（计算机应用技术专业论文）基于docsis协议的cm逻辑用户管理的研究与实现.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 济南市广播电视信息网络中心于2 0 0 0 年选用3 c o m 公司的c a b l em o d e m 接入设 备，建成了济南广电h f c 宽带接入网。但是建成的宽带接入网并不是完全按照 d o c s i s 协议的架构而建设的，而是采用协议架构的变种。因此随着用户量的增大， 产生了大量的逻辑用户。对于这些逻辑用户的管理成为了有线电视业在开展数据业务 初期的个难题。在这种情况下，个完善的网络管理系统是有线电视宽带接入网能 够可靠而稳定运行的保证，也是进行网络性能分析的依据。虽然可以购买功能强大的 商品化的网络管理软件，但他们提供的只是个通用的网络管理平台，不能够满足用 户的特殊需求。因此需要根据实际情况编写自己的网络管理系统。在这种背景下，根 据实际需求开发了c m 逻辑用户管理系统。 本文首先对简单网络管理协议( s n m p ) 、d o c s i s 协议及国内外基于d o c s i s 协议 的h f c 宽带接入网的状况和发展作了阐述和探讨。围绕d o c s i s 协议的网络管理部 分，针对d o c s i s 协议的不足，从加强c m 逻辑用户的管理的角度，详细论述了d o c s i s 协议的m i b 库。在此基础上根据c i 逻辑用户的管理需求，综合运用各种网络管理技 术，建立了一个经济实用晦c m 逻辑用户管理的模型。然后通过需求分析给出了c m 逻辑用户管理系统的主要功能，包括：判断p c 机的从属关系、获取p c 机的工作状 态及工作参数、获取c m 的逻辑拓扑关系、获取c m 的工作状态及工作参数、实现对 p c 机的关断开通控制等。接下来在给出的模型基础上较详细的介绍了实现c m 逻辑 用户管理系统所需要考虑的方方面面的问题。主要包括：打开和关闭管理会话、管理 自陷和通知、用变量绑定列表工作、用协议数据单元工作、发送s n m p 消息、接收 s n m p 消息、管理对象标识符、释放描述符、设定实体和上下文转换模式、管理重发 策略。接着详细地描述了系统的具体实现，主要包括实现基本功能的c s m p 类的定 义，实现较高级功能的c s n m p m a n a g e r d l g 类的定义。然后介绍了一下系统的具体实 现过程中所采用的几项关键技术。例如：i p 地址的读取问题，g e t n e x t 操作的实现问 题，对表格变量的s e t 操作问题等。最后指出了c m 逻辑用户管理系统存在的不足， 需要进步解决的问题。 经过实际运行，本系统为逻辑用户的管理提供了种性能良好的解决方案，较好 的解决了有线电视业在开展数据业务的初期所遇到的逻辑用户管理的困难，为实现逻 山东大学硕士学位论文 辑用户的管理提供了可靠的技术保障。 关键词：逻辑用户s ， n pm i bd o c s i sc mc m t s 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h en e t w o r kc e n t e ro fj i n a nb r o a d c a s tc h o o s e dt h ec a b l em o d e ma c c e s s i n g e q u i p m e n tm a d eb y3 c o mc o m p a n ya sp a r to ft h e h f ci n f o r m a t i o nb o a r db a n d i n2 0 0 0 i n s t e a do ff u l lyc o n f o r m i n gt ot h ed o c s i s p r o t o c 0 1 ，t h en e w l y - b u i i tb o a r db a n da d o p tt h ev a r i a t i o no ft h ep r o t o c 0 1 a c c o r d i n g l y m o r e l o g i c - u s e r sh a v ec o m ei n t ob e i n gw i t ht h ea c c r e t i o no ft h ep h y s i c a lu s e r s a n dt h em a n a g e m e n to f s u c hl o g i c u s e r sh a sb e c o m eap r o b l e ma tt h ee a r l y d a y so ft h ed e v e 】o p m e n to fd i g i t a lb u s i n e s sh o l d i n gb vt h ec a t v i ns u c ha case，ap e r t e e ln e t w o r km a n a g e m e n s y s t e m1 sn o to n l yt h eg u a r a n t e et oa r e l i a b l ea n ds t a b l ec a t vn e t w o r k b u ta l s oag i s tt ot h ea n a l y s i so ft h e n e t w o r kp e r f o r m a n c e r h en e t w o r km a n a g e m e n ts o f t w a r ew i t ht h ep o w e r f u l f u n c t i o na sc o m m o d i t ym a yb et h es o l u t i o n ，b u tw h a tt h e yp r o v i d ei sj u s ta g e n e r a lp l a t f o r m ，w h i c hc a n n o ts a t i s f ys p e c i a lr e q u i r e m e n t s oo u r o w n n e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e mi sn e c e s s a r y a n dw ee m p o l d e rt h ec ml o g i c u s e r s m a n a g e m e n ts y s t e m - fjr s to fa 1 ，w eo f f e rhb r i e fi n t r o d u c t i o nt o t h es n m p ，d o c s i s ， t o g e t h e l 6w i t ht h ee x t e r n a ls it u a t i o na n dd e v e l o p m e n to f 盯cb o a r db a n d b a s e do nd o c s i s a n dw eo f f e rad e t a i1 e dd i s c u s s i o no nt h ed o c s i s 、sm i b f o r t h es a k e o f e n h a n c i n gt h em a n a g e m e n to ft h el o g i c - u s e t sw i t ht h e r e s p e c to ft h ed e f i c i e n c yo fd o c s i s b a s i n go ni t ，w eb u i l dap r a c t i c a l a n de c o n o m i cc ml o g i c - u s e r sm a n a g e m e n tm o d e l w i t ht h ec o m p o s i t i v eu s a g eo f n e t w o r km a n a g e m e n tt e c h n 0 1 0 9 y a f t e rt h a t ，w ep r o v id et h em a i n f u n c t i o no f t h ec ml o g ic - u s e r sm a n a g e m e n t s y s t e mo nt h eg r o u n d w o r ko fr e q u i r e m e n t a n a y s i s ， i n c l u d i n gt h ee s t i m a t i o no fd e p e n d e n t ；r e l a t i o n s h i po ft h ep c s ， t h ea c h i e v e m e n to ft h ep cw o r k i n gs t a t ea n dw o r k i n gp a r a m e t e r s ，t h e a c q u i r e m e n to ft h et o p o l o g i cr e l a t i o n s h i po ft h ec m ，t h ec mw o r k i n gs t a t e a n dp a r a m e t e r sa n dt h es w i t c hc o n t r 0 1o ft h ep c s d e t a i1i n f o r m a t i o na b o u t d i f f e r e n ta s p e c to ft h ec ml o g i c - u s e r sm a n a g e m e n ts y s t e mi so f f e r e do nt h e g i v e nm o d e l ，i n c l u d i n gt h eo p e na n dc l o s eo ft h es e s s i o n ，t h em a n a g e m e n t o ft h et r a pa n dn o t i f i c a t i o n t h ew o r k i n gw i t ht h eb i n d i n go f t h e v a r i a t i o nt ot h eli s t ，t h ew o r k i n gw i t ht h ed a t a u n i to fp r o t o c 0 1 ，t h e s e n d i n ga n dr e c e i v i n go ft h es n n pm e s s a g e ，t h em a n a g e m e n ta n dr e l e a s i n go f o i d ，t h es e t t i n go fe n t i t y ，t h ec o n t e x tc h a n g i n gp a t t e r na n dt h em a n a g e m e n t o fr e s e n d i n gs t r a t e g ye r e m o r ed e t a i l e dd e s c r i p t i o no nt h ei m p l e m e n t a t i o n i so f f e r e d1 a t e r ，i n e l u d i n gt h ed e f i n i t i o no ft h e c s n m pc l a s sw h i c ho f f e r t h eh a s i cf u n c t j o n ，t h ec s nt i 】p m a n a g e r d l ge l a s sw h i c hf u l f i l lt h es e n i o r f u n e t i o n a t 1 a s t ， w em e n t i o ns o m ec r i t i c a l t e c h n o l o g yu s e di n our i m p l e m e n t a t i o n ， s u c ha st h e a c q u i r e m e n t o ft h ei p a d d r e s s ，t h e i m p l e m e n t a t i o no f 。t h eg e r n e x m e t h o d t h es e tm e t h o dt ot h et a b l ev a r i a b l e p r a c t i c eh a sp r o v e dt h a tours y s t e mo f f e r saf a v o r a b l es o l u t i o nt ot h e 珊a n 8 9 e 蕊e 8eo fl o g c - u s e r &s o f r e d 曲ep r o b l e mo 陀m e n t r o t 7a 毛0 v e 孵h i c 矗 山东大学硕士学位论文 a p p e a r sa tt h eb e g i n n i n go fd i g i t a lb u s i n e s sd e v e l o p m e n ti nt h ec a t vf i e l d ， o f f e r e dr e l j a b l et e c h n i q u eg u a r a n t e ef o r t h el o g i cu s e r sm a n a g e m e n t a n d w eo f f e rs o m es h o r t c o m i n go ft h ec ml o g i c - - u s e r sm a n a g e m e n ts y s t e m k e yw o r d s ：l o g i c u s e r ： s n m p ：m i b ；d o c s i s ：c m ： c m t s 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 啦 日期：册g 旷 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅：本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 一犁翩虢牛 山东大学硕士学位论文 1 引言 1 1 课题提出的背景和意义 随着宽带接入网的普及，计算机网络在各行各业发挥着越来越重要的作用。在各 种宽带接入技术中，h f c 接入以其带宽宽、成本低、覆盖广等特点脱颖而出。特别是 d o c s i s ( d a t ao 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 ) 协议被i t u t 接纳为标准协议 后，心c 接入成为用户接入的主要技术之一。 随着用户量的增大，网络的规模越来越大，结构越来越复杂。在这种情况下，一 个完善的网络管理系统是计算机网络能够可靠而稳定运行的保证，也是进行网络性能 分析的依据。对于网络管理，不论是专业人员还是普通用户，都不是一个陌生的概 念，但刺于什么是刚络管理，网络管理包含哪些内容等这样的问题，并不是每个人都 能够准确回答。如何管理网络，如何建立一个有效的、满足要求的网络管理系统，是 我们必须仔细考虑的问题。虽然可以购买如m 公司的n e t v i e w 等商品化的网络管 理软件，尽管这种软件的功能很强大，但从某种意义上来说，他们如同操作系统一 样，提供的只是一个通用的网络管理平台，不能够满足用户的特殊需求( 例如本系统 要实现的对用户p c 的管理) 。只有在这个平台上结合各厂商的具体设各、用户的特 殊要求来构筑网络管理应用系统时，这个平台对于网络管理来说，才有实际的意义。 所以说，拥有了商品化的网络管理软件并不等于解决了所有的网络管理问题，而是需 要根据实际情况编写程序，实现对现有网络管理软件的补充，甚至编写自己的网络管 理系统。 济南广电信息网络中心于2 0 0 0 年选用3 c o m 公司的c a b l em o d e m ( c m ) 接入设 备，建成了济南广电h f c 宽带信息网，从而成为济南市宽带接入的一支重要力量。 但是建成的宽带信息网并不是完全按照d o c s i s 协议的架构而建设的，而是采用协议 架构的变秆。在d o c s i s 协议中c m 作为可管理的最末端用户，而在实际网络的运营 中为了降低成本采取c m + h u b 的形式，此时把h u b 的端口作为最末端用户。当把端 口作为用户时，现有的网管管理不到，因此存在这么一种情况：某些用户从技术上讲 是合法用户，但从网络运营者角度考虑是非法用户。对这些用户的管理现有网管就显 的无能为力。由于现有网管的不足，给网络管理带来很多不便。特别是随着网络的扩 出东大学磺士学位论文 大、用户数量的增多、大量逻辑用户的产生。网络管理的雅魔越来越大，对| j 6 9 络的安 全i | 王造成了许多游在的藏胁。又因为逻辑用户的管理是开鼹c m 业务的一项蒸五痿性工 侮，因蘧豫羚臻商溺管懿不足、在不改变硗弯弼络功爱豹黎麓上开发逶合塞瑟辫袋费 系统越来越重要，本系统的研制成功可解决各地有线台在建设c m 系统中所遇到瓣用 户管理的困难，能够直接提高各有线台的管理水平，推动c m 业务的迅速推广。因此 本课题具有非常广阔的应用前景。 2 论文兹主要王作 本文首先对简单网络管理协议( s n i p ) 、d o c s i s 协议及国内外基于d o c s i s 协议 的h f c 宽带接入网的状况和发展作了阐述和探讨。围绕d o c s i s 协议的网络镣理部 分，针对d o c s i s 协汉的不足，从加强麟逻辑用户豹管理鞠角壤，详细论述了d o c s i s 协议豹鹾1 8 痒。京魏鍪麓上禳据罐逻鼹蔫户懿管理霉慕，综合运赁吾释丽络麓蘧技 术，建立了一个经济实用的c m 逻辑用户管理的模型。模溅主要由m i b 库、s n 船代 理、w i n s n m p 、管理控制台四部分组成； ( 1 ) m i b 库：存储各种可供管理鲍信息，包括： 镬窝c m t s 豹疆r a d i of r e q u e n c y ) 接疆：d o c s l f b a s e o b j e c t s ( 慰c m 秘 c m t s 都有关的管避信息) 、d o e s l f c m o b j e c t s ( 仅与赚有关的管理僖崽) 、 d o c s i f c m t s o b j e c t s ( 仅与c m t s 有关的管理信息) d o c s i s 电缆设备m i b ：有七部分组成，d o s d e v b a s e 、d o c s d e v n m a c c e s s 、 d o c s d e v s o f t w a r e 、d o c s d e v s e r v e r 、d o c s d e v e v e n t 、d o c s d e v f i i t e r 、d o c s d e v c p e m i b - l ：r f c l 2 1 3 中舞定义魏管理信愚变量 ( 2 ) s n m p 代理：主要作用是收熊有关网络通讯的统计信息。对本地设备进行测 试、响应控制管理静的请求，在本地存储有关信息，响应瞥理控制台的请求，发送管 邂信息，根据管理控制台的指令设置或敬变设备参数 ( 3 警理控割台：主要 乍臻是爨馔溪户接口，禳穗耀户豹鸯令显示警璎傍惠， 邋过向s 埘p 代理发送请求获取有关设备的管理信息、发送指令配置设备参数簿管理 操作 ( 4 ) w i n s n 珊i p ：主要作用是提供编筠网络管理应用程序的接口 山东大学硕士学位论文 然后通过需求分析给出了c m 逻辑用户管理系统的主要功能，包括：判断p c 机的 从属关系、获取p c 机的工作状态及工作参数、获取c m 的逻辑拓扑关系、获取c m 的 工作状态及工作参数、实现对p c 机的关断开通控制等。 接下来在给出的模型基础上较详细的介绍了实现c m 逻辑用户管理系统所需要考 虑的方方面面的问题。主要包括：打开和关闭管理会话、管理自陷和通知、用变量绑 定列表工作、用协议数据单元工作、发送s n m p 消息、接收s n m p 消息、管理对象 标识符、释放描述符、设定实体和上下文转换模式、管理重发策略。 接着详细地描述了系统的具体实现，主要包括实现基本功能的c s n m p 类的定 义，实现较高级功能的c s n m p m a n a g e r d l g 类的定义，系统实现中三个重要结构的定 义，w i n s n m 请求消息发送的详细过程、响应消息接收的详细过程。c s n m p 类的 主要功能是完成一个s n m p 过程的初始化、发送管理请求消息、接收管理响应消息， 释放资源。c s n m p m a n a g e r d l g 类的主要功能是利用c s n m p 类的功能发送管理消息、 接收管理消息、处理接收到的管理消息、测试设备是否支持某变量、完成g e t n e x t 操作。 最后介绍了一下系统的具体实现过程中所采用的几项关键技术。例如：i p 地址 的读取问题，g e l l n e x t 操作的实现问题，对表格变量的s e t 操作问题等。 山东大学硕士学位论文 2d o g s i s 协议概述 1 9 9 5 年1 i 月，美国的主要有线电视经营商c o m c a s t 、c o x 、t c i 、t i m ew a r n e r 、 m e dj a o n e 、r o g e r s 以及研究机构c a b l e l a b s 发起组织m c n s ( m u i t i m e d i ac a b l en e t w o r ks y s t e m ) 合作组织，目的是建立一整套协议以在h f c 网络上进行双向高速数据 传输，给用户提供j 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 网电缆数据业务接口标准d o c s i s ( d a t ao v e rc a b l es e r v i e ei n t e r f a c es p e o i f i o a t i o n ) 1 0 。d o c s i s 于1 9 9 8 年3 月初获得i t u - ；f 通过，成为国际标准i t u tj 1 1 2 b ( 在本文撰写过程中d o c s i s2 0 版本也获得i t u t 通过，本文的d o c s i s 指1 - o 版) 。d o c s i s 标准由8 个协议组成， 分别为： d o c s i s1 ：射频接口r f i 规范 d o c s i s2 ：安全系统接口s s i 规范 d o c s i s3 ：m o d e m 终端系统一网络侧接口c m t s n s i 规范 d o c s i s4 ：c a b 】em o d e m 与用户设备接口c m c p e i 规范 d o c s i s5 ：操作支持接口o s s i 规范 d o c s i s6 ：c a b l em o d e m 电话回传接口c m - t r i 规范 d o c s i s7 ：可拆装安全系统接口r s m i 规范 d o c s i s8 ：基本加密接口b p i 规范 2 1o o o s i s 协议的体系结构 一个h f c 网络数据系统包括三大部分，即用户端的c a b l em o d e m ( c m ) 、c a b l e m o d e m 终端系统( c m t s ，c a m em o d e mt e r m i n a ls y s t e m ) 和h f c 网，其中c m t s 可以 嚣于前端、分配接点或别的地方，取决于网络设计。 简化的d o c s i s 参考模型如图l 。c m t s 通过l o b a s e t 、l o o b a s e t 或a t m 、o 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 系统与夕 界网络连接的桥梁。c m t s 要 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。o s s ( o p e r a t i o n s u p p o r ts y s t e m ) 完成对c a b em o d e m 系统的管理、计费、监测和错误诊断。o s s 可以 管理几十个前端控制器，他与前端控制器可以通过局域网相连，也可以通过广域网进 行远程控制。用户端c a b em o d e m 的基本功能就是将上行数字信号调制成r f ( r a d i o 山东大学硕士学位论文 f r e q u e n c y ) 信号，将下行的r f 信号解调为数字信号。由于同一个信道有数以百计的 用户竞争，为了保证效率，d o c s i s 采用了划分时间槽( t i m es l o t ) 的方式，每一个 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。 图l 电缆数据传输系统参考结构 d o c s i s 协议从调制方式到网络协议都有特定的功能，这些功能问的关系及与0 s i 参考模型的对应关系可用图2 的协议堆栈表示： o s i 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路屡 物理层 d o c s i s 图2d o c s i s 协议栈与o s i 的对应关系 山东大学硕士学位论文 图中低四子层作用如下： 物理层( p h y ) ：主要负责h f c 网络上的数据调制和解调。对于d o c s i s ，下行方向 是6 4 和2 5 6 0 a m ，上行是o p s k 和1 6 0 a m 。 传输回聚子层( t o ) ：只存在于下行通道，i p 数据在本层被封装入1 8 8 字节的 m p e g 一2 帧中，使d o c s i s 数据能够与其他业务的m p e g 流复接起来并在同一个载波上 传输。 媒质访问控制子层( m a c ) ：m a c 层对c m 接入上行信道进行控制。因为可能有很多 c m 同时试图在上行通道上进行数据传输，会造成数据碰撞，k 4 c 层协议提供了有序的 方法使c m t s 可以控制c m 的数据发送，从而提高信道的利用率。 数据链路加密子层：用于保护用户数据不受恶意破坏，d o c s i s 定义了两层加密 协议即基本加密协议和链路安全协议。 在d o c s i s 协议之上利用现有的i n t e r n e t 协议。d o c s i s 的主要目的就是要为h f c 网络用户提供这些业务，所以随着i n t e r n e t 的发展，d o c s i s 也将大发展。 2 2d o o s i s 协议栈中各层的功能 2 2 1 物理层 下行信道物理层规范是基于i t u tj 8 3 ( 0 4 9 7 ) 一视频信号的数字传输a n n e x b ( i t u tj 8 3 b ) 。d o c s i s 的下行信道可以占用从8 8 8 6 0 m h z 间的任意6 m h z 带宽。调 制方式采用6 4 0 a m 或2 5 6 q a m 。采用o a m 调制的下行信道的可靠性是由i t u tj 8 3 b 所 提供的强大的f e c 功能来保证的，多层的差错检验和纠正及可变深度的交织能给用户 提供一个满意的误码率。高的数据率和低的误码率保证了d o c s i s 的下行信道是个 宽带高效的信道。 d o c s i s 的下行f e c 包括可变深度交织、( 1 2 8 ，1 2 2 ) r s 编码、t c m 和数据随机化 等。存在前向误码纠错时，d o c s i s 下行信道在6 4 0 a m 调制c n 为2 3 5 d b 、2 5 6 0 a m 调 制c n 为3 0 d b 时应能提供1 0 8 的误码率。采用前向误码纠错( f e c ) 的额外好处是允许 下行数字载波的幅度比模拟视频载波的幅度低l o d b ，这有助于减轻系统负载并减少对 模拟信号的干扰，但仍能提供可靠的数据业务。 采用交织的负面影响是它增加了下行信道的时延。好处是一个突发噪声只影响到 不相关的码元。从而当码元位置重新恢复原来的顺序后，因为突发噪声没有破坏很多 山东大学硕士学位论文 连续的相关码元，所以f e e 能纠正被破坏的码元。交织的深度与所引起的是时延有一 个固有的关系，d o c s i sr f 标准的最深交织深度能提供9 5 m s 的突发错误保护，代价是 4 m s 的时延。4 m s 的时延对观看数字电视或进行w e b 浏览、e - m a i l 、f t p 等i n t e r n e t 业务来说是微不足道的，但是对于对端到端时延有严格要求的准实时恒定比特率业务 ( 如：i pp h o n e ) 来说，可能会有影响。可变深度交织使系统工程师能在需要的突发错 误保护时间与业务所能容忍的时延间进行折衷选择。交织深度也可由c m t n 根据肺信 道的情况进行动态控制。 上行信道的频率范围为5 4 2 m h z 。d o c s i s 的上行信道使用f d m a 与t d m a 两种接 入方式的组合，频分多址( f d m a ) 方式使系统拥有多个上行信道，能支持多个铆同时 接入。标准规定了c m 时分多址( t d m a ) 接入时的突发传输格式，支持灵活的调制方式 、多种传输符号率和前置比特，同时支持固定和可变长度的数据帧及可编程的r e e d s o l o m or l 编码等。d o c s i s 灵活的上行f e c 编码使系统经营者能自己规定纠错数据包的 长度及每个包内的可纠正误码数。在以前的c a b l em o d e m 系统中，当干扰造成一个信 道有太多的误码时，唯一的解决方法是放弃这个频率而将信道转向一个更干净的频 率。尽管d o c s i s 系统也能工作于这种方式，但灵活的f e c 编码方式使系统运营者仍 能使用这个频率，而只动态地调节该信道的纠错能力。尽管为纠错而增加的少量额外 字节会使信道的有用信息率有所降低，但这能保证上行频谱有更高的利用率。 2 2 2 传输回聚子层 传输回聚子层能使不同的业务类型共享相同的下行r f 载波。对d o c s i s 来说，t c 层是m p e g - 2 。使用m p e g - 2 格式意味着其它电封装成m p e g - 2 帧格式的信息( 语音或视 频信号) 可以与计算机数据包相复接，在同一个r f 载波通道中传输。 m p e g - 2 提供了在一个m p e g - 2 流中识别每个包的方式，这样，c m 或机顶盒( s t b ) 就能识别出各自的包。这种方式依赖于节目识别符( p i d ) ，它存在于所有m p e g 一2 帧 中。d o c s s 使用o x l f f f 作为所有c a b l em o d e m 数据包的公共包识别符( p i d ) ，d o c s i s c m 将只对具有该p i d 的m p e g - 2 帧进行操作。另外，m p e g - 2 还提供了一个便于同步的 帧结构。1 8 8 字节的m p e g 一2 帧起始于一个同步字节，搜索这个以一定的不太长的时间 间隔重复出现的m p e g 一2 同步字节就能很容易地完成该信道的帧同步。 2 2 3m a c 子层 7 山东大学硕士学位论文 在d o c s i s 标准中，媒质访问子层( m a c ) 处于上行的物理层( 或下行的传输回聚子 层) 之上，链路安全子层之下。m a c 协议的主要特点之一是由c m t s 给c m 分配上行信道 带宽。上行信道由微时隙流( m i n i s l o t s ) 构成，在上行信道中采用竞争与预留动态混 合接入方式，支持可变长度数据包的传输以提高带宽利用率，并可扩展成支持a t m 传 输。具有业务分类功能，提供各种数据传输速率，并在数据链路层支持虚拟l a n 。 ( 1 ) m a c 帧结构 m a c 帧是c m t s 与c m 在m a c 子层之间传输数据的基本单元。在下行信道中，m a c 帧存在于m p e g 包的负荷中。在上行信道中，m a c 帧存在于微时隙流中。m a c 帧由m a c 帧头及可变长度的协议数据单元( p d u ) 或a t m 信元构成。m a c 帧头的格式如图3 。其 中帧控制域( f c ) 由帧控制类型( f ct y p e ) 、帧控制参数( f cp a r a m ) 和扩展信头 指示( e h d r _ o n ) 构成。帧控制类型( f ct y p e ) 定义了四种m a c 帧：用于数据报的p d u m a c 帧、用于a t mp d c 的m a c 帧、用于未来p d u 的m a c 帧和用于特殊控制目的的m a c 帧。其后依次是m a c 帧参数( m a cp a r a m ) 、长度指示( l e n ) 或业务识别( s i d ) 、 扩展信头( e h d r ) 。扩展信头用于c m 至c m t s 的传输确认、虚拟l a n 、m a c 层内的端 到端信息传输及数据链路层的基本加密信息传输。最后是1 6 位的i t u - tx 2 5c r c 信 头校验码( t i c s ) 。 图3m a c 信头格式 ( 2 ) 上行带宽的分配 上行带宽的分配如图4 所示。整个上行信道有6 2 5 p s 的整数倍构成的微时隙流 组成。每一个微时隙的用途由超前的下行m a p 报文指出。上行信道主要有竞争时区、 山东大学硕士学位论文 预留时区及维护时区组成。各时区的大小及组合由c m t s 决定。c m t s 应当按用户的数 据流量及用户数量作出最佳组合。 图4 上行带宽分配 m a c 层协议控制c m 对上行信道的接入。当c m 有数据要发送时，首先在竞争时区 向c m t s 请求发送一定数量数据的机会，c m t s 收到所有想发送的c m 的发送请求后，就 会相应的保留一些微时隙( 预留时隙) 给这些c m 。c m t s 周期性的给c m 发送一条消息 ( m a p ) ，指出每个c m 分配到的微时隙。分配带宽的结果是每个c m 得到了一个没有 冲突的时间段来发送他的数据。c m t s 根据用户的业务类型来给c m 分配带宽。为了使 还没有分配到带宽的c m 能够申请带宽，c m t s 周期性的分配一个上行时间段( 竞争时 区) 给所有c m 发送请求信息，这些请求有可能会冲突，c m t s 可以通过改变竞争时区 的长度和频率来使碰撞机会减少到最少。如果发生碰撞，那么发送这些请求信息的c m 将采用二进制退避算法在以后的竞争时隙中重传带宽请求。另外，c m t s 安排一个维护 时区，让准备入网的c m 发送测距请求和注册请求。 ( 3 ) c m 初始化过程 信道识别 c m 在通电复位后，每隔6 m h z 频带间隔连续搜索下行信道，锁定q a m 数据流，c m 山东大学硕士学位论文 可能需要搜索很多o a m 信道，才能找到d o c s i s 数据信道。 获得上行信道参数 在这个阶段中，c m t s 重复发送3 个m a c 信息：同步信息( s y n c ) ，用以给所有c m 提供一个时间基准：上行信道描述( u c d ) ，c m 必须找到一个描述内容与c m 本身上行信 道特性相符的u c d ；由u c d 所描述的上行信道的m a p ，, m a p 信息包含了微时隙的信息， 指出了c m 何时可以发送和发送的持续时间( s y n c 提供这些发送的时间基准) 。 测距( r a n g e ) 测距包括了以下3 个c m 必须完成的过程：时间参考的精确调整；发送频率的精 确调整；发送功率的精确调整。因为各个c m 与c f f s 的距离是不相同的，所以每个c m 对这些参数的设置也是不同的。在测距开始时，铡在初始维护时隙中给c m t s 发送一 个测距请求信息，这个时隙的起始时刻的确定是根据初步的时间同步与c m 对m a p 的 解释得到的。在收到这个信息后，c m t s 给那个c m 发送一个测距响应信号。如果在一 个超时时间段中c m 没有收到c m t s 发来的测距响应信号，有两种可能的情况：因为初 始维护时隙是提供给刚刚入网的所有c m 的，来自各个c m 的测距请求信息有可能发生 碰撞：c m 的输出电平太低，以致于c m t s 没有正确地检测到。这样，如果c m 没有收到 测距响应信号，它将增加发送功率或等待一个随机时间段后再发送测距请求。 在准备发送测距响应信号时，c m t s 应获得以下信息：收到测距请求信息的时刻 与实际初始维护发送时隙起始时刻的差、c j 发送的确切频率、接收到的功率。在这些 数据的基础上，c m t s 得到矫正数据并将这些数据在测距响应信息中发送给c m 。例根 据这些数据调节自己的参数设置，并给c m t s 发出第二个测距请求。如果有必要， c m t s 将再次返回一个测距响应，包含了时间、频率、功率等矫正数据，这个过程一直 持续下去，直到c m t s 对僦的时间基准、发送频率和功率设置满意为止。这个过程结 束后，两者的定时误差将小于1us ，发送、接收频率误差将小于1 0 h z ，功率误差将 小于0 2 5 d b 。 当c m 刚入网时，测距过程发生在初始维护时隙中。当注册完毕后，测距过程发 生在c m t s 规定的周期性维护时隙中。c m 周期性地调整时间基准、发送频率和发送功 率以保证c m 与c m q 、s 的可靠通信。 i p 层的建立 l o 山东大学硕士学位论文 当时间、频率及功率都设置完毕后，c m 必须建立i p 协议连接，这是通过动态主 机配置协议( d h c p ) 来完成的。c m 通过d h c p 分配到一个i p 地址。d h c p 在例及通常置 于c m t s 一侧的d h c p 服务器之间运行，只要c m 被激活它就将占用一个i p 地址，在c m 处于休息状态一段时间后，这个i p 地址将被收回并分配给另一个被激活的叫，这样 就能节约i p 地址。在获得了i p 地址后，c m 应建立按r f c - 8 6 8 规定的时间值。若有加 密要求，则在d h c p 的响应报文中必须有加密服务器的i p 地址。 注册 注册起始于c l 下载一个配置文件。配置文件服务器的i p 地址及叫需下载的配 置文件名都包含在给c m 的d h c p 响应中。c m 使用简单文件传输协议( t f t p ) 从服务器下 载配置文件。配置文件中包含了c m 运行所需的信息，如：允许c i 使用的带宽及所能 提供的服务类型等。 c m 完成初始化过程后若有数据发送就可以进行带宽申请，在允许的竞争时隙内 向c m t s 发出请求，告知所需分配的时隙数，然后等待c m t s 在下一个带宽分配表中的 应答信号，如没有应答，说明发生了碰撞，c m 执行退避算法( b a c k - o f f ) ，直到请求有 应答为止。接着c m 就可以在预留的时隙内发送数据了。 2 2 4 数据加密子层 d o c s i s 协议v 1 0 中涉及安全问题的规范就有安全系统接口规范( s e c u r i t y s y s t e ms p e c i f i c a t i o n s s i ) 、基本保密接口规范( b a s e l i n ep r i v a c yi n t e r f a c e s p e c i f ic a t i o n - b p i ) 和可拆卸安全模块接口规范( r e m o v a l b es e c u r i t ym o d u l e i n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n r s m i ) 三本。s s i 根据对盯c 网潜在的安全威胁及传送信息 价值的评估和权衡，首先确定了一组具体的安全需求，即系统的安全模型和可提供的 安全服务：其次根据确定的安全要求选择并设计了合理的安全技术和机制，以期用很 小的代价提供尽可能大的安全性保护。其安全体系结构包含了基本保密( b a s e l i n e p r i v a c y ) 和充分安全( f u l ls e c u r i t y ) 两套安全方案。基本保密方案提供了用户端c m 和前端c m t s 之间基本的链路加密功能( 由b p i 定义) ，其密钥管理协议( b p k m ) 并未对 c m 实施认证，因而不能防止未授权用户使用“克隆”的c m 伪装己授权用户；而充分 安全方案利用一块p c m c i a 接口的可拆卸安全模块( r s n ) 满足了较完整的安全需求( 其 电气及逻辑功能由r s m i 定义) 。但r s m 带来的c m 造价上升( 每台零售价将增加约5 0 l 【j 东大学硕士学位论文 美元) 和传输性能降低，使目前大多数m s o 更青睐于b a s e i n ep r i v a c y 方案。鉴于这 种情况，1 9 9 9 年