C-HPAV系統(tǒng)中EoC終端設(shè)備交換芯片的統(tǒng)一管理

謝 娟，武樹斌，占慶山

（武漢郵電科學(xué)研究院 武漢烽火網(wǎng)絡(luò)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074）

C-HPAV系統(tǒng)中EoC終端設(shè)備交換芯片的統(tǒng)一管理

謝 娟，武樹斌，占慶山

（武漢郵電科學(xué)研究院 武漢烽火網(wǎng)絡(luò)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074）

介紹了基于C-HPAV系統(tǒng)的廣電網(wǎng)絡(luò)的雙向改造的解決方案EPON+EoC，提出了現(xiàn)有技術(shù)在對終端設(shè)備中交換機的管理方面存在的問題，創(chuàng)新性地提出“基于MME的設(shè)備操作”的操作方式，并提出“基于擴展MME和終端代理Agent”的方式來解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，從而實現(xiàn)在終端使用不同的交換芯片的一個混合型網(wǎng)絡(luò)中互聯(lián)互通的目的，極大地減少網(wǎng)絡(luò)管理的負擔(dān)并使整個網(wǎng)絡(luò)更具擴展性。

C-HPAV；終端代理Agent；擴展MME；統(tǒng)一管理

1 C-HPAV系統(tǒng)概述

隨著信息化時代的到來，傳統(tǒng)的單向電視網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)有客戶的需求，對廣電網(wǎng)絡(luò)實行雙向地升級和改造,尋求經(jīng)濟又適應(yīng)現(xiàn)有客戶需求的技術(shù)解決方案是有線電視運營商迫切需要做的。根據(jù)中國的國情和各種技術(shù)的比較和分析可以知道，EPON+EoC方案充分利用現(xiàn)有的HFC網(wǎng)絡(luò)，不需要對網(wǎng)絡(luò)進行重新布線，系統(tǒng)也易安裝，并且考慮到多業(yè)務(wù)承載時對管理、VLAN、QoS、安全性和擴展性等功能需求，從而使現(xiàn)有的有線電視網(wǎng)絡(luò)升級成為功能可擴展、結(jié)構(gòu)開放的高可靠性接入網(wǎng)絡(luò)。所以該方案是基于目前的廣電HFC網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)三網(wǎng)融合的最佳方案，也是目前廣電網(wǎng)絡(luò)中最常用的方案。

近幾年來，隨著三網(wǎng)融合試點的推廣，以IEEE1901/HomePlugAV標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的EoC技術(shù)因具有良好的接入性能和合理的產(chǎn)品價格成為廣電運營商的首選接入網(wǎng)技術(shù)，并在NGB接入網(wǎng)市場中占有很大的比重。

IEEE1901/HomePlugAV標(biāo)準(zhǔn)是一種通過常規(guī)的電力線承載以太網(wǎng)信號傳輸?shù)募夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)是由電氣電子工程師協(xié)會發(fā)布的，主要應(yīng)用在電力線通信領(lǐng)域[1]。C-HPAV標(biāo)準(zhǔn)吸取了IEEE1901/HomePlugAV標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)特點，將該技術(shù)在同軸電纜中作為接入技術(shù)，實現(xiàn)高帶寬的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)在同軸電纜上的傳輸。C-HPAV標(biāo)準(zhǔn)在原國家廣電總局的指導(dǎo)下，由國內(nèi)部分網(wǎng)絡(luò)運營商、芯片制造廠商、科研院所和設(shè)備制造商聯(lián)合起草制定。該標(biāo)準(zhǔn)定義了C-HPAV系統(tǒng)的架構(gòu)與總體要求，物理層、MAC層的功能及其相關(guān)協(xié)議與數(shù)據(jù)接口，以及系統(tǒng)管理和維護的方法。C-HPAV系統(tǒng)采用一點到多點結(jié)構(gòu)的雙向接入樹形網(wǎng)絡(luò)。其中的“一點”指的是C-HPAV系統(tǒng)頭端，“多點”指的是用戶端的多個系統(tǒng)終端[2]。整個網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)見圖1。

由圖1可以看到，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的前端放置的是OLT，ONU則放置在樓層，并與EoC局端設(shè)備相連，通過HFC網(wǎng)絡(luò)進入到用戶家中。用戶可以通過有線電視的同軸電纜線既可以傳輸和接收數(shù)據(jù)信號，同時又不影響傳輸和接收有線電視信號。放置在用戶家中的EoC終端設(shè)備，可以提供CATV和數(shù)據(jù)信號的輸出，并連接到用戶的電腦和電視等家用設(shè)備上。

圖1 C-HPAV系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

2 EoC局端對終端設(shè)備的交換芯片的統(tǒng)一管理設(shè)計

EoC局端由于向上連接EPON系統(tǒng)中的ONU，向下連接EoC終端設(shè)備，其工作和性能的好壞將直接反應(yīng)整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的優(yōu)劣。EoC局端對ONU的IP數(shù)據(jù)進行接收和調(diào)制，然后和CATV信號進行混合并輸出，并能把反向的數(shù)據(jù)再調(diào)制成網(wǎng)絡(luò)IP數(shù)據(jù)包并進行傳輸，還要能對下連的EoC終端進行集中的管理。目前的EoC局端通過管理數(shù)據(jù)輸入輸出接口下發(fā)命令自主地遠程配置交換芯片，達到管理終端設(shè)備的目的。

2.1 引入終端代理Agent的目的

運用目前的EoC局端通過管理數(shù)據(jù)輸入輸出接口下發(fā)命令自主地遠程配置交換芯片存在著以下問題：

1）在一個大型的EoC網(wǎng)絡(luò)中，通常是由許多不同類型的交換芯片的終端設(shè)備組成的。頭端在對終端的交換芯片下發(fā)配置時必須要辨別交換芯片的具體類型和協(xié)議，才能選擇相應(yīng)的配置進行下發(fā)。如果在無任何保護和驗證的情況下，對于交換芯片的交換配置可能會出現(xiàn)配置錯誤，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)故障，影響網(wǎng)絡(luò)性能。

2）由于每個交換芯片都有自己的一套適合于管理數(shù)據(jù)輸入輸出接口的配置命令。因此，當(dāng)在一個大型網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)類型不同的交換芯片的終端時，對于交換芯片的配置將會產(chǎn)生一個巨大的在管理數(shù)據(jù)輸入輸出接口上傳輸配置命令的負擔(dān)，而且這個負擔(dān)全部放在了局端的主機處理器上。這樣局端設(shè)備不僅要對EoC終端設(shè)備進行配置還要對終端的交換芯片進行配置，局端的工作負擔(dān)加大，對局端設(shè)備的要求自然就會比較高，這樣的技術(shù)實現(xiàn)會給網(wǎng)絡(luò)的可靠性、健壯性帶來很大的隱患。

2.2 統(tǒng)一管理的設(shè)計

為解決這個問題，本文采用一個更為通用的方法，創(chuàng)新性地提出“基于MME的設(shè)備操作”的操作方式，而不同于以往的“基于MME的寄存器操作”，引入終端代理Agent方式。在終端EoC芯片中增加了終端代理Agent模塊，利用終端代理Agent來替代EoC局端對連接的設(shè)備作類型識別。從而讓終端代理Agent來管理終端的交換芯片，使得在同一個網(wǎng)絡(luò)成功地支持不同的硬件形態(tài)，屏蔽不同的硬件方案使得EoC局端在管理和配置方面的壓力得到緩解，同時也減少了由于現(xiàn)場操作人員誤操作而使得設(shè)備損壞的可能性，從而優(yōu)化整個網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建更具可擴展性、無故障的、易于管理的網(wǎng)絡(luò)。具體的管理流程如圖2、圖3所示。

圖2 頭端對終端的管理MME流

圖3 頭端對交換芯片管理的MME流

本文設(shè)計的EoC管理系統(tǒng)的通信消息是在原有基于特定的以太網(wǎng)類型報文0x88E1（簡稱MME）的基礎(chǔ)上進行的擴展。采用擴展的特定以太網(wǎng)類型報文（簡稱擴展的MME）來實現(xiàn)局端與終端代理Agent之間的通信，而局端對終端的管理仍采用原有的特定以太網(wǎng)類型報文（簡稱標(biāo)準(zhǔn)的MME）。這樣局端對終端和對終端的交換芯片管理將會分開，互不干擾。

由于擴展的MME的報文不同于以前原有的標(biāo)準(zhǔn)的MME報文格式，必須對擴展的MME的幀結(jié)構(gòu)進行規(guī)定，其中它的幀格式應(yīng)該包括請求消息和應(yīng)答消息兩種，而請求消息中又可劃分成設(shè)置信息消息和獲得信息消息兩種不同的消息類型，應(yīng)答消息是對請求消息的回復(fù)，回復(fù)其請求是否下發(fā)和返回需要應(yīng)答的參數(shù)。擴展MME消息內(nèi)容由是由以太網(wǎng)幀頭、MME頭、MME包內(nèi)容（一個實例索引和多個屬性索引）、后綴組成。

具體的幀結(jié)構(gòu)如圖4和圖5所示。根據(jù)定義的幀格式編寫相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體，包括以太網(wǎng)幀頭、MME包頭、實例索引TLV、屬性索引TLV對應(yīng)的結(jié)構(gòu)體，現(xiàn)僅列出實例索引TLV的結(jié)構(gòu)體如下：

圖4 請求消息的幀格式

圖5 請求消息的幀格式

結(jié)構(gòu)體定義完成后需定義終端代理Agent使用的終端交換芯片配置SDK函數(shù)。對每一個相應(yīng)屬性進行操作的函數(shù)進行定義和實現(xiàn)，其中每一個函數(shù)都會調(diào)用實例索引TLV內(nèi)部接口函數(shù)和擴展屬性TLV內(nèi)部接口函數(shù)以及發(fā)送MME包并獲得操作結(jié)果。其中實例索引TLV內(nèi)部接口函數(shù)包括實例索引TLV編碼函數(shù)和校驗響應(yīng)消息中實例索引的合法性，擴展屬性TLV內(nèi)部接口函數(shù)包括設(shè)置請求消息和獲得請求消息中對擴展屬性TLV編碼以及設(shè)置應(yīng)答消息和獲得應(yīng)答消息中擴展屬性TLV解析?，F(xiàn)列出設(shè)置環(huán)路檢測報文發(fā)送周期這一屬性的函數(shù)實現(xiàn)，其函數(shù)名為

對其進行實例索引TLV編碼調(diào)用函數(shù)

再對其進行屬性索引TLV編碼調(diào)用函數(shù)

將包進行編碼后進行發(fā)包并獲得結(jié)果并將結(jié)果進行解析，調(diào)用函數(shù)

從而完成對設(shè)置環(huán)路檢測報文發(fā)送周期這一屬性的實現(xiàn)和得到操作結(jié)果，完成對終端的交換芯片的特定項的管理。

2.3 加入終端代理Agent模塊的互通管理流程

1）終端代理Agent是運行在EoC終端芯片中，當(dāng)EoC終端上電啟動后，終端代理Agent首先從終端EoC系統(tǒng)中讀取終端的性能屬性并保存，并且其保存在特定的位置處，滿足兼容性的需求。

2）終端代理Agent調(diào)用相應(yīng)的程序應(yīng)用接口向EoC終端芯片注冊擴展的MME消息，當(dāng)消息注冊后，所以注冊過的消息都轉(zhuǎn)發(fā)給終端代理Agent處理，這樣實現(xiàn)了頭端和終端代理Agent通信。終端代理Agent和終端交換芯片通信，避免了頭端直接識別終端交換芯片的類型，實現(xiàn)無差異地下發(fā)配置，減輕了頭端的管理的負擔(dān)。

3）局端收到EoC終端上線消息后，發(fā)送擴展的MME查詢各個終端的性能屬性。

4）終端代理Agent讀取保存在特定位置的終端性能屬性的信息發(fā)送擴展的MME將終端的性能屬性回復(fù)給局端；若EoC終端中下接家庭網(wǎng)關(guān)，則在回復(fù)的消息中應(yīng)包含家庭網(wǎng)關(guān)芯片的MAC地址。

5）局端向網(wǎng)管發(fā)送終端上線的認(rèn)證信息；認(rèn)證信息中包括纜橋終端的EoC終端芯片的MAC，如終端下接家庭網(wǎng)關(guān)，則認(rèn)證消息中還包括下接的家庭網(wǎng)關(guān)的MAC地址。

6）網(wǎng)管完成對該終端認(rèn)證通過后，利用原有的配置文件下發(fā)方式，將終端配置參數(shù)下發(fā)給局端。

7）局端收到配置文件后，解析配置文件，將配置參數(shù)保存在局端本地內(nèi)存中。若是對終端EoC終端芯片的配置，則直接通過標(biāo)準(zhǔn)的MME將配置參數(shù)下發(fā)給終端芯片；若是針對終端交換芯片和家庭網(wǎng)關(guān)的配置，則將配置參數(shù)封裝到擴展MME發(fā)送給EoC終端代理Agent。

8）終端代理Agent收到擴展的MME消息后，根據(jù)消息內(nèi)容，對交換芯片進行配置，并將最終的配置結(jié)果再封裝成擴展的MME回應(yīng)局端。若是對于家庭網(wǎng)關(guān)的消息，則要進行MAC替換，將目的MAC地址替換成家庭網(wǎng)關(guān)的MAC地址，源地址改為終端芯片的MAC地址再把MME發(fā)送給家庭網(wǎng)關(guān)，家庭網(wǎng)關(guān)再將配置結(jié)果發(fā)送擴展MME回應(yīng)給局端，在經(jīng)過終端代理Agent又要進行一次地址替換再發(fā)送給局端。具體的互通管理流圖如圖6所示。

圖6 互通管理流程圖

3 EoC局端對終端設(shè)備的交換芯片的統(tǒng)一管理的實現(xiàn)

任何一個系統(tǒng)都需要硬件和軟件相互配合才能實現(xiàn)，對于EoC局端對終端的交換芯片的統(tǒng)一管理的實現(xiàn)，需要硬件方面加入終端代理Agent模塊，軟件方面需要使用擴展的MME包在EoC頭端與終端代理Agent之間進行通信。

3.1 系統(tǒng)測試的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

對于最終實現(xiàn)的系統(tǒng)進行測試，采用了EoC頭端1臺，32臺終端相連即1∶32的測試環(huán)境，采用RFC2544基準(zhǔn)測試方法對系統(tǒng)進行定量的測試，其網(wǎng)絡(luò)測試的拓撲結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)測試拓撲結(jié)構(gòu)

3.2 系統(tǒng)測試步驟

1）根據(jù)拓撲圖將網(wǎng)絡(luò)進行搭建，進行實驗性的打流，觀察網(wǎng)絡(luò)測試儀是否收到包，從而判定網(wǎng)絡(luò)是否正常。

2）網(wǎng)絡(luò)測試正常后，在EoC局端上啟動終端代理Agent模塊。

3）通過網(wǎng)管通過EoC局端對EoC終端下發(fā)端口的環(huán)路檢測、端口鏡像使能、端口的流控使能、雙工方式和速率以及風(fēng)暴抑制、端口VLAN、優(yōu)先級和PVID等一系列的擴展MME配置的信息包。

4）EoC頭端接收后，由于是擴展的MME包，則EoC局端利用終端代理Agent對接收的包進行解析并轉(zhuǎn)化成終端相應(yīng)的配置并下發(fā)到終端對應(yīng)的位置上。

5）若配置正常生效后，則測試其在如下幀長（單位：byte）時的下行吞吐量：64，128，256，512，1 024，1 280，1 518各個字節(jié)，報文為未打標(biāo)的報文，測試時間為60 s，并記錄吞吐量數(shù)據(jù)。

6）按照同樣的方法，測試下行的吞吐量。

7）對于時延和丟包率，測試其在如下幀長（單位：byte）時的下行時延和丟包率：64，128，256，512，1 024，1 280，1 518各個字節(jié)，報文為未打標(biāo)的報文，并設(shè)置測試速率為該幀長下吞吐量測試結(jié)果的90%，測試時間4min，并記錄時延和丟包率的數(shù)據(jù)。

8）按照步驟5）測試上行的時延和丟包率并做記錄。

3.3 測試結(jié)果及分析

按照3.2節(jié)的測試步驟對系統(tǒng)進行測試，通過在EoC局端上啟動終端代理Agent模塊測試結(jié)果見表1。

表1 系統(tǒng)測試結(jié)果

由表1可以知道，在上述的系統(tǒng)測試中，使用了終端管理Agent對終端設(shè)備的交換芯片的管理配置下發(fā)是正確的，并且該系統(tǒng)業(yè)務(wù)性能良好，吞吐量符合業(yè)務(wù)要求，且系統(tǒng)的時延小，最多不超過60ms，所以配置下發(fā)響應(yīng)十分迅速，并且無業(yè)務(wù)丟包，即信息不丟失。隨著對測試幀長從64 byte到1 518 byte的增加，其上下行吞吐量和時延也隨之增加，是符合實際的應(yīng)用邏輯的，從而說明了該系統(tǒng)設(shè)計是正確可行的，并且在該設(shè)計下不影響正常的業(yè)務(wù)，且業(yè)務(wù)性能良好并且能夠達到統(tǒng)一管理的目的，使得EoC局端的管理的負擔(dān)得到了緩解，使得整個網(wǎng)絡(luò)更加穩(wěn)定和健壯。

4 結(jié)束語

在現(xiàn)有EoC網(wǎng)絡(luò)中，有越來越多不同類型的交換芯片或WiFi路由器連接到終端上。但它們來自于不同供應(yīng)商的，需要區(qū)分它們的類型并下發(fā)相應(yīng)的配置和管理，這對整個網(wǎng)絡(luò)管理將帶來了額外的工作。終端代理Agent這一設(shè)計，給EoC的開發(fā)帶來了新的工具來管理復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)變得非常容易。在這種設(shè)計架構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)管理將采用統(tǒng)一的格式來配置終端和與終端相連接的設(shè)備，并且可以不辨別他們的具體類型和協(xié)議。通過軟硬件的實現(xiàn)和測試結(jié)果可以表明，該設(shè)計是可行的，能夠解決實際問題。

[1]茹偉光，王正軍，倪晨鳴.C-HPAV在NGB接入網(wǎng)中的應(yīng)用[J].電視技術(shù)，2013，37（20）：34-37.

[2]GY/T269—2013，NGB寬帶接入系統(tǒng)C-HPAV系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范[S]. 2013.

[3] IEEE802.3,Standard for information technology[S].2005.

[4] 國家廣播電影電視總局科技司.面向下一代廣播電視網(wǎng)（NGB）電纜接入技術(shù)（EoC）需求白皮書[R].北京：出版者不詳，2009.

Research on Unified M anagement for EoC Term inal Equipment Based on C-HPAV

XIE Juan，WU Shubin，ZHAN Qingshan
（Wuhan Fiberhome Network Limited Liability Company，Wuhan Research Institute of Posts and Telecommunications,Wuhan 430074,China）

In this paper,two-way radio and television network transformation solution of EPON+EoC based on C-HPAV are introduced,and the existing problems are analyzed in the prior technologies in the management of terminal equipment switches.And then innovatively the operation mode of"based MME device operation"is put forward unlike the previous operation mode of"operation based MME register" to solve the prior problems.Using this way interconnection is implemented in hybrid network of the terminal using different switches,as well as the burden of network management will be reduced tremendously and it makes the whole network more scalable.

C-HPAV;terminal Agent;extended MME;unified management

TN943

A

謝 娟，女，碩士生，主要研究方向為通信與信息系統(tǒng)；

?? 薇

2014-01-26

【本文獻信息】謝娟，武樹斌，占慶山.C-HPAV系統(tǒng)中EoC終端設(shè)備交換芯片的統(tǒng)一管理[J].電視技術(shù)，2014，38（18）.

武樹斌，博士，主要研究方向為三網(wǎng)融合中接入網(wǎng)的QoS研究、基于SNMP和OAM的網(wǎng)絡(luò)管理；

占慶山，碩士生，主要研究方向為通信與信息系統(tǒng)。