論 PacketCable 2.0中 E－UE的DHCP流程

李仕鵬，王志謙，李 青

(北京郵電大學(xué)a.信息光子學(xué)與光通信研究院;b.信息網(wǎng)絡(luò)中心，北京 100876)

當(dāng)前，隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，中國(guó)的Internet用戶(hù)也在不斷增長(zhǎng)，到2011年底，中國(guó)的網(wǎng)民人數(shù)已經(jīng)高達(dá)5.13億[1]。在高速I(mǎi)nternet的接入下，網(wǎng)絡(luò)能提供各種創(chuàng)新服務(wù)的能力也在不斷上升，特別是基于IP的實(shí)時(shí)通信業(yè)務(wù)，如VoIP、視頻會(huì)議等，迅速地?cái)U(kuò)展開(kāi)來(lái)。用戶(hù)發(fā)現(xiàn)他們已經(jīng)被各種各樣的客戶(hù)端和媒介類(lèi)型所包圍。因此，需要一種新的技術(shù)將諸如VoIP通信和語(yǔ)音視頻等業(yè)務(wù)綜合于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，這樣才能以高效的方式來(lái)提供高質(zhì)的服務(wù)。

PakcketCable是由美國(guó)CableLabs及其會(huì)員企業(yè)以及主要通信供應(yīng)商共同開(kāi)發(fā)的一套新的技術(shù)規(guī)范，旨在通過(guò)擴(kuò)展有線電視運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議服務(wù)環(huán)境，構(gòu)建一個(gè)全新的體系結(jié)構(gòu)，加速語(yǔ)音、視頻、數(shù)據(jù)和移動(dòng)技術(shù)的融合。PacketCable建立在成熟的DOCSIS架構(gòu)上，為用戶(hù)提供高QoS的服務(wù)。

1 PacketCable 2.0整體框架概述及EUE的Provisioning框架

PacketCable 2.0的整體框架是在IMS(IP Multimedia Subsystem)框架的基礎(chǔ)上改動(dòng)而來(lái)，主要的框架如圖1所示[2]。

圖1 PacketCable 2.0整體框架結(jié)構(gòu)

PacketCable 2.0 稱(chēng)用戶(hù)為UE，在PacketCable 2.0 中為SIP－based用戶(hù)增加了一系列可以使用的載體，如軟電話和硬電話、智能電話、無(wú)繩和有繩電話、即時(shí)通信UE、視頻通信終端機(jī)等。UE可通過(guò)各種本地網(wǎng)絡(luò)(以太網(wǎng)、WiFi、藍(lán)牙等)連接到接入網(wǎng)中。接入網(wǎng)可以是DOCSIS接入網(wǎng)，或者其他接入網(wǎng)(包括其他不在Cable開(kāi)發(fā)者所擁有的PacketCable協(xié)議控制下的Cable接入網(wǎng))。網(wǎng)絡(luò)邊緣層為UE和接入網(wǎng)提供了接入到SIP基礎(chǔ)設(shè)施的控制組件。核心層提供了SIP服務(wù)和協(xié)商數(shù)據(jù)的基本組件。交叉連接層提供了與其他對(duì)等網(wǎng)絡(luò)的交叉連接(如PSTN，peer NetWork和 PacketCable E－MTAs)。PacketCable多媒體層在DOCSIS接入網(wǎng)上定義了一個(gè)基于IP的平臺(tái)來(lái)傳輸加強(qiáng)的QoS媒體服務(wù)。應(yīng)用服務(wù)層主要是為UE提供一些應(yīng)用服務(wù)器來(lái)在S－CSCF上發(fā)起或者中斷請(qǐng)求，另外，該層還包含一些其他的功能組件(如MRF和PSF)?？刹僮髌脚_(tái)系統(tǒng)為UE提供了計(jì)費(fèi)和Provisioning功能。

本文主要研究的是E－UE的Provisioning，即E－UE從開(kāi)機(jī)到上線的整體流程。PacketCable 2.0是在SIP和IMS的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，支持多種UE。本文只考慮一種特殊的UE，即嵌入了一個(gè)DOCSIS CM的UE，定義成EUE，在這種情況下，UE不可能處于NAT和FireWall之下，并始終通過(guò)DOCSIS來(lái)接入網(wǎng)絡(luò)。簡(jiǎn)而言之，E－UE是一個(gè)單獨(dú)的物理裝置，其中嵌入了一個(gè)服從eDOCSIS規(guī)范的DOCSIS CM(eCM)和一個(gè)服從 eDOCSIS，eSAFE和PacketCable規(guī)范中UE要求的eUE。

E－UE的Provisioning分為兩部分來(lái)構(gòu)成，一部分為eCM的Provisioning，另一部分為eUE的Provisioning。本文主要從E－UE如何動(dòng)態(tài)獲得IP等網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)著手進(jìn)行研究，因此中間會(huì)省去一些與DHCP無(wú)關(guān)的配置(如CM與CMTS測(cè)距，eUE與DNS，KDC交互等)。另外，E－UE也支持eCM及eUE的IPv6配置，但本文中未對(duì)相應(yīng)的DHCPv6內(nèi)容進(jìn)行討論，更詳細(xì)的內(nèi)容請(qǐng)參閱相應(yīng)技術(shù)規(guī)范[3]。

2 常規(guī)DHCP流程

當(dāng)一個(gè)DHCP Client接入到網(wǎng)絡(luò)時(shí)，就會(huì)啟動(dòng)DHCP進(jìn)程。常規(guī)DHCP流程如下[4]:

1)DHCP Client廣播一個(gè)DHCP Discover消息。若Client已經(jīng)有IP地址等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，則廣播一個(gè)DHCP Inform消息;若Client的Lease庫(kù)中有該網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)信息，則廣播一個(gè)DHCP Request消息來(lái)快速請(qǐng)求它之前的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

2)DHCP Server在收到客戶(hù)端傳來(lái)的DHCP Discover消息后，則會(huì)從它的數(shù)據(jù)庫(kù)中預(yù)分配一個(gè)IP地址，以及網(wǎng)絡(luò)的其他參數(shù)，然后廣播DHCP Offer消息。

3)DHCP Client會(huì)等待接收DHCP Offer，當(dāng)收到一個(gè)或多個(gè)DHCP Offer時(shí)，一般會(huì)選擇最先到達(dá)的那個(gè)DHCP Offer，然后按該DHCP Offer消息中承諾的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，向DHCP Server廣播DHCP Request消息。

4)DHCP Server在收到DHCP Request消息后，檢查它的數(shù)據(jù)庫(kù)，若可以分配這些參數(shù)，則返回一個(gè)DHCP ACK消息，若發(fā)現(xiàn)之前承諾的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)已被占用，則發(fā)送回一個(gè)DHCP NAK消息。DHCP Server應(yīng)保證DHCP ACK與DHCP Offer中提供的參數(shù)一致。

5)DHCP Client在收到DHCP ACK后，會(huì)使用該IP地址進(jìn)行一個(gè)ARP地址檢測(cè)，若子網(wǎng)中無(wú)ARP回應(yīng)，就使用該IP地址及網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置，完成DHCP流程;若ARP返回一個(gè)應(yīng)答，出現(xiàn)IP地址沖突，DHCP Client應(yīng)向DHCP Server廣播一個(gè)DHCP Decline，然后返回第1步。若收到DHCP NAK，則返回第1步。

3 DOCSIS CM的DHCPv4流程。

當(dāng)一個(gè)CM接入到DOCSIS網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，CM首先進(jìn)行掃描下行、獲取上行及測(cè)距等一系列DOCSIS規(guī)范中所要求的內(nèi)容后，就開(kāi)始建立IP連接，此時(shí)CM會(huì)啟動(dòng)DHCP進(jìn)程[5]。DOCSIS會(huì)在常規(guī)的DHCP流程上進(jìn)行一些改動(dòng)，主要的改動(dòng)如下:

1)按照RFC2131的說(shuō)明，不同的系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)為之選擇一個(gè)合適的重傳機(jī)制。在DOCSIS中，最好使用隨機(jī)指數(shù)倒退重傳算法，初始重傳間隔為4 s，最大為64 s，在此基礎(chǔ)上隨機(jī)+1/－1來(lái)去同步。CM應(yīng)當(dāng)限制的最大重傳次數(shù)小于或等于5次。

2)在DHCP Client的Renewing和Rebinding中，也有一些改動(dòng)，當(dāng)無(wú)法重綁定一個(gè)IP地址時(shí)，常規(guī)DHCP流程會(huì)退回第1步廣播DHCP Discover消息。但是由于DOCSIS網(wǎng)絡(luò)上有不同的頻帶，CM應(yīng)當(dāng)返回到重新掃描下行頻帶。

3)CM在發(fā)送的DHCP消息中，htype字段必須設(shè)置為1(以太網(wǎng))，hlen字段必須設(shè)置成6，chaddr字段必須設(shè)置成CM的RF接口的48 bit MAC地址。Option code 60[6](Vendor Class Identifier)必須設(shè)置成 ASCII編碼字符串“docsisy.z:xxxxxxx”，其中，“y.z”代表 DOCSIS Version，“xxxxxxx”代表十六進(jìn)制編碼的CM性能參數(shù)設(shè)置，服務(wù)器會(huì)根椐這些參數(shù)來(lái)為CM分配不同的配置文件[4]。

4)CM發(fā)送的Option code 55(參數(shù)請(qǐng)求列表)中必須包含Option code 1(子網(wǎng)掩碼)，Option code 2(時(shí)間偏移)，Option code 3(路由選項(xiàng))，Option code 4(時(shí)間服務(wù)器選項(xiàng))和 Option code 7(日志服務(wù)器選項(xiàng))[7]。

在DHCP服務(wù)器的響應(yīng)中，如下的內(nèi)容是CM上線所必須的，因此必須包含在響應(yīng)中:

1)DHCP服務(wù)器為CM所分配的IP地址(yiaddr)。

2)CM下一步boot所需的TFTP服務(wù)器(siaddr)。

3)CM下一步boot所需的在TFTP服務(wù)器上的配置文件(file)。

響應(yīng)中的如下內(nèi)容并非至關(guān)重要的，但是如果響應(yīng)中給出了，CM應(yīng)該使用這些參數(shù)進(jìn)行配置:

1)如果CM與DHCP服務(wù)器不在同一個(gè)子網(wǎng)上(通過(guò)DHCP relay agent)，響應(yīng)中應(yīng)有relay agent的IP地址(giaddr)。

2)CM所使用的子網(wǎng)掩碼(Option code 1)。

3)CM與UTC的時(shí)間偏移量(Option code 2)。

4)一系列CM發(fā)送IP數(shù)據(jù)包的前向路由地址(Option code 3)。

5)一系列ToD服務(wù)器的地址(Option code 4)。

6)一系列日志服務(wù)器的IP地址(Option code 7)。

當(dāng)CM成功地建立了IP連接之后，CM就繼續(xù)進(jìn)行DOCSIS規(guī)范中的其他上線步驟(獲得ToD，下載配置文件以及向CMTS注冊(cè)等)。

4 PacketCable中的E－UE 的上線流程[3]

當(dāng)E－UE初次接入網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，首先是eCM啟動(dòng)上線進(jìn)程，eCM的上線大體部分與DOCSIS中的相似，只在CM建立IP連接的過(guò)程中作了如下的改動(dòng):

1)eCM在發(fā)送DHCP Discover消息時(shí)，須在Option code 55(參數(shù)請(qǐng)求列表)中請(qǐng)求Option code 122(CL_OPTION_CCC)[6]。

2)一個(gè)支持PacketCable E－UE Provisioning的DHCP服務(wù)器在收到了DHCP Discover后，會(huì)返回相應(yīng)的DHCP Offer，其中包含選項(xiàng)122(其中必須有副選項(xiàng)1)。如果DHCP Server禁止eUE和eCM的Provisioning，應(yīng)當(dāng)在Option 122中填入地址0.0.0.0阻止 eUE 使用該 Offer。一個(gè)DHCP Server對(duì)PacketCable一無(wú)所知，也可能會(huì)回復(fù)DHCP Offer。

3)在收到一個(gè)或多個(gè)DHCP Offer時(shí)，eCM應(yīng)嘗試選擇一個(gè)包含有選項(xiàng)122的DHCP Offer。如果沒(méi)有一個(gè)DHCP Offer符合要求，則退回到第1步，運(yùn)行指數(shù)倒退重傳機(jī)制(如2，4，8等)。若重傳結(jié)束后，仍沒(méi)有符合要求的DHCP Offer，則eCM必須從所有的Offer中選擇一個(gè)。接著向選擇的那個(gè)DHCP Offer的DHCP Server發(fā)送與DHCP Discover一致的DHCP Request消息。

4)與DOCSIS中基本一樣，但是若DHCP ACK中網(wǎng)絡(luò)參數(shù)與DHCP Offer中不一樣時(shí)，使用DHCP ACK中的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

eCM剩下的內(nèi)容與DOCSIS規(guī)范中的內(nèi)容是完全一致的。當(dāng)eCM成功地完成了Provisioning后，就立即開(kāi)始eUE的初始化。eUE首選會(huì)根據(jù)eCM獲得的Option來(lái)進(jìn)行IP地址版本選擇(本文不涉及IPv6的討論);其次，eUE會(huì)進(jìn)行DHCP服務(wù)器選擇，在eCM獲得的Option 122的副選項(xiàng)1和2中，包含一個(gè)或兩個(gè)DHCP Server的IP地址，eCM將它傳給eUE，eUE將會(huì)在后面的DHCP流程中，用該地址來(lái)匹配收到的DHCP Offer;最后，eCM按DOCSIS規(guī)范要求，獲得IP地址等參數(shù)后會(huì)去獲取ToD，eCM須將獲得的ToD參數(shù)傳給eUE。然后，eUE就開(kāi)始啟動(dòng)DHCP進(jìn)程，其主要流程與eCM的DHCP類(lèi)似，只在發(fā)送DHCP Discover和接收 DHCP Offer時(shí)有改動(dòng)[3]:

1)eUE發(fā)送DHCP Discover消息，其中須包含Option code 60(Vendor Class Identifier)，內(nèi)容為“pkt2.0:xxxxxxx”，其中“xxxxxx”是十六進(jìn)制的ASCII字符串，代表了eUE的性能參數(shù)。另外還須包含Option code 43。在Option code 55 中須請(qǐng)求 Option code 1，3，6，7，12，15，122。

2)eUE會(huì)收到DHCP Server返回的DHCP Offer。合法的 DHCP Offer中必須包含:Option code 1，3，6，7，12，15，122，且Option code 122中必須有副選項(xiàng)3和6，也有可能有其他副選項(xiàng)。DHCP選項(xiàng)122的副選項(xiàng)6會(huì)指出Provisioning過(guò)程中是使用哪種流來(lái)進(jìn)行Provisioning，包括基礎(chǔ)流、混合流和安全流[8]，不同的流對(duì)DHCP Offer有不同的要求[9]。eUE使用之前eCM獲得的Option 122中的一個(gè)或兩個(gè)IP地址來(lái)匹配收到的DHCP Offer的相應(yīng)DHCP Server的IP地址，只有匹配成功，eUE才使用該Offer。然后eUE會(huì)從所有合法的DHCP Offer中選擇最優(yōu)的來(lái)使用。

eUE余下的DHCP流程與上述一致，完成DHCP流程后，eUE完成接下來(lái)的與DNS，KDC，TFTP等的交互后就可以正常上線了[3]。

綜上所述，在PacketCable的DHCP流程中，eCM與eUE的DHCP是基本相互獨(dú)立的，這是由于提供接入的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商(如DOCSIS運(yùn)營(yíng)商)和提供QoS的運(yùn)營(yíng)商(如TSP)有可能并不相同造成的。eCM的DHCP Option code 122中返回了eUE的DHCP服務(wù)器地址，保證eUE通過(guò)正確的DHCP服務(wù)器來(lái)獲得SIP網(wǎng)絡(luò)框架的參數(shù)，使eUE能夠正常上線。

5 小結(jié)

本文主要介紹了PacketCable 2.0的運(yùn)營(yíng)支撐系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上對(duì)PacketCable 2.0和DOCSIS網(wǎng)絡(luò)上部署DHCP提供了一個(gè)對(duì)比與總結(jié)，可以通過(guò)修改通用DHCP程序相應(yīng)部分而獲得在不同網(wǎng)絡(luò)上的DHCP程序。

隨著國(guó)家對(duì)三網(wǎng)融合的不斷推動(dòng)，廣電網(wǎng)絡(luò)迎來(lái)了巨大的發(fā)展契機(jī)。美國(guó)“三網(wǎng)融合”的發(fā)展中，Comcast和時(shí)代華納公司PacketCable 1.5的VoIP業(yè)務(wù)取得了巨大的成功[10]。而PacketCable 2.0加強(qiáng)了對(duì)視頻和移動(dòng)技術(shù)的融合必將會(huì)對(duì)未來(lái)有線行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，為我國(guó)的三網(wǎng)融合產(chǎn)生積極的意義。

[1]第29次中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)報(bào)告[EB/OL].[2012－01－20].http://www.cnnic.net.cn/research/bgxz/tjbg/20120116_23688.html.

[2]PKT－TR－ARCH－FRM－V06－090528，Packetcable architecture framework technical report[S].2009.

[3]PKT－SP－EUE－PROV－I06－110127，PacketCable 2.0 E－UE provisioning framework specification[S].2011.

[4]IETF RFC 2131，DHCP:dynamic host configuration protocol[S].1997.

[5]CM－SP－RFIv1.1－C01－050907，DOCSIS radio frequency interface specification[S].2005.

[6]CL－SP－CANN－DHCP－Reg－102－80306，CableLabs＇DHCP options registry specification[S].2008.

[7]IETF RFC 2132，DHCP options and BOOTP vendor extensions[S].1997.

[8]PKT－SP－SEC1.5－103－090624，PacketCable 1.5 security specification[S].2009.

[9]PKT－SP－PROV1.5－I04－090624，PacketCable 1.5 specification，MTA device provisioning[S].2009.

[10]吳生高，吳錚悅，季春.美國(guó)“三網(wǎng)融合”的經(jīng)驗(yàn)對(duì)我國(guó)的啟示[J].科技與經(jīng)濟(jì)，2010(4):86－89.