（微电子学与固体电子学专业论文）基于hfc宽带接入的新型家庭网关研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 ( 随着宽带网络的延伸到户和家庭网络技术的飞速发展，迫切的需要在用户端 有一种网络设备将它们连接起来。人们将广泛应用在广域网中的路由器、网关平 移到家庭，于是诞生了家庭网关的概念。目前已有众多家庭网络设备正在不断的 扩展它们的应用领域，积极向家庭网关演化，例如：机顶盒和电缆调制解调器。 本文正是从这一现状出发，将上述两者结合，具体研究了基于双向h f c 宽带接入、 基于嵌入式系统、支持多种业务家庭网关的相关软、硬件及网络技术。太 本文首先介绍了家庭网关的发展概况、定义及应用：接着详细介绍了h f c 宽 带接入方式，着重讲述了基于i p 的电缆数据传输接口规范和相关服务标准；接着 根据家庭网关的概念模型，以c o n e x a n t 公司发布的c x 2 4 4 3 0 芯片为核心，具体 构建了一个实用的家庭网关硬件平台，并讨论了与该平台相关的各种家庭网络技 术的原理、特征及其应用的优缺点。 其次从嵌入式系统开发角度出发，详细讨论了基于嵌入式l i n u x 家庭网关开 发平台的建立及其关键技术，从而构造了一个基本系统。( 在此基础上，将路由、 网络地址转换、防火墙、d h c p 客户和服务器以及域名服务器代理等网络功能有 效的集成到家庭网关中，从而使得家庭网络中的设备能够通过家庭网关“透明” 的共享外部宽带连接，实现家庭网关最重要的应用。j 然后嵌入开放服务网关框架，构筑j a v a - l i n u x 平台，使家庭网关成为一个动 态可扩展的服务平台。分析使用j a v a 技术在该服务平台上进行组件开发的模式后， 实现了家庭网关机顶盒子系统中的服务信息引擎功能。 f 最后，对本文的工作进行总结，指出本文所研究的家庭网关今后的几个发展 方向，并对家庭网关的未来做出了展望。i 关键词：家庭网关，电缆数据传输接口规范嵌入式l i n u xj 开放服务网关；服务信息 x 华中科夏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t 1t h ee x t e n s i o no fb r o a d b a n dn e t w o r kt oh o m ea n dt h ef a s td e v e l o p m e n to t h o m en e t w o r k i n gt e c h n i q u e s i ti su r g e n tt oh a v eak i n do f n e t w o r kd e v i c ea tt h eu s e r e n dt oc o n n e c tt h e mt o g e t h e r s o m ep e o p l ee x t e n dt h er o u t e r , g a t e w a yl o c a t e di nt h e w i d ea r e an e t w o r kt oh o m e ，t h u sc o m i n gt h ec o n c e p t i o no ft h eh o m eg a t e w a y n o w , m a n ye x i s t i n gh o m en e t w o r kd e v i c e s s u c ha s s e t - t o p b o xa n dc a b l em o d e ma r e s p r e a d i n gt h e i rf i e l d so fa p p l i c a t i o n ，a n de v o l v i n gt o t h eh o m eg a t e w a y c o m b i n i n g b o t lo ft h e mt o g t h e r , t h i sp a p e rs m d i e st h er e l a t e ds o f t w a r e ，h a r d w a r ea n dn e t w o r k t e c h n o l o g i e so fs u c hah o m eg a t e w a y , w h i c hi s d e d i c a t e dt ot h eb i d i r e c t i o nh f c n e t w o r k ，d e v e l o p e df r o me m b e d d e ds y s t e m ，a n dc a n r u nm u l t ls e r v i c e s i nt h j sp a p e r , w ef i r s ti n t r o d u c et h eh o m eg a t e w a y sd e v e l o p m e n t ，d e f t n i t i o na n d a p p l i c a t i o n s n l e nh f c b r o a da c c e s sm e t h o di sd i s c u s s e di nd e t a i l ，e m p h a s i z i n gt h e i p b a s e dd o c s i sa n dr e l a t e ds e r v i c es t a n d a r d s g i v i n gt h ec o n c e p t i o nm o d e lo ft h e h o m eg a t e w a v w eb u i l dap r a c t i c a lh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h eh o m eg a t e w a y , i nw h i c h t h ec x 2 4 4 3 0c h i po fc o n e x a n ts y s t e m s ，i n c p l a y sak e yr o l e ，t h e nw ed i s c u s st h e p r i n c i p l e s ，c h a r a c t e r i s t i c sa n da d v a n t a g e so f t h eh o m en e t w o r k i n gt e c h n i q u e sr e l e v a n t t ot h i sp l a t f o r m n e x t ，f r o mt h e p o i n t o fe m b e d d e d s y s t e md e v e l o p m e n t ，w e d i s c u s st h e e s t a b l i s h m e n to f t h eh o m e g a t e w a y sd e v e l o p m e n tp l a t f o r ma n d i t sk e y t e c h n i q u e s a n d c o n s t r u c tab a s i cs y s t e m e f f i c i e n t l yi n t e g r a t i n gs o m en e t w o r ka p p l i c a t i o n s ，s u c ha s r o u t i n g , n a t , f i r e w a l l 。d h c pc l i e n t & s e r v e ra n dd n sp r o x y , i te n a b l e sd e v i c e si n t h eh o m en e t w o r k st os h a r et h ee x t e m a lb r o a d b a n d1 i n kt r a n s p a r e n t l yv i at h eh o m e g a t e w a y , a n d t h i si so n eo f t h em o s t i m p o r t a n ta p p l i c a t i o n so f t h eh o m eg a t e w a y l a t e rw ee m b e dt h eo s g if r a n l e w o r kt ob u i l daj a v a l i n u xp l a t f o r m s o 血a tt h e h o m eg a t e w a yb e c o m e sad y n a m i c a l l ye x t e n s i b l es e r v i c ep l a t f o r m m o r e o v e r , a f t e r a n a l y z i n gt h ec o m p o n e n td e v e l o p m e n tm o d e l o ns u c has e r v i c ep l a t f o r mb yu s i n gj a v a t e c h n o l o g y , w eg i v ea l le x a m p l e o f i m p l e m e n t i n gt h es ie n g i n ei nt h eh o m eg a t e w a y s s e t - t o pb o xs u b s y s t e m i nt h ee n d ，w es u m m a r i z eo u rw o r ki nt h i s p a p e ra n dp o i n to u ts o m ef u t u r e d e v e l o p m e n t d i r e c t i o n sa b o u ts u c hah o m eg a t e w a y , w ea l s op r o s p e c tt h et o m o r r o wo f t h eh o m e g a t e w a y k e y w o r d s ：h o m eg a t e w a y d o c s i se m b e d d e dl i n u x o s g is e r v i c ei n f o r m a t i o n l i 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 随着当今技术一日千里的发展，出现了几个新的趋势，它们对于技术如何在 家庭中被应用产生了重大的影响。首先是高速宽带i n t e m e t 接入已步入实用阶段， 在宽带接入日益普及的美国，用户数字环线( d i g i t a ls u b s c r i b e r l i n e ，d s l ) 和电 缆调制解调器( c a b l em o d e m ，c m ) 已成为家庭宽带接入的主要手段；其次，家 用电器数目的不断增长为家庭网络的出现提供了契机，目前市场上已出现了多种 成熟的家庭网络技术，拥有网络家庭的数目正在迅速增加，通过网络人们获得了 各种丰富、多样化、个性化、方便、舒适、安全和高效的服务。实现家庭内部信 息与外部信息的交换，无疑是家庭连网的目的所在，它的实现需要设计一个理想 的网关。于是，家庭网关( h o m eg a t e w a y ，h g ) 的概念就在宽带接入和家庭网络 技术的蓬勃发展下诞生了，它无缝的将家庭网络中的节点同外部接入的宽带网络 连接起来，并允许这些节点共享高速宽带连接。 1 2 家庭网关的发展动力 1 2 1 宽带接入技术 目前有多种宽带接入的技术： 非对称数字环路( a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ，a d s l ) ：a d s l 的连接 有几种形式。对于家庭来说，比较普遍的d s l 类型是下行速率为1 5m b p s 、上行 速率为3 8 4k b p s 的g 1 i t ea d s l 和下行速率为8m b p s 、上行速率为1 5m b p s 的 g d m t a d s l 。这种连接始终保持在线，并且不占用电话线。 电缆( c a b l e ) ：许多有线电视公司通过提供常规有线电视节目的电缆同时提 供i n t e m e t 接入服务。用户使用c m 来使用这个宽带连接。c m 提供了1 0m b p s 的 潜在接入速率，但这个速率为很多同时使用它的用户所共享。 综合业务数字网( i n t e g r a t e ds e r v i c ed i g i t a ln e t w o r k ，i s d n ) ：i s d n 能够提供 高达1 4 4k b p s 的连接，但它需要终端有特定的硬件支持。 卫星( s a t e l l i t e ) ：直接广播卫星提供了另一种宽带接入的办法。卫星可以在 传送电视节目的同时提供i n t e m e t 接入。下行速率可以达到3 5 0k b p s ，但是上行 速率受到普通模拟调制解调器的限制。 1 2 2 家庭网络技术 建立家庭网络会有多种选择，大体上可以分为四类：电话线网络、传统的以 太网( e t h e m e t ) 、电力线网络和无线网络。 华中科技大学硕士学位论文 关于电话线组网的标准是h o m e f n a ( h o m ep h o n e l i n e n e t w o r k i n g a l l i a n c e ) 。 h o m e p n a 使用家庭中现有的电话线来连接计算机和其它电子设备。h o m e p n a 2 0 中数据传输速率达到了1 0m b p s 。 传统的以太网就是i e e e8 0 2 3 。在这种组网方式下，计算机和外围设备通过 特殊的配线连接起来并且以1 0m b p s 或1 0 0m b p s 的速率传输数据。 电力线网络利用家庭中现有的电力线组网。目前，由e n i k i a 公司倡导的电力 线技术的数据传输速率可达到1 0m b p s 。 无线网络主要有三种类型：首先是i e e e8 0 2 1 l ，称为无线以太网，它的数据 传输速率可达到1 1m b p s ：其次是h o m e r f ( h o m er a d i of r e q u e n c y ) ，它的数据 传输速率也可以达到1 1m b p s 。再其次，蓝牙( b l u e t o o t h ) 标准的数据速率可达到 1 m b p s 。这些技术都使用低频无线电波在计算机和其它电子设备之间传输数据。 1 2 3 信息家电 信息家电( i n t e m e t a p p l i a n c e ) 是近年提出的一个概念，它最重要的特征是使 用i n t e m e t 连接来完成某一功能，例如网络浏览、收发电子邮件、网络游戏、视频 电话以及今后的网上交易等功能。信息家电是网络上的家电，本身具有一定的智 能性，并支持某种统一的、标准的通信协议和控制协议，能够互相识别。以下列 出了可能与家庭网关一起工作组成家庭信息平台( h o m ei n f o r m a t i o np l a t f o r m ， h i p ) 的不同类型的信息家电： m p 3 播放器 i n t e r a c t 调谐器 数字视频接收机电视 w e b 个人数字助理( p e r s o n a l d i g i t a la s s i s t a n t ，f d a ) w e b 电话 网络游戏设备 家庭网关能够自动的将从宽带通道中获得的流传送到与i n t e r a c t 相连的合适 的信息家电。 1 3 家庭网关的定义和应用 家庭网关是将家庭内网络连接到外部宽带连接的设备，它使得家庭中网络设 备能够和i n t e m e t 进行通信和数据交换。典型的家庭网关融合了路由器、集线器和 调制解调器等设备的i n t e r n e t 接入和计算机互联的功能；更高级的家庭网关模型中 还包括了与专用交换机( p r i v a t eb r a n c he x c h a n g e ，p b x ) 类似的功能以便在家庭 内展开高级的电信服务，还可以接收和路由音频、视频数据和网络游戏。 根据这个定义，家庭网关的应用很多：其中最重要和最多的应用就是家庭 中的多个网络设备能够同时共享一个宽带网络连接；家庭网关的应用不仅仅是高 速i n t e r n e t 的接入，未来将会带来更多的服务内容，譬如混合视频和音频信息流的 2 华中科技大学硕士学位论文 可视电话、其它交互形式的娱乐服务、网络游戏等；家庭网关将执行智能化的路 由算法，把这些信息流分配给电话、数字电视和音响等设备。 1 4 家庭网关的标准 图1 - 1 家庭网关示意图 目前许多公司都开发了自己的家庭网关产品，然而开发出更多复杂的和具有 兼容性的家庭网关，迫切要求制定相应的家庭网关标准。目前这方面比较杰出的 软件标准是o s g i ( o p e n s e r v i c eg a t e w a yi n i t i a t i v e ) 规范。 o s g i 标准实质上是一系列a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) 的集合。 这些a p i 包括核心a p i 和可选a p i ，它们共同构成了o s g i 的网关规范。核心a p i 执行服务传输、从属和周期管理、资源管理以及远程服务管理，所有核心的a p i 由开发人员或o s g i 的技术工作组来完成；可选的a p i 定义了向一个w e bs e r v e r 输出资源的机制、客户机与网关的交互以及数据管理。 值得指出的是o s g i 提供了一种简单的会员制，其中会员指的是所有盈利或 非盈利公司、政府、组织教育机构，或其它支持o s g i 目标的企业。目前已有许 多著名公司成为o s g i 的会员：a m d ，c i s c os y s t e m s ，c o a c t i v en e t w o r k s ，c o m p a q ， d e u t s c h et e l e k o m ，d o m o s y s ，e c h e l o n ，e m w a r e ，e n i k i a ，e r i c s s o n ，f r a n c et e l e c o m ， h e w l e t t - - p a c k a r d ，i b m ，m o t o r o l a ，n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r ，n o k i a ，o r a c l e ，p h i l i p s ， s c h n e i d e re l e c t r i c ，s h a r p ，s i e m e n s ，s o n y ，s tm i c r o e l e c t r o n i c s ，s u nm i c r o s y s t e m s ， s y b a s e ，t o k y oe l e c t r i cp o w e r ，t o s h i b a 等。 1 5 家庭网关功能的最小需求 o s g i 当前正在制订它们称之为服务网关( s e r v i c eg a t e w a y ) 的规范。该规范 所要达到的目的是：具有开放的和独立的平台；最终成为一个标准；具有较高的 独立性和保密性；支持不同类型的家庭网络协议：具有较高的可靠性。 因此对于家庭网关，它应具备： 用户可安装：不需要具备相关专业知识，家庭用户就能够很容易的安装 家庭网关，通常就是将它插入家庭网络和宽带网之间 远程管理：家庭用户能够在生产厂家的技术支持下通过i n t e r n e t 远程对家 庭网关进行配置 家庭网络支持：家庭网关能够支持多种家庭网络协议，例如h o m e p n a 、 h o m e r f 和传统的以太网 防火墙( f i r e w a l l ) 和虚拟专用网( v i r t u a lp r i v a t e n e t w o r k ，v p n ) 功能： 华中科技大学硕士学位论文 家庭网关必须提供安全和保护隐私。通过防火墙保护家庭中的计算机不 受到黑客袭击：通过虚拟专用网在公共网络上提供私有自q 连接 通过浏览器( b r o w s e r ) 控制：所有对家庭网关的控制通过w e bb r o w s e r 做出简单和迅速的改变 支持多种服务：家庭网关必须支持宽带连接所提供的多种服务，诸如数 据、语音和娱乐等 1 6 本课题的研究内容 本文所进行的研究是基于h f c ( h y b r i df i b e rc o a x ) 用户终端产品一综合业 务机顶盒【2 1 ( i n t e g r a t e d s e r v i c es e t t o pb o x ，i s s t b ) 的进一步延伸。相对于此前 双向通信采用电话线回传、协议采用数字视频广播( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ， d v b ) 标准、业务以音视频和单向数据广播为主的i s s t b ，本文所研究的家庭网 关有如下新的特点： 1 ) 双向通信采用内交互方案。此前i s s t b 的双向通信是基于外交互方案而 开发的，限制了它与外部网络的交互性和所能承载业务的多样性。虽然h f c 接入 网的双向改造需要巨额投资，但毕竟是i - i f c 接入网发展的趋势。因此研究基于双 向的i - i f c 接入更具有现实意义 2 ) 成为介于外部宽带接入网络和内部家庭网络之间的集中式智能接口。从本 质上来说，i s s t b 可以看作是家庭中最普及的家用电器一电视的网络接口，它使 电视机除了能够收看到比模拟节目更清晰的数字电视节目外还具备了某些个人电 脑( p e r s o n a lc o m p u t e r ，p c ) 的特征：浏览网页、收发电子邮件等。但是随着家 庭中需要上网的家用电器即信息家电的增多，它们需要进行集中控制并共享同一 个外部宽带连接。因此，当i s s t b 演进到家庭网关，就可以从一个单一的网络接 口设备一跃而成为数字化家庭中的神经中枢 3 ) 硬件平台综合i s s t b 和c m 的特征。i s s t b 的硬件使得它适合于音频、 视频的应用；c m 的硬件使得它专注于数据方面的应用。因此可以将上述两者的 硬件平台综合到家庭网关中，使之具备处理综合数据业务的能力。 4 ) 网络功能增强。家庭网关在硬件上增加了家庭网络接入的接口；软件上提 供路由、防火墙、代理等网络功能，此外对于从宽带通道进入的多媒体数据，还 要提供必需的q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 支持；而i s s t b 作为一个单一的网络接 口设备不具备上述的网络功能 5 ) 应用j a v a 技术使之成为动态可扩展的服务平台。家庭网关的上层软件采 用以j a v a 技术为基础的o s g i 作为服务从广域网传送到局域网的标准，因此它可 以很容易的支持包括现有的和将来的服务。而i s s t b 不具备作为动态可扩展服务 平台的软件基础 本文围绕着上述几个方面对家庭网关进行了全面的研究。家庭网关虽说是新 生事物，但归根到底它是微电子技术、计算机技术、多媒体技术和网络技术发展 华中科技大学硕士学位论文 的必然产物，是这些技术在家庭这样的环境下融合的具体体现。可以预见，未来 的几年中，家庭网关的市场必定蕴含着巨大的商机。 另一方面，家庭网关的表现形式多种多样：在有线电视工业被看作是s t b ； 在计算机工业被看作是用作网关的增强型p c ；在安全和家庭自动化工业被看作是 安装在墙壁里面的特殊设备。本文所要研究的是基于双向h f c 宽带接入、基于嵌 入式系统、支持多种业务的家庭网关。 本文的组织结构如下： 本章对家庭网关的发展背景、定义、应用、功能和标准进行了简要的概 述，并介绍了本课题的相关研究内容和研究对象 第二章介绍h f c 宽带接入技术，并详细讨论了目前在h f c 网络上占主流 地位的、基于i p 技术的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 e s p e c i f i c a t i o n ) 规范及其衍生出来的各项标准 第三章在介绍了家庭网关概念模型的基础上构造具体的家庭网关硬件平 台，并围绕该平台所提供的家庭网络接口详细的讨论了相关的家庭网络 技术 第四章在已有的家庭网关硬件平台的基础上，利用嵌入式l i n u x 构造家庭 网关软件开发平台，并详细讨论家庭网关的各种基本网络功能集成 第五章引入了以j a v a 技术为基础的o s g i 规范，在o s g i 框架实现的基础 上开发了能够完成家庭网关s t b 子系统中s i ( s e r v i c ei n f o r m a t i o n ) 引擎 功能的组件 第六章对课题进行总结和展望 华中科技大学硕士学位论文 2 1 概述 2h f c 宽带接入 有线电视网以其丰富的频带资源被公认为i j j 信息高速公路的最后一公里”。 它由最初的共用天线系统，经过闭路电视系统阶段，过渡到目前的光纤同轴电缆 混合( h f c ) 网络系统。 实践证明，h f c 网络系统是在当今的经济技术环境下，能够为有线电视用户 提供更好传输质量和更高可靠性的传输手段。光缆网起到高速连接的作用，电缆 网起到方便和价格低廉的高速连接作用，两者的有机结合，构成了有线电视网的 基础；其次，数字压缩技术和高效数字调制技术在h f c 网络上的应用，大大拓展 了c a t v 的频道容量和多功能服务的能力，例如在一个常规模拟电视频道中可以 传输8 至l o 套压缩的数字电视节目使得有线电视网络具备了开展3 0 0 4 0 0 套数字 电视节目和开展诸如视频点播( v i d e o o n d e m a n d ，v o d ) 等高级视频业务的能力； 此外对只具备单向传输能力的h f c 进行双向改造，还可以实现在有线电视网络中 传数据、话音和i n t e m e t 接入等交互式业务服务。 2 2f i f c 网络结构及频谱安排 光节点 图2 - 1h f c 网络结构 h f c 采用光纤到小区( f i b e rt ot h ez o n e ，f t t z ) 的拓扑结构：前端( h e a d e n d ，h e ) 到光节点( o p t i c a ln e t w o r ku n i t ，o n u ) 之间采用光纤传输，在光节 点和用户之间采用同轴电缆入户。一个光节点可以连接一个以上的服务区，一般 情况下可以连接扣8 个服务区，一个服务区的用户一般为5 0 0 户，则一个光节点 可以覆盖2 0 0 0 - - 4 0 0 0 户。光节点具有双向传输功能，和前端的光发射接收设备构 成光纤双向链路。光节点和用户之间的配线网仍然采用树形分支的同轴电缆结构。 6 华中科技大学硕士学位论文 在h f c 网络中，频谱安排如图2 - 2 所示。 图2 - 2h f c 频谱安排 h f c 网络仍采用副载波多路( s u bc a r r i e rm u l t i p l e x i n g ，s c m ) ，即频分复用 的方式，各图像数据、语音信号同时在链路中传输。 上行信道安排在5 - - 4 2m h z ，有接近4 0m h z 的带宽，还可以扩展到4 8m t - i z ： 5 - 8m h z 传输状态监视信息，8 1 2g i - i z 传输v o d 信令，1 5 - - 4 2m h z 传输电话或 数据。上行信道的调制方式有q p s k 、d w m t ( d i s c r e t ew a v e l e tm u l f i t o n e ) 、 s c d m a ( s y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 等。目前已经开始应用抗 干扰性更强的正交频分复用( o f d m ) 方式。 下行信道安排在4 5 7 5 0m h z 。其中4 5 5 5 0m h z 频段用来传输现有的模拟有 线电视信号。对于我国的p a l - d 制式电视信号，每路电视节目信号占8 m h z 带宽， 因此该频段可传输约6 0 路模拟的有线电视信号。5 5 0 - - - 7 5 0m h z 频段用来传输附加 的模拟c a t v 信号或数字视频信号，如v o d 、视频会议( v i d e oc o n f e r e n c e ) 等。 如果采用6 4q a m 调制方式和4m b p s 的m p e g 2 的视频信号，则每一个乒8m h z 的模拟通道内可以传输6 , - - 8 路的4m b p s 速率的m p e g 2 的视频信号，因此在这 2 0 0m h z 的带宽通道内可传2 0 0 路v o d 信号，也可以用这部分频带来传输电话、 数据和多媒体信息。在8 0 0 1 0 0 0m h z 的频段可作为上行信道也可作为下行信道， 用于未来发展。 2 3h f c 网络的特性 在传统的有线电视网络中，服务提供者通过电缆网络发送模拟电视节目给用 户，由于信号经过电缆网络时产生衰减，c a t v 网络中必须安装放大器。在传统 的c a t v 网络中信号的传输是单向的，不存在上行信道，放大器只具有单向放大 的能力。为了提供上行信道，放大器需具有双向放大的能力，使用户能够上行传 输信号；还需利用多路访问技术，以使一个分支中的所有用户共享上行带宽。h f c 网络具有下列特征1 4 1 ： 下行为点到多点的传输，上行为多点到点的传输：下行方向为点到多点 的树型分支结构；而上行方向为多点到点的结构，类似总线结构的共享 接入。由于上行方向存在碰撞，因此上行信道需要有效的方案来避免和 解决碰撞 7 华中科技大学硕士学位论文 h f c 网络用户终端设备不能侦听到碰撞：与以太网不同，h f c 网络中的 c m 只能侦听到下行方向的信号传输，不能侦听到上行方向的信号传输。 因此，上行传输的最终结果需要前端通知c m 传输延时大：h f c 网络的最大往返延时r t d ( r o u n d t r a n s m i s s i o nd e l a y ) 比以太网大的多，因此在发送数据帧的r t d 期间，应利用这段时间发送 其它数据，而在以太网络中，在r t d 期间不发送其它数据帧。而且，为 了抵消传输延时的效果，以使用户端设备与前端同步，在m a c ( m e d i u m a c c e s sc o n 订0 1 ) 协议中需利用测距( r a n g i n g ) 的方法以测量传输延时 上、下行信道不对称：下行信道的速率比上行信道速率大很多 用户分布不均匀：大多数用户分布在网络的最后几公里处，其到前端的 传输延时彼此很接近，需采用适当的接入技术以防止产生连续的碰撞 2 4 基于d o c s i s 协议的h f c 网络 目前在h f c 网上传输数据的主流标准为d o c s i s ，它是由业界主要厂商组成 的论坛m c n s ( m u l t i m e d i a c a b l e n e t w o r k s y s t e m ) 负责提出的。其目的是迅速的 生成标准以使不同c m 生产商的产品之间能够互操作。 另外不同时期构建的h f c 网络在性能上有所不同：早期建设的网络不具有上 行回传的能力，如要实施双向传输需进行改造。对单向和双向的电缆网络，d o c s i s 均提出了完整的实现方案。本文所关注的仅是双向h f c 网络。 2 4 1d o c s i s1 0 规范 1 9 9 7 年3 月，m c n s 向工业界公布了d o c s i s1 o 【5j 规范。它主要定义了如下 几个部分：c m 和用户端设备( c u s t o m e r p r e m i s e s e q u i p m e n t ，c p e ) 的接口( c m c i ) ， c m 终端系统( c a b l em o d e mt e r m i n a t i o ns y s t e m ，c m t s ) 和网络端接口 ( c m t s - n s i ) ，操作支持系统接口( o p e r a t i o n ss u p p o r ts y s t e mi n t e r f a c e ) 和c m 的电话回传接口( c a b l e m o d e m t e l c o r e t u r n i n t e r f a c e ) ，其中c m c i 定义为标准的 1 0 b a s e t 以太接口，而c m s t - n s i 定义为1 0 b a s e t 、1 0 0 b a s e t 、f d d i 以及1 5 5m b p s 的a t m 接口，最重要的是d o c s i s 还定义了h f c 网络的物理层和m a c 层以及 安全。 d o c s i s 最主要的特点就是尽量的选用现有的标准：如物理层下行选用现有 m p e g 时分复用，数据链路层选用i e e e8 0 2 2 ，网络层选用i p ，传输层选用 t c p 肘d p ；上行选用时分复用接入并使用微槽( m i n i s l o t ) ，媒体接入控制和控制 信息是自定义的d o c s i sm a c 和d o c s i s 控制信息。 d o c s i s 的协议栈如图2 3 所示，其中m c n s 主要定义了物理层和数据链路 层的规范。 华中科技大学硕士学位论文 0 s id o c s i s 应用层应用层 d o c s i s 传输层 t c pc o n t r o l m e s s a g e基于仲e g 一2 的 应用 网络层i p 逻辑链路子层 数据链路层链路安全子层 d o c s i sm a c 子层 物理媒体依赖子层 传输会聚子层( d o w n s t r e a m ) 物理层 ( u p s t r e a m ) 物理媒体依赖子层 ( d o w n s t r e a m ) 图2 - 3d o c s i s 协议栈 d o c s i s 的物理层分为p h y 子层和t c ( t r a n s m i s s i o nc o n v e r g e ) 子层。卧w 子层定义了网络中物理设备的电气特性、上下行信道的调制方式，信号处理方式 等：上行信道的频率范围为5 4 2m h z ，调制方式为q p s k 和1 6o a m ，上行码速 率可以为1 6 0 、3 2 0 、6 4 0 、1 2 8 0 和2 5 6 0 k s s e c 。t c 子层只有下行信道才有，在下 行信道设置t c 子层的目的是为了提高灵活性，以便利用公共的接收硬件来接收 数据、视频以及将来可能出现的其它类型数据。 m a c 子层协议定义了多个用户如何共享信道。该层定义了上行和下行信道 m a c 帧格式，定义了由c m t s 控制的上行信道的带宽分配机制( 基于竞争和基 于预约的上行信道访问方式) 以及对服务类型( c l a s so f s e r v i c e s ，c o s ) 的支持等。 图2 4 为m a c 帧格式，它由m a c 头、数据p d u ( p r o t o c o ld a t a u n i t ) 、再加上物 理层附加位( u p s t r e a m ) 或m p e g 头( d o w n s t r e a m ) 组成。m a c 头唯一地标识 了m a c 帧的类型。 图2 - 4m c n s 的m a c 帧结构 m a c 帧有两大类：一类是m a c 管理报文，用来传输各种m a c 管理信息， 包括同步( s y n c ) 、上行信道描述( u c d ) 、上行信道带宽映射( m a p ) 、校准请 9 华中科技大学硕士学位论文 求( r n g r e q ) 、校准响应( r n o r s p ) 、注册请求( r e g r e q ) 、注册响应 ( r e g r s p ) 、上行信道改变请求( u c c r e q ) 、上行信道改变响应( u c c r s p ) 等；另一类是传输用户数据的m a c 报文，该类m a c 帧可以传输可变长度的分组、 a t m 分组等。 2 4 2d o c s i sll 规范 1 9 9 9 年7 月，m c n s 发布了d o c s i s1 1 【5 1 1 6 1 ，它与d o c s i s l 0 后向兼容，并 进行了一系列的改进：增强的安全性、帐务管理、增强的网络操作支持，最主要 特征是支持一定的q o s ，使得h f c 网络从基于i p 的以“尽力而为( b e s t e f f o r t ， b e ) ”的分组传输延伸到实时数据传输。 在媒体接入控制层，d o c s i s1 1 对d o c s i s1 0 的m a c 协议做了进一步的定 义，从而能在共享电缆媒体上实施更复杂的访问方式。d o c s i s1 i 包括下列改进： 数据包根据内容分类为不同的服务流。因此，每个应用都可以被映射到 唯一的服务流 利用多种定义的调度机制中的某一机制( 包括持续比特速率) 和实时及 非实时轮询对网络访问( 上行和下行) 进行调度 通过管理可以对服务流进行配置，或动态地根据应用的启动和停止创建 服务流和删除服务流 为使低时延服务可以在低带宽上游通道中运行，对大型包进行分段 这些特性实现了对来自一个c m 的多路数据流的支持，并可以为每个流保证 基于具体应用的q o s 。 但是d o c s i s i 1 仅提供了第二层的q o s 支持，例如m a c 调度。从整个网络 来看，i - i f c 网络只是充当端到端连接中的网络接入部分，第二层的q o s 仅适合于 当终端系统处于紧耦合的情况下( 端到端的网络路径不经过除h f c 网络以外的网 络) ，因此有必要将局部定义的d o c s i sq o s 机制同广域网采用的i pq o s 机制( 例 如r s v p 、d i 妇 s e r v ) 结合起来，从而保证端到端的q o s 。 具体来说在h f c 接入网中采取资源预留协议( r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o l ， r s v p ) 机制以允许端到端网络中的任一c m 通过信令通知c m t s 为指定的流分 配所需的上行带宽以获得i - i f c 网络中所需的q o s ；在主干网络上采取区分服务 ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ，d i f f s e r r ) 机制以保证网络其余部分的q o s 。实践证明， 这种结合在最大限度利用现有设备的基础上能够满足多媒体应用较高的q o s 需 要。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 2 4 _ 3d o c s i s2 0 规范 2 0 0 1 年9 月，c a b l e l a b s 对含有一种能大幅提高h f c 网络上行带宽从而提高 用户通过c m 上网速率的技术的d o c s i s 新版本进行鉴定，此新版本被命名为 d o c s i s2 0 17 1 。 d o c s i s2 0利用a t d m a( a d v a n c e d t d m a )与s c d m a ( s y n c h r o n o u s 。c d m a ) 这两种技术来获得高速度。它的突出优点是：采用1 2 8 q h m 的高级物理层技术s c d m a 调制，上行速率比d o c s i sq p s k 至少高出6 倍，可高达3 0m b p s ；通过提高对有线网络上的噪声和侵入干扰的抵抗性能，使 系统运行环境更加可靠，并且与原有标准d o c s i s1 0 1 1 的c m t s 及c m 均兼容。 需要说明一点，目前市场上有一种基于s - c d m a 调制方式的c m 系统，它与 d o c s i s2 0 并没有直接关系，只不过d o c s i s2 0 标准中的调制方式与这种 s c d m a 的调制方式有相同点而已。 2 4 4 e u r o d o c s i s 规范 d o c s i s 标准主要针对北美市场，其下行带宽为6m h z ，上行为5 4 2m h z ， 对采用n t s c 模拟电视广播制式的国家是适用的。为了占领采用p a l 制式国家的 市场，1 9 9 9 年c a b l e l a b s 又定义了e u r o d o c s i s t s j 标准。该标准采用d v b c 标准 作为下行物理层标准，上行频率范围为5 6 5m h z 。其余与d o c s i s 完全一样。 e u r o d o c s i s 与d o c s i s 最大的差别在于e l l r o d o c s i s 支持d v b ，因此多媒 体支持功能较现行的d o c s i s1 0 、1 1 强。e u r o d o c s i s 可以支持数字s t b 、网络 视频等应用，功能与北美的d o c s i s 有所不同，对芯片组的物理层、高频头( t u n e r ) 的要求也与北美的d o c s i s 不同。 2 4 5p a c k e t c a b l e 标准