万M同轴接入MAC层仿真软件设计分析

本文的主要工作内容是：设计与实现支持万兆同轴接入的 MAC 层仿真软件，研究 DOCSIS 4.0 协议 MAC 层关键机制，通过对具有万兆接入能力的 DOCSIS 4.0 MAC层协议的仿真，验证仿真软件的可用性和有效性。（1）调研网络协议仿真软件，阐述自研 MAC 层仿真软件的原因，规划的软件特性，介绍仿真软件使用场景，从功能和非功能两个方面，分析软件需求，包括应该支持离散时间驱动
第一章绪 论

1.1 研究背景及意义

随着网络技术的发展和互联网技术的广泛应用，计算机在科研工作和工业生产中扮演着越来越重要的角色，网络也已经融入到人们的日常生活之中。随着 4K 高清视频、虚拟现实和在线教育会议的普及，日益丰富的上网需求促使网络研究人员开发更高效的网络协议和算法。目前网络协议的研究和开发主要通过以下三种方式：实验方式、分析方式和仿真方式，实验方式是根据网络协议的相关机制，搭建网络协议运行所需软硬件实验环境，分析网络协议在现实网络中的测试结果，评估网络协议的功能和性能；分析方式是利用理论推导分析网络协议性能，以一定的限定条件和合理假设为前提，利用数学建模的方法抽象出数学模型，对数学模型进行推导从而分析协议性能；仿真方式是使用协议仿真软件，输入网络相关参数，仿真软件模拟网络协议的运行过程，并对得到的结果进行分析[1]。在以上三种研究方式中，分析方式和实验方式受限于很多因素。分析方式需要基于限定条件和抽象数学模型，但是面对复杂的现实网络系统，很难描述出准确的限定条件，进而建立数学模型进行分析。实验方式要软硬件环境的同时支持，在协议开发过程中搭建软硬件实验环境需要投入更多的人力物力，增大科研投入，延长协议的开发周期，且不能及时发现设计中的问题，实验网络环境往往是场景特定且规模有限的，不能展示网络协议在更多场景和更大规模下性能表现。对比以上两种方式，仿真方式的优势显而易见。仿真方式可以根据不同协议的需求，设计不同的仿真场景，不需要投入过多的时间和精力，就能获得多种应用场景下网络协议的运行数据，开发人员可以把工作重心放在数据的分析和协议的设计上，而不用花费太多时间获取实验数据。仿真技术给网络协议设计提供了一种高效便捷的分析验证方法，在设计网络协议中发挥着举足轻重的作用。

1.2 国内外研究现状

仿真是对实际系统的一种模仿活动，是对实际系统的一种抽象的、本质的描述。仿真过程是利用事先建立的计算机模型，模仿实际系统的运行状态，观察随时间变化的规律的过程。观察记录仿真过程中的数据，预测真实系统的性能参数[5]。仿真系统可以根据系统状态是否进行连续变化分为离散系统和连续系统。连续系统的状态变量是连续变化的，离散系统又分为离散时间系统和离散事件系统。离散时间系统和连续系统有类似的性能。离散事件系统是指由事件驱动、系统状态跳跃式变化的动态系统。离散事件系统的系统状态仅在离散的时间点上发生变化[6]。网络仿真是对真实网络活动的模拟，通过模拟网络中发包丢包延迟等事件，得到网络运行数据，进而分析网络性能。因为网络中的事件可看做是在离散时间点上发生的，故网络仿真系统是离散事件系统。离散事件系统的通用架构如图 1.1 所示，离散事件系统中有未来事件表，作为组织事件的结构。在仿真的过程中，离散事件调度器负责从未来事件表获取事件并进行处理，在处理事件时会修改系统状态表中的状态，并将数据计入统计数据表中，处理过程中可能会生成新的事件，将其加入未来事件表中管理。时钟记录仿真过程中的时间。为了模拟随机事件的生成，需要有伪随机数发生器，通过随机数生成算法生成随机数[7]。

第二章MAC 层仿真软件需求分析

2.1 概述

实验室课题组长期进行 MAC 层协议相关机制的研究工作，当前在研究设计支持万兆同轴接入的 HINOC 3.0 MAC 协议。为了仿真验证协议性能，之前实验室曾自研过基础仿真平台，在使用过程中，仿真平台暴露出一些问题，比如协议开发直接基于基础仿真平台，采用两层的软件架构，协议开发和基础框架耦合紧密，使其通用性和扩展性受到影响，而且缺少节点内部的实现机制，比如流管理、队列管理和成帧解帧的机制，不能很好的支持 HINOC 3.0 MAC 协议的仿真研究工作。所以需要重新设计开发适用于万兆同轴接入的 MAC 层协议仿真软件，首先要进行软件需求分析。本章对 MAC 层仿真系统进行了总体介绍和需求分析。首先对 MAC 层仿真系统做了整体介绍，包括自研仿真软件原因及软件设计特性；其次，分析万兆同轴宽带网络的特性和运行场景；然后，从功能性需求和非功能性需求两个方面，对 MAC 层仿真软件进行需求分析；最后，提出了仿真系统分层结构设计。

2.2 仿真软件概述

在网络协议的研究过程中，软硬件开发往往是并行执行的。在网络协议依赖的硬件设备完成开发之前，需要分析协议机制的功能表现，进而完善协议机制、提高协议性能。网络仿真技术是目前科研人员的常见选择，协议仿真不需要硬件环境，从而节省人力物力，缩短开发周期，还可以屏蔽掉不同的硬件性能对协议性能测量结果的影响[25]。

2.2.1自研软件原因

在网络协议仿真方面，常见的仿真工具有 OPNET、NS 等，现有的仿真工具都是针对 2-7 层通信协议开发的通用仿真平台，功能结构复杂，执行效率较低，开发和调试难度较大；在对 HINOC 这样的 MAC 层协议仿真时，现有仿真工具的很多功能和模块都是冗余的，采用已有仿真工具体现不出来明显优点，反而需要一个高效、轻量的仿真工具，尽可能简化软件结构和功能，从而可以更关注于 MAC 协议仿真研究本身；实验室课题组的目标是对 HINOC MAC 层协议和实现机制进行深入的仿真研究，需要针对 HINOC 网络的具体场景、需求及实现机制来开发，但现有仿真工具受制于其仿真平台的复杂结构，难以满足 HINOC 协议所有机制的定制仿真开发，同时所设计的代码不便于移植到未来的目标系统中；故从长远来看，需要一个自主研发的仿真平台来长期支撑课题组网络协议设计仿真方向的研究工作。基于这些原因，选择自主设计 MAC 层仿真软件。

第三章仿真软件设计与实现 ....................................................................................... 15

3.1概述 ................................................................................................................... 15

3.2基础仿真平台层设计与实现 ........................................................................... 15

3.3通用 MAC 协议层设计与实现 ........................................................................ 22

3.4仿真软件总体架构 ........................................................................................... 31

3.5本章小结 ........................................................................................................... 32

第四章DOCSIS 4.0 MAC 层协议仿真及结果分析.................................................... 33

4.1概述 ................................................................................................................... 33

4.2DOCSIS 协议研究 ............................................................................................ 33

4.3DOCSIS 协议仿真实现 .................................................................................... 46

4.4DOCSIS 4.0 MAC 协议性能指标.................................................................... 52

第四章DOCSIS 4.0 MAC 层协议仿真及结果分析

4.1 概述

上一章节对仿真软件的基础仿真平台层和通用 MAC 协议层的详细设计与实现进行介绍，完成了仿真软件的通用部分。在本章节中，将以 DOCSIS 4.0 MAC 层协议仿真为例，介绍仿真软件的具体 MAC 协议实现层的设计与实现。本章通过对 DOCSIS 4.0 MAC 层协议的部分机制进行仿真，验证本文设计的仿真软件的有效性。首先，介绍 DOCSIS MAC 层协议机制，其次，介绍 DOCSIS 部分MAC 层机制在仿真软件上的实现方法，然后，介绍 DOCSIS 4.0 协议中的主要性能指标，接下来进行 MAC 机制的仿真分析，仿真上下行传输机制，将实测上下行吞吐量与理论值进行对比分析，仿真低延迟技术，分析双队列耦合机制和主动授权服务对延迟的影响，仿真组播传输，验证提出的高速组播流的多信道绑定传输算法的有效性。4.2 DOCSIS 协议研究DOCSIS 技术是基于 HFC 网络的同轴电缆有线电视网络宽带接入技术，经过二十余年的发展，技术成熟，使用广泛。DOCSIS 4.0 版本是最新的 DOCSIS 协议规范，下行传输速率最高可达 10Gbps，上行传输速率最高可达 6Gbps，往返延迟最快可达1ms。是目前有线电视网络中唯一具有万兆接入能力的协议标准。本小节主要介绍DOCSIS 4.0 协议体系及 MAC 层重要的工作机制。首先对 DOCSIS 协议做总体介绍，包括网络拓扑、协议栈以及 DOCSIS 4.0 MAC 层中的新特性，其次介绍 DOCSIS 网络的性能参数，最后介绍 MAC 层中关键技术，包括上行信道传输机制和低时延支持以及组播传输的功能。

第五章工作总结与展望

本文的主要工作内容是：设计与实现支持万兆同轴接入的 MAC 层仿真软件，研究 DOCSIS 4.0 协议 MAC 层关键机制，通过对具有万兆接入能力的 DOCSIS 4.0 MAC层协议的仿真，验证仿真软件的可用性和有效性。（1）调研网络协议仿真软件，阐述自研 MAC 层仿真软件的原因，规划的软件特性，介绍仿真软件使用场景，从功能和非功能两个方面，分析软件需求，包括应该支持离散时间驱动、支持节点拓扑流量生成器的基本元素、支持流分类队列管理数据传输等通用机制，并且支持通用性稳定性扩展性，提出三层的仿真系统架构设计；（2）设计和实现基础仿真平台层和通用 MAC 协议层，基础仿真平台是离散事件驱动框架，包含调度器时钟事件表定时器等元素的实现，支持内存管理功能，仿真软件层根据 MAC 层功能和流程划分模块，设计各模块内的元素和功能，定义模块之间的流转关系，设计整个仿真系统的整体架构；（3）深入研究 DOCSIS 4.0 MAC 层协议机制，包括网络拓扑和协议栈、4.0 版本中出现的新特性，物理层的频谱规划和 LDPC 编码，以及 MAC 层的关键技术，包括重要帧格式、上行数据传输机制、低延迟支持和下行组播传输等特性；（4）基于仿真软件实现 DOCSIS 4.0 MAC 层协议仿真，介绍协议机制的实现方法，介绍关键性能指标和计算方式，仿真验证上下行吞吐量和低时延支持技术，通过与理论值的对比，验证仿真软件和实现机制设计的有效性，提出高速组播流的多信道绑定传输算法，仿真组播传输过程，分析算法执行流程和仿真结果，验证算法的有效性