摘要 h i n o c ( h i g hp e r f o r m a n c en e t w o r ko v e rc o a x ) 網(wǎng)絡(luò)是在當(dāng)前刪已經(jīng)存在 和普遍應(yīng)用的前提下，利用有線電視網(wǎng)已有的同軸電纜線路和分配網(wǎng)絡(luò)，組建而 成的最后1 0 0 米范圍內(nèi)的寬帶接入網(wǎng)。該技術(shù)完全利用現(xiàn)有有線電視網(wǎng)同軸電纜 的網(wǎng)絡(luò)布線，僅增加h i n o cb r i d g e ( h b ) 和h i n o cm o d e r n ( h m ) 等相關(guān)設(shè)備，實現(xiàn) 高速和高質(zhì)量多業(yè)務(wù)接入，可提供用戶包括i p t v 、s d t v h d t v 、上網(wǎng)等寬帶應(yīng) 用。 本文首先對h i n o c 網(wǎng)絡(luò)及h i n o c 系統(tǒng)m a c 協(xié)議進行了分析，在此基礎(chǔ)上， 重點研究了m a c 協(xié)議中的匯聚子層功能；設(shè)計了針對h i n o c 網(wǎng)絡(luò)的基于i g m p s n o o p i n g 的二層組播方案，通過實驗證明了該方案的可行性；將v l a n 技術(shù)引入 h i n o c 網(wǎng)絡(luò)，提出了基于m a c 地址的v l a n 劃分和基于用戶標(biāo)識的v l a n 劃分 機制；最后對h i n o cm a c 協(xié)議性能進行了測試，研究了匯聚子層的設(shè)計機制對 h i n o c 性能的影響。 關(guān)鍵字：h i n o c 匯聚子層組播v l a n a b s t r a c t h i n o c ( h i g hp e r f o r m a n c en e t w o r ko v e rc o a x ) b r i d g e st h el a s t10 0m e t e r sf r o m f i b e rn o d et oh o m es i n c ef i b e ri sw i d e l yd e p l o y e da n du s e d h i n o ci sah o m e b r o a d - b a n da c c e s sn e t w o r kc o m m u n i c a t i n go v e r e x i t i n g c o a x i a lc a b l e h i n o c t e c h n o l o g yc o m p l e t e l yu s et h ec a b l eo fw i r e dt v , o n l ya d d i n gt h ed e v i c e so fh m ( h i n o cm o d e m ) a n dh b ( h i n o cb r i d g e ) w i t h o u tc h a n g i n gt h ec u r r e n tw i r el i n e h i n o cp r o v i d e sh i g h - s p e e da n dh i g h - q u a l i t ya 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 s d t v h d t va n dd a t a f i r s t l y , t h eh i n o cn e t w o r ka n dt h em a cp r o t o c o la r ea n a l y z e d t h e nt h e f u n c t i o n so ft h ec o n v e r g e n c es u b l a y e r ( c s ) i nt h em a c p r o t o c o la l es t u d i e d a n dt h e n t h el i n kl a y e rm u l t i c a s tp r o t o c o lb a s e do ni g m p s n o o p i n gi sd e s i g n e d t h ep r o t o c o li s v a l i d a t e db ye x p e r i m e n t v l a nt e c h n o l o g yi sp u tf o r w a r di n t ot h eh i n o cn e t w o r k ，a n d t w om e c h a n i s m sa r ep r o p o s e dt oa s s i g nv l a nb a s e do nm a ca d d r e s sa n du s e r i d e n t i t y a tl a s t ，at e s ti sg i v e na b o u tt h ep e r f o r m a n c eo fh i n o cm a cp r o t o c o l ，a n dt h e e f f e c tt h a tm e c h a n i s mo ft h ec o n v e r g e n c es u b l a y e rt ot h en e t w o r kp e r f o r m a n c eo f h i n o ci ss t u d i e d k e y w o r d s ：h i n o cc o n v e r g e n c es u b l a y e r m u l t i c a s tv l a n 西安電子科技大學(xué) 學(xué)位論文獨創(chuàng)性( 或創(chuàng)新性) 聲明 秉承學(xué)校嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)和優(yōu)良的科學(xué)道德，本人聲明所呈交的論文是我個人在導(dǎo) 師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注 和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果； 也不包含為獲得西安電子科技大學(xué)或其它教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材 料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中做了明確的說明 并表示了謝意。 申請學(xué)位論文與資料若有不實之處，本人承擔(dān)一切的法律責(zé)任。 本人簽名： 叢墓經(jīng)日期絲芝磋! 魚! ! 魚 西安電子科技大學(xué) 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解西安電子科技大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：研究生 在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬西安電子科技大學(xué)。學(xué)校有權(quán)保留 送交論文的復(fù)印件，允許查閱和借閱論文；學(xué)?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容， 可以允許采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存論文。同時本人保證，畢業(yè)后結(jié)合 學(xué)位論文研究課題再撰寫的文章一律署名單位為西安電子科技大學(xué)。 ( 保密的論文在解密后遵守此規(guī)定) 本學(xué)位論文屬于保密，在一年解密后適用本授權(quán)書。 日期趔辱! a 四 日期 臣生業(yè) 第一章緒論 第一章緒論 1 1h i n o c 網(wǎng)絡(luò)的背景及意義 三網(wǎng)融合已成為全球范圍內(nèi)不可阻擋的趨勢。我國十一五規(guī)劃綱要中明確指 出了積極推進“三網(wǎng)融合”的發(fā)展目標(biāo)。三網(wǎng)融合當(dāng)前主要是指高層業(yè)務(wù)的融合。 近來出現(xiàn)的數(shù)字電視、i p t v 和移動電視等業(yè)務(wù)應(yīng)用，被業(yè)界普遍認(rèn)為是各大網(wǎng)絡(luò) 走向三網(wǎng)融合的切入點。 當(dāng)前的骨干網(wǎng)帶寬可以基本滿足網(wǎng)絡(luò)融合的需要，而接入網(wǎng)速率限制成為影 響業(yè)務(wù)融合發(fā)展的瓶頸。以一路數(shù)字化標(biāo)清電視( s d t v ) 和高清電視( h d t v ) 節(jié)目分別需要6 m b p s 和2 5 m b p s 左右的帶寬計算，若一戶家庭同時收看2 套s d t v 和l 套h d t v 節(jié)目，加上音頻和部分上網(wǎng)帶寬，則每戶所需接入速率至少為 4 0 m b p s ?，F(xiàn)有的接入技術(shù)由于帶寬、成本、重新布線以及用戶接受程度等原因都 難以提供可行的解決方案。由于光結(jié)點到用戶的距離越來越近，在已經(jīng)實現(xiàn)光纖 到樓( f 1 t b ) 的情況下，如何提供最后1 0 0 米的寬帶接入方案將直接影響著三網(wǎng) 融合的推進。 我國現(xiàn)有1 3 億有線電視網(wǎng)用戶，分布廣泛的樓道和戶內(nèi)分配網(wǎng)絡(luò)具有得天獨 厚的頻帶寬、容量大、抗干擾能力強等優(yōu)點。其中8 6 0 m h z 以下為廣播電視頻道， 8 6 0 m h z 以上頻帶沒有使用，本文稱這一頻段為帶外信道。據(jù)初步測算，在帶外信 道內(nèi)有超過2 g b p s 的可用物理帶寬。在這段有線電視網(wǎng)分配網(wǎng)絡(luò)內(nèi)沒有放大器等 有源設(shè)備，無需進行改造就可以進行雙向通信。如果能利用帶外信道提供寬帶接 入解決方案，則無需重新布線或改造便可提供多業(yè)務(wù)寬帶接入。 1 2h i n o c 網(wǎng)絡(luò)概述 有線電視網(wǎng)在我國是接入覆蓋最大、用戶數(shù)量最多的一張網(wǎng)絡(luò)，同時也是目 前我國最高效廉價的綜合網(wǎng)絡(luò)，它具有頻帶寬，容量大，多功能、成本低、抗干 擾能力強、支持多種業(yè)務(wù)連接千家萬戶的優(yōu)勢。目前有線電視網(wǎng)主要用來向用戶 傳送模擬電視節(jié)目，寬帶雙向的點播電視( v o d ) 及通過有線電視網(wǎng)接入i n t e m e t 開 展雙向業(yè)務(wù)是有線電視網(wǎng)的發(fā)展方向，最終目的是使有線電視網(wǎng)走向?qū)拵щp向的 多媒體通信網(wǎng)。 h i n o c ( h i g hp e r f o r m a n c en e t w o r ko v e rc o a x ) 網(wǎng)絡(luò)是在當(dāng)前f t t b 已經(jīng)存在 和普遍應(yīng)用的前提下，利用有線電視網(wǎng)已有的同軸電纜線路和分配網(wǎng)絡(luò)，組建而 成的最后1 0 0 米范圍內(nèi)的寬帶接入網(wǎng)。該技術(shù)完全利用現(xiàn)有有線電視網(wǎng)同軸電纜 2 i - l i n o c 網(wǎng)絡(luò)匯聚子層戈鏈技術(shù)研究 的網(wǎng)絡(luò)弗線，僅增加h i n o c b r i d g e ( h b ) 和h i n o c m o d e m ( h m ) 等相關(guān)設(shè)備，實現(xiàn) 高速和高質(zhì)量多業(yè)務(wù)接入，可提供用戶包括i p t v 、s d t v h d t v 、上網(wǎng)等寬帶應(yīng) 用。h i n o c 技術(shù)主要用于f t t b + c a b l e 的應(yīng)用環(huán)境，根據(jù)需求，該技術(shù)組網(wǎng)應(yīng)月j 的典型情況如圖l 所示。 圈1 一個典型的h i n o c 網(wǎng)絡(luò) 如圖l 所示，h i n o c 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存在兩種設(shè)備，分別為h b ( h i n o cb r i d g e ) 和 h m ( h i n o c m o d e m ) 。g b e ( g i g a b i te t h e m e t ) 信號通過f t t b 方式到達用戶樓 fj 口，經(jīng)h b 調(diào)制到同軸電纜帶外頻帶的一個工作信道內(nèi)井通過樓內(nèi)分配網(wǎng)絡(luò)和 電纜終端盒傳輸?shù)轿挥谟脩艏覂?nèi)的h m ，經(jīng)h m 解調(diào)后傳送給p c 、機頂盒( s t b ) 等設(shè)備。原有的c a t v 信號( 8 6 0 m l l z 以下) 在h b 和g b e 信號混合進入電纜分配 | 嘲絡(luò)，因此不彩響原有電視的收看。一個h b 和若干個h m 以及中問的同軸電纜 分配網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成h i n o c 網(wǎng)絡(luò)，工作于同軸電纜的帶外信道。 h i n o c 技術(shù)允許用戶在已有的有線電視電纜上建立起帶寬高達4 0 m b p s m a c 層速率的接入網(wǎng)絡(luò)。同時，由于高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)工作在8 6 0 m 以上的頻帶因此可與 現(xiàn)有的電視信號兆存。用戶可以i 司時享用h i n o c 帶來的高速網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)上沖浪的感 受，又能繼續(xù)收看現(xiàn)有的模擬數(shù)字電視節(jié)目。由于h i n o c 提供超太帶寬的數(shù)據(jù) 接入，可以支持高速上網(wǎng)、基于i p 的網(wǎng)絡(luò)電視、互動電視、視頻點播、時移電視、 視頻電話、視頻會議和網(wǎng)絡(luò)電話等多種增值應(yīng)用。 經(jīng)過計算，同軸電纜的帶外信道所能支持的數(shù)據(jù)傳輸速度可達到2 g b 口s 以上， 能在干h 當(dāng)長時間內(nèi)滿足業(yè)務(wù)發(fā)展的帶寬要求，f t t b + c a b l c 的組回方案是在目前最 理想的組網(wǎng)方式。一網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的成本比較低采用現(xiàn)有的爿軸電纜進行入戶， 完全符合現(xiàn)有有線網(wǎng)絡(luò)分支分配網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠茏畲蟪潭炔肥褂靡延芯€路工 程量小，不擾民：二，h i n o c 產(chǎn)品的h 標(biāo)成本為每戶小于9 0 0 元，設(shè)備成本相當(dāng) 低，和v d s l 等技術(shù)基本相當(dāng)，而且其一對多的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，只有很大的靈活性； 三，h i n o c 能夠提供非常高的用戶接入帶寬，這樣的帶寬水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過v d s l t ”、 a d s l t 2 i i ”，c a b l e m o d e m 4 喀，能夠滿足i p t v 等商清晰流媒體業(yè)務(wù)的傳輸。 第一章緒論 3 h i n o c 技術(shù)的主要技術(shù)指標(biāo)是：單信道模擬帶寬為1 6 m h z ，單用戶的m a c 層接入速率可達到4 0 m b p s 以上；m a c 層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲С贮c到多點的組網(wǎng)方式，單 信道支持最大結(jié)點數(shù)為3 2 個；網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍不小于1 0 0 米，可實現(xiàn)包括 h d t v s d t v 等流媒體在內(nèi)的多業(yè)務(wù)寬帶接入。 1 3 本文主要工作和組織結(jié)構(gòu) 從協(xié)議分層模型看，h i n o c 技術(shù)主要涉及h i n o cm a c 層和物理層( p h y ) 的設(shè)計。其中m a c 層從下到上又可分為公共部分子層( c p sc o m m o np a r t s u b l a y e r ) 和匯聚子層( c sc o n v e r g e n c es u b l a y e r ) 兩部分。本文工作重點是對h i n o c 網(wǎng)絡(luò)m a c 協(xié)議中的匯聚子層技術(shù)進行研究。匯聚子層，主要完成上層業(yè)務(wù)的封裝 與轉(zhuǎn)發(fā)，使得上層業(yè)務(wù)可以通過h i n o c 網(wǎng)絡(luò)透明傳輸。 本文的主要工作包括：首先對h i n o c 網(wǎng)絡(luò)及h i n o c 系統(tǒng)m a c 協(xié)議進行了 簡要分析；重點分析了m a c 協(xié)議中的匯聚子層功能，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了針對 h i n o c 網(wǎng)絡(luò)的基于i g m ps n o o p i n g 的二層組播方案，通過實驗證明了該方案的可 行性；將v l a n 技術(shù)引入h i n o c 網(wǎng)絡(luò)，提出了基于m a c 地址的v l a n 劃分機 制和基于用戶的v l a n 劃分機制；最后對h i n o cm a c 協(xié)議的性能進行了測試， 研究了匯聚子層對h i n o c 網(wǎng)絡(luò)性能的影響，通過測試可以看到匯聚子層的設(shè)計對 于h i n o c 網(wǎng)絡(luò)性能有顯著影響。 本文組織結(jié)構(gòu)為： 第二章分析了h i n o c 網(wǎng)絡(luò)的m a c 層協(xié)議，主要包括h i n o c 接入網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)、協(xié)議棧、信道分配及m a c 層機制，m a c 層機制又分為：網(wǎng)絡(luò)搜索、網(wǎng)絡(luò)接 納和鏈路維護機制等。 第三章重點研究了h i n o c 網(wǎng)絡(luò)的匯聚子層功能和機制，包括通過地址學(xué)習(xí)構(gòu) 建轉(zhuǎn)發(fā)表、數(shù)據(jù)幀的封裝及打包、數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)以及對業(yè)務(wù)優(yōu)先級的劃分。根據(jù) 匯聚子層的特點及組播原理，提出了基于i g m ps n o o p i n g 的組播方案，在h i n o c 網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)了二層組播。將v l a n 技術(shù)引入h i n o c 網(wǎng)絡(luò)，提出了基于m a c 地址 和基于用戶的v l a n 劃分機制。 第四章主要對h i n o c 網(wǎng)絡(luò)的性能進行測試，通過對吞吐量及時延的測試，可 以看出匯聚子層對h i n o c 網(wǎng)絡(luò)性能的影響，從而說明匯聚機制對h i n o c 網(wǎng)絡(luò)的 重要性。 第五章總結(jié)論文工作，指出不足，提出未來工作思路。 第二章h i n o c 網(wǎng)絡(luò)m a c 層功能概述 5 第二章h i n o c 網(wǎng)絡(luò)m a c 層協(xié)議概述 h i n o c 網(wǎng)絡(luò)由一個h b 和若干個h m 以及中間的同軸電纜分配網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成， 工作于同軸電纜的帶外信道，利用現(xiàn)有有線電視網(wǎng)同軸電纜的網(wǎng)絡(luò)布線，僅增加 局端的相關(guān)設(shè)備，實現(xiàn)高速和高質(zhì)量多業(yè)務(wù)接入，可提供用戶包括口t v 、 s d t v h d t v 和上網(wǎng)等寬帶應(yīng)用。 2 1h i n o c 系統(tǒng)及m a c 層概述 h i n o c 網(wǎng)絡(luò)邏輯拓?fù)錇樾切徒Y(jié)構(gòu)，即點對多點結(jié)構(gòu)，如圖2 1 所示。h b 作為 中心結(jié)點可以連接若干個子結(jié)點h m ，h m 相互之間不能互相通信，只能和h b 通 信。h b 發(fā)給h m 的幀稱為下行幀，h m 發(fā)給h b 的幀稱為上行幀。 圖2 1h i n o c 網(wǎng)絡(luò)星型邏輯結(jié)構(gòu) 在單個h i n o c 信道內(nèi)，h b 和多個h m 設(shè)備組成總線型的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如 圖2 2 所示。 螺- 一- 嘲酬- 舅叫_ 嘲利- 髓移 h m h mh mh mh m 圖2 21 4 甜o c 網(wǎng)絡(luò)總線型物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) - 的啊i h m h i n o c 網(wǎng)絡(luò)采用t d d 方式實現(xiàn)雙工通信，下行采用t d m 方式，可以提高傳 6 h i n o c 網(wǎng)絡(luò)匯聚子層關(guān)鍵技術(shù)研究 輸速率，實現(xiàn)簡單，并且在主結(jié)點的同意調(diào)度下可以非常靈活的實現(xiàn)上、下行帶 寬的分配。上行采用t d m a 多址方式，可以動態(tài)分配信道資源，t d m a 機制需要 各結(jié)點較為嚴(yán)格的時鐘同步，在h i n o c 網(wǎng)絡(luò)中由于電纜接入網(wǎng)范圍非常小，通過 主結(jié)點h b 定期發(fā)送系統(tǒng)時間就可以保證各結(jié)點的同步。 h i n o c 網(wǎng)絡(luò)中h b 和h m 系統(tǒng)的協(xié)議棧如圖2 3 所示，分別為物理層、媒體 接入層和高層。其中媒體接入層( m a c ) 又分為匯聚子層( c s ) 和公共部分子層 ( c p s ) 。 ll l 高層 l ll | | 弋， j 匯聚子層( c s ) m a i 公共部分子層( c p s ) j 物理層 p h 1 圖2 3h i n o c 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)協(xié)議棧 c s 層是m a c 層的一個功能子層，主要功能是承載上層業(yè)務(wù)，實現(xiàn)m a c 層 核心功能與高層功能的適配，包括地址學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)的封裝與解封、幀的轉(zhuǎn)發(fā)。其 中上層業(yè)務(wù)主要是指話音、視頻和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，而數(shù)據(jù)主要是高層協(xié)議數(shù)據(jù)單元 ( p d u ) ，包括i p 分組、以太網(wǎng)幀等。在本文中主要研究的以太網(wǎng)幀，稱為以太網(wǎng) m a c 幀( e m a c 幀) 。以太網(wǎng)m a c 幀在h i n o c 網(wǎng)絡(luò)中要被封裝成h i n o cm a c 幀( 簡稱h m a c ) 進行傳輸。c p s 子層提供m a c 層的核心功能，包括結(jié)點接納 控制、接入控制與信道( 帶寬) 分配、鏈路維護、q o s 保證等。傳輸數(shù)據(jù)時，c p s 子層接收來自c s 子層的數(shù)據(jù)封裝為h m a cp d u ，然后通過p h y 層發(fā)送。 h m a c 幀由幀首部、幀載荷和尾部( c r c 校驗) 組成，如圖2 4 所示，m a c 幀首部是由發(fā)送時鐘、幀類型、源結(jié)點i d 、目的結(jié)點i d 、幀長度、幀子類型、版 l i首部載荷尾部 l 圖2 4h i n o c m a c 幀結(jié)構(gòu) 本號、子幀個數(shù)、首部校驗和構(gòu)成。結(jié)構(gòu)如圖2 5 所示。其中目的結(jié)點和源結(jié)點i d 是收發(fā)該幀h i n o c 網(wǎng)絡(luò)結(jié)點地址；子幀個數(shù)表示該幀載荷域內(nèi)包含的h m a c 業(yè) 務(wù)數(shù)據(jù)單元的數(shù)目，通過這一功能m a c 層可以支持打包功能，將多個高層p d u 組合為一個m a cp d u ，這樣可以提高傳輸效率。載荷域存放上層業(yè)務(wù)信息或控制 信息。尾部是幀校驗序列，用于實現(xiàn)對載荷域的校驗。 第二章h i n o c 網(wǎng)絡(luò)m a c 層功能概述 7 目的結(jié)點i d源結(jié)點i d 幀類型幀子類型 版本號子幀個數(shù) 幀長度 ， 發(fā)送時鐘 首部校驗和 圖2 5m a c 幀首部結(jié)構(gòu) 從功能上分，m a c 幀可以分為控制幀和數(shù)據(jù)幀兩類。數(shù)據(jù)幀用于承載上層業(yè) 務(wù)信息( 如以太網(wǎng)幀) ?？刂茙糜趯崿F(xiàn)協(xié)議的接納、調(diào)度、預(yù)約、維護和信道探 測等功能。主要的控制幀見表2 - 1 。 表2 - 1h m a c 控制幀 幀類型發(fā)送方向，方式功能 m a p 幀主站一 子站，廣播方式調(diào)度和發(fā)布( 已接納結(jié)點) 各幀 的發(fā)送時機 預(yù)約請求( r ) 幀子站一 主站，單播方式子站向主站發(fā)送預(yù)約，請求安排 發(fā)送時機 鏈路控制幀( 多種)雙向，單播或廣播用于傳送接納、維護、信道探測 過程中的控制信息 b e a c o n 幀主站一 子站，廣播方式用于控制和調(diào)度未接納結(jié)點的 信息傳送 所有的m a c 幀都是通過物理層( p h y ) 發(fā)送的，但是m a c 層不產(chǎn)生和發(fā)送 用于信道訓(xùn)練的探測幀( p r o b e ) 和功率控制幀，這兩種幀是由物理層產(chǎn)生的，但 是這些幀的發(fā)送必須由m a c 層為其調(diào)度發(fā)送時機。 2 2 信道分配 h i n o c 網(wǎng)絡(luò)采用全協(xié)同的t d m t d m a 機制實現(xiàn)對共享信道的訪問，信道分 配由h b 決定。h b 通過周期性發(fā)送m a p ( m e d i a a l l o c a t i o np l a n ) 幀向各結(jié)點發(fā)布當(dāng) 前這一周期內(nèi)的信道分配方案。一個m a p 幀所控制的一段時間稱為m a p 周期。 每個m a p 周期時長可變。m a p 周期的安排主要是考慮提高線路利用率，使開銷 達到最小。為了避免發(fā)射機在收發(fā)狀態(tài)之間頻繁轉(zhuǎn)換，把m a p 周期中的上行數(shù)據(jù) 區(qū)間和下行數(shù)據(jù)區(qū)間分開。m a p 周期的安排及其必須遵守的時間關(guān)系如圖2 6 所 示。圖中t u p 為兩個上行幀之間的間隔，t d o w n 為兩個下行幀之間的間隔，t i n t 是一個m a p 周期的結(jié)束與下一個m a p 周期的開始之間的間隔。 8 h i n o c 網(wǎng)絡(luò)匯聚子層關(guān)鍵技術(shù)研究 hk 瑁伽 圖2 6m a p 周期 m a p 周期的使用由m a p 幀分配。m a p 幀包括以下域：m a p 幀頭、零個或 多個分配單元( a u ) 。a u 用來給m a c 幀( 如b e a c o n 、m a p 、p r o b e 、控制、預(yù) 約請求、數(shù)據(jù)等) 的發(fā)送分配傳輸帶寬；m a p 幀的結(jié)構(gòu)如圖2 7 所示。 m a c 頭m a p 頭 a u la u 2 a u nc l 配 一 翟 j 是 i g m ps n o o p i n g i p 協(xié)議號為2 7 i g m p 消息類型 為o x l l 二二 轉(zhuǎn)發(fā)給以太網(wǎng) u 并等待響應(yīng) i g m p 消息類型 為0 x 1 6 記錄該組播組 并把該幀轉(zhuǎn)發(fā) 到c a b l e 口 i g m p 消息類型 為o x i 7 刪除該組捅組 表項并把該幀 轉(zhuǎn)發(fā)到c a b l e i ( a ) h m 實現(xiàn)組播的過程 否 丟棄該幀 否 查詢組播轉(zhuǎn)發(fā)表 該組播組存 影 ：i e 一 轉(zhuǎn)發(fā)到以太 網(wǎng)口 3 2 h 稍o c 網(wǎng)絡(luò)匯聚子層關(guān)鍵技術(shù)研究 是 h b 收到e m a c 幀并檢 查目的地址 組播地址? 二( i g m ps n o o p i n g i p 協(xié)議號為2 7 i g m p 消息類型 為0 x 1 1 工 廣播到h i n o c 網(wǎng) 絡(luò)并等待響應(yīng) i g m p 消息類型 為0 x 1 6 i g m p 消息類型 為0 x 1 7 查詢組播表ii 查詢組播表 嘲剮i 卜鏟棄 個該組播組表項并il 該組播組下插入此ii 刪除此i d ，并丟棄 把信息發(fā)到以太網(wǎng)ii d 并且丟棄該幀i該幀 否 查詢組播轉(zhuǎn)發(fā)表 并做相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā) 刪除該組播組表 項。并把信息轉(zhuǎn)發(fā) 到以太網(wǎng)口 ( b ) h b 結(jié)點實現(xiàn)組播的過程 圖3 1 0h i n o c 網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點對組播的支持的流程圖 如圖3 1 0 ( a ) 和( b ) 所示，無論是結(jié)點h b 還是h m 收到e m a c 幀以后都要檢查 e m a c 幀的目的地址。如果目的地址是組播地址，需要將需要交給i g m ps n o o p i n g 模塊去處理。i g m ps n o o p i n g 會探測每個e m a c 幀中的i p 報文，檢測e m a c 幀 頭找出使用m 協(xié)議的e a m c 幀，檢查口包頭中的協(xié)議標(biāo)示符，過濾出i p 協(xié)議號 為2 的口包即i g m p 報文，然后根據(jù)i g m p 報文中的消息類型進行相應(yīng)的處理。 不同的結(jié)點對同一個消息類型會進行不同的處理，如圖3 1 0 ( a ) 所示，當(dāng)h m 收到 消息類型為o x l l 的i g m p 報文即成員關(guān)系查詢消息時，會把報文轉(zhuǎn)發(fā)到以太網(wǎng)口 即傳送到與其相連的主機。而h b 會把該幀封裝以后廣播到h i n o c 網(wǎng)絡(luò)中如圖 3 1 0 ( b ) 所示。當(dāng)收到消息類型為0 x 1 6 的成員關(guān)系響應(yīng)i g m p 報文時，h m 只是記 錄下該組播組并把消息轉(zhuǎn)發(fā)到另一側(cè)的c a b l e 口，h b 則需要查找組播表，然后決 定是插入該組播組表現(xiàn)還是只是插入成員的i d 號。如果收到的報文是消息類型為 節(jié) 第三章h 1 n o c 網(wǎng)絡(luò)匯聚子層的研究 3 3 0 x 1 7 的離開組i g m p 報文，h m 只需要刪除該組播組并轉(zhuǎn)發(fā)給消息到c a b l e 口即可， 但是h b 卻需要查找組播表來決定是刪除該組播組表項還是刪除發(fā)送該消息的i d 號。但是對非i g m p 報文的組播數(shù)據(jù)幀，h b 的處理就會簡單一些，只是查找組播 表，并做相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)，而h m 不但要查找組播表，還要根據(jù)組播表決定是轉(zhuǎn)發(fā)還 是丟棄該幀。h m 這個功能可以為主機正確接收組播信息提供一個重要的保證，因 為主結(jié)點h b 在轉(zhuǎn)發(fā)表中一個組下有多個i d 號的時候，組播消息就會被當(dāng)成廣播 消息發(fā)送到h i n o c 網(wǎng)絡(luò)中的各個h m 上，h m 則可以根據(jù)自己的組播表來確定是 丟棄還是轉(zhuǎn)發(fā)這些消息，這樣加入組的主機就可以收到自己希望收到的組信息， 而未加入組的主機就不會收到該組的信息，這樣既減少了網(wǎng)絡(luò)上的負(fù)擔(dān)，也減少 了主機處理無用消息的負(fù)擔(dān)。 從以上的敘述可以看出h m 中對組播的處理相對h b 是比較簡單的，這是因 為h i n o c 網(wǎng)絡(luò)是星型結(jié)構(gòu)，在h i n o c 網(wǎng)絡(luò)中h i m 只和h b 直接通信，這樣在建 立組播表的時只考慮組播組。而h b 不僅需要和網(wǎng)絡(luò)中各個h m 結(jié)點通信，還需 要和外網(wǎng)進行通信，所以在實現(xiàn)組播上比較復(fù)雜。h b 在構(gòu)建組播表的時候不僅要 考慮組播組，還要考慮組播組下的成員。組播表的結(jié)構(gòu)如下圖所示： ( a ) h b 組播表結(jié)構(gòu) 3 4 h i n o c 網(wǎng)絡(luò)匯聚子層關(guān)鍵技術(shù)研究 圈 ( b ) h m 組播表結(jié)構(gòu) 圖3 i ih i n o c 網(wǎng)絡(luò)中的組播表結(jié)構(gòu) 鏈表的每一個結(jié)點表示一個組播組的信息，包括的信息有：組播組地址，每 一個多播組都有各自的組播組地址。i d 號用來標(biāo)識在這個組播組里面有哪些i d 號 屬于組成員。因此可以定義組播表的結(jié)構(gòu)體為： t y p e d e fs t r u am u l t i a d d r t a b u n s i g n e dl o n gm u l t i a d d r ；組播地址 u n s i g n e dl o n gh i l d ；h i n o c 網(wǎng)絡(luò)i d 號 m u l t i a d d r t a b 奎n e x t ； ) m u l t i a d d r t a b _ s ； ( 2 ) i g m ps n o o p i n g 模塊使用的主要函數(shù) 1 )i g m p 報文結(jié)構(gòu)： 由圖3 6 可知i g m p 的報文格式，可定義i g m p 的結(jié)構(gòu)如下： t y p e d e fs t r u c t u n s i g n e dc h a rt y p e ；i g m p 報文的類型 u n s i g n e dc h a rm a x r e s p o n s e t i m e ；最大響應(yīng)時間值 u n s i g n e ds h o r tc h e c k s u m ；校驗和 u n s i g n e dl o n gg r o u p a d d r e s s ；組地址 ) i g m p m e s s a g e ； 說明：此結(jié)構(gòu)體定義了i g m p 報文的結(jié)構(gòu)。i g m p 報文由i g m p 報文的類 型、最大響應(yīng)時間值、校驗和、組地址四部分組成。類型是用于區(qū)分i g m p 報文的類別；最大響應(yīng)時間值只有在i g m p 報文類型是i g m p 成員關(guān)系查 詢時才有效，它表示組播路由器從發(fā)出查詢到收到響應(yīng)的時間間隔：校驗 罱曰 第三章h i n o c 網(wǎng)絡(luò)匯聚子層的研究 3 5 和的計算方法和口報文的校驗和的計算方法相同；組播地址，在通用查詢 時此字段為零，其余均為有效的i p 組播地址。 2 )插入組播地址表的函數(shù)： i n t i n s e r t m u l t i a d d r t a b ( u n s i g n e dl o n gm u l t i a d d r , u n s i g n e ds h o r ti d ) 功能：用于創(chuàng)建或者插入組播地址表項，也可以對組播組下的成員進行 修改。 參數(shù)： u n s i g n e dl o n gm u l t i a d d r ：e m a c 幀中的m a c 組播地址。 u n s i g n e ds h o r ti d ：發(fā)送e m a c 幀的h m 的i d 號。 返回值：返回l 表示插入成功，返回0 表示不成功。 調(diào)用者：被i g m ps n o o p i n g 模塊調(diào)用。 3 )查詢組播地址表的函數(shù)： u n s i g n e ds h o r ts e a r c h m u l t i a d d r t a b ( u n s i g n e dc h a r 木m u l t i a d d r 一) 功能：該函數(shù)用來完成在組播地址表中查找組播地址與i d 的對應(yīng)關(guān)系， 根據(jù)組播地址進行查找后返回d 號。 參數(shù)： u m i g n e d c h a r * m u l t ia d d r ：指向組播地址的指針。 返回值： u n s i g n e ds h o r t ：取值為1 6 b i t 的h i n o c 結(jié)點i d 調(diào)用者：由i g m ps n o o p i n g 模塊調(diào)用 4 ) 刪除組播地址表的函數(shù)： i n td e l m u l t i a d d r t a b ( u n s i g n e dl o n gm u l t i a d d r ，u n s i g n e ds h o r th i l d ) 功能：該函數(shù)用于在組播地址表中刪除相應(yīng)得組播地址表項，同時也可 以將一個組播組中的成員進行刪除，即刪除該組播組下的成員的 i d 號。 參數(shù)： u n s i g n e dl o n gm u l t i a d d r ：e m a c 幀中的m a c 組播地址。 u n s i g n e ds h o r ti d ：發(fā)送e m a c 幀的h m 的i d 號。 返回值： i n t ：刪除成功返回l ，不成功返回0 調(diào)用者：被i g m ps n o o p i n g 模塊調(diào)用 5 )兩個組播地址比較的函數(shù)： i n t m u l t i a d d r e o m p a r e ( u n s i g n e d c h a rm a d d r a ， u n s i g n e dc h a rm a d d r b ) 3 6 h 烈o c 網(wǎng)絡(luò)匯聚子層關(guān)鍵技術(shù)研究 功能：該函數(shù)完成兩個組播地址值的比較 參數(shù)： u n s i g n e dc h a rm a d d r a ，u n s i g n e dc h a rm a d d r _ b 】是兩個需要比較 的組播地址 返回值： i n t ：兩個組播地址相等時返回1 ，不相等時返回o 調(diào)用者： 由u n s i g n e ds h o r ts e a r c h m u l t i a d d r t a b ( u n s i g n e dc h a r 幸m u l t i a d d r 一) 函 數(shù)、u n s i g n e dl o n gi n s e r t m u l t i a d d r t a b ( u n s i g n e dl o n gm u l t i a d d r , u n s i g n e d s h o r ti d ) i 函數(shù)及i n td e l m u l t i a d d r t a b ( u n s i g n e dl o n gm u l t i a d d r ，u n s i g n e d s h o r th i i d ) 函數(shù)調(diào)用，即在組播地址表中插入組播地址表項、查找組播 地址及刪除組播地址表時調(diào)用。插入時如果發(fā)現(xiàn)地址表中已經(jīng)有相等的 組播組地址，則只是該組播組下插入成員的i d 號，否則插入新的組播組 地址到組播地址表中；查找時如果找到相等的組播組地址，則返回該組 播組下所有h i n o ci d ；刪除時如果找到相等的組播組地址，則查看組播 組下是否還是其他成員，若有其他成員則刪除該離開組成員的i d ，若沒有 其他成員即該成員是此組播組的最后一個成員，則刪除該組播組。 6 ) 接收報文的函數(shù)： v o i d r e c v m e s s a g e ( u n s i g n e ds h o r th i l d ，i p _ si p p a c k e t ) 功能：該函數(shù)用于接收各種i g m p 報文并作相應(yīng)的處理 參數(shù)： u n s i g n e ds h o r th i l d ：1 6 b i t 的h i n o c 網(wǎng)絡(luò)i d 號 口si p p a c k e t ：i p 報文 返回值：無 調(diào)用者：被i g m ps n o o p i n g 模塊調(diào)用 7 )查詢子模塊接收輸入報文的函數(shù)： v o i d p r o c e s s q u e r y ( i g m p m e s s a g ei g m p p a c k e t ) 功能：該函數(shù)用于接收i g m p 查詢報文并作相應(yīng)的處理( 處理過程如圖 3 1 0 所示) 參數(shù)： i g m p m e s s a g ei g m p p a c k e t ：i g m p 報文 返回值：無 調(diào)用者：被函數(shù)v o i d r e c v m e s s a g e ( u n s i g n e ds h o r th i l d ，i p si p p a c k e t ) 調(diào)用 8 )報告子模塊接收輸入報文的函數(shù)： v o i dp r o e e s s r e p o r t ( u n s i g n e ds h o r th i l d ，i o m p m e s s a g ei g m p p a c k e t ) 第三章h i n o c 網(wǎng)絡(luò)匯聚子層的研究 3 7 功能：該函數(shù)用來接收i g m p 成員響應(yīng)報告的報文并做響應(yīng)的處理( 處 理過程如圖3 1 0 所示) 參數(shù)： u n s i g n e ds h o r th i l d ：1 6b i th i n o c 網(wǎng)絡(luò)d i g m p m e s s a g ei g m p p a c k e t ：i g m p 報文 返回值：無 調(diào)用者：被函數(shù)v o i dr e e v m e s s a g e ( u n s i g n e ds h o r th i l d ，i p _ si p p a c k e t ) 調(diào)用 9 )離開組子模塊接收報文的函數(shù)： v o i dp r o c e s s l e a v e ( u n s i g n e ds h o r th i l d ，i g m p m e s s a g ei g m p p a c k e t ) 功能：該函數(shù)用來接收i g m p 離開組報文并作相應(yīng)的處理( 處理過程見圖 3 1 0 ) 參數(shù)： u n s i g n e ds h o r th i i d ：1 6b i th i n o c 網(wǎng)絡(luò)d i g m p m e s s a g ei g m p p a c k e t ：i g m p 報文 返回值：無 調(diào)用者：被函數(shù)v o i dr e c v m e s s a g e ( u n s i g n e ds h o r th i l l ) ，i p si p p a c k e t ) 調(diào)用 ( 3 ) i g m ps n o o p i n g 的測試方案 根據(jù)h i n o c 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組建實驗網(wǎng)：4 臺主機和4 個網(wǎng)絡(luò)結(jié)點。其中主機3 作 為組播源發(fā)送組播信息。h i n o c 網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備結(jié)點可采用i x p 4 2 5 開發(fā)板【2 2 】【2 3 1 ， 簡稱m a c 板。i x p 4 2 5 開發(fā)板是根據(jù)h i n o c 網(wǎng)絡(luò)而開發(fā)的，可以運行h i n o c 系 統(tǒng)的m a c 協(xié)議。這4 個m a c 板中，一個作為主結(jié)點h b ，其他3 個作為結(jié)點h m 。 并且設(shè)置結(jié)點h b 的i d 號為0 ，h m 的i d 號分別為1 ，2 ，4 。組播在結(jié)點h b 和h m 實現(xiàn)是相似的，且主結(jié)點h b 中會復(fù)雜一些，所以我們將以h b 中實現(xiàn)為例 進行說明。 1 ) 在結(jié)點中加入i g m ps n o o p i n g 模塊，加入一個組 主機1 希望加入組播組2 2 4 1 3 2 ，因此組播一個主動提供的i g m p 成員關(guān)系 報告給該組，該報告中的m a c 目的地址為0 x 0 1 0 0 5 e 0 1 0 3 0 2 。最初組播表上沒 有這個組播m a c 地址的項( 見圖3 1 2 ) 。當(dāng)i g m ps n o o p i n g 模塊收到主機1 組播 的i g m p 報告時，會根據(jù)報告中的信息建立一個組播表項，如表3 1 所示，該項包 括主機l 所連接的h m 的i d 號，組播組地址。 3 8 h l n o c 網(wǎng)絡(luò)匯聚子層關(guān)鍵技術(shù)研究 表3 - 1 主機1 加入后的轉(zhuǎn)發(fā)表 目的地址 i d 0 1 0 0 5 e 0 1 - 0 3 0 2l 圖3 1 2 加入i g m ps n o o p i n g 模塊的h i n o c 網(wǎng)絡(luò) 如果主機4 也想加入該組，并主動地發(fā)一個i g m p 報告給該組，表3 2 顯示了 主機4 加入該組后的轉(zhuǎn)發(fā)表的情況，報告經(jīng)過h m 4 轉(zhuǎn)發(fā)到h b 上，交給i g m p s n o o p i n g 模塊進行處理，由于轉(zhuǎn)發(fā)表中已經(jīng)有該組播組表項，因此只在該組播組 項后面加入與主機4 相連的h m 的i d 號4 ，由于路由器已經(jīng)知道該網(wǎng)段上有該組 播組成員了，因此i g m ps n o o p i n g 模塊不需要把該報告轉(zhuǎn)發(fā)到路由器了。 表3 - 2 主機4 加入后的轉(zhuǎn)發(fā)表 目的地址 i d 0 1 0 0 5 e 0 1 0 3 0 2 1 ，4 此時我們可以讓組播源主機3 向目標(biāo)組2 2 4 1 3 2 發(fā)送信息，會發(fā)現(xiàn)在主機2 上接收不到該組播信息如圖3 1 3 中( b ) 所示。由此可以得出結(jié)論，在h i n o c 網(wǎng)絡(luò) 的結(jié)點中加入i g m ps n o o p i n g 模塊后，可以實現(xiàn)二層組播，組播不再以廣播的形 式來處理。 第三章h d q o c 網(wǎng)絡(luò)匯聚子層的研究 3 9 c a ) 發(fā)送紐描信息 b ) 接收組描信息 圖3 1 3l i l 插測試 2 l 在i g m ps n o o p i n g 方式下離開一個組 主機1 接收數(shù)據(jù)完畢要離開組播組2 2 4 13 2 ，通過向2 2 40 0 2 ( m a c 地址 0 x 0 1 0 0 5 e 0 0 0 0 0 2 ) 組播一個離開組消息聲明它正在離開組。該消息經(jīng)過h m 時 被提交到i g m ps n o o p i n g 模塊，經(jīng)過相應(yīng)的處理后被轉(zhuǎn)發(fā)到h b h b 收到該消息 后也把該消息提交到h b 中的i g m ps n o o p i n g 模塊中，發(fā)現(xiàn)是離丌組消息，就查 詢轉(zhuǎn)發(fā)表，若該組播組下還有其他成員就刪除與主機1 相連的h m l 的m 號， 然后丟棄該消息。如表3 - 3 所示，表中沒有了h m l 的i d 號1 。這里和普通的交 換機處理離開組消息不同的是h b 不需要向接收到該消息的端口發(fā)送一個i g m p 通用查詢來作為對離開組消息的響應(yīng)，這是因為每個h mi d 下只有一個用戶設(shè) 備。 表3 - 3 主機1 離開后的轉(zhuǎn)發(fā)表 目的地址 i d 0 1 - 0 0 5 e - 0 1 - 0 3 0 24 從表3 - 3 中可以看出，組播組2 2 4 1 3 2 中主機1 所連接的h m 的i d 號1 已經(jīng) 被刪除。此時在主機1 上測試組播發(fā)現(xiàn)主機1 上己無法收到組2 2 4 132 的數(shù)據(jù) 包了。 總之，在h i n o c 網(wǎng)絡(luò)的各結(jié)點中加入i g m ps n o o p i n g 模塊后，可以實現(xiàn)對二 層組播的支持，組播數(shù)據(jù)包不再以廣播的形式傳送，這對h i n o c 網(wǎng)絡(luò)寶貴的網(wǎng)絡(luò) 帶寬和主機資源來講，有著重要的意義。二層組播在h i n o c 網(wǎng)絡(luò)中的實現(xiàn)，為多 媒體信息清晰，流暢的在h i n o c 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)於藞詫嵉幕A(chǔ)。 4 0 h i n o c 網(wǎng)絡(luò)匯聚子層關(guān)鍵技術(shù)研究 3 3v l a n 在h i n o c 網(wǎng)絡(luò)中的實現(xiàn)方案 3 3 1v l a n 概述 ( 1 ) 。a n 概述 v l a n ( v i r t u a ll o c a la r e an e t w o r k ) 即虛擬局域網(wǎng)，是一種通過將局域網(wǎng)內(nèi) 的設(shè)備邏輯地劃分成一個個網(wǎng)段從而實現(xiàn)虛擬工作組的新興技術(shù)。它建立在局域 網(wǎng)交換機的基礎(chǔ)之上，通過v l a n 用戶能方便地在網(wǎng)絡(luò)中移動和快捷地組建寬帶 網(wǎng)絡(luò)，而無需改變?nèi)魏斡布屯ㄐ啪€路。這樣，網(wǎng)絡(luò)管理員就能從邏輯上對用戶 和網(wǎng)絡(luò)資源進行分配，而無需考慮物理連接方式。v l a n 充分體現(xiàn)了現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技 術(shù)的重要特征：高速、靈活、管理簡便和擴展容易。網(wǎng)絡(luò)的虛擬化是未來網(wǎng)絡(luò)發(fā) 展的潮流。 傳統(tǒng)的抑制廣播風(fēng)暴的基本方法是隔離廣播域。顯而易見的解決方法是限制以 太網(wǎng)上的結(jié)點，這就需要對網(wǎng)絡(luò)進行物理分段。將網(wǎng)絡(luò)進行物理分段的傳統(tǒng)方法 是使用路由器【2 4 】【2 5 1 ，如圖3 1 4 所示。路由器的基本作用是只發(fā)送和接收來往于不 同物理網(wǎng)段的信息。 圖3 1 4 傳統(tǒng)的l a n