（电路与系统专业论文）嵌入式adsl网关物理层技术的研究与实现.pdf

硕士学位论文 ma s p e r s i i i g s i s 和无线访问点( a p ) 天线， 提供了 灵活方便的组网方式， 可以 广泛应用于家庭， 小型办公室的接入， 如p c机、笔记本、打印设备的互联。在软件上，考虑到 l i n u x 源代码的开放性和免费性，我们采用根据硬件结构来定制内核的方法， 整合了必要的驱动模块来作网关的操作系统， 不仅完成对a d s l 接入模块、 以 太网模块以及无线局域网 ( wl a n )无线接入点a p 模块的驱动，还提供 叫 d h c p ( 动态主机i p 地址分配协议) ，s n mp( 简单网络管理协议)以及 i p防火 墙 ( 主要是 i p 地址过滤)等应用功能。万 关键词: a d s l d m t离散多音频 t c m 网 格编码调制 欧氏 距离 f f t / i f f t at m p p p s oho 袂 硕士学位论文 m a s t g r s t i i bis abs t r a c t a d s l ( a s y m m e t r i c d i g i t a l s u b s c r i b e r l i n e ) i s a b r o a d b a n d a c c e s s t e c h n o l o g y c a p a b l e o f d e l i v e r i n g l a r g e b a n d w i d t h o v e r e x i s t i n g c o p p e r t e l e p h o n e l i n e i n f r a s t r u c t u r e . a s y m m e t r ic d i g i t a l s u b s c r i b e r l i n e c a n s u p p l y t h e n e c e s s a r y b a n d w i d t h f o r a p p l ic a t i o n s s u c h a s f a s t a c c e s s t o t h e i n t e rn e t , v i d e o c o n f e r e n c i n g , i n t e r a c t i v e m u l t i m e d i a , a n d v i d e o o n - d e m a n d . t h i s t e c h n o lo g y i s d e s i g n e d to s o l v e t h e mo s t s e v e r e b o t t l e n e c k i n t h e d a t a a c c e s s n e t wo r k b e t we e n t h e ce n t r a l of f i c e a n d t h e c u s t o m e r , o r e n d - u s e r . a d s l i s a n e w m o d e m t e c h n o l o g y ( t h e b a n d w i d t h i s f r o m 2 5 . 8 7 5 k t o 1 .1 mh z ) t h a t c o n v e r t s e x i s t i n g c o p p e r t e l e p h o n e l i n e s i n t o a c c e s s p a t h s f o r m u l t i m e d i a a n d h i g h s p e e d d a t a c o m m u n i c a t i o n s , a n d m a i n t a i n s t h e r e g u l a r t e l e p h o n e v o i c e s e r v i c e s . a d s l p r o v i d e s d a t a r a t e s t h a t e x p a n d t h e b e s t e x i s t i n g a c c e s s c a p a c i t y ( i s d n ) b y a f a c t o r o f 6 0 o r m o r e , a n d t h e b e s t e x i s t i n g c o m m o n a n a l o g a c c e s s c a p a c i t y ( v .3 4 m o d e m s ) b y a f a c t o r o f 3 0 0 , w i t h o u t r e q u i r i n g a n y n e w c a b l i n g . a d s l c a n p r a c t i c a l l y t r a n s f o r m t h e e x i s t i n g p u b l i c i n f o r m a t i o n n e t w o r k f r o m o n e l i m i t e d t o v o i c e , t e x t a n d l o w r e s o l u t i o n g r a p h i c s t o a p o w e r f u l , u b i q u i t o u s s y s t e m c a p a b l e o f c a r ryi n g m u l t i m e d i a , i n c l u d i n g f u l l m o t i o n v i d e o , to e v e r y o n e s h o m e . wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f v l s i a n d d s p t e c h n o l o g y , d s l i s g e t t i n g m o r e a n d m o r e m a t u r e . a d s l i m p l e m e n t a i d , d i a c o n v e r s i o n , d m t a ; k b n e c ; a n m b n i 它通常可以由最小归零序列与全零序列的欧氏距离计算得出。 编码的目的 是为了使这个平方自由距离最大。 网格编码调制的通过一种特殊的信号映射可变成卷积码的形式。这种映 射的原理是将调制信号集分割成子集， 是的子集内的信号间具有更大的空间距 离 ， 用 编 码 效 率 为k / ( k 十 1 ) 的 卷 积 码 选 择子 集 ， 用 其 余 位 选 择 子 集中 的 点 。 在 d s l 数字用户环路中 用1 6 状态的4 维网格编码的编码器结构如图2 .7 所示: 硕士学位论文 w1 s i m s t i t o m s 认，- w y -1 uz - 1wy - 2 做vz，-vvz，-v u z ， 一 ， + 3 u z ， 一 + 2 uz - v + l 认肋让ui 图2 .7 1 6 状态4 维网格编码器结构 其中卷积编码部分如图2 . 8 所示: : 一 图2 .8卷积编码器结构 图2 .7 中每两个子带抽取的 位数z一 x 十 y 一 1 ( x 为第一个子带所带的 位 数 ， y 为 第 二 个 子 带 所 带 的 位 数 ) 。 权 , , u ; _ z , ， 二 “ : 为 原 码 ， 输 出 的 是 经 过 卷 积 以 及 异 或 以 后 的 编 码 ， 为 两 个 二 进 制 码 字 ， 即 认 _， ，v ._y _1， .v , v和 l- y - 1 k r - 2 i. . . m r - o ， 这 两 个 二 进 制 码 字 将 映 射 成 两 个 星 座 点 。 编 码 算 法 使 星 座点 的 两 个 最 低 位 决 定 星 座点 的 二 维 陪 集 c i lv , v o h p h i x o 实 际 上 是 这 个 上标的二进制表示。对于一帧中最后两个码字，为了使卷积编码状态 s 3 , s 2 , s i , s o 回 到 零 状 态， 让 编 码 前 的 码 字 的1u 1 , u2 卜(0 ,0 ) ，则 最 后 两 对 子 带 抽 取的 位数: 一 x 十 y 一 3 。 这样编码得出的 信号有两个基本特征 1 8 1 . ( 1 ) 星座图中所用的信号点数大于未编码同种调制所需的点数 ( 扩大了一 倍) ，这些附加的信号点为纠错编码提供冗余度。 ( 2 ) 采用卷积码在相继的信号点之间引入某种依赖性， 因而只有某些信号点 序列才是允许出现的， 这些允许的信号序列可以 模型化为网络结构。 可 用网格图来表述。 在接收端对接收序列进行维特比译码 1 9 1 ，即最大似然译码，可以用网格 图求最相似的路径来描述这种算法，它依赖于有限状态的马尔可夫系统的描 述，包括状态变迁以及状态变迁的输出码字。在四维t c m编码的基础上，解 码时要对一对一对的数据进行解码， 计算码距时也是以四维空间的欧氏距离为 标准，取最相似的一条路径。对于长度为l +m的网格路径 ( l为信息序列的 长 度， m表示 后缀为m个。 向 量) ， 接收 序列为r 一 ( r o ， r 1 ， . . . r a . m - 1 ) 。 所 有的网 格 路 径在 零时 刻发 散 于同 一 个 初 始 状 态， 收 敛于 第j 时 刻 ( j = l + m ) 的同 一 个 最后一状态。 在理想状况下， 对于一个存储量无限度的通道， 可以将所有可能 的 路 径 肠 (n 一 (x (b ， (n ， , (n . _ ; , 都 记 录 下 来 ， 然 后 选 择 其 中 对 数 似 然 函 数 值 最 大的作为译码结果。 对数似然函数是将接受序列判定为某条路径的序列的条件概率的对数: 即 对p ( r . / x 犷 ) i 取 对 数 ，d ( r , , x t ) 一 l o g p r p x ll， 它 将 随 着 接 收 序 列 与 估计路径的序列的欧氏距离的减小而增大。 整个序列的对数似然函数为我们要 找的目 标函数，可以表示为每一步译码的对数似然函数之和。 l.- l a (i ， x m 一 乏 d (r,x ) ， 硕士学位论文 ma s t e r s i i i e s s 这里的对数似然函数取最大值实际上是接收的码序列与估计路径的码之 间的距离取最小值， 是基于欧氏空间距离来计算的。 在这里维特比译码算法的 核心是回退的观点， 采用动态规划法存储数据， 如果对每条可能的路径进行存 储的话， 随着译码深度的增加， 存储量将成4 的指数增长， 这在现实条件下是 不可能的。因为每个节点都有四个分支 ( 二输入十六状态的网格图) ，因此我 们 对于j 时 刻到 达的 某一 状 态a ; ( i 二 t 2 - 二 ， s 一 1 ) ， 进行 加 一比一 选操 作， 即 将 所 有 可能 前 一 时 刻 的 状 态的 最 大 似 然 函 数a j - ; ( 6 p ) 与 当 前 接收 的 序 列 和 前 一 状态到当前 状态的 估计 码的 似然度相加， 选择其中 最大的作为j 时 刻i 状 态的 最 大 似 然 函 数 值 ， 并 在 幸 存 序 列x ; ( 6 ; ) 在 原 来 的 基 础 上 加 上 这 条 最 优 的 路 径 u 6 p - 6 小 这 样 给 出 的 算 法 可 以 表 述 为 : 变量/ 存储: s 状态数( d s l为1 6 ) ; t 一每一状态的分支数( 4 ) ; j 时 刻 编 号 ， 即 第j 时 刻 : 毛 ( b ; ) , ( 0 s i s s 一 1 ) 在j 时 刻6 状 态 的 幸 存 序 列 ;人( 6 ; ) , ( 0 5 i 5 s 一 1 ) 在j 时 刻 6 状 态 的 累 计 最大似然函数值。 初始化: j = 0 ; x.(6:). n u l l , ( 0 i s 一 1 ) ; a . ( 0 ) 二 0,a.(6,) 00 , i o 0 ; 循环: f o r j = 1 t o m + l f o r i .o t 0 s一1 / 从第一时刻开始到 l +m时刻 刀 遍历每个状态 f o r p = 1 t o t / 试 探 从第 一分 支到第四 分 支 计 算a , ( 6 ; ) 一 a ， 一 : ( 6 p ) + d r . , x ( b , .5 0 1 s t o r e m a x i m u m in a , ( 6 ; ) / ;ff 储1 t o t 路 径 中 的 最 大 值 u p d a t e s u rv i v o r : 兄( 6 i )一 ( x - 1 ( 6 p ) , u 6 p 6 i j )/ 存 储 第i 硕士学位论文 6 1 a s i c r s i f f r s i s 时 刻s ， 状态的幸存路径 输出: e n d ; 在l + m时 刻 全零 状 态的 估 计 码序列瓦 - l + m 必 。 ) 。 则此最大似然估计译码序列进行相应的解码操作还原为原来的信息。 2 . 2 . 7 d m 丁 调制解调 a d s l 最主要的特点就是可以在现有电话线上传输高速数字信号， 高效 利用话音频率以上的频带 ( 4 k - 1 . 1 mh z )来调制高速数字信号，按照 f = 4 .3 1 2 5 k h z 分割成一个个的子带， 由于f 刚好是音频的宽度， 故命名为离 散多音频，d m t调制是基于离散傅立叶变换对并行数据进行调制解调的。 随着超大规模集成电路 ( v l s i )和数字信号处理 d s p )技术的不断进步， 用f f t实现实时d mt调制己付诸使用。d mt收发器将输入的比特流转化 为n个子信号波形的叠加而成为一个d mt符号， n个子信号又是n个调制 在相互正交的子带上的q a m符号， n个子带分别以f i ( i = 0 , 1 . . . n )为中心 频率。 在d m t数字收发器中，要发送的信息经过一系列的数字信号处理，通 过i f f t变换，将频域信号变成时域信号，经过d / a变换成模拟信号在电话 线上传输，而接收信号时则将电 话线上的模拟信号经a i d变换成数字信号， 再由f f t 变换为各频域信号， 经过一系列数字信号处理， 还原成原来的数据。 其中f f t变换和其反变换是由高速d s p模块来完成的，有不同的厂家提供 进行f f t变换运算的d s p芯片，这种专用的芯片在制造时，其内部结构就 已 经符合这些算法的流程，只需按要求输入数据即可， 无需额外的编程。在 a d s l 的数字收发器中， 采用分裂基 ( 基4 ) 12 0 1 算法，以 获得快速运算效果， 每秒可以处理4 k个数据d m t符号。 卷积编码处理完毕的序列可以直接送到数字信号处理器中作快速傅立 叶逆变换 i d f t 2 i 1 2 2 变换成串 行数据了。每个子带 i 的二进制码字可以映射 成星 座图 上的 复数点( z 一 a 十 燕) ， 为了 使输出 信号 为实 信号， 频域上的 硕士学位论文 n 1 a s t b r s t i i g as 子带i 的复数值( i z n , n 二 n/ 2 ) 为 z : 一 o n ! ( z n - i ) ， ( i 、 n, n 一 n/ 2 ) 即取共扼复数，这样经过离散傅立叶逆变换，得到时域信号: n- 1 x互 z i e x p (2 n n il n ) fo r n = o 一 n 此信号经过并/ 串变换， 再通过a / d变换， 变成模拟信号送到线路上进行传输。 硕士学位论文 ma s t e r s l 1 i i s j 第四章 a d s l 协议栈 前两章中我们主要研究了a d s l接入网系统结构， 以及a d s l 物理层的技 术规范并结合 i a d t对 a d s l做了测试和分析。在这一章中我们要深入阐述 a d s l接入网中的高层协议。a d s l接入网的协议构架大体上为 t c p / i p o v e r p p p o v e r a t m o v e r a d s l , a t m是下一代网 络的先锋技术，己 经成为宽带骨 干网络的联网标准。 a t m 是面向 连接的，信元交换技术，可以提供对各种信 息传输的服务支持， 如声音、 视频、 数据等的传输。 t c p / i p 是互联网中既成事 实的标准，在传输层中有t c p , u d p 两种协议，网络层中为i p 协议，t c p / i p 协议族被证明是灵活的，与底层无关的为现代通信网络提供了强有力的基础， 可以连接许多异种网络，成为国际互连网的互连的标准。另外我们还探讨了 p p p 协议，它们逐渐成为a d s l接入网的工业标准。 这样a d s l 网 关的协议栈可以 表述为: 一 一 一一 一 一 一 p p p o v e r a t m 一 . 一 一 ， 一 目一卜 a d s l网关 ds l am 图4 . 1 a d s l 网关的协议栈 服务提供商 4 . 1 a t m 协议 a t m技术在8 0 年代和9 0 年代初有了 很大发展， 预计在未来的宽带骨干网 和宽带接入网中也将占据非常重要的地位。 a t m 是一种面向连接的技术，因 为它允许在通信的双方主机之间建立一条虚电路或一种类似电 路交换的网络。 它同时还是一种基于信元交换的网络互联技术，因为a t m将要传输的包分割 硕士学位论文 n 1 a s f e w st i i g is i s 成同样大小的段 ( 5 3 字节) ，这大大简化了交换和复用的实现，为了把固定长 度的包和在其他网络上传输的可变长度的包区分开来，我们把a t m传输的包 称为信元。 4 . 1 . 1 a t m 基本特征 在这一部分， 我们来看看a t m的一些基本特征， 为什么a t m会称为高速 互联网技术中一种重要的灵活通用的技术。 . a t m信元 a t m的p d u为固定长度 ( 5 3 字节) ，称为信元，前面的5 字节为a t m信 元头标，后面的4 8 字节为用户数据。 其结构12 5 如下图所示: gf cvp i vpivci vci v c i p t c l p i 正c 信息域 vpi v p iv c i vci v c i。 c l p hec 信息域 ( a )用户网 络接口( b ) 网 络 节点 接口 g f c : g e n e r i c f l o w c o n t r o l 一般流量控制 v p i : v i r t u a l p a t h i d e n t i f i e r 虚通路标识符 v c i : v i r t u a l c h a n n e l i d e n t i f i e r虚信道标识符 p t : p a y l o a d t y p e 信息 类型 c l p : c e l l l o s s p r i o r i t y信元丢失优先级 h e c : h e a d e r e r r o r c o n t r o l 首标差错控制 使用长度短小固定的信元的好处是可以简化设计， 不管是硬件设计还是软 件设计，都可以简化其处理过程。 a t m 还根据不同的网络业务来确定服务类 型，为不同的类型提供相应的q o s o 4 . 2 t c p / i p 协议族 在仔细探讨传输控制协议和网络层协议的实现之前， 我们先来看看t c p / i p 2 8 硕士学位论文 6 1 a s 7 c r s f 1 1 l s i s 协议族2 6 o t c p / i p 协议族中主要的 有传输控制协议t c p 、 用户数据报协议u d p 以及网络层协议 i p o t c 即p协议被证明是灵活的，与底层无关的协议，为现 代网络通信提供了强有力的基础， 可以连接多种异种网络， 成为国际互联网的 标准。 4 . 2 . 1 传输控制协议 ( t c p ) t c p协议是整个t c p / i p协议体系的中心， 它的任务是为端到端的 连接提 供可靠的经济的数据传输。我们知道，网络层是通信子网的一部分， 通常是由 网络运营商所经营的，网络层一般是提供尽力传输服务，并不负责数据包丢失 和出错等的处理， 因此传输层需要解决由网络层不可靠带来的这些问 题。 当然， 如果网络层是理想的， 非常可靠的， 那么传输层可以大大简化甚至是不需要的。 传输层就是要在不可靠的网络上提供可靠的数据传输服务。 t c p的一个重要特 征是将流量控制、拥塞控制和超时重传机制集于一身，这也使 t c p保证可靠 的有序的传输字节流。 在传输流数据时， t c p 发送字节流， 每个字节对应一个 序号。 t c p 将字节流组成段传给网络层进行传输。 t c p 是一个全双工的协议， 意味着t c p 连接有双向的字节流动， 另外，t c p 支持复用和解复用的机制， 允许多个程序同时与对等通信实体在单一的连接上 同时进行通信。 t c p通过在接收端发送确认包来提供端到端的面向 连接的传 输，在接收端发送a c k到发送端表示成功的发送了一个数据包。 t c p 发送端 发送一个包以后还启动一个计时器， 如果在给定时间内没有收到确认包， 便认 为是包丢失， 要求发送端重传。 一般的， t c p 采用滑动窗口 机制而不是发送一 个单一的包等待确认，它允许 t c p在收到确认包之前持续发送，它维持着发 送窗口， 接收窗口和拥塞窗口的大小。 由接收端在每个包中指定当前窗口大小。 窗口的大小就是发送端可以在受到确认包之前可以持续发送的字节个数。 初始 窗口大小是在建立连接的时候创建的， 在数据传输的时候要提供拥塞控制和流 量控制，开始发送方的初始窗口大小为一个段字节大小，然后呈指数增长，直 到到达一个门限值x( 初始化为接收窗口 的大小) ， 如果发送超时( 可能是因为 发送的段还未到达或者丢失) 则发送窗口大小又下降到一个段大小， 由于t c p 认为发生了超时就是表明有拥塞的发生，门限窗口下降到接收窗口大小的一 半。当发送窗口由指数增长到新的门限值 ( x 2) 时， 超过这个门限值以后在拥 2 9 硕士学位论文 n 1 a s f e r s i 川二 s i s 塞避免阶段呈线性增长【2 刀 。 4 . 2 . 2 用户数据报协议( u d p ) 用户数据报协议与t c p 相比 就简单多了， 主要是实现在单一连接上多个应 用程序与对等层进行多进程通信的复用和解复用。虽然 u d p不提供流量控制 和可靠的有序传输，它可以通过对传输数据的校验和来保证报文的准确性。 u d p 在数据头部计算消息体的 校验和， 另外一个被称为伪头标的头标中包含信 息长度，源i p 地址和目的i p 地址，这样 u d p 在不需要可靠的t c p 传输的时 候可以 成为数据传输层的传输协议， 在这种情况下， 一般高层协议会提供差错 控制和流量控制。 一些实时应用程序不需要重传机制， 或重传机制不易实现的 j清况下可以使用 u d p 协议。 4 . 2 . 3 i p 协议 i p 协议是第三层 ( 网络层) 协议主要包括能够让数据包能够在网络中寻 找 路由的一些地址信息和路由控制信息。i p协议是互联网协议族中的关键协议， 它主要完成两个任务: 在互联网上提供无连接的尽力传输服务 提供在不同数据链路层中以不同m w 大小的分段和重组。 对于尽力传输服务，意味着所有的传输业务都被公平的对待，并被尽力传 输， 然而， i p 协议并不保证数据包是否到达目的端，也不关心它是怎样到达目 的端的。 现在由于一些新技术的应用要求i p 协议也能提供q o s 保障，因此对 i p 协议有进一步的改进，如实时音频/ 视频的应用。 4 . 3 a t m o v e r a d s l 在上面的章节我们了解了a t m和t c 即p 协议族， 现在我们将深入讨论这 些协议在a d s l上的应用。 4 . 3 . 1 a t m 的优点 a t m是一种较为成熟的传输技术， 广泛应用于集成的语音、 视频、 数据业 务接入本地望和广域网，并提供相对不同数据业务的 q o s支持。我们知道骨 干网的建设往往更得到人们的重视， 但是即使骨干网络的带宽再宽， 到用户的 3 0 硕士学位论文 n i a s f e w s川r s i s ，竺，竺三吮，叫甘， 接入网络速率跟不上， 则对于骨干网络的资源来说也是浪费， 而a d s l的提出 解决了这一用户接入宽带网络的问题. a d s l可以在现有铜线上传输多m比特 的业务，连接家庭和小型办公室 ( s o h o)上网。将 a t m和 a d s l两种技术 集成在一起， 是一种有效的互补手段， 成为s o h o连接高速， 端到端上网的首 选方案。 a t m作为骨干网接口， 可以将 a d s l接入网与a t m骨干网无缝的连 接起来。这样为s o h o用户提供了宽带接入互联网的环境。 a t m o v e r a d s l 为远端用户与任何a t m网络节点高速连接， 包括a t m骨干网、 企业网、 其它 服务器实体如防火墙、 互联网内容缓冲服务器或视频服务器。 这同时也提高了 互联网服务的性能，使网络负载均衡。 另外使用a t m作a d s l 接入网的第二层协议还有如下优点12 8 1 12 9 1 . 1 .协议透明 性: 使 接入网 络独立于网 络层协议 ( 如i p 协议、 i p x . a p p l e t a l k 等) 。 2 .支持多种 q o s类型:a t m根据用户级别和应用程序类型为网络运营商提 供不同的 q o s , a t m 使用固定的短小的信元大小，保证了较短的时延， 可以对通道进行统计复用，且更好的实现了高层数据单元的调度和队列机 制。 3 . a t m带宽利用的灵活性: a t m对带宽利用的灵活性可适应d s l技术的速 率自 适应性，从而可以高效利用铜线环路的带宽。 4 . 可以适应 d s l技术的发展:a t m 与物理层技术无关，使用 a t m 可以为 d s l技术的发展铺平道路，如 v d s l . 5 .简化了网络管理:从网络管理的角度来看，将 a t m 应用于用户接入网有 另一个好处，由于 a t m 的面向连接特性，对于现代交换网所需的计费、 安全、 维护以及操作都可以支持并且可以根据所提供的端到端的q o s 类型 来对网络进行计费。 4 . 3 . 2 a t m o v e r a d s l的接入网系统 a t m o v e r a d s l 接入网系统将a t m接口与新用户综合数据接入业务连接 起来了， 同时还保持着与一些旧的传统的接口( 如p o t s , i s d n和模拟电视等) 。 换句话说，就是用户接口 设备 ( 多数情况下是a d s l 调制解调器) 必须包含一 个 a t m 接口到用户网关 ( r g ) 。用户网关除了要再单一数据流中复用交互的 3 1 硕士学位论文 a 4 .a s - f c r s f 1 i h s i s ( 实时虚电路)和非交互的 ( 非实时虚电路)的应用，还要实现必要的透明的 控制功能。 在接入网的另一端即局端设备 ( a t u - c 和d s l a m) 包括服务接入 部分 ( s a )和传输接入部分 ( t a ) ， 通过a t m交换机分别提供了与服务提供 商的a t m本地网 接口以及网络运营商的a t m传输广域网接口。 这也使a t m 成为跨所有平台 所有协议的公共层， 提供了 统一的端到端的q o s 管理。 典型的a d s l传输a t m数据支持两种数据帧服务，根据异步复用数据传 输通道的不同， 分为快速通道数据和交织通道数据。 快速通道有较低的数据延 迟 ( 小于 2 m s ) ，一般应用于实时交互式应用。而交织通道有更大的传输延迟 ( l o in s )但更低的误码率。 4 . 4 在a t m上实现下 c p / i p 我们知道互联网协议族提供了数据的尽力传输以及必要的可靠机制，然而 这样的服务对于那些对时间敏感的应用如实时交互式音频视频应用程序就不 能满足其要求了。由于a t m对于不同类型的应用提供了不同的服务类型和不 同的管理功能，因此a t m在现代交换网络中起着非常重要的作用，为不同类 型的应用都提供了q o s 保证。 然而a t m只在a t m层保证了q o s ， 并不能保 证应用程序的端到端的q o s 。问题的根源在于高层的t c p i i p协议与a t m的 q o s 传输机制的不匹配。 i p 层位于a t m的上层， 不提供对传输数据包的分类， 并总是在单一的a t m虚通道上复用各种业务， 这将导致a t m传输的q o s 质 量下降。 t c p 不关心底层链路层的协议， 它不会根据链路层的状况来改变其控制机 制。例如，对于a t m提供的a b r服务，t c p 不会对a b r服务的资源管理信 元做出响应，因此， 如果a t m需要发送管理信元来要求降低发送速率，则这 个连接就不能 保证a t m提供的q o s 。 另外， t c p 的拥塞控制机制也会对a t m 的预测服务产生不必要的影响。人们提出了 在a t m层上实现动态的t c p p 0 i o t c p 窗口 大小和t c p 包大小是由a t m接口的最大传输单元大小所决定， 对整 个系统流量有重要的影响， t c p 和a t m之间 存在着回彼机制，但是它们之间 的交互需要系统有一个复杂的缓存管理和调度机制。因此， 这种方案还有一定 硕士学位论文 m入 s i e r s 1 1 i bi s 的缺陷，因此有人提出在i p网 络中实现q o s p i i ，并且宽带网络骨干网策略上 直接采用 i p交换。 4 . 5 p p p 协议 随着数据网络的快速增长，不同的厂商和供应商开发了 许多网络层或第三 层的 协 议 ( 如i p , i p x , a p p l e t a l k 等) 。 不同 的 机 器 可能 使 用不同 的 协议， 它 们之间的通信对于一个特定的应用来说，双方需要知道使用的是哪种网络协 议，并且要通过建立会话来协商， 这种协商需要一个公共的协议来实现，如果 没有这样的协议， 通常会导致带宽资源或i p 地址的 浪费。 p p p p 是一种标准的 定义点到点的数据封装协议， 提供了一系列协商链路操作的办法， 它同样也是 一个封装的三层协议的标准， 它一般用来在一个串行通信链路上建立一个可以 封装多协议数据包的连接。 4 . 5 . 1 p p p 的运作方式 p p p的运作可以用一个状态图来表示，如图 二 、 所示: ，1-!.-:浦 建立链路 -0 .七 失败 认证 功/ 不需要认证 1-里 图4 .2 p p p 运作的 状态图 p p p 主要包括三个部分: . 链路控制协议 ( l c p ) :在初始化阶段，l c p自 动检测物理链路是否可用， 在上电以后，即物理层准备就绪， 主机的l c p与对等层通过交换配置包来 建立连接， 接着还要协商最大包长度、 所用的压缩方法、 认证协议等信息。 l c p 也用来关闭连接， 如果发生载波丢失，认证失败， 线路状况差，超时 或人为关闭， l c p 就会关闭连接。当p p p 关闭连接时， 它就会通知网络层 3 3 硕士学位论文 m a s t e r s t i i l s i s 执行响应的操作。 . 认证协议:虽然并不是所有的连接都需要身份验证，但一般还是需要点到 点连接的对等层在网络传输之前进行身份验证，主机在进行身份验证的时 候表明它正处在链路建立状态。 要确保在l c p 阶段完成以后， 才可以 进行 线路质量预测以 及身份验证，在身份验证完以 后才能进行网 络层数据的传 输。 常用的认证协议l3 3 有密码认证协 ( p a p ) ， 握手认证协议 ( c h a p )以 及m ic r o s o f t 版的握手协议 ( m s - c h a p ) . . 网络控制协议 ( n c p ) :当 p p p结束了链路建立和认证阶段以后，用 n c p 来配置 通信双方的网 络层 协议， 可以 是i p . i p x或a p p l e t a l k 。 每个网 络 控 制协议都在特定的时间打开和关闭。 4 . 5 . 2 p p p o v e r a t m p p p o v e r a t m的构架己经成为用d s l技术远程接入互联网的工业标准。 一旦在客户端和网络服务提供商之间建立了a t m 连接， 就可以使用p p p 建立 网络层之间的会话。 另外， 我们可以还利用p p p 提供的各种功能， 如认证协议、 第三层的自 动配置协议 ( 包括i p 地址分配、 域名自 动配置等) 、支持多种第三 层协议、封装和压缩方法等。 p p p o v e r a a l 5 13 4 ， 协议的基本的 思想是 将a a l 5 作为成帧的方 法， 而 不是 使用h d l c 帧3 5 ， 它定义了 两种类型的数据封装方法， 其一为l l c 封装p p p 1 其二为虚电 路复用p p p . a a l 5 的公共部分汇聚子层的协议数据单元结构如图 小 3 所示， 其中c p c s - p d u的 负 载( p a y l o a d ) 部 分 根据 数据 帧 封装的 不同 而 不 同。 . cp cs - p du p a y l o a d . p a d ( 0 4 7 字节) c p c s - u u ( 一字节) c p i ( 一字节)ic p len g th (- t vc rc (d9 i ) 洲 图4 .3 a a l 5 c p c sp d u s - p du i ler 结构 d e s t i n a t i o n s a p ( o x f e ) 个 l lc h e a d e r 奋 s o u r c e s a p ( o x f e ) f r a m e t y p e = u i ( o x o 3 ) n l p i d = p p p ( o x c f ) p r o to c o l i d e n t i f ie r ( 8 - 1 6 b it s ) 个 p p p p 飞 lo a d p p p i n f o r ma t i o n fi e l d. . 一 p a d d i n g 图4 .4 l l c封装的p p p 帧结构 硕士学位论文 .n s 入 s t e r s t i i g s i s 檬一一 l l c封装p p p : 该 数据封装方法的 帧结构 如图4 .斗 所示， l l c头包括 一个字节的目 标服务接入点 ( d s a p ) . 源服务接入点 ( s s a p )以 及帧 类型域。 后面 跟的 是网络层协议类型标识， o x c f 表示为p p p 协议， 协 议标识占 一到两个字节长度。 p p p 信息域中 为i p 数据报。 另外p a d d i n g 域根据特定的p p p 会话协商的最大接收单元 ( m r u ) 来添加。 这种封 装方法一般用于在单一v c上复用多协议. v c复用的p p p : v c复用的方式在a t m v c和网络协议类型之间建立 了关联， 因此不需要在每个a a l s 的c p c s - p d u携带协议类型的信息， 也就是说c p c s - p d u的负载部分只需要携带p p p 的负载部分， 而不需 要l l c逻辑链路的头标信息，这缩减了网络开销，也同时减少了网络 处理时间。 v c复用的p p p与l l c封装的p p p相比，减小了开销，但它为每种协议 建立了一个独立的虚通道，而 l l c封装的p p p 可以在单一的虚通道上复用多 协议，因此l l c封装的p p p 燕得了更多的通用性，成为在a d s l 接入网络构 架中在 a a l s上封装i p 数据报的典型应用。 硕士学位论文 n i a s 1 c a s n i l s i s 第五章a d s l s o h o 网关的设计与实现 互联网络技术的发展为用户提供了多种接入网络的方式，用户可以选择网 络运营商， 也可以 选择服务提供商。 基于 铜线( 缆) 的接入技术有x d s l ( h d s l , a d s l , v d s l . . . ) , c a b l e m o d e m等; 基于 光纤的接入技术有有源光接入 和无 源光接入等; 另外还有固定无线接入技术， 这同样给运营商增加了技术选择余 地。 一般电信运营商推行基于电信线路传输的接入方式，而有线电视运营商则 推行基于c a b l e 方式的接入。 a d s l 和c a b l e m o d e m是当 今发展最快、市 场 容量最大、 技术最为成熟的宽带接入技术， l m d s 是一种高速固定无线接入技 术， 可同时解决高速数据和话音业务的接入， 它不需要市政管道资源来敷设光 缆或电缆等线路设施，因此它是新兴电信运营商的最佳选择。而接入网的光纤 化是未来发展的方向， 光纤接入不论是现在还是将来，都是接入网中使用的重 要媒质。 这些接入方式都各有利弊， 各种技术比较可以 参考(3 6 1 5 . 1 a d s l s o h o 网关的设计思想 电信网经过近百年的飞速发展， 目 前己 建成大规模的p s t n , i s d n , d d n , a t m和帧中继等网络，未来的网络无论怎么演变，现有的电信网是传统电信 运营商的宝贵财富， 这些网络将在相当长一段时间中继续发挥作用，电 信运营 商可以通过综合接入系统将这些不同的业务网与用户连接， 为用户提供各种业 务。 由于a d s l的上下行速率不对称性， 适合用于住宅用户和小型商业用户的 i n t e r n e t 接入，故我们使用a d s l 作为s o h o的接入网 关。 在研究生 后两 年的 学习和实践当中，我参与了基于a t m的a d s l s o h o网关的研发项目，该项 目 设计的主要目 的是为了实现家庭和小 型办公系统宽带上网。 可以 连接有线和 无线的局域网， 实现多台主机共享一条a d s l 线路上网。 其网络拓扑结构如下 图5 1 所示: 硕士学位论文 入 1 八 s l f r s i i i i s l s adsl et hern et 昙 昙 l a p t o p c o m p u t e r 图5 . 1 s o h o网 络拓扑结构 家庭网关作为一种外置的，专用的网络设备，一般在硬件和软件上都采用 紧缩的设计，即所需的硬件和软件都根据需要来量身定制， 用较为专业的术语 来说就是嵌入式系统， 它是一种小型的计算机系统。 用作嵌入式系统的硬件和 软件有很多，用作嵌入式处理器的大型主流产品生产商有 m o t o ro l a . i n t e l . t i . a m d , n e c , s i m e n s等。 各嵌入式处理器生产商及其主流产品见下表 3 . 1 13 7 1 : al t e r aru es amdam4 8 6 dx e i a n s c 4 0 0 e l a n s c 5 2 0 armar mtt dmi arm7 dmi - s arm7 1 0 t ar m7 4 0 t arm9 2 0 at me lat 9 0 s xx i n t e li 9 6 0 c a / c f i 9 6 0 ka / kb i 9 6 0 j x i 9 6 0 ha/ hd / h t 8 xc 1 9 6 e p a 8 xc1 9 6 mc 8 0 c1 8 6 i n t e l 3 8 6 i nt e l 4 8 6 s x s a- 1 1 0 s a1 1 1 0 mi c r o c h i p 巧c l 6 c x x 硕士学位论文 ma s i tr s川 i s i s mo t o r o l amc 6 8 3 0 2 mc 6 8 3 6 0 mp c 8 5 0 mp c8 6 0 mp c 8 2 4 0 mp c8 2 6 0 na t i o n a l s e mi c o n d u c t o r ge o d e gxl v ns 3 2 f x1 6 4 ne cvr 4 1 2 1