有充分的互操作性。在c a b l em o d e m 的固件中要实现d 0 c s i s 协议规定的数据调制和解 调、m a c 层带宽分配、c m 初始化过程和数据链路层加密等功能。在d 0 c s i s1 1 中还增 加了q o s 和b p i 的改进及m a c 包分段、i p 组播等新功能。e u r o d o c s i s 在这些方面的规定 与d o c s i s 的相同只是在具体的参数上略有不同，在设计c a b l em o d e m 固件时可以同时 提供对这两种协议的支持。我们研究设计基于d 0 c s i s1 1 的c a b l em o d e m 系统，提出 并实现一种基于d 0 c s i sb p i + 的符合中国有关规定的线缆网数据传输安全方案。 2 1 c sls e u r o d o c sls 对于c a ble _ o d e m 的相关技术规范 d o c s i s 标准由1 2 个规范组成，其主要的有关标准有：c m 到用户室内设备的接口， c m t s 网络侧接口，r f 接口规范，电话回传接口，安全规范( 基本) ，运行支持系统接 口( o s s i ) 。在这些文件中定义了数据、射频和电话回传接口以及安全、管理和事务 支持。其内容可以概括为： 网络层：使