異構網絡終端切換整合系統的研究和設計*

林海濤，何如龍，吳學智

（海軍工程大學 電子工程學院，湖北 武漢 430033）

1 引言

隨著信息化建設飛速發展，為滿足快速傳遞信息的需求，擁有多種通信業務終端和異構網絡成為商務人員的必然選擇[1]，如圖1所示。

經過調查分析，并結合網絡實際連接圖，可發現當前使用的系統主要存在以下問題：1）各業務網絡基于業務需求而建設，出于安全性考慮，大多業務網絡相互隔離，因此有多少種業務，就有多少種業務網絡，對用戶而言就有多少類網絡終端；2）每部終端只能應用于一個網絡，存在信息孤島[2]，有時為了獲取多方面信息，必須在多臺終端上同時進行操作，操作復雜，信息處理的效率比較低；3）眾多網絡終端設備集中于狹小的辦公區域，辦公場所擁擠不堪、雜亂無章。

2 系統總體設計

依據異構網絡現狀，網絡終端主要分為兩類，即電話終端和網絡終端。電話終端又可分為普通電話和保密電話。本系統設計的目標是實現統一電話終端和多種電話網絡、統一網絡終端和多種信息網絡之間的任意切換，并將電話終端和網絡終端有機整合在一起。

異構網絡終端切換整合系統的體系結構如圖2所示。接入層提供該系統連接各種異構網絡的標準接口，包括電話網用戶線接口、網絡接口。接入層主要功能是適配各種網絡的接口，解決異構的問題。交換層是本系統的關鍵部分，其接收控制管理層的控制指令，完成電話調度功能和信號切換功能。控制管理層接收用戶的操作指令，轉化為交換層的控制指令。該層主要通過嵌入式軟件來實現。終端顯示層直接面向用戶，為用戶提供統一的通信操作界面和管理控制界面，用戶可以通過統一的終端接入各種異構網絡，實現電話通信和信息查詢等功能。

圖2 異構網絡終端切換整合系統體系結構

3 系統詳細設計

3.1 電話交換模塊

電話交換模塊是電話調度的底層支持模塊，與硬件平臺密切相關，其軟件結構如圖3所示。基于嵌入式軟件的開發特點，電話交換軟件在設計上采用結構化的設計方法，從頂層往下逐層細化和設計，核心業務和公共處理部分放在主控模塊中執行。

電話調度管理軟件與電話交換模塊沒有直接的通信關系，而是通過一個代理動態庫來實現兩者的通信，該動態庫實現對電話交換模塊的檢測和管理，并上報消息的部分解析，能夠確保回送的狀態消息為一條完整的命令幀，減輕了電話調度管理軟件的處理負擔。

3.1.1 UDP通信機制

采用UDP通信，能夠確保電話交換模塊并發的消息經代理動態庫緩存和處理后，及時通知電話調度管理軟件進行接收處理，不需要電話調度管理軟件使用循環緩沖區來存儲，同時，該通信機制能夠方便地進行后續功能擴充。

3.1.2 回調函數

代理動態庫基于回調函數實現，即網絡接口層的接收函數、發送函數均由上層軟件實現，由代理動態庫來調用。通信過程中，當有數據上報、Socket連接成功/斷開，代理動態庫均以回調函數的形式通知電話調度管理軟件進行處理。采用這種處理方法，當邏輯關系或者業務變更時，以及將UDP修改為TCP通信時，不需修改代理動態庫，只修改上層軟件即可。

3.1.3 連接異常處理

電話調度管理軟件無需直接面對電話交換模塊，與電話交換模塊的連接關系均由代理動態庫以回調函數通知電話調度管理軟件，省去了繁瑣的輪詢檢測機制。

3.2 電話調度管理模塊

電話調度管理模塊主要處理電話信息的調度、管理和數據處理等。采用低功耗嵌入式單板計算機作為電話調度管理模塊核心硬件處理平臺，設計調度管理軟件實現電話調度管理功能。

電話調度管理軟件為一單線程軟件。在應用層，用戶操作圖形界面，產生的點擊事件和觸發的消息，根據業務流程傳遞到綜合業務處理模塊進行處理，簡化了界面操作和邏輯處理，方便綜合業務處理模塊根據不同的消息來統一處理用戶事件；在網絡通信層，交換模塊上報的狀態信息通過Socket事件和動態庫的回調函數接收處理，屏蔽了電話調度管理軟件與電話交換模塊間的繁瑣通信。

如圖4所示，電話調度管理軟件的處理流程是基于事件驅動機制的，系統對上響應用戶操作事件，對下響應用戶狀態消息上報，所有事件和消息均交由業務處理模塊處理，并更新相應的界面顯示和增加通信記錄。

圖4 電話調度管理軟件系統運行流程

采用事件驅動機制不僅可大大簡化業務流程間的邏輯處理，而且極大地提高了系統的穩定性和擴展性。

3.3 信號切換模塊

信號切換模塊是系統的底層控制模塊（見圖5），實現多套網絡模塊共用一套KVM、USB、音頻等外設的功能。信號切換控制軟件主要由一個主控模塊控制，各種信號切換及串口控制等由具體的子模塊根據主控模塊的調用實現。該軟件采用結構化的設計方法進行設計，交換矩陣的切換控制必須考慮到實時性要求。

3.4 電源模塊

電源模塊為整個后臺子系統及桌面子系統供電，并為電話交換模塊提供鈴流。電源模塊同時提供后備電源方式供電，模塊內部包含鋰電池組，當外接交流電斷電時，自動啟動備用電源系統為各功能模塊供電，保證設備工作不間斷。

該模塊內設置電源監控代理，實時反映電源模塊的供電情況，包括當前的供電方式以及電池供電方式下的電量信息，方便用戶實時了解電源信息。系統運行流程圖如圖6所示。

圖6 電源監控軟件系統運行流程

4 性能分析

4.1 功能和成本分析

經過試驗，原電話終端的功能沒有任何缺失，同時統一增配了來電轉接、來電號碼顯示、呼叫轉接、對講、錄音等功能。

采用本系統的異構網絡終端切換整合系統，代替了原6～7部電話機、2～3套計算機設備（包括主機、顯示器、鍵盤、鼠標等），空間尺寸可節省50%。同時使電話機、顯示器、鍵盤、鼠標等設備的采購成本下降40%。

4.2 可靠性分析

根據電子設備的可靠性評估算法，可得出該系統MTBF貝葉斯單側置信下限公式為

式中：MTBFL表示設備MTBF單側置信下限；T為設備的等效試驗累積時間；γ為故障數；（1-α）為置信度，本次取0.6；χ21-α是置信度為（1-α）的 χ平方分布。

根據多次試驗，根據可靠性、維修性、保障性工程軟件CARMES2.5，可計算該系統可靠性評估單側置信下限超過2 000 h。

4.3 安全性分析

通常采用物理隔離技術進行網絡安全性分析。傳統的物理隔離辦法主要有以下3種[3-5]：1）采用兩套系統，包括兩套布線、兩套網絡設備以及兩套終端，布線還要加一些屏蔽手段來防范電磁輻射，進而造成了網絡建設的巨大浪費。2）采用雙硬盤型或單硬盤雙操作系統型等隔離方式，造成了投資的浪費，而且操作復雜，需采用兩個硬盤或在單硬盤上進行硬盤分區，切換網絡必須重新啟動系統，使用十分繁瑣。3）采用兩塊網卡外加一塊物理隔離卡，兩塊網卡分別接到內部網絡和外部網絡，物理隔離卡用于實現內外網絡物理隔離。該種方式仍然可能加大安全隱患，并且占用了計算機較多的硬件資源，造成性能下降。

在本系統中，為了保證接入網絡間的完全物理隔離，對各接入網絡采用獨立的CPU、內存、硬盤的設計模式，僅共用顯示器、鍵盤、鼠標、手寫板等輸入/輸出設備，保證各處理模塊間完全物理隔離。系統方案在網絡安全性、網絡建設成本以及計算機性能等幾個指標取得了很好的均衡，是較優的方案。

5 小結

基于嵌入式處理器控制技術、電話交換技術實現的異構網絡終端切換整合系統，很好地解決了目前面臨的很多異構信息處理困難的問題，很大程度上降低了成本。該系統通過交換矩陣和KVM切換等技術實現多路電話統一管理、智能電話信息集中管理、快速電話調度、網絡一鍵切換及輔助信息處理等功能，為商務人員提供了一種高效的通信管理和有效的輔助信息管理工具。

[1]于高，陳永生，郭玉臣.異構網絡查詢終端切換整合系統的研究與設計[J].計算機應用，2009，29（8）：2191-2193.

[2]李遙，朱曉蕓，楊帳.異構系統統一數字平臺的構建[J].計算機工程，2005，31（3）：230-233.

[3]胡志新，王英惠，尹勇，等.集成網絡功能的PCI接口物理隔離卡開發[J].計算機工程，2007，33（11）：249-250.

[4]JAMES S.Security of virtual private networks[J].Information Systems Security，2001，1（10）：18-36.

[5]向李娟，董志明.縣級網絡信息平臺的整合建設方案研究[J].軟件導刊，2009，8（12）：135-137.