（通信与信息系统专业论文）hinoc网络mac协处理器软硬件协同及流分类机制研究.pdf

摘要 h i n o c ( h i 曲p e r f o m a n c en e t 、o r ko v e rc o a ) 【) 是一种利用有线电视网同轴电 缆，实现高性能双向信息传输的宽带接入解决方案。该技术完全基于现有有线电 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，仅增加h i n o c 桥( h b ) 和h i n o c 调解器( h m ) ，实现包括语音、i p t v 、s d t v h d t v 和上网 等宽带应用业务。h o c 技术的研究对解决接入网的带宽瓶颈，加速三网融合进 程有重要意义。 一结合本实验室承担的8 6 3 项目“新一代同轴电缆宽带接入技术的研究及芯片 研制”，首先，本文在深入研究和分析h i n o c 网络及h 烈o c 系统m a c 协议的基 础上，给出了h i n o c 网络m a c 层协议开发的软硬件划分方案，其中涉及到大量 数据传输、搬移操作以及实时性要求较高的部分由基于f p g a 开发的m a c 协处理 器完成，而网络搜索、结点接纳和链路维护等操作较复杂的部分则由软件来实现； 其次，具体设计了m a c 协处理器软硬件协同机制，以保证h i n o c 网络数据的快 速传输和搬移；然后，深入研究了m a c 协处理器流分类机制，以完成h i n o c 协 议支持的高速同轴接入网络的l 2 l 3 l 4 层数据流处理功能，保证数据从e t l l e m e t 到h i n o c 网络的顺利过渡；最后，搭建测试平台，对m a c 协处理器进行了板级 验证，测试结果表明所设计的软硬件协同及流分类机制运行正确，性能良好，满 足h i n o c 网络的要求。 关键词：h i n o cm a c 协处理器软硬件协同机制流分类机制 a b s t r a c t h i g hp e r f o n n a n c en e 铆o r ko v e rc o a x ( h 烈o c ) i sab r o a d b a n da c c e s ss o l u t i o n t h a tb a s e do nt h ec o a x i a lc a b l eo fc a t vn e t 、v o r kt op r 0 v i d eu s e r sh 远h p e 墒肌a i l c e d u p l e xt 啪s f o 咖a t i o n h i n o ct e c l l n 0 1 0 9 ym a l ( e sm l l yu s eo ft h ee x i s t i n gn e m o r ko f t h ec a t vc o a x i a lc a b l ea n d 、o r l ( so nt l l ec h 锄e l 舶q u e n c yb a n da b o v e8 6 0 m h z ， a i m i n ga tp r o v i d i n g1 1 i 曲- s p e e da n dh i 曲一q u a l i 够a c c e s sf o rm u l t i - s e r v i c e s ，s u c ha sv o i c e ， i p t v ，s d t v h d t va 1 1 dn e m e ts e r v i c e ，o n l yb ya d d i n gt h ed e v i c e so fh 0 cb 耐g e ( h b ) a i l dh i n o cm o d e m ( h m ) r e s e a r c ho nm eh 烈o ct e c l u l o l o 盯i so fg r e a t i i i l p o n a r l c et os o l v em eb a i l d w i d i t hb o t t l e n e c ko fb r o a d b a i l da c c e s s咖r ka n d a c c e l e r a t et h ep r o c e s so fa c l l i e v i n g7 m p l e 二n e 撕o r kc o n v e r g e n c e u n i f i e sn a t i o n a l8 6 3s c i e n t i f i cr e s e a r c hi t e mw l l i c ht l l i sl a b o r a t o r y1 1 n d e r t a k e n _ r e s e a r c h 绷1 dc h i pd e s i 伊o fan e wg e n e r a t i o nb r o a d b a l l da c c e s st e c l u l o l o g yo v e r c o a ) 【”，f i r s t l y ，b a s e do nt h er e s e a r c ha i l da i l a l y s i so fh i n o c n e t w o r ka 1 1 dh i n o cm a c p r o t o c o l ，s o m v a r ea n dh a r d w a r ed i v i s i o ns c h e m ei sp r o p o s e d ，t 1 1 a tt 0d e s i g nm em a c c o p r o c e s s o fb a s e do nf p g a t 0r e 酊i z et a s k si n v o l v e dt h em a l s sd a t at m s m i s s i o na s 、e l l a so p e r a t i o n sh i g hr e a l t i m er e q u i r e da r l dt 0d e v e l o ps o 小a r et or e 甜i z eq u i t ec o m p l e x t a s l 【s ，s u c ha sn 印o r ks e a r c h ，n o d e sa u d m i s s i o n ，l i i l l 【sm a i n t e n a n c e ，a i l ds oo n s e c o n d l y ， s o m v a r e h a r d w a r ec o o r d i n a t i o nm e c h a l l i s mo fm a c c o p r o c e s s o ri sd e s i g n e d ，a i m i n ga t r e a l i z i n gm es p e e d yd a t a 仃 m s m i s s i o ni i lh i n o cn e t w o r k t h i r d l y ，n o wc l a s s i f i c a t i o n m e c h a i l i s mo fm a cc o p r o c e s s o ri sr e s e a r c h e do n ，t 0c o m p l e t el 2 l 3 l 4d a 协s n e 锄 p r o c e s s i n go fh i g l l 一s p e e dc o a x i a la c c e s sn e t 、) i ，o r ka n de n s u r et i l a t 饥m s i t i o n 丘0 m e t h e m e tt 0h i n o cn e “0 r k f i n a l l y ，b a s e do nt l l et e s tp l a t f o m ，t h eb o a r d l e v e l v 嘶f i c a t i o ni s c o m p l e t e d r e s u l t si n d i c a t e dt h a t此 p e 墒m a n c eo fd e s i 印e d m e c h a i l i s mo fs o f 咐a r e 1 1 a r d 、v a r ec o o r d i n a t i o na i l dn o wc l a s s i f i c a t i o no fm a c c o p r o c e s s o ri sg o o d ，s a t i s f i e dt h er e q u i r e m e n t so fh i n o cn e 饥d r k k e y w o r d s ：h i n o cm a cc o p m c e s s o r s o f 细a r e l i a r d w a r ec o o r d i 衄t i o n f l o wc l a s s i f i c a t i o n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 随着全球数字化、网络化、信息化的高速发展，我国的信息产业及广播电视 业迎来了全新的发展机遇。 在三网融合和n g b 的大背景下，“三网融合 已经成为国际信息化发展的主 流趋势，我国在“十一五”规划中明确指出“加强宽带通信网、数字电视网和下 一代互联网等信息基础设施建设，推进三网融厶i l j ”。由此，三网要在努力推进下 一代平台的演进基础上进行融合，成为国家战略的题中之义。三网，是指电信网、 广播电视网和互联网。电信网在向宽带通信网演进，广播电视网也在向数字电视 网演进，互联网也在向下一代网演进。在这三张网演进过程中，三张网业务范围 趋于一致，三张网都能够为用户提供话音、数据、广播电视等多种服务，这是三 网融合面临的一个任务、一个目标、一个方向1 2 j 。 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 以上的带外信道，因长期无人使用，几乎一直是研究的盲区。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， 无需重新布线或改造即可提供多业务宽带接入。国际上，由e n 仃o p i c 、松下、日立、 m o t o r o l a 等公司组成的m o c a ( m u l t i i i l e d i ao v e rc o a ) 【a l l i a n c e ，同轴电缆多媒体联 盟) ，提供基于同轴电缆的宽带接入和家庭网络产品方案。m o c a 标准采用同轴线 8 5 0 m 1 5 5 0 m h z 频段，每一频道带宽约为5 0 m h z ，双向数据速率2 7 0 m b p s ，传输 距离3 0 0 6 0 0 m 1 3 】om o c a 标准主要侧重于家庭网络市场，即在一个家庭内部利用 原有的有线电视实现内部资源共享，可是在需求定位、网络拓扑、管理、网络规 模等方面家庭网络和接入网有很大区别。国内在这方面的研究起步较晚，但是我 国有线电视家庭用户超过1 7 5 亿，楼道及户内广泛分布的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。 当前基于同轴电缆的接入技术应用最广泛的是电缆调制解调( c a b l em o d e m ， c m ) 接入技术，该技术存在两种规范一一i e e e8 0 2 1 4 和d o c s i s l 4 j i5 。i e e e8 0 2 1 4 实际中并未得到广泛应用，而d o c s i s ( da _ t a o v e r - c a b l es e r v i c ei n t e r f j 扼e s p e c i f i c a t i o i l s ，有线电缆数据服务传输规范) 则是事实上的c m 接入标准1 6 】。采用 d o c s i s 规范的c m 接入技术，采用星型逻辑拓扑结构，点到多点方式收发数据， 下行信道工作于8 8 m 一8 6 0 m h z 之间的频带，上行信道工作范围为5 m 4 2 m h z 【7 】【8 1 。 c m 接入技术在美国和欧洲得到了广泛应用，但在我国其应用存在以下问题：一是 需要将单向c a t v 有线电视网络改造成双向h f c 网后才能工作，工程量大【9 】；二 2h i n o c 网络m a c 协处理器软硬件协同及流分类机制研究 是电缆部分的树状拓扑结构致使c m 的上行信道存在严重的干扰和噪声，再加上 我国1 个光节点带3 0 0 5 0 0 个用户，是国外的1 0 倍以上，它传回来的汇聚噪声是 绝对无法忍受的【1 0 】；三是同轴电缆网络的树形结构可靠性差，网络节点的故障影 响面大，一线多业务接入导致技术复杂、信号间易产生互相串扰】；四是当前我 国的h f c 网的光纤结点覆盖用户较多，c m 技术上下行信道内数据速率由多个用 户共享，每个用户实际获得的带宽有限，难以满足用户对宽带业务的需求【1 2 1 。 由于各种原因，我国有线电视网络条件较为复杂，带外信道的性能和国外存 在较大差异。随着我国光纤通信技术日趋成熟，骨干网光纤化已基本完成，而“最 后一公里”的接入网成为带个宽带网带宽上的瓶颈。因此，研究具有我国自主知 识产权的适合于我国信道特性和应用需求的宽带接入解决方案，进行接入网改造， 提高接入网带宽，是新一代宽带网络建设的关键所在，也是推进三网融合成功实 施的重要基础。 1 2 研究目的和意义 国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 将研究“低成本同轴电缆高速接入技术 列”新一代高可信网络重大项目中【1 3 j ，高性能同轴电缆接入网( h i 曲p e 怕肌a 1 1 c e n e t w o r ko v e rc o a x ，h 烈o c ) 是一种利用有线电视网同轴电缆，实现高性能双向 信息传输的宽带接入解决方案，满足面向n b g 电缆接入技术的需求。 h i n o c 技术是一种新型的宽带接入技术，该技术要解决的问题是：在当前 f t t b ( f i b e rt ot l l eb u i l d i n g ，光纤到楼) 普遍应用的背景下，如何利用有线电视 网已有的同轴电缆分配网络，构建最后l o o m 范围的宽带多业务接入网。该技术完 全利用现有有线电视网同轴电缆的网络布线，仅增加h b ( h i n o cb r i d g e ，h i n o c 桥) 和h m ( h i n o cm o d e m ，h i n o c 调解器) ，实现高速和高质量多业务接入， 给用户提供包括语音、i p t v 、s d t v h d t v 和上网等宽带应用，业务带宽达4 0 m b p s 以上【1 4 1 。 h i n o c 技术主要用于f t t b + c a b l e 的应用环境，目的是在当前f 1 v r b 普遍应 用的前提下，利用有线电视网已有的同轴电缆线路和分配网络，连接光纤结点到 住户，组建最后1 0 0 m 范围内的宽带接入网。该组网方案是目前适合我国国情的较 为理想的组网方式，f t t b + c a b l e 采用数据信号与电视信号在同轴电缆混合同缆传 输，双向改造不需要新增线路，并提供双向对称1 0 0 m b p s 数据传输带宽满足综合 业务和带宽应用需要。随着“光进铜退”日益成为趋势发展，大量的交互业务对 带宽需求的增加，i p 数据网接入光点向用户推进到f t t h ( f i b e rt ot h eh o m e ，光 纤到户) ，进一步提升接入带宽，同轴电缆混合双向接入技术仍然适应各地h f c 网络改造的进度，由于产品安装方便，调整网络也很容易，未来网络十分容易演 第一章绪论 进到f t t h 全光纤网络。 h i n o c 技术组网应用的典型环境如图1 1 所示，一个h b 和若干个h m 以及 中间的同轴电缆分配网络构成h i n o c 网络，工作于同轴电缆的带外信道。g b e ( g i g ab i te t h e m e t ，千兆以太网) 信号通过f t t b 方式到达用户住宅楼处，由h b 将数据调制到同轴电缆的某个带外工作信道上，然后通过楼内分配网络传输到位 于户内的h m ，再经h m 解调后传送给p c 、机顶盒s t b 等设备。原有的c a t v 信 号( 工作在8 6 0 m h z 以下) 和g b e 信号在h b 处混合进入电缆分配网络，不影响 原有电视信号的接收。 m ：m n o c 如o ： n o ch 幻d 咖 图1 1 一个典型的h 烈o c 网络 目前，h i n o c 接入网技术已初步拟订了物理层( p h y ) 和媒质接入控制层 ( m a c ) 的技术规范草案。深入研究h o c 协议，得到一种合理的开发方案， 是当前研究h 矾o c 网络的重点，是实现进而优化h i n o c 网络系统的关键。本文 重点研究h i n o c 网络m a c 协议的实现方案与技术，包括h i n o c 网络m a c 协议 开发的软硬件划分及软硬件协同机制、流分类机制，为后期网络性能的改进和具 有自主知识产权的a s i c 芯片研制提供可靠保证。 1 3 本文主要工作和安排 本文课题来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 项目一一“新一代同轴 电缆宽带接入技术的研究及芯片研制 。本文以网络融合和h i n o c 接入技术的发 展为背景，在深入分析和研究h 烈0 c 网络m a c 层协议的基础上，重点研究了 h i n o c 网络m a c 协处理器软硬件协同及流分类机制。 本文的内容安排如下： 第一章，绪论。主要阐述本文选题的背景、意义和本文的主要研究工作及研 究成果。 第二章，h i n o c 网络m a c 层协议概述。首先，简要介绍了h i n o c 网络及其 协议，包括p h y 层和m a c 层；其次，研究了h i n o c 网络m a c 层协议关键机制， 4h i n o c 网络m a c 协处理器软硬件协同及流分类机制研究 包括帧类型、公共部分子层和汇聚子层；最后，对h 烈o c 网络m a c 层协议开发 进行了分析，为后文工作打下基础。 第三章，h i n o cm a c 协处理器软硬件协同机制设计与实现。首先，基于对 h i n o c 系统m a c 协议的研究，提出了m a c 层协议开发软硬件划分方案；其次， 介绍了h i n o cm a c 关键功能模块，包括c p u 、e p h y 、l a n 9 1 c 1 l1 、m a c 协处 理器；然后，基于嵌入式c p up x a 2 7 0 与f p g ae p 2 s 1 8 0 平台，设计并实现了m a c 协处理器与c p u 接口以及m a c 协处理器设备驱动程序，解决了硬件接口连接的 问题；最后，给出了m a c 协处理器软硬件协同机制的设计，解决了软件如何快速 正确地与硬件交换数据的难题。 第四章，h 烈o cm a c 协处理器流分类机制研究。在深入研究和分析h i n o c 网络需求的基础上，给出了流分类机制的整体设计，包括功能、内部结构和工作 流程以及字段列表、规则表和指令码的设计，以实现h i n o c 协议支持的高速同轴 接入网络的l 2 l 3 l 4 层数据流处理功能，完成数据从e t h e m e t 网络到h i n o c 网 络的顺利过渡；最后，基于软硬件协同仿效方法设计了流分类机制仿真测试方案， 主要包括仿真测试需求、测试方法与环境、测试向量的生成以及仿真测试项，以 保证流分类机制设计的正确性。 第五章，测试。搭建测试平台，对所设计的h i n o cm a c 协处理器软硬件协 同及流分类机制进行测试。测试结果表明所设计的软硬件协同及流分类机制运行 正确，性能良好，满足h i n o c 网络的要求。 最后对论文的工作进行了总结，并对下一步的工作进行了展望。 第二章h 烈o c 网络m a c 层协议概述 第二章h i n o c 网络m a c 层协议概述 h o c 技术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 种新的接入技术。本章首先概要介绍了h i n o c 网络，然后重点讲述了h i n o c 网 络m a c 层协议关键机制，最后给出h i n o c 网络m a c 层协议开发分析，为后文 工作打下了基础。 2 1h i n o c 网络概述 高性能同轴电缆接入网( h i n o c ) 是一种利用有线电视网同轴电缆，实现高 性能双向信息传输的宽带接入解决方案，满足面向n b g 电缆接入技术的需求。该 系统网络覆盖范围不小于1 0 0 m ，频率范围为7 5 0 m 1 0 0 6 m h z ，保留更低频段和更 高频段的可扩展性。单信道带宽为1 6 m h z ( 8 m h z 可选) ，单信道内支持的最大用 户数为3 2 个。采用0 f d m 传输方式，t d d t d m a 双工多址方式。支持动态带宽 分配、网络管理、v l a n 和组播过滤功能。支持v o i p 、h d t v s d t v 、v o d 、高 速上网等传输与新型业务。 h i n o c 接入网络的一种典型应用是在f t t b 普遍应用的前提下，利用现有的 同轴电缆分配网络组建宽带接入网，组网方案如图2 1 所示： 阳n 0 c 接入罔n h b ：m n o cb d g o h m ，m n o cm o l 咖 图2 1 肿+ 楼内分本网络组网方案 用户n g b e 图中虚线椭圆圈所括即为一个独立的有线电视楼内分配网络，包括一个h b 、 、 2 、 肿 ； 6 h n o c 网络m a c 协处理器软硬件协同及流分类机制研究 若干h m 以及用于连接的同轴电缆分配网络。来自骨干网的g b e 信号在h b 处被 调制到某个h i n o c 信道( 8 6 0 m h z 以上频段) 上，并与原有广播电视信号( 8 6 0 m h z 以下频段) 混合进入楼宇分配网络，经后才到达位于同一信道的各h m ，并经h m 解调后传送到数字终端设备。由图可见，在一个楼内分配网络可以划出多个1 6 m h z 宽的h m o c 信道，在每个信道都可以单独构建一个h i n o c 网络，各信道以f d m 的方式分隔，具有相同的系统特性，后文中只针对单个信道构成的h i n o c 网络进 行研究。h i n o c 信道的配置划分灵活，可以是多个用户共享一个h i n o c 信道， 也可以是每个用户分配一个h i n o c 信道，后者是较为典型的配置模式，这样每个 用户可以享有该信道提供的全部4 0 m b p s 的用户接入速率l 1 4 j 。 h i n o c 接入网络的双工方式为t d d 。t d d 的优点是实现简单，而且可以在 中心结点的统一协调下非常灵活的实现上下行带宽分配，并使带宽得到充分的利 用。随着p 2 p 、多媒体会议等对称业务的增多，网络上行业务流量与日俱增，这时 主结点h b 就可根据业务流量的变化情况，灵活地配置带宽资源，统一调度。此外， 由于h 烈0 c 接入网络的电缆范围很小，t d d 所需的同步机制也很容易实现。 在t d d 方式下，中心结点h b 与各子结点h m 进行通信的下行采用t d m 机 制，上行采用t d m a 机制，信道资源完全由中心结点h b 控制和动态调度，即各 h m 是否可以发送以及何时发送信息均由h b 统一控制和动态调度。因此， t d m t d m a 机制是动态和全协调的【1 4 j 。由中心结点h b 控制的t d m 厂r d m a 机制 实现简单，可以灵活分配各结点和各种业务的带宽、支持不同优先级并保证时延 和时延抖动性能。 2 1 1 网络拓扑 h i n o c 网络由位于楼道的h b 和位于户内的h m 构成。逻辑拓扑采用点到多 点结构，如图2 2 所示。 图2 2h 烈o c 网络的逻辑拓扑结构 h b 作为主结点，负责产生全网统一的系统时间并进行信道资源的分配，可以 与网内所有结点进行通信。各个h m 作为从结点，其一切通信活动都由h b 控制， 各h m 之间不能直接进行通信。 第二章h 附o c 网络m a c 层协议概述 7 2 1 2 协议分层结构 h i n o c 系统规定了o s i 模型的物理层( p h y 层) 和媒质接入控制层( m e d i a a c c e s sc o n t r o ll a y e r ，m a c 层) 协议。系统协议栈模型如图2 3 所示。 高层 汇聚子层( c s )1 m a ( 公共部分子层( c p s ) j 物理层( p h y ) p h 、 + 图2 3h 烈o c 协议栈 1 ) p h y 层 p h y 层，规定了传输信号的帧结构、信道编码以及调制技术。 信道编码采用前向纠错编码方式。根据不同的信道条件，以及对编码速率的 不同要求，可以选择不进行前向纠错编码，或在参数分别为( 5 0 8 ，4 7 2 ) 和( 5 0 4 ， 4 3 2 ) 的b c h 截短码中选择一种进行前向纠错编码。 调制解调采用o f d m 方式，单信道内包含2 5 6 个子载波，子载波间隔为 6 2 5 也。为了抑制对于相邻信道的干扰，单信道频带两侧的子载波作为空闲子载 波，不传输信息。零频处的子载波同样作为空闲子载波，不传输信息。用于传输 信息的有效子载波的数目为2 1 0 个，有效带宽为1 3 1 2 5 m h z 。 2 ) m a c 层 m a c 层，实现h i n o c 网络中媒质接入控制和业务适配功能，分为公共部分 子层( c o m m o np a i ts u b l a y e r ，c p s 层) 和汇聚子层( c o n v e r g e n c es u b l a y e r ，c s 层) 两个子层。 c p s 实现m a c 层的核心功能，包括接入控制和信道分配。传输数据时，c p s 将来自c s 子层的信息封装为h i m a cp d u ，然后通过p h y 层发送。h i m a cp d u 指h i n o c 网m a c 帧( h i m a c 帧) 。 c s 实现m a c 层的核心功能与高层功能的适配，主要处理数据业务，包括p d u 的打包拆包、地址学习、帧转发和优先级映射功能，使得上层业务能够通过h i n o c 网络透明传输。高层p d u 指以太网m a c 帧( e m a c 帧) 。 2 2h i n o c 网络m a c 层协议关键机制 h i n o c 网络的m a c 层，是建立在全协调t d m a 信道上的，包括公共部分子 层( c p s ) 和汇聚子层( c s ) 两个子层。 8h i n o c 网络m a c 协处理器软硬件协同及流分类机制研究 2 2 1h l m a c 帧类型 高性能同轴电缆接入网( h i n o c ) 媒质接入控制协议( m a c 协议) 规定了 h i m a c 帧的类型和结构。h i m a c 帧可以分为控制帧、数据帧和信令帧三种类型， 如图2 4 所示。 空帧( e m p l y ) 接纳请求帧( a d m r e q ) 接纳确认帧( a d m a c k ) 拒绝请求帧( r e ja c k ) 下行信道报告帧( d l i n k j 汪p o r t ) 确认帧( a c k ) 退出帧( q u i t ) 空帧( e m f r i y ) 接纳响应帧( a d m r e s ) 拒绝帧( r 剧) 上行信道报告帧( u l i m o 砌碧o r t ) 确认帧( a c k ) 广播参数报告帧( c m p _ r e p o r t ) 链路更新帧( l i n l _ u p d a t e ) 退出确认帧( q u i l a c k ) d。丰芋。，|宅芋名私当占剞每j，：；i二-|二，j；。 首部结构 比特o l 781 51 6 3 1 id e s l r i n a t i o nn o d ei d |s o u r c en o d eml f r a m el e n g l w i f r a m et y p els u b f ra m en u mlr e s e r v e dl 第二章h i n o c 网络m a c 层协议概述9 控制帧包括预约帧( r 帧) 和m a p ( m e d i a a c c e s sp l a i l ，媒质接入规划) 帧。 表2 1 给出了控制帧的类型、传送方向、方式和功能。 表2 1h l m a c 控制帧 帧类型传送方向，方式 功能 调度和发布( 已接纳结点) 各帧 m a pi 帧 h b h m ，广播方式 的发送时隙 预约帧( r 帧)h m h b ，单播方式h m 向h b 请求安排发送时隙 2 ) 数据帧 数据帧用于承载上层以太网业务，帧结构与控制帧相同，如图2 5 所示。 3 ) 信令帧 信令帧用于结点接纳、结点退出和链路维护中h b 和h m 之间的信令交互， 帧结构如图2 6 所示。信令帧分为下行信令帧和上行信令帧，帧首部分别占用16 字节和6 字节。 2 2 2 公共部分子层 1 6 或6 字节 图2 6 信令帧格式 公共部分子层( c p s ) 是h i n o c 网络m a c 层的核心，包括网络搜索、结点 接纳、数据传输和链路维护等操作。下面对上述各部分分别进行介绍。 1 ) 网络搜索 无论是船还是h m ，在上电( 或者初始化) 后都需要找到其所属的h i n o c 信道。h b 应在可用的h i n o c 信道上新建立一个h i n o c 网络，h m 需要加入一个 已存在的h i n o c 网络。这一目标通过网络搜索达成。h i n o cm a c 协议定义了两 种网络搜索的方式：指定频率搜索和切换频率搜索。 指定频率搜索 指定频率搜索允许h b 和n h m ( n e wh m ) 在指定的信道上构建网络。 h b 加电之后工作在系统配置的频率上，首先会设一个定时器t l l 监听下行信 令帧。如果t l l 超时后未收到下行信令帧，则该信道可用，开始周期性发送e m p t y 帧，e m p t y 帧中包含自己的网络i d ( h i n o ci d 域) ；如果收到下行信令帧，说 明该信道已经被占用，则向管理实体报告。 l o h t n o c 网络m a c 协处理器软硬件协同及流分类机制研究 n h m 加电之后工作在系统配置的频率，并设胃定时器t l l 。如果t l l 超时后 没有收到下行信令帧，则向管理实体报告；如果收到下行信令帧，但是网络i d 不 符，或者h b 不可接纳，则向管理实体报告；如果n h m 收到下行信令帧并且网络 i d 相符，h b 可接纳，则设置定时器t l 2 ，在该状态准备进行接纳；若t l 2 超时， 向管理实体报告。 切换频率搜索 切换频率搜索允许h b 和n h m 自动搜索可用信道并构建网络。 h b 加电之后工作在预先设置的频率上，设置一个定时器t l l 监听下行信令 帧。如果h b 收到下行信令帧，则h b 按照一定的顺序切换到另一频率。如果无可 用信道，则向管理实体报告：如果t l l 超时后没有收到下行信令帧，则h b 开始 在此频率周期性发送e m p t y 帧。 对n h m ，其切换频率搜索的方式与指定频率搜索的不同点仅仅在于t l l 超时 后没有收到下行信令帧时，n h m 切换到另一频率，直至无可用信道时，才向管理 实体报告。其它相同，在此就不再赘述。 2 ) 结点接纳 为有效地对h 玳o c 网络内的通信实施控制并探测新加入h m 的信道状况，需 设计n h m 接纳机制，所有要加入网络的h m 都必须经过接纳流程后才能接入网 络。结点接纳流程的设计与物理层的实现机制及算法有密切关系，结点接纳过程 中的交互信息均采用可靠性最高的调制方式以保证接纳过程能顺利进行【l5 1 。 当网络处于接纳过程时，h b 一定要保证同一时刻只能有一个新结点进行接 纳。n h m 在加电、搜索到可用的h i n o c 信道之后，便在该可用信道上监听下行 信令帧。若监听到的下行信令帧表明h b 处于可接纳状态，则n h m 向h b 发送接 纳请求，开始接纳过程。若有多个n h m 同时发送接纳请求，则会发生冲突，发生 冲突的n h m 退避一段时间之后再次寻找机会开始结点接纳流程。h b 根据接纳请 求携带的信息以及当前的网络状况决定允许或拒绝该n h m 加入网络。如果允许该 n h m 结点加入网络，则为该n h m 分配一个该网络内唯一的标识，然后进行上下 行信道训练获取数据传输时所需要的物理层参数。n h m 结点的加入，有可能影响 信道的广播参数，在信道训练完成之后，还需要给网络中所有的h m 通告新的信 道广播参数。至此，n h m 结点接纳完成，可以进行正常的通信。 结点接纳过程完成之后，h m 收发数据时机均由h b 通过m a p 帧进行调度， 从而实现无冲突的数据传输。 3 ) 数据传输 h i m a c 协议中整个信道( 除物理层p d 、p u 帧外，p d 、p u 帧周期性地出现在 信道上) 被划分为在时间轴上连续且互不重叠的m a p 周期。每个m a p 周期内有 第二章h m o c 网络m a c 层协议概述 一个m a p 帧。每个m a p 周期的起止时刻以及该周期内的信道分配方案，由上一 m a p 周期内的m a p 帧进行规划。信道上m a p 周期，如图2 7 所示。 f ? 。 ， 1 m a pm a p1 v 队p 帧帧 帧 图2 7 信道上的m a p 周期 可见，第n 个m a p 周期内的信道如何分配由第( n 一1 ) 个m a p 周期内的m a p 帧分配。在一个m a p 周期内，信道上依次发送上行数据帧、预约帧、下行数据帧、 m a p 帧。一个m a p 周期内可以发送多个预约帧和上下行数据帧，但只能包含一 个m a p 帧。脚周期内各帧之间要保留一定的帧间隔，防止相邻帧由于时钟偏 移或者线路延迟等因素导致的碰撞。此外，h i n o c 协议规定h b 可根据网络中h m 的数量及各h m 的预约业务量动态调整m a p 周期的大小，业务量较小时m a p 周 期可适当减小，以保证h i n o c 信道具有较高的利用率。 h 小o c 网络中数据传输的整个网络的核心部分，是指h b 或h m 将终端设备 的数据传输到目的结点，并提交给该目的结点终端设备的过程。为保证各结点信 道访问无冲突，数据及时、快速、准确的传输，h i n o c 网络引入了预约许可机制。 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，各h m 必须按照m a p 帧的规定，在h b 分配给自己的预约时隙向 h b 发送预约帧进行信道预约；h b 收到预约帧后，通过广播方式在后续的m a c 帧发布信道分配方案；各h m 接收到m a p 帧并决断自已是否获得了信道接入许可， 若得到了许可，则h m 按照m a p 帧分配的时隙进行数据的收发。 当数据沿上行链路( h m 至h b 方向) 传输时，h m 接收终端业务数据并缓存， 然后将目的结点及优先级均相同的数据打包成h i m a c 数据帧；h m 按照当前的信 道分配方案，若得到了h b 的信道接入许可，则h m 在规定的信道接入时刻( 即 由第n 个m a p 帧规划的第n 段m a p 周期中的允许该h m 接入信道的时刻) 发送 预约请求，申请预约传输时隙；若h b 有足够的信道资源，则会在随后的第n + 1 个脚帧中安排该h m 在第n + 1 段m a p 周期内的规定时刻进行数据传输。在 h m 收到到该m a p 帧的信道分配方案后，便按照规划将数据发送给h b ；当h b 正确地接收到数据后，对h i m a c 数据进行拆包处理，之后将拆得的e m a c 帧最 终转发到目的主机设备，由此成功完成一次数据的上行传输，如图2 8 所示。 当数据沿下行链路( h b 至h m 方向) 传输时，其流程与上行链路方向数据传 输的流程相似。不同点在于数据是由中心结点h b 发送，而h b 无需预约，只需在 1 2 h 附o c 网络m a c 协处理器软硬件协同及流分类机制研究 某个适当的m a p 周期中为数据安排发送时间即可。 终端a 终端b 图2 8 上行链路数据传输流程图 4 ) 链路维护 由于受到突发干扰等的影响，h i n o c 网络中心结点h b 和各个已接纳的子结 点h m 之间双向链路的信道性能可能会在使用中发生变化。为适应这种变化， h i n o c 网络引入链路维护( l i l l l 【m a i n t e n a i l c e ，l m ) 机制，由中心结点h b 周期 或者不定期地进行链路维护，以完成对p h y 层的o f d m 调制方式等进行重新探测 和更新。h i n o c 网络的链路维护在两种情况下进行： 周期性维护h b 与各个h m 之间的信道 周期性链路维护的维护周期为t m o 。每隔t m 0 ，h b 将选择一个h m 开始l m 过程。h b 通过将e m p t y 帧的h i n o cs l 盯e 域设为2 来告知网络中所有结点开 始l m 过程，并通过d e s t i n a t i o nn o d ei d 域告知当前与哪个h m 之间的链 路将要被维护。当h b 与一个h m 之间的链路维护过程完成后，将在稳定态停留 t m l 时长，然后选择下一个h m 进行链路维护。在完成与所有h m 之间的链路维 护工作后，h b 将在稳定态停留t m 3 ，然后将新的广播参数和链路更新时刻通行给 网络中所有的h m 。 在周期性链路维护过程中，如果处于稳态时有n h m 请求接纳，则先完成n h m 的接纳过程；接纳完成后，h b 在稳态停留t m l 或者t m 3 后，继续执行链路维护 工作。 单独维护h b 与某个h m 之间的信道 h b 可以单独启动其与某个h m 之间链路的维护。当h m 发现链路状况发生变 第二章h i n o c 网络m a c 层协议概述 化时，通过把预约帧内的l m j 汪q 域置为0 x l 向h b 请求进行链路维护。 2 2 3 汇聚子层 汇聚子层( c s ) 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。高层p d u 为以太网m a c 帧。 c s 实现的具体功能是：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。下面对上述各部分分别进行介绍。 1 ) 地址学习与转发表构建 地址学习与转发表构建是指根据上层数据帧的地址完成与h i n o c 结点m a c 地址相对应的映射关联，通过记录或更新对应项，逐步建立起一个较为完整的地 址转发表。 2 ) 数据帧转发 数据帧转发就是确定将高层p d u 转发到哪一个h i n o c 网络结点。h b 或h m 根据高层p d u 的目的地址，查询己构建的地址转发表得到对应结点i d ，然后进行 单播、组播或广播转发。 3 ) 数据帧打包拆包 数据帧打包功能就是将发往同一个h i n o c 目的结点且优先级相同的多个 e m a c 帧组成一个h i m a cp d u 后，在h i n o c 网络内发送；h i m a cp d u 在到达 h i n o c 目的结点c s 后，进行相应拆包，还原出各个e m a c 帧交给高层。这样可 以减小m a c 层开销，提高h i n o cm a c 层的传输效率。打包后的h o c 数据帧 结构如图2 9 所示。每个h i m a cs d u 表示一个e m a c 帧。 唑c 帧回 回 。1 。，。一【一 ；i 箍巨圣变三叵巫丑二工堕三至回围 ：1、 2 字节可变 二匝二二二二二曼二二二二二蔓 数据帧i 首部i 载荷 l 尾部i il 8 字节4 字节 图2 9h i n o c 对e m a c 帧的打包 子帧长度( s u b f 洲el e n g t h ) 域的取值等于子帧长度域和其后s d u 域 的长度之和。 4 ) 优化级映射 优化级映射就是确定高层p d u 与珈 n o c 优先级之间的映射关系。上层e m a c 1 4h n o c 网络m a c 协处理器软硬件协同及流分类机制研究 帧在进入h i n o c 网络时，根据e m a c 帧内指示的优化级等参数，将上层以太网 业务映射为h 烈o c 网络内的相应优先级。这样，h b 在进行资源调度或h m 进行 预约请求时，就可保证不同业务的q o s 。为保证控制信息的及时传送，h i n o c 将 承载m a c 信令的控制信息映射为最高优先级。 h i n o c 协议设置了4 种优先级，由高到低分别为p r i 3 p 对0 。p 3 对应网 络管理帧；p 2 对应以v o i p 为代表的迟延敏感的实时交互性业务；p 1 对应以 i p t v 为代表的流媒体业务；p o 对应尽力而为业务。每种类型的优先级分别都 应该对应一组q o s 参数，这些参数决定了相应的服务质量。 2 3h i n o c 网络m a c 层协议开发分析 h n o c 网络m a c 层中，c p s 是m a c 层核心，其完成的功能包括网络搜索、 结点接纳、数据传输和链路维护等；而c s 实现的功能包括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