景 淵,周義健,戚云軍,黃國策,王國強(qiáng)

(1.空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院,西安 710077;2.空軍司令部 信息化部,北京 100843)

1 引 言

軟交換是一種功能實(shí)體,為下一代網(wǎng)絡(luò)(NGN)中具有實(shí)時(shí)性要求的業(yè)務(wù)提供呼叫控制和連接控制功能,是下一代網(wǎng)絡(luò)呼叫與控制的核心[1]。

軟交換也稱為呼叫代理、呼叫服務(wù)器或者媒體接入網(wǎng)關(guān)。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別是它將呼叫控制功能從媒體接入網(wǎng)關(guān)中分離出去,在服務(wù)器中通過軟件來實(shí)現(xiàn)這一功能[2]。那么就是可以實(shí)現(xiàn)控制和交換,以及軟件的可編程功能之間的分離結(jié)構(gòu),為使用者和服務(wù)商提供靈活的業(yè)務(wù)傳輸和協(xié)議控制,也就使得網(wǎng)絡(luò)更加開放和自由[3]。

短波通信雖然存在諸如速率低、頻帶窄、可用頻率少等缺點(diǎn),但是也具有開通時(shí)間短、設(shè)備成本低等優(yōu)點(diǎn)。在各種突發(fā)事件和遭受自然災(zāi)害之后,基礎(chǔ)通信設(shè)施無法使用時(shí),短波通信可以快速建設(shè)、快速開通,實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)和話音信息,因此具有重要的作用。將短波用戶接入到Internet網(wǎng)絡(luò)中可以將重要信息快速地進(jìn)行傳輸,利用Internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息的快速共享。例如在5·12汶川地震中,短波通信就發(fā)揮了重要的作用。如果可以增加短波接入網(wǎng)關(guān)設(shè)備,使短波用戶直接接入到Internet網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中,實(shí)現(xiàn)信息快速分發(fā)。此外,對于平時(shí)的短波網(wǎng)絡(luò)用戶也可以通過短波接入網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)一些Internet服務(wù),諸如電子郵件收發(fā)、web網(wǎng)頁服務(wù)等。

本文設(shè)計(jì)的短波接入網(wǎng)關(guān)主要實(shí)現(xiàn)短波網(wǎng)絡(luò)用戶通過短波信道建立與Internet網(wǎng)絡(luò)的連接。短波接入網(wǎng)關(guān)主要實(shí)現(xiàn)短波網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和IP協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)層的轉(zhuǎn)換,以及建立應(yīng)用層的業(yè)務(wù)連接。

2 短波接入網(wǎng)關(guān)主要功能

圖1展示了一個(gè)簡化的短波鏈路接入Internet網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖1 短波網(wǎng)絡(luò)接入到Internet網(wǎng)絡(luò)中Fig.1 HF network accessing to the Internet

國外對短波與Internet網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)早就進(jìn)行了嘗試。例如澳大利亞的Longfish短波網(wǎng)絡(luò),通過在澳大利亞沿海的多個(gè)接入站點(diǎn)實(shí)現(xiàn)近海海上用戶通過短波鏈路訪問Internet網(wǎng)絡(luò),而每一個(gè)接入站點(diǎn)都配置有短波接入網(wǎng)關(guān),但是由于其義務(wù)較為單一,主要負(fù)責(zé)向用戶廣播天氣等信息,以及用戶的郵件推送業(yè)務(wù),其郵件網(wǎng)關(guān)的功能單一。

美國海軍的BFEM66系統(tǒng)是點(diǎn)對點(diǎn)的單頻鏈路系統(tǒng),系統(tǒng)中短波郵件網(wǎng)關(guān)主要使用相應(yīng)的郵件代理完成與本地局域網(wǎng)用戶的郵件交互與傳輸,底層使用STANAG 5066傳輸協(xié)議與其他短波站點(diǎn)之間的郵件傳輸,但是仍然存在協(xié)議結(jié)構(gòu)不清晰、業(yè)務(wù)種類單一等問題[4]。

目前,最受大家關(guān)注的是以STANAG 5066協(xié)議作為基礎(chǔ)的短波IP網(wǎng)絡(luò)研究,其中提出一種HF IP Router來實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸,北約分別在2004和2006年的兩次大的軍演中對該網(wǎng)絡(luò)展開研究。這種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層更加明確,支持的業(yè)務(wù)更加靈活[5]。

國內(nèi)一些學(xué)者也設(shè)計(jì)了短波接入網(wǎng)關(guān)[6-7],增加特定的業(yè)務(wù)代理,例如增加郵件傳輸代理或者交互式聊天業(yè)務(wù)代理,在應(yīng)用層直接完成與短波用戶的數(shù)據(jù)交互。這樣可以增加信息傳輸?shù)乃俾?減少信息在短波網(wǎng)絡(luò)中的傳輸開銷。

通過研究目前短波組網(wǎng)通信的發(fā)展,分析認(rèn)為短波接入網(wǎng)關(guān)應(yīng)當(dāng)滿足如下要求。

2.1 物理層設(shè)備的控制

短波接入網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)短波網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)首先必須實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)中均能夠進(jìn)行傳輸,那么實(shí)現(xiàn)對物理層設(shè)備的控制就是非常必要的,特別是在短波鏈路一側(cè),短波接入網(wǎng)關(guān)必須能夠有效地控制短波電臺的數(shù)據(jù)發(fā)射和接收,以及短波Modem的數(shù)據(jù)收發(fā)。其次,由于短波信道的特性,短波接入網(wǎng)關(guān)還應(yīng)當(dāng)可以控制物理層數(shù)據(jù)的調(diào)制方式、編碼方式以及發(fā)射功率,由此來提高短波鏈路中數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?/p>

2.2 協(xié)議轉(zhuǎn)換

短波鏈路和Internet網(wǎng)絡(luò)中使用截然不同的鏈路層及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,要實(shí)現(xiàn)兩種鏈路之間的數(shù)據(jù)無縫傳輸,短波接入網(wǎng)關(guān)還必須實(shí)現(xiàn)兩種網(wǎng)絡(luò)中協(xié)議的可靠轉(zhuǎn)換,保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院陀行浴?/p>

2.3 業(yè)務(wù)代理

在Internet網(wǎng)絡(luò)中有著大量的應(yīng)用業(yè)務(wù),不同的業(yè)務(wù)需要不同的協(xié)議支持?？傮w來說這些協(xié)議為保證可靠性要求需要在通信過程中進(jìn)行多次協(xié)議交互。然而這種交互在短波鏈路中卻是致命的,因?yàn)樗鼘?yán)重影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí)[8]。為此,需要在短波接入網(wǎng)關(guān)中增加業(yè)務(wù)代理功能,即滿足Internet網(wǎng)絡(luò)中服務(wù)提供方的協(xié)議要求,又滿足短波鏈路的實(shí)際需求。例如美軍為其短波網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的HMTP(HF Mail Transfer Protocol)和CFTP(Compress File Transfer Protocol)[9]。

3 基于軟交換的短波接入網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

3.1 短波接入網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計(jì)

短波用戶建立與Internet網(wǎng)絡(luò)的連接,短波接入網(wǎng)關(guān)首先要實(shí)現(xiàn)短波網(wǎng)內(nèi)協(xié)議與IP協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

由圖1可知,短波網(wǎng)絡(luò)用戶要使用Internet網(wǎng)絡(luò)中的資源必須連接到Internet網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)器,但是由于服務(wù)器一般只有有線連接,任何無線方式的登陸都必須經(jīng)過相應(yīng)的接入網(wǎng)關(guān),不論是衛(wèi)星通信還是移動通信。以移動通信為例,如果移動臺(即手機(jī)等無線通信終端)要實(shí)現(xiàn)對Internet網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的登陸,對于小區(qū)內(nèi)的基站就成為了移動臺接入到Internet網(wǎng)絡(luò)的接入網(wǎng)關(guān),基站完成與本地服務(wù)器之間數(shù)據(jù)傳輸,然后由本地服務(wù)器將數(shù)據(jù)推送到Internet網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中,而對于數(shù)據(jù)的接收就是一個(gè)逆過程。

短波網(wǎng)絡(luò)與移動通信網(wǎng)絡(luò)的接入方式類似,網(wǎng)絡(luò)中都需要一個(gè)接入網(wǎng)關(guān)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和協(xié)議的轉(zhuǎn)換。但是在移動通信網(wǎng)絡(luò)中,任何一個(gè)移動臺的通信都是建立在移動臺和基站之間,也就是說任何兩個(gè)移動臺之間不能直接連接,都必須通過基站進(jìn)行轉(zhuǎn)接。而在短波網(wǎng)絡(luò)中,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)網(wǎng)狀網(wǎng),各個(gè)站點(diǎn)都可以建立連接,當(dāng)然也可實(shí)現(xiàn)中間站點(diǎn)的轉(zhuǎn)接,在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部沒有所謂的基站。網(wǎng)絡(luò)中的接入網(wǎng)關(guān)只完成對Internet網(wǎng)絡(luò)接入的功能,在功能上比移動基站簡單。

所以對于短波接入網(wǎng)關(guān)來說,只有在網(wǎng)絡(luò)有數(shù)據(jù)發(fā)送到Internet網(wǎng)絡(luò)中時(shí)才進(jìn)行工作。

協(xié)議轉(zhuǎn)換如圖2所示。由圖2可以看出,在短波網(wǎng)絡(luò)一側(cè)并沒有使用在NGN中推薦使用的IP協(xié)議,這是因?yàn)樵诙滩ňW(wǎng)絡(luò)中使用IP的效率并不高,主要是由于IP協(xié)議的多次交互過程會造成短波網(wǎng)絡(luò)中信道利用率低的問題,而針對短波通信實(shí)際的特點(diǎn)所使用的協(xié)議更加適合在短波網(wǎng)絡(luò)中使用。

圖2 短波接入網(wǎng)關(guān)協(xié)議框圖Fig.2 Block diagram of the protocol architecture for HF access gateway

最新版本的北約短波數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)STANAG 5066中IP代理是通過STANAG 5066協(xié)議棧來實(shí)現(xiàn)IP數(shù)據(jù)在HF中的傳輸。其中IP代理使用ARQ來提供一個(gè)可靠的點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)鏈路連接。同時(shí),STANAG 5066協(xié)議棧利用HF信道所固有的廣播特性,使用無ARQ的協(xié)議來支持多播傳輸[10]。

短波接入網(wǎng)關(guān)只是將短波網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收,重新封裝,建立TCP/UDP連接,在Internet網(wǎng)絡(luò)中傳輸,起到了一個(gè)將短波用戶接入到Internet網(wǎng)絡(luò)中的作用。

3.2 tun/tap關(guān)鍵技術(shù)

在設(shè)計(jì)中主要使用了Linux操作系統(tǒng)中的tun/tap虛擬網(wǎng)卡技術(shù)來實(shí)現(xiàn)短波網(wǎng)關(guān)接收的短波用戶數(shù)據(jù)向Internet轉(zhuǎn)發(fā)的功能。

tun/tap虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為用戶空間程序提供了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收能力。作為虛擬網(wǎng)卡驅(qū)動,tun/tap驅(qū)動程序的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送是通過用戶態(tài)來轉(zhuǎn)交[11],如圖3所示。

圖3 tun/tap虛擬網(wǎng)卡Fig.3 The virtual network card of tun/tap

從結(jié)構(gòu)上來說,相對于內(nèi)核tun/tap不僅能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)卡的功能,還可以實(shí)現(xiàn)字符設(shè)備驅(qū)動,以字符設(shè)備的方式連接用戶態(tài)和核心態(tài)。

如圖4所示,從虛擬網(wǎng)卡出來的數(shù)據(jù)可以直接經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換為短波網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù),并在短波網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行傳輸。而從短波網(wǎng)內(nèi)來的數(shù)據(jù)通過相反的處理交給虛擬網(wǎng)卡,傳遞給系統(tǒng)內(nèi)核,內(nèi)核只會認(rèn)為這是一個(gè)從普通網(wǎng)卡接收來的用戶數(shù)據(jù),與本地局域網(wǎng)接收到的數(shù)據(jù)做相同處理,然后發(fā)送到Internet網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。

圖4 tun/tap虛擬網(wǎng)卡功能實(shí)現(xiàn)Fig.4 Function realization of tun/tap

由于短波接入網(wǎng)關(guān)中的虛擬網(wǎng)卡對于操作系統(tǒng)內(nèi)核來說是一個(gè)完整意義上的網(wǎng)卡,短波用戶可以認(rèn)為是短波接入網(wǎng)關(guān)的一個(gè)窄帶局域網(wǎng)用戶。

3.3 軟件實(shí)現(xiàn)

結(jié)合短波接入網(wǎng)關(guān)的功能要求和業(yè)務(wù)的需求,對短波接入網(wǎng)關(guān)進(jìn)行軟件開發(fā),軟件總體框架如圖5所示。

圖5 軟件組成框圖Fig.5 Block diagram of software composition

(1)電臺和Modem控制模塊

該模塊主要完成對電臺發(fā)射和接收的控制,同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對Modem傳輸方式的控制,包括數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收、編碼方式和傳輸速率選擇等。

(2)短波數(shù)據(jù)發(fā)送和接收模塊

該模塊主要完成對短波數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)的組偵和發(fā)送,以及對接收到的短波鏈路數(shù)據(jù)幀進(jìn)行處理,完成對短波鏈路的交互過程和所有分組的接收。

(3)數(shù)據(jù)處理模塊

當(dāng)短波數(shù)據(jù)發(fā)送和接收模塊接收全部的短波鏈路數(shù)據(jù)之后,由數(shù)據(jù)處理模塊提取出其中的所有分組,并根據(jù)數(shù)據(jù)的內(nèi)容對數(shù)據(jù)重新進(jìn)行標(biāo)示為特定的業(yè)務(wù)種類。

當(dāng)需要使用短波鏈路發(fā)送數(shù)據(jù)之前,數(shù)據(jù)處理模塊將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)分割為固定大小的分組,并增加校驗(yàn)等冗余信息,最后交由短波數(shù)據(jù)發(fā)送和接收模塊進(jìn)行發(fā)送。

(4)協(xié)議分析模塊

該模塊主要完成對數(shù)據(jù)處理模塊和業(yè)務(wù)代理模塊的調(diào)度工作。首先當(dāng)接收到短波用戶數(shù)據(jù)時(shí),數(shù)據(jù)處理模塊會根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容標(biāo)示特定的業(yè)務(wù),協(xié)議分析模塊根據(jù)該標(biāo)示將數(shù)據(jù)傳遞給對應(yīng)的業(yè)務(wù)代理模塊,由特定的業(yè)務(wù)代理模塊完成Internet網(wǎng)路中的數(shù)據(jù)傳輸。其次,當(dāng)接收到來自Internet網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)并且目標(biāo)地址為短波用戶,協(xié)議分析模塊從相應(yīng)的代理模塊中獲取數(shù)據(jù)并填充相應(yīng)的業(yè)務(wù)類型標(biāo)示,將數(shù)據(jù)重新組合,減少不必要的冗余信息,并傳遞給數(shù)據(jù)處理模塊。

(5)業(yè)務(wù)代理模塊

業(yè)務(wù)代理模塊可以有很多個(gè),根據(jù)不同的應(yīng)用層或者傳輸層分業(yè)務(wù)或者協(xié)議進(jìn)行區(qū)分,用來完成與Internet網(wǎng)絡(luò)中各類服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互和傳輸,并將相應(yīng)的結(jié)果通過短波鏈路反饋給短波用戶。

(6)數(shù)據(jù)傳輸模塊

該模塊主要完成有線鏈路中數(shù)據(jù)的底層連接的建立和傳輸。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室中搭建測試平臺,構(gòu)建了一個(gè)簡單的短波網(wǎng)絡(luò)和有線廣域網(wǎng),測試短波用戶與有線服務(wù)器之間的聯(lián)通性,如圖6所示。

圖6 驗(yàn)證平臺Fig.6 Verification platform

在測試的網(wǎng)絡(luò)中,短波用戶站點(diǎn)的組成主要包括用戶終端、短波Modem、短波電臺。在短波接入端站點(diǎn)一側(cè),主要由短波電臺、短波Modem、短波接入網(wǎng)關(guān)、本地交換機(jī)、本地路由器、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器組成,各個(gè)設(shè)備之間使用相應(yīng)的連接線連接。

網(wǎng)絡(luò)中短波用戶終端的IP地址設(shè)置為223.0.0.5;短波接入網(wǎng)關(guān)的IP地址為193.168.0.2(物理網(wǎng)卡 IP地址,實(shí)現(xiàn)與本地交換機(jī)之間的連接),虛擬網(wǎng)卡的IP地址為223.0.0.6(該IP地址與短波網(wǎng)絡(luò)用戶在同一個(gè)網(wǎng)段);Internet網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器IP地址為194.168.0.2。

需要說明的是,短波用戶終端也需要一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸軟件,將用戶的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在應(yīng)用層(也可以使網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行收集,例如ICMP協(xié)議的ping報(bào)文)進(jìn)行收集、發(fā)送和接收。本文不做討論。

實(shí)驗(yàn)中主要通過傳輸ping報(bào)文來驗(yàn)證在短波網(wǎng)絡(luò)用戶與Internet網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間的連通性。從圖7中可以看到這種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了短波網(wǎng)絡(luò)用戶與Internet網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間的連接。實(shí)際測試中也測試了短波網(wǎng)絡(luò)用戶與短波接入網(wǎng)關(guān)之間的連通性,如圖8所示。圖中兩個(gè)的測試時(shí)間相差較大,這并不是在本交換機(jī)和網(wǎng)絡(luò)路由器中消耗的,而是由于在短波鏈路中傳輸時(shí)使用長交織的方式,在短波Modem中調(diào)制解調(diào)的時(shí)間具有一定的隨機(jī)性造成的,而圖7和圖8是測試的截圖。

圖7 短波用戶ping網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器Fig.7 The HF user ping the network server

圖8 短波用戶ping短波接入網(wǎng)關(guān)Fig.8 The user ping the HF access gateway

前面的測試證明了短波用戶與Internet網(wǎng)絡(luò)之間在網(wǎng)絡(luò)層的連通性。進(jìn)一步對本文設(shè)計(jì)的短波接入網(wǎng)關(guān)與相關(guān)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備進(jìn)行比較,如表1所示。

表1 與其他網(wǎng)關(guān)的比較Table 1 Comparison with other Gateway

需要說明的是,BFEM66的下一步演進(jìn)計(jì)劃中增加了對STANAG 5066協(xié)議的支持,由此也增加了不同業(yè)務(wù)的傳輸。而Longfish網(wǎng)絡(luò)中直接在短波鏈路中傳輸一種改進(jìn)協(xié)議FITFEEL(Fast Information Transfer For Extremely Errored Links)來實(shí)現(xiàn)對TCP和UDP協(xié)議的支持。

由于短波接入網(wǎng)關(guān)中使用tun/tap虛擬網(wǎng)卡技術(shù),在與Internet網(wǎng)絡(luò)中服務(wù)器的服務(wù)交互數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)就進(jìn)行了捕獲,因此,可以結(jié)合對應(yīng)業(yè)務(wù)的不同而進(jìn)行不同的數(shù)據(jù)處理?；谝陨咸攸c(diǎn),網(wǎng)關(guān)中可以實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用層業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸,只需要得到相關(guān)軟件代理的支持。

本文沒有對相同協(xié)議下速率進(jìn)行比較,主要是由于不同電臺的使用造成業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延不具有可比性。

5 結(jié) 論

短波用戶接入到Internet網(wǎng)絡(luò)中,可以實(shí)現(xiàn)用戶通過短波鏈路與Internet網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián),在一些特殊環(huán)境中可以發(fā)揮重要作用,具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

下一步將更加完善短波接入網(wǎng)關(guān)的功能,同時(shí)將其擴(kuò)展到短波用戶一側(cè),實(shí)現(xiàn)由兩個(gè)短波網(wǎng)關(guān)來完成不同局域網(wǎng)的廣域互聯(lián),進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)短波IP網(wǎng)絡(luò)。

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