基于综合数字媒体业务的家庭网关设计

【中心议题】

• 提出了一种基于综合数字媒体业务的家庭网关
• 给出了具体的设计方案

【解决方案】

• 采用BCM6348芯片作为家庭网关的核心
• 采用嵌入式Linux作为软件平台

一、引言

随着IPTV，VOIP等业务的升温，tripleplay业务的需求也是日益强劲。开发支持triple play业务的家庭网关，对家庭网络有一定的促进作用。

二、总体框架简介

硬件上采用BROADCOM公司BCM6348芯片作为家庭网关的核心。该微处理器支持ADSL2+功能，在其上扩展构建多个以太端口，配置相应适配电路构成硬件平台。

在软件上，采用嵌入式Linux作为软件平台，可以充分利用其强大的网络功能。

三、ATM网络接口适配的实现

（一）控制进程的实现

pvc2684ctl的功能就是实现同守护进程（pvc2684d）进行通信，传递相应的请求。现在支持的命令有：add，delete，hello等。Add命令，用来通知守护进程创建新建ATM socket，并创建ATM网络接口。Delete命令，用来通知守护进程创建删除ATM网络接口，使用较少。Hello命令，用来判断2684d是否存在。

同一系统中两个不同进程的通信方法有很多，其中UNIX套接字是一个高效简捷的方法。UNIX套接字的运转机制和Internet套接字类似，主要的区别UNIX套接字只能用在一台计算机中，而Internet套接字则可以在不同的计算机之间使用。UNIX套接字定址的方式是作为本地文件系统里的一个文件。

（二）守护进程的实现

在LINUX系统中，要使用PVC来进行数据传输，需要创建并维护该PVC协议的socket，然后调用Linux中提供IOCTL命令，来创建ATM网络接口，实现RFC2684协议。

四、二层桥接功能的设计

家庭网关需要支持桥接、路由混合组网模式，即同时PC的数据走路由模式化，视频、语音等业务走桥接模式。

在家庭网关中，用户可以配置bridge和PPPOE类型的PVC，bridge类型的PVC可以用来进行桥接，PPPOE类型的PVC可以用来进行路由。这样通过使用多条PVC实现了桥接和路由方式的混合组网。

为了实现路由功能来传输数据业务，通常使用PPPOE类型的PVC，在Linux系统中，首先为PPPOE的PVC新建了一个BR2684的网络接口，在内核中用一个struct net_device来表示，换言之，即新建了一个虚拟的以太网接口。然后在该网络接口上新建了一个PPP类型的网络接口。

PPPOE类型PVC在系统中具有两层网络接口，其BR2684网络接口仅仅为PPPOE接口服务。实际上，BR2684网络接口也可以承载其他类型的数据，当把BR2684网络接口放置到一个网桥中时，该网络接口就能完成桥接功能。

五、家庭网关ATM QoS方案的实现

（一）流分类与标记

为了区分不同的数据流，第一步工作就是对其进行分类。Linux的iptables命令就有强大的区分流的能力，可以根据输入接口，MAC地址，报文协议类型；及各个协议的相关字段值等进行数据流的区分。

Iptables的mangle表提供了修改数据报各个字段的值的方法。Mangle表有两个挂钩点：

PREROUTING、OUTPUT。Iptables命令中mangle表支持的操作有：MARK，TOS。可以利用这两个操作来实现数据报文的标记。

使用扩展target的MARK方法，通过参数—set-mark来设置数据报文skb的nfmark字段的值。nfmark是一个用户定义的数据报的标记，该标记可以用于基于策略的路由，也可用于后续对报文的处理中（把它作为报文的优先级标志）。在使用多条PVC且DSLAM支持多种ATM服务类型时，通过该标志来对数据流进行策略路由；

在单PVC情况下或DSLAM只支持ATM的UBR类型时，通过该标志把数据报文放置到PVC的相应优先级队列中去。

（二）数据流的优先级处理

前面描述了如何对数据进行流分类并打上相应的标志，剩下就是网关自身完成数据流的QoS保证，根据不同的优先级来进行发送。

在单PVC情况下或DSLAM只支持ATM的UBR类型时，在启用该PVC的QoS保证后，在ATM层为该PVC新建了3个队列，优先级为高中低，该优先级队列对应着数据报文skb的nfmark字段，即skb的nfmark字段标为高的报文，进入该PVC的高优先级队列。优先级为低的报文，进入PVC的低优先级队列。然后由ATM层的硬件整形器统一调度。从而严格保证了高优先级的报文能优先发送。

在多条PVC且DSLAM支持多种ATM服务类型时，这里也还有各种不同的组网模型。如果各PVC都能参与路由进行数据转发，那么可以通过设置策略路由来把数据流分到各种优先级的PVC上。设置策略路由的依据就是前面设置的SKB的nfmark字段。

六、系统测试

上传/下载速率通过ftp测试软件测量，见表1。还有一类是家庭网关的最大吞吐量，该测试由测试设备Smartbits来完成，见表2。

根据测试情况，该网关可以很好的完成综合数字媒体业务下的相关网络工作。

七、小结

该论文描述的基于Triple Play综合数字媒体业务的家庭网关，具有以下特色：充分考虑triple play业务的需求，具有丰富的组网能力，完善的QoS，强大的NAT/防火墙功能，良好的组播管理功能。系统采用Linux操作系统，极大的降低了产品的成本，更重要的是，能根据业务的具体要求，修改内核代码，完成实际需求。该家庭网关具有一定的应用前景。