D0I:10.13374/1.issm100103.2008.09.021 第30卷第9期 北京科技大学学报 Vol.30 No.9 2008年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sep·2008 一种适用于HFC网络CM的QoS解决方案 宋丽华1，) 李培娅2)张燕2)王沁2) 1)北方工业大学信息工程学院，北京1001442)北京科技大学信息工程学院，北京100083 摘要通过对不同网络QS机制进行分析比较和对D0CSIS1.1规范Qo标准的深入研究，提出了一种适用HFC网络接 入网设备CM的QS机制解决方案，给出了CMQS体系的设计模型，对各模块进行了详细的功能介绍，从设计上保证了为 不同的P数据提供不同的服务质量.详细阐述了动态业务的发起过程和实现技术，讨论了HFC网络QS的下一步研究方 向 关键词QoS:DOCSIS1.1;CM;HFC网络：RSVP 分类号TP393.07 A QoS solution for CMin HFC network SONG Lihua).LI Peiya2),ZHA NG Yan2),WANG Qin2) 1)School of Information Engineering.North China University of Technology.Beijing 100144.China 2)School of Information Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT A QoS solution for CM which is a kind of network-access equipment in HFC net work was proposed by analyzing differ- ent network QoS mechanisms and studying the DOCSIS1.1 QoS standards in-depth.A model for CM QoS mechanism was designed to ensure providing different QoS for different kinds of IP data,and the function of each module was described in detail.The dynamic service initiation technology was introduced lately.and finally the development of HFC network QoS mechanism was reviewed. KEY WORDS QoS:DOCSIS1.1:CM:HFC network:RSVP QoS(quality of service)是在通信系统中为了统 specifications)作为HFC网络的射频接口规范在其 一对网络服务性能进行描述而引入的概念，所谓 1.0版本的基础上扩展并完善了QoS标准，使HFC QS,从用户层面看，是服务性能的总效果，体现的 网络不仅能传输数字信号，还能传输对时延、抖动要 是用户对服务者所提供的服务水平的一种度量和评 求苛刻的音频、视频信号山，真正将数字网、电信 价，从技术角度来看，QS是一组服务要求参数，网 网、广播电视网融合在一起，但是，接口规范中对如 络须满足这些要求才能确保数据传输的适当服务级 何构建相应的QS体系并没有给出参考模型，并且 别，具体可以量化为带宽、延迟、抖动、丢失率等性能 没有规定采用什么样的QS协议，何时以及如何发 指标， 起动态业务，为此，本文进行了相关研究，并给出了 HFC(hybrid fiber-coax)网络是一种重要的带宽 基于CM(cable modem)端的Qos机制参考设计 接入技术，利用HFC可以方便地开展基于IP(in 模型， ternet protocol)的各种业务，如VolP(voice-over 1不同网络QS管理机制分析 IP)、VOD(video-on-demand)、HDTV(high defini tion TV,交互式高清晰数字电视)和高速Web浏览 为了满足Internet上各种网络应用传输服务质 业务，但是如何为不同的服务提供不同的服务质量 量的需求，近年来IETF(internet engineering task 保i证，DOCSIS1.l(data-over-cable service interface force)在此方面做了很多工作，先后提出了三种不同 收稿日期：2007-08-07修回日期：2007-09-28 基金项目：国家高技术研究发展计划基金项目(N。.2006AA09Z115):北京市科技产业化项目(N。,D0306008041021) 作者简介：宋丽华(1979一)，女，博士研究生，E mail:sdh2g@126.com;王沁(1961一)，女，教授，博士生导师，博士
一种适用于 HFC 网络 CM 的 QoS 解决方案 宋丽华12） 李培娅2） 张 燕2） 王 沁2） 1） 北方工业大学信息工程学院北京100144 2） 北京科技大学信息工程学院北京100083 摘 要 通过对不同网络 QoS 机制进行分析比较和对 DOCSIS1∙1规范 QoS 标准的深入研究提出了一种适用 HFC 网络接 入网设备 CM 的 QoS 机制解决方案．给出了 CM QoS 体系的设计模型对各模块进行了详细的功能介绍从设计上保证了为 不同的 IP 数据提供不同的服务质量．详细阐述了动态业务的发起过程和实现技术讨论了 HFC 网络 QoS 的下一步研究方 向． 关键词 QoS；DOCSIS1∙1；CM；HFC 网络；RSVP 分类号 TP393∙07 A QoS solution for CM in HFC network SONG Lihua 12）LI Peiya 2）ZHA NG Y an 2）W A NG Qin 2） 1） School of Information EngineeringNorth China University of TechnologyBeijing100144China 2） School of Information EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT A QoS solution for CM which is a kind of network-access equipment in HFC network was proposed by analyzing different network QoS mechanisms and studying the DOCSIS1∙1QoS standards in-depth．A model for CM QoS mechanism was designed to ensure providing different QoS for different kinds of IP dataand the function of each module was described in detail．T he dynamic service initiation technology was introduced latelyand finally the development of HFC network QoS mechanism was reviewed． KEY WORDS QoS；DOCSIS1∙1；CM；HFC network；RSVP 收稿日期：2007－08－07 修回日期：2007－09－28 基金项目：国家高技术研究发展计划基金项目（No．2006AA09Z115）；北京市科技产业化项目（No．D0306008041021） 作者简介：宋丽华（1979－）女博士研究生E-mail：slh2g＠126．com；王 沁（1961－）女教授博士生导师博士 QoS（quality of service）是在通信系统中为了统 一对网络服务性能进行描述而引入的概念．所谓 QoS从用户层面看是服务性能的总效果体现的 是用户对服务者所提供的服务水平的一种度量和评 价．从技术角度来看QoS 是一组服务要求参数网 络须满足这些要求才能确保数据传输的适当服务级 别具体可以量化为带宽、延迟、抖动、丢失率等性能 指标． HFC（hybrid fiber-coax）网络是一种重要的带宽 接入技术利用 HFC 可以方便地开展基于 IP （internet protocol） 的各种业务如 VoIP （voice-over IP）、VOD （video-on-demand）、HDTV （high definition TV交互式高清晰数字电视）和高速 Web 浏览 业务但是如何为不同的服务提供不同的服务质量 保证DOCSIS1∙1 （data-over-cable service interface specifications）作为 HFC 网络的射频接口规范在其 1∙0版本的基础上扩展并完善了 QoS 标准使 HFC 网络不仅能传输数字信号还能传输对时延、抖动要 求苛刻的音频、视频信号［1］真正将数字网、电信 网、广播电视网融合在一起．但是接口规范中对如 何构建相应的 QoS 体系并没有给出参考模型并且 没有规定采用什么样的 QoS 协议何时以及如何发 起动态业务．为此本文进行了相关研究并给出了 基于 CM （cable modem） 端的 QoS 机制参考设计 模型． 1 不同网络 QoS 管理机制分析 为了满足 Internet 上各种网络应用传输服务质 量的需求近年来 IETF （internet engineering task force）在此方面做了很多工作先后提出了三种不同 第30卷 第9期 2008年 9月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．9 Sep．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．09．021
,1068. 北京科技大学学报 第30卷 的Internet QoS体系结构，提出了IntServ/.RSVP dination function,HCF),HCF提供了EDCA(en (integrated services/resource reservation protocol) hanced distribution channel access)HCCA (hybrid DiffServ (Differentiated Services)MPLS (multi- control channel access)两种访问方式，这两种QoS protoco label switching)2).QoS实现技术的研究目 技术改善了访问带宽，减少了高优先级通信的延迟. 前主要集中在拥塞控制、报文分类、流量整形与监 (4)IEEE802.ld.在改进LAN(local area net- 测、队列管理、分组调度以及Q$路由等方面.为了 wok)协议的基础上支持紧急业务的传送并给出了 保证服务质量，适应下一代网络的发展方向，不同网 将不同用户优先级映射至相应的队列的方法[)]. 络都推出了自己的QoS解决方案. (5)HFC网络.HFC网络提供增强型QS,主 (1)ATM网络，ATM网络中QoS定义有两种 要机制是将穿越射频接口RF(radio frequency) 方式：第一种方式是PVC(permanent virtual con~ MAC接口的包分类成业务流，根据对该业务流规定 nection)或SVC(switched virtual connection),它们 的QoS参数集，CM和CMTS通过流量整形、策略 可申请某种业务类型并按这种业务类型预约网络资 处理和优先级处理来提供这种Q$,然而，为了提 源；第二种方式适用于UNI4.0(user and network 供端对端的QoS或监控CM的性能需要与RF接口 interface)的SVC连接的建立，在连接建立的SET- 以外的机制一起工作四 UP信令中携带特定的QoS参数集合[].ATM是 2 CM QoS机制体系结构设计 面向连接的网络技术，在ATM QoS的控制和管理 过程中，主要有接入控制、业务整形、用法参数控制 支持QoS需要HFC网络MAC层提供有效的 和拥塞控制等技术， 访问和传输调度机制，一些文献主要研究热点集中 (2)宽带无线接入网，在IEEE802.16网络 在冲突解决和优先级调度机制上[-]，规范和相关 中，采取将IP层QoS的RSVP、DiffServ映射到 文献都没有给出HFC网络接入网设备CM QoS机 MAC(media access control)QoS来实现服务质量[， 制的系统解决方案，如何获取用户对服务质量的参 (3)无线局域网.IEEE802.11e标准提供了支 数化描述来保证端到端的QS,通过对相关标准深 持语音和多媒体等应用需要的服务质量和增强的网 入研究以及参考其他网络的QoS解决方案，对HFC 络性能，是对IEEE802.11无线局域网络标准的增 网络接入网设备CM QoS机制的解决方案设计如图 补.802.l1e标准定义了混合协调功能(hybrid coor- 1所示 令牌 上行带宽调度 Classifier 1 SD数据队列1 桶1 上行带宽 请求发送器 净负荷 Classifier 2 data 2 上行 标头抑制 列 和级联 data 3 调度器 令牌 MAP解析器 桶1 SID数据队列) Classifierm→ data n 动态量务管理 图1 CM QoS体系结构框架 Fig.1 Architecture design for CM QoS (1)数据帧分类.CM的管理帧和用户的数据 略简单易于实现和管理 帧首先经过分类器，分类器是一组匹配规则，它将符 (2)流量整形，流量整形是调整数据的平均传 合不同分类规则的数据包分到不同的业务流进行传 输速率，使数据按照传输模式规定的速率进行传输， 输。采用“先来先服务”和“按优先级”相结合的调度 避免突发性的通信量导致的拥塞问题.采用令牌桶 策略对到来的上行数据进行匹配，将分类规则按优 算法进行流量整形，流量限制只适用于实时查询业 先级降序排列，到来的数据按顺序与每个规则进行 务(real time polling service,rtPS)、非实时查询业务 匹配，若某个分类器中的所有参数与数据匹配，则该 (non real--time polling service,nrtPS)以及最大努力 分类器必须将该数据帧送到对应的业务流，没有与 业务(best effort,BE)三种业务，令牌桶的输入队列 之匹配的数据帧将被分到基本业务流，这种分类策 为基于业务流的分级排队方法，在该系统中由于业
的 Internet QoS 体系结构提出了 IntServ／RSVP （integrated services／resource reservation protocol）、 DiffServ （Differentiated Services） 和 MPLS （mult-i protocol label switching） ［2］．QoS 实现技术的研究目 前主要集中在拥塞控制、报文分类、流量整形与监 测、队列管理、分组调度以及 QoS 路由等方面．为了 保证服务质量适应下一代网络的发展方向不同网 络都推出了自己的 QoS 解决方案． （1） AT M 网络．AT M 网络中 QoS 定义有两种 方式：第一种方式是 PVC （permanent virtual connection）或 SVC （switched virtual connection）它们 可申请某种业务类型并按这种业务类型预约网络资 源；第二种方式适用于 UNI4∙0（user and network interface）的 SVC 连接的建立在连接建立的 SETUP 信令中携带特定的 QoS 参数集合［3］．AT M 是 面向连接的网络技术在 AT M QoS 的控制和管理 过程中主要有接入控制、业务整形、用法参数控制 和拥塞控制等技术． （2） 宽带无线接入网．在 IEEE 802∙16网络 中采取将 IP 层 QoS 的 RSVP、DiffServ 映射到 MAC （media access control） QoS 来实现服务质量［4］． （3） 无线局域网．IEEE802∙11e 标准提供了支 持语音和多媒体等应用需要的服务质量和增强的网 络性能是对 IEEE802∙11无线局域网络标准的增 补．802∙11e 标准定义了混合协调功能（hybrid coordination functionHCF ）HCF 提供了 EDCA （enhanced distribution channel access）和 HCCA （hybrid control channel access） 两种访问方式这两种 QoS 技术改善了访问带宽减少了高优先级通信的延迟． （4） IEEE802∙1d．在改进 LAN（local area network）协议的基础上支持紧急业务的传送并给出了 将不同用户优先级映射至相应的队列的方法［5］． （5） HFC 网络．HFC 网络提供增强型 QoS主 要机制是将穿越射频接口 RF （radio frequency ） MAC 接口的包分类成业务流根据对该业务流规定 的 QoS 参数集CM 和 CMTS 通过流量整形、策略 处理和优先级处理来提供这种 QoS．然而为了提 供端对端的 QoS 或监控 CM 的性能需要与 RF 接口 以外的机制一起工作［1］． 2 CM QoS 机制体系结构设计 支持 QoS 需要 HFC 网络 MAC 层提供有效的 访问和传输调度机制一些文献主要研究热点集中 在冲突解决和优先级调度机制上［6－8］规范和相关 文献都没有给出 HFC 网络接入网设备 CM QoS 机 制的系统解决方案如何获取用户对服务质量的参 数化描述来保证端到端的 QoS．通过对相关标准深 入研究以及参考其他网络的 QoS 解决方案对 HFC 网络接入网设备CM QoS 机制的解决方案设计如图 1所示． 图1 CM QoS 体系结构框架 Fig．1 Architecture design for CM QoS （1） 数据帧分类．CM 的管理帧和用户的数据 帧首先经过分类器分类器是一组匹配规则它将符 合不同分类规则的数据包分到不同的业务流进行传 输．采用“先来先服务”和“按优先级”相结合的调度 策略对到来的上行数据进行匹配将分类规则按优 先级降序排列到来的数据按顺序与每个规则进行 匹配若某个分类器中的所有参数与数据匹配则该 分类器必须将该数据帧送到对应的业务流没有与 之匹配的数据帧将被分到基本业务流这种分类策 略简单易于实现和管理． （2） 流量整形．流量整形是调整数据的平均传 输速率使数据按照传输模式规定的速率进行传输 避免突发性的通信量导致的拥塞问题．采用令牌桶 算法进行流量整形流量限制只适用于实时查询业 务（rea-l time polling servicertPS）、非实时查询业务 （non-rea-l time polling servicenrtPS）以及最大努力 业务（best effortBE）三种业务．令牌桶的输入队列 为基于业务流的分级排队方法在该系统中由于业 ·1068· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第9期 宋丽华等：一种适用于H亚C网络CM的QoS解决方案 ,1069 务流的优先级不同，故涉及到调度策略，采用加权平 (3)净负荷标头抑制.净负荷标头抑制是动态 均队列的调度方式可以在保证高优先级的数据先被 业务中改善传输效率的很重要的手段，在数据帧被 发送的同时又兼顾了公平性，当队列满的时候根据 分到不同的业务流中后，根据控制字段的值判断该 服务等级有选择的对数据进行丢弃，从而保证在做 业务流是否可以进行净负荷标头抑制，然后按照预 到流量控制的同时又最大限度的减少资源浪费和利 置的抑制规则对数据帧进行处理，净负荷标头抑制 用带宽，但是也有一些业务不能进行流量整形，比 过程见图2.发送和接收实体根据抑制规则来抑制 如主动授权业务(unsolicited grant service,UGS) 和恢复紧跟在MAC帧扩展头字段中的重复部分. 等，相应的QoS参数会明确给予指出. (4)级联，MAC帧的级联是CM在一个传输机 1334 4 2 14 20 8 1210t0160 4 FGPS MAC OH BPI HCS Ethernet IP UDP RTP Voice Bytes CRC 13-34 4 5221210t0160 4 FGPS MAC OH BPI P HCS RTP Voice Bytes CRC注：以字节为单位 图2净负荷标头抑制过程 Fig.2 Payload header suppression example 会中传输多个MAC帧的唯一方法，它的实现在一 调度业务，队列监控等机制保证了CM对QoS的控 定程度上避免传输时的网络资源浪费，这种级联机 制 制只应用于上行业务流的传输，它可以级联多个 3动态业务的发起 MAC帧，但是具体采用什么样的级联策略规范中并 没有给出参考算法，本系统中采用“尽量级联”的方 设计的CM QoS机制解决方案中的构件主要集 法，在发送数据时检查同SID队列中的数据帧以最 中在第二层，仅适用于CMTS和CM之间的交互环 大级联长度为上限尽量级联，这种策略易于实现并 境，要保证端到端的QoS,必须将DOCSIS的QoS 且节约级联时间开销，但是“尽量级联”方法有可能 规范与IP的QS方案结合在一起，才能满足为用 会带来等待长数据授权或者分段的时间开销，有待 户提供相应的Q$宽带业务保证 进一步研究和改进 用户的需求反映到MAC层表现为业务流的建 (5)上行带宽请求与业务调度.对于上行带宽 立、改变和删除，这是通过一系列的MAC管理报文 请求策略仍然是采用按优先级顺序进行请求，通过 实现的，包括动态业务添加(dynamic service addi- 对MAP进行解析，获得IUC参数，优先为高优先级 tion,DSA)、动态业务改变(dy namic service change, 的数据申请数据发送机会，在上行业务流的调度策 DSC)和动态业务删除(dynamic service deletion, 略问题上，DOCSIS在上行信道定义了UGS、rtPS、 DSD).何时以及如何发起动态业务，DOCSIS规范 UGS-AD(unsolicited grant service with activity de- 中指出动态业务是由上层实体发起的，上层实体包 tection)、nrtPS以及BE五种业务，根据数据的特 括DOCSIS桥接器、嵌入式应用（例如Packetcable/ 性，把不同性质的数据放到不同的业务流中传输，但 VoIP)、主机接口（例如带NDIS,network driver in 是DOCSIS没有定义如何调度不同业务流.采用基 terface standard驱动的NIC适配器)以及第三层路 于多优先级队列的数据传输调度策略，保证对时间 由器（例如P路由器）山，具体如何发起规范中没有 延迟敏感业务的优先被调度，并且对UGS和UGS- 定义，通过对相关文献的研究，CableLabs为了在双 AD业务流队列进行监测，当发现UGS队列深度超 向有线网络中传送实时多媒体业务定义了相应的接 过头端分配的每周期固定数据授权个数时，通过QI 口规范PacketCablel]和CableHomet10].下面就 标志位通知CMTS授权额外带宽，并在检测到其业 PacketCable进行详细介绍动态业务的发起过程， 务流队列深度在控制范围内时清标志位并通知头 PacketCable网络建立在符合DOCSIS1.1规范 端.对于UGS-AD业务流队列的监测主要在于检测 的Cable Modem结构之上，见图3，它使用IP技术 该业务流是否处于活动状态，以通知CMTS采用什 来传送像P电话、多媒体会议、交互式游戏以及其 么样的时隙分配策略，将UGS的低延迟特性和 他多媒体应用业务，同时还能保证网络的速度和 tPS的高效性相结合提高了带宽利用率，这样，通 QoS 过采用按优先级匹配分类器，净负荷标头的抑制， 多媒体终端适配器MTA(multimedia terminal “尽量级联的级联策略和流量控制，发送请求策略， adapter)是安装在用户端的用户设备，通过HFC网
务流的优先级不同故涉及到调度策略采用加权平 均队列的调度方式可以在保证高优先级的数据先被 发送的同时又兼顾了公平性．当队列满的时候根据 服务等级有选择的对数据进行丢弃从而保证在做 到流量控制的同时又最大限度的减少资源浪费和利 用带宽．但是也有一些业务不能进行流量整形比 如主动授权业务（unsolicited grant serviceUGS ） 等相应的 QoS 参数会明确给予指出． （3） 净负荷标头抑制．净负荷标头抑制是动态 业务中改善传输效率的很重要的手段．在数据帧被 分到不同的业务流中后根据控制字段的值判断该 业务流是否可以进行净负荷标头抑制然后按照预 置的抑制规则对数据帧进行处理净负荷标头抑制 过程见图2．发送和接收实体根据抑制规则来抑制 和恢复紧跟在 MAC 帧扩展头字段中的重复部分． （4）级联．MAC帧的级联是CM在一个传输机 图2 净负荷标头抑制过程 Fig．2 Payload header suppression example 会中传输多个 MAC 帧的唯一方法它的实现在一 定程度上避免传输时的网络资源浪费．这种级联机 制只应用于上行业务流的传输它可以级联多个 MAC 帧但是具体采用什么样的级联策略规范中并 没有给出参考算法．本系统中采用“尽量级联”的方 法在发送数据时检查同 SID 队列中的数据帧以最 大级联长度为上限尽量级联这种策略易于实现并 且节约级联时间开销．但是“尽量级联”方法有可能 会带来等待长数据授权或者分段的时间开销有待 进一步研究和改进． （5） 上行带宽请求与业务调度．对于上行带宽 请求策略仍然是采用按优先级顺序进行请求通过 对 MAP 进行解析获得 IUC 参数优先为高优先级 的数据申请数据发送机会．在上行业务流的调度策 略问题上DOCSIS 在上行信道定义了 UGS、rtPS、 UGS-AD （unsolicited grant service with activity detection）、nrtPS 以及 BE 五种业务．根据数据的特 性把不同性质的数据放到不同的业务流中传输但 是 DOCSIS 没有定义如何调度不同业务流．采用基 于多优先级队列的数据传输调度策略保证对时间 延迟敏感业务的优先被调度并且对 UGS 和 UGSAD 业务流队列进行监测当发现 UGS 队列深度超 过头端分配的每周期固定数据授权个数时通过 QI 标志位通知 CMTS 授权额外带宽并在检测到其业 务流队列深度在控制范围内时清标志位并通知头 端．对于 UGS-AD 业务流队列的监测主要在于检测 该业务流是否处于活动状态以通知 CMTS 采用什 么样的时隙分配策略将 UGS 的低延迟特性和 rtPS 的高效性相结合提高了带宽利用率．这样通 过采用按优先级匹配分类器净负荷标头的抑制 “尽量级联”的级联策略和流量控制发送请求策略 调度业务队列监控等机制保证了 CM 对 QoS 的控 制． 3 动态业务的发起 设计的CM QoS 机制解决方案中的构件主要集 中在第二层仅适用于 CMTS 和 CM 之间的交互环 境要保证端到端的 QoS必须将 DOCSIS 的 QoS 规范与 IP 的 QoS 方案结合在一起才能满足为用 户提供相应的 QoS 宽带业务保证． 用户的需求反映到 MAC 层表现为业务流的建 立、改变和删除这是通过一系列的 MAC 管理报文 实现的包括动态业务添加（dynamic service additionDSA）、动态业务改变（dynamic service change DSC） 和动态业务删除 （dynamic service deletion DSD）．何时以及如何发起动态业务DOCSIS 规范 中指出动态业务是由上层实体发起的上层实体包 括 DOCSIS 桥接器、嵌入式应用（例如 Packetcable／ VoIP）、主机接口（例如带 NDISnetwork driver interface standard 驱动的 NIC 适配器）以及第三层路 由器（例如 IP 路由器） ［1］具体如何发起规范中没有 定义通过对相关文献的研究CableLabs 为了在双 向有线网络中传送实时多媒体业务定义了相应的接 口规 范 PacketCable ［9］ 和 CableHome ［10］．下 面 就 PacketCable 进行详细介绍动态业务的发起过程． PacketCable 网络建立在符合 DOCSIS1∙1规范 的 Cable Modem 结构之上见图3它使用 IP 技术 来传送像 IP 电话、多媒体会议、交互式游戏以及其 他多媒体应用业务同时还能保证网络的速度和 QoS． 多媒体终端适配器 MTA （multimedia terminal adapter）是安装在用户端的用户设备通过 HFC 网 第9期 宋丽华等： 一种适用于 HFC 网络 CM 的 QoS 解决方案 ·1069·
,1070 北京科技大学学报 第30卷 视频、语音 交互视频 SMTA CM CMTS 电话会议，电视 数据应用 RSVP-PATH- PacketCable协议 IP协议 —DSA-REQ DSA-RSP- DOCSIS媒体接口控制 DSA-ACK- 物理层 RSVP-RESV 图3 PacketCable架构 RSVP-PATH Fig.3 PacketCable structure -RSVP-RESV 络(DOCSIS)连接其他的PacketCable网络组件， PacketCable网络结构见图4，MTA包括连接到物 图5SMTA与CM、CMTS的通信 理电话设备（例如电话机）的用户端接口和连接到网 Fig.5 Communication of SMTA to CM and CMTS 络中呼叫控制组件的网络端接口，MTA提供编解 RISC CPU DSP RS232 码、信令功能，并封装媒体流和呼叫信令，MTA必 44A4 须支持网络呼叫信令(NCS,net work-based call sig EEPROM 10/100M收发器-RJ45 naling)协议，通过NCS与呼叫管理服务器(CMS, call management system)之间进行信令呼叫.MTA FLASH USB收发器 -USB 分为SMTA(standalone MTA)和EMTA(embedded RAM AD/DC SLIC =RJ11 MTA),SMTA是指外接的MTA设备，EMTA是指 Transceiver位 语音适配卡 嵌入式的MTA RE DOCSIS MAC MTACM HFC CABLE NETWORK 图6EMTA硬件实现结构图 CMTS Fig.6 EMTA hardware structure 嵌人式多媒体终端适配器 图4 Packet Cable网络结构 恢人上层实体 MTA的CM CMTS Fig.4 PacketCable network structure 3.1独立MTA解决方案 DSA-REQ- DSA-RSP 外接独立的SMTA使用以太网、USB(universal DSA-ACK serial bus)IEEE (institute of electrical and elec- tronics engineers)l394接口与DOCSIS Cable Mo- dem进行物理连接，必须支持RSVP机制[s). 图7EMTA与CMTS的通信 SMTA使用RSVP申请资源，将RSVP-PATH Mes Fig-7 Communication between EMT A and CMTS sage发送给CM,CM透明转发RSVP-PATH Mes- sage给CMTS,在CMTS端将RSVP Flowspecs映射 因此动态业务的发起采用的是一种“用户申请 为DOCSIS QOS,然后向CM发起DSX等请求.工 和头端发起”策略：用户提供相应的QoS参数，通过 作过程如图5. 信令呼叫建立连接，头端收到请求，确定该Q$要 3.2嵌入式EMTA解决方案 求的资源是否被满足并做出相应应答，CM只是简 嵌入式MTA(E-MTA)是一个单独的硬件，与 单的转发这些通信信令，同时接受头端主动发起的 CM共同组成MTA组件，图6是E-MTA硬件实现 DSA、DSC和DAD等请求，上层实体和CMTS必须 的结构图).EMTA可以支持RSVP机制也可以 都支持相同的Qo$信令协议，业务流的修改和删除 支持DOCSIS MAC接口8].在EMTA中使用NCS 操作类似， (network-based call signaling)DCS (distributed 4结语 call signaling)调用DOCSIS MAC接口发起资源的 申请，由CM发起DSX Message,工作流程如图7. 本文通过对D0CSIS1.1QoS标准进行深入研
图3 PacketCable 架构 Fig．3 PacketCable structure 络（DOCSIS ） 连接其他的 PacketCable 网络组件 PacketCable 网络结构见图4．MTA 包括连接到物 理电话设备（例如电话机）的用户端接口和连接到网 络中呼叫控制组件的网络端接口．MTA 提供编解 码、信令功能并封装媒体流和呼叫信令．MTA 必 须支持网络呼叫信令（NCSnetwork-based call signaling）协议通过 NCS 与呼叫管理服务器（CMS call management system）之间进行信令呼叫．MTA 分为 SMTA（standalone MTA）和 EMTA（embedded MTA）SMTA 是指外接的 MTA 设备EMTA 是指 嵌入式的 MTA． 图4 PacketCable 网络结构 Fig．4 PacketCable network structure 3∙1 独立 MTA 解决方案 外接独立的 SMTA 使用以太网、USB（universal serial bus）或者 IEEE （institute of electrical and electronics engineers）1394接口与 DOCSIS Cable Modem 进 行 物 理 连 接必 须 支 持 RSVP 机 制［8］． SMTA 使用 RSVP 申请资源将 RSVP-PAT H Message 发送给 CMCM 透明转发 RSVP-PAT H Message 给CMTS在 CMTS 端将 RSVP Flowspecs 映射 为 DOCSIS QOS然后向 CM 发起 DSX 等请求．工 作过程如图5． 3∙2 嵌入式 EMTA 解决方案 嵌入式 MTA （E-MTA）是一个单独的硬件与 CM 共同组成 MTA 组件图6是 E-MTA 硬件实现 的结构图［11］．EMTA 可以支持 RSVP 机制也可以 支持 DOCSIS MAC 接口［8］．在 EMTA 中使用 NCS （network-based call signaling） 或者 DCS （distributed call signaling）调用 DOCSIS MAC 接口发起资源的 申请由 CM 发起 DSX Message工作流程如图7． 图5 SMTA 与 CM、CMTS 的通信 Fig．5 Communication of SMTA to CM and CMTS 图6 EMTA 硬件实现结构图 Fig．6 EMTA hardware structure 图7 EMTA 与 CMTS 的通信 Fig．7 Communication between EMTA and CMTS 因此动态业务的发起采用的是一种“用户申请 和头端发起”策略：用户提供相应的 QoS 参数通过 信令呼叫建立连接头端收到请求确定该 QoS 要 求的资源是否被满足并做出相应应答．CM 只是简 单的转发这些通信信令同时接受头端主动发起的 DSA、DSC 和 DAD 等请求上层实体和 CMTS 必须 都支持相同的 QoS 信令协议业务流的修改和删除 操作类似． 4 结语 本文通过对 DOCSIS1∙1QoS 标准进行深入研 ·1070· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第9期 宋丽华等：一种适用于H亚C网络CM的QoS解决方案 ,1071. 究，给出了一种适用于HFC网络接入网设备CM的 继电器，2005,33(24)：12) QS机制解决方案，详细阐述了动态业务的发起过 [4]Chen J F.Jiao W H.Guo Q.Providing integrated QoS control for IEEE 802.16 broadband wireless access systems /IEEE 程，利用分类、排队、调度机制等功能模块从设计上 62nd Semiannual Vehicular Technology Conference.Dallas. 保证了为不同的P数据提供不同的服务质量，这是 2005,25 HFC网络满足新业务要求的关键.随着下一代网 [5]Arco J M.Quality of service over Ethernet for tele-dearning appli- 络(NGN,next generation network)技术的发展，对 cations//Proceedings of the Conference on Integrating Technolo 网络传输的要求越来越高，基于DOCSIS规范HFC gy into Computer Science Education.Cracow,1999:68 网络作为宽带接入的主要形式之一，要保持其优势， [6]Hawa M.Petr D W.Quality of service scheduling in cable and broadband wireless access systems//IEEE 10th International 必须提供良好的QoS控制，QoS技术对HFC网络 Workshop on Quality of Service(IW QoS).Miami.2002:247 下一步研究、应用和发展具有重要意义，在端到端 [7]Carroll M D.Aligning the initial maintenance intervals of cable Q$解决方案以及接纳控制模型等方面有待开展更 modem upstream channels.IEEE Commun Mag,2003.41(9): 深一步的研究 140 [8]Kuo W K,Kumar S,Kuo CC J.Dynamic collision resolution and 致谢本项目得到北方工业大学科研平台及团队建 traffic scheduling for DOCSIS systems with QoS support//IEEE 设基金的资助， Global Telecommunications Conference.San Francisco.2003.7: 3894 参考文献 [9]CableLabs-PacketCableTM Dynamic Quality of-Service Specifi- [1]CableLabs.Data-Over-Cable Service Interface Specifications cation.PKT-SP-DQoS-104-021018.USA:Cable Television DOCSIS1.1 Radio Frequency Interface Specification.CM-SP- Laboratories Inc,2002 RFIv1.1-C01-050907.USA:Cable Television Laboratories Ine. [10]CableLabs.Cable Home 1.1 Specification.CH-SP-CH1.1- 2005 C01-0607.USA:Cable Television Laboratories Ine.2006 [2]Braden R.Clark D.Shenker S.Integrated Services in the Inter- [11]Su W J.Liu Y.Feng Z M.Multimedia terminal adapter based net Architecture:An Overview.Internet Engineering Task on HFC VoIP platform.China Digital Cable TV,2003(Suppl Force (IETF)RFC 1633.1994 2):33 [3]Jiang J.Jiang DZ.Ni C B.QoS techniques in ATM networks of (苏文俊，刘洋，冯振明.HFC语音平台中的多煤体适配器 power system communication.Relay.2005.33(24):12 MTA.中国有线电视，2003（增刊2）：33) (蒋杰，江道灼，倪承波：电力通信ATM网络中的QS技术
究给出了一种适用于 HFC 网络接入网设备 CM 的 QoS 机制解决方案详细阐述了动态业务的发起过 程利用分类、排队、调度机制等功能模块从设计上 保证了为不同的 IP 数据提供不同的服务质量这是 HFC 网络满足新业务要求的关键．随着下一代网 络（NGNnext generation network）技术的发展对 网络传输的要求越来越高．基于 DOCSIS 规范 HFC 网络作为宽带接入的主要形式之一要保持其优势 必须提供良好的 QoS 控制．QoS 技术对 HFC 网络 下一步研究、应用和发展具有重要意义在端到端 QoS 解决方案以及接纳控制模型等方面有待开展更 深一步的研究． 致谢 本项目得到北方工业大学科研平台及团队建 设基金的资助． 参 考 文 献 ［1］ CableLabs． Data-Over-Cable Service Interf ace Specifications DOCSIS1∙1 Radio Frequency Interf ace SpecificationCM-SPRFIv1∙1-C01-050907．USA：Cable Television Laboratories Inc 2005 ［2］ Braden RClark DShenker S．Integrated Services in the Internet A rchitecture： A n Overview． Internet Engineering Task Force （IETF） RFC16331994 ［3］ Jiang JJiang D ZNi C B．QoS techniques in AT M networks of power system communication．Relay200533（24）：12 （蒋杰江道灼倪承波．电力通信 AT M 网络中的 QoS 技术． 继电器200533（24）：12） ［4］ Chen J FJiao W HGuo Q．Providing integrated QoS control for IEEE 802∙16 broadband wireless access systems ∥ IEEE 62nd Semiannual Vehicular Technology Conference． Dallas 2005：25 ［5］ Arco J M．Quality of service over Ethernet for tele-learning applications∥ Proceedings of the Conference on Integrating Technology into Computer Science Education．Cracow1999：68 ［6］ Hawa MPetr D W．Quality of service scheduling in cable and broadband wireless access systems ∥ IEEE 10th International Workshop on Quality of Service （ IW QoS）．Miami2002：247 ［7］ Carroll M D．Aligning the initial maintenance intervals of cable modem upstream channels．IEEE Commun Mag200341（9）： 140 ［8］ Kuo W KKumar SKuo C C J．Dynamic collision resolution and traffic scheduling for DOCSIS systems with QoS support∥ IEEE Global Telecommunications Conference．San Francisco20037： 3894 ［9］ CableLabs．PacketCable TM Dynamic Quality-of-Service Specification PKT-SP-DQoS-I04-021018． USA： Cable Television Laboratories Inc2002 ［10］ CableLabs． CableHome R○1∙1 SpecificationCH-SP-CH1∙1- C01-0607．USA：Cable Television Laboratories Inc2006 ［11］ Su W JLiu YFeng Z M．Multimedia terminal adapter based on HFC VoIP platform．China Digital Cable TV 2003（Suppl 2）：33 （苏文俊刘洋冯振明．HFC 语音平台中的多媒体适配器 MTA．中国有线电视2003（增刊2）：33） 第9期 宋丽华等： 一种适用于 HFC 网络 CM 的 QoS 解决方案 ·1071·