一種基于軟交換的短波接入網關設計

景 淵,周義健,戚云軍,黃國策,王國強

(1.空軍工程大學信息與導航學院,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體,為下一代網絡(NGN)中具有實時性要求的業務提供呼叫控制和連接控制功能,是下一代網絡呼叫與控制的核心[1]。

軟交換也稱為呼叫代理、呼叫服務器或者媒體接入網關。與傳統網絡的區別是它將呼叫控制功能從媒體接入網關中分離出去,在服務器中通過軟件來實現這一功能[2]。那么就是可以實現控制和交換,以及軟件的可編程功能之間的分離結構,為使用者和服務商提供靈活的業務傳輸和協議控制,也就使得網絡更加開放和自由[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,但是也具有開通時間短、設備成本低等優點。在各種突發事件和遭受自然災害之后,基礎通信設施無法使用時,短波通信可以快速建設、快速開通,實時傳輸數據和話音信息,因此具有重要的作用。將短波用戶接入到Internet網絡中可以將重要信息快速地進行傳輸,利用Internet網絡實現信息的快速共享。例如在5·12汶川地震中,短波通信就發揮了重要的作用。如果可以增加短波接入網關設備,使短波用戶直接接入到Internet網絡當中,實現信息快速分發。此外,對于平時的短波網絡用戶也可以通過短波接入網關實現一些Internet服務,諸如電子郵件收發、web網頁服務等。

本文設計的短波接入網關主要實現短波網絡用戶通過短波信道建立與Internet網絡的連接。短波接入網關主要實現短波網絡協議和IP協議在網絡層的轉換,以及建立應用層的業務連接。

2 短波接入網關主要功能

圖1展示了一個簡化的短波鏈路接入Internet網絡的網絡結構。

圖1 短波網絡接入到Internet網絡中Fig.1 HF network accessing to the Internet

國外對短波與Internet網絡的互聯早就進行了嘗試。例如澳大利亞的Longfish短波網絡,通過在澳大利亞沿海的多個接入站點實現近海海上用戶通過短波鏈路訪問Internet網絡,而每一個接入站點都配置有短波接入網關,但是由于其義務較為單一,主要負責向用戶廣播天氣等信息,以及用戶的郵件推送業務,其郵件網關的功能單一。

美國海軍的BFEM66系統是點對點的單頻鏈路系統,系統中短波郵件網關主要使用相應的郵件代理完成與本地局域網用戶的郵件交互與傳輸,底層使用STANAG 5066傳輸協議與其他短波站點之間的郵件傳輸,但是仍然存在協議結構不清晰、業務種類單一等問題[4]。

目前,最受大家關注的是以STANAG 5066協議作為基礎的短波IP網絡研究,其中提出一種HF IP Router來實現關鍵數據傳輸,北約分別在2004和2006年的兩次大的軍演中對該網絡展開研究。這種網絡協議分層更加明確,支持的業務更加靈活[5]。

國內一些學者也設計了短波接入網關[6-7],增加特定的業務代理,例如增加郵件傳輸代理或者交互式聊天業務代理,在應用層直接完成與短波用戶的數據交互。這樣可以增加信息傳輸的速率,減少信息在短波網絡中的傳輸開銷。

通過研究目前短波組網通信的發展,分析認為短波接入網關應當滿足如下要求。

2.1 物理層設備的控制

短波接入網關實現短波網絡與有線網絡之間的互聯首先必須實現數據在兩個網絡中均能夠進行傳輸,那么實現對物理層設備的控制就是非常必要的,特別是在短波鏈路一側,短波接入網關必須能夠有效地控制短波電臺的數據發射和接收,以及短波Modem的數據收發。其次,由于短波信道的特性,短波接入網關還應當可以控制物理層數據的調制方式、編碼方式以及發射功率,由此來提高短波鏈路中數據傳輸的效率。

2.2 協議轉換

短波鏈路和Internet網絡中使用截然不同的鏈路層及網絡協議,要實現兩種鏈路之間的數據無縫傳輸,短波接入網關還必須實現兩種網絡中協議的可靠轉換,保證數據傳輸的可靠性和有效性。

2.3 業務代理

在Internet網絡中有著大量的應用業務,不同的業務需要不同的協議支持。總體來說這些協議為保證可靠性要求需要在通信過程中進行多次協議交互。然而這種交互在短波鏈路中卻是致命的,因為它將嚴重影響數據傳輸的效率,增加數據傳輸的延時[8]。為此,需要在短波接入網關中增加業務代理功能,即滿足Internet網絡中服務提供方的協議要求,又滿足短波鏈路的實際需求。例如美軍為其短波網絡開發的HMTP(HF Mail Transfer Protocol)和CFTP(Compress File Transfer Protocol)[9]。

3 基于軟交換的短波接入網關設計

3.1 短波接入網關總體設計

短波用戶建立與Internet網絡的連接,短波接入網關首先要實現短波網內協議與IP協議的轉換。

由圖1可知,短波網絡用戶要使用Internet網絡中的資源必須連接到Internet網絡中的服務器,但是由于服務器一般只有有線連接,任何無線方式的登陸都必須經過相應的接入網關,不論是衛星通信還是移動通信。以移動通信為例,如果移動臺(即手機等無線通信終端)要實現對Internet網絡服務器的登陸,對于小區內的基站就成為了移動臺接入到Internet網絡的接入網關,基站完成與本地服務器之間數據傳輸,然后由本地服務器將數據推送到Internet網絡當中,而對于數據的接收就是一個逆過程。

短波網絡與移動通信網絡的接入方式類似,網絡中都需要一個接入網關來實現數據的傳輸和協議的轉換。但是在移動通信網絡中,任何一個移動臺的通信都是建立在移動臺和基站之間,也就是說任何兩個移動臺之間不能直接連接,都必須通過基站進行轉接。而在短波網絡中,整個網絡是一個網狀網,各個站點都可以建立連接,當然也可實現中間站點的轉接,在網絡內部沒有所謂的基站。網絡中的接入網關只完成對Internet網絡接入的功能,在功能上比移動基站簡單。

所以對于短波接入網關來說,只有在網絡有數據發送到Internet網絡中時才進行工作。

協議轉換如圖2所示。由圖2可以看出,在短波網絡一側并沒有使用在NGN中推薦使用的IP協議,這是因為在短波網絡中使用IP的效率并不高,主要是由于IP協議的多次交互過程會造成短波網絡中信道利用率低的問題,而針對短波通信實際的特點所使用的協議更加適合在短波網絡中使用。

圖2 短波接入網關協議框圖Fig.2 Block diagram of the protocol architecture for HF access gateway

最新版本的北約短波數據通信標準STANAG 5066中IP代理是通過STANAG 5066協議棧來實現IP數據在HF中的傳輸。其中IP代理使用ARQ來提供一個可靠的點對點數據鏈路連接。同時,STANAG 5066協議棧利用HF信道所固有的廣播特性,使用無ARQ的協議來支持多播傳輸[10]。

短波接入網關只是將短波網內數據進行接收,重新封裝,建立TCP/UDP連接,在Internet網絡中傳輸,起到了一個將短波用戶接入到Internet網絡中的作用。

3.2 tun/tap關鍵技術

在設計中主要使用了Linux操作系統中的tun/tap虛擬網卡技術來實現短波網關接收的短波用戶數據向Internet轉發的功能。

tun/tap虛擬網絡設備為用戶空間程序提供了網絡數據包的發送和接收能力。作為虛擬網卡驅動,tun/tap驅動程序的數據接收和發送是通過用戶態來轉交[11],如圖3所示。

圖3 tun/tap虛擬網卡Fig.3 The virtual network card of tun/tap

從結構上來說,相對于內核tun/tap不僅能夠實現網卡的功能,還可以實現字符設備驅動,以字符設備的方式連接用戶態和核心態。

如圖4所示,從虛擬網卡出來的數據可以直接經過處理轉換為短波網內數據,并在短波網內進行傳輸。而從短波網內來的數據通過相反的處理交給虛擬網卡,傳遞給系統內核,內核只會認為這是一個從普通網卡接收來的用戶數據,與本地局域網接收到的數據做相同處理,然后發送到Internet網絡當中。

圖4 tun/tap虛擬網卡功能實現Fig.4 Function realization of tun/tap

由于短波接入網關中的虛擬網卡對于操作系統內核來說是一個完整意義上的網卡,短波用戶可以認為是短波接入網關的一個窄帶局域網用戶。

3.3 軟件實現

結合短波接入網關的功能要求和業務的需求,對短波接入網關進行軟件開發,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射和接收的控制,同時可以實現對Modem傳輸方式的控制,包括數據發送、數據接收、編碼方式和傳輸速率選擇等。

(2)短波數據發送和接收模塊

該模塊主要完成對短波數據幀結構中數據的組偵和發送,以及對接收到的短波鏈路數據幀進行處理,完成對短波鏈路的交互過程和所有分組的接收。

(3)數據處理模塊

當短波數據發送和接收模塊接收全部的短波鏈路數據之后,由數據處理模塊提取出其中的所有分組,并根據數據的內容對數據重新進行標示為特定的業務種類。

當需要使用短波鏈路發送數據之前,數據處理模塊將需要發送的數據分割為固定大小的分組,并增加校驗等冗余信息,最后交由短波數據發送和接收模塊進行發送。

(4)協議分析模塊

該模塊主要完成對數據處理模塊和業務代理模塊的調度工作。首先當接收到短波用戶數據時,數據處理模塊會根據數據內容標示特定的業務,協議分析模塊根據該標示將數據傳遞給對應的業務代理模塊,由特定的業務代理模塊完成Internet網路中的數據傳輸。其次,當接收到來自Internet網絡的數據并且目標地址為短波用戶,協議分析模塊從相應的代理模塊中獲取數據并填充相應的業務類型標示,將數據重新組合,減少不必要的冗余信息,并傳遞給數據處理模塊。

(5)業務代理模塊

業務代理模塊可以有很多個,根據不同的應用層或者傳輸層分業務或者協議進行區分,用來完成與Internet網絡中各類服務器之間的數據交互和傳輸,并將相應的結果通過短波鏈路反饋給短波用戶。

(6)數據傳輸模塊

該模塊主要完成有線鏈路中數據的底層連接的建立和傳輸。

4 實驗結果

在實驗室中搭建測試平臺,構建了一個簡單的短波網絡和有線廣域網,測試短波用戶與有線服務器之間的聯通性,如圖6所示。

圖6 驗證平臺Fig.6 Verification platform

在測試的網絡中,短波用戶站點的組成主要包括用戶終端、短波Modem、短波電臺。在短波接入端站點一側,主要由短波電臺、短波Modem、短波接入網關、本地交換機、本地路由器、網絡服務器組成,各個設備之間使用相應的連接線連接。

網絡中短波用戶終端的IP地址設置為223.0.0.5;短波接入網關的IP地址為193.168.0.2(物理網卡 IP地址,實現與本地交換機之間的連接),虛擬網卡的IP地址為223.0.0.6(該IP地址與短波網絡用戶在同一個網段);Internet網中的網絡服務器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數據傳輸軟件,將用戶的業務數據在應用層(也可以使網絡層進行收集,例如ICMP協議的ping報文)進行收集、發送和接收。本文不做討論。

實驗中主要通過傳輸ping報文來驗證在短波網絡用戶與Internet網絡服務器之間的連通性。從圖7中可以看到這種設計實現了短波網絡用戶與Internet網絡服務器之間的連接。實際測試中也測試了短波網絡用戶與短波接入網關之間的連通性,如圖8所示。圖中兩個的測試時間相差較大,這并不是在本交換機和網絡路由器中消耗的,而是由于在短波鏈路中傳輸時使用長交織的方式,在短波Modem中調制解調的時間具有一定的隨機性造成的,而圖7和圖8是測試的截圖。

圖7 短波用戶ping網絡服務器Fig.7 The HF user ping the network server

圖8 短波用戶ping短波接入網關Fig.8 The user ping the HF access gateway

前面的測試證明了短波用戶與Internet網絡之間在網絡層的連通性。進一步對本文設計的短波接入網關與相關網絡中的設備進行比較,如表1所示。

表1 與其他網關的比較Table 1 Comparison with other Gateway

需要說明的是,BFEM66的下一步演進計劃中增加了對STANAG 5066協議的支持,由此也增加了不同業務的傳輸。而Longfish網絡中直接在短波鏈路中傳輸一種改進協議FITFEEL(Fast Information Transfer For Extremely Errored Links)來實現對TCP和UDP協議的支持。

由于短波接入網關中使用tun/tap虛擬網卡技術,在與Internet網絡中服務器的服務交互數據在網絡就進行了捕獲,因此,可以結合對應業務的不同而進行不同的數據處理。基于以上特點,網關中可以實現各種應用層業務的數據傳輸,只需要得到相關軟件代理的支持。

本文沒有對相同協議下速率進行比較,主要是由于不同電臺的使用造成業務傳輸時延不具有可比性。

5 結 論

短波用戶接入到Internet網絡中,可以實現用戶通過短波鏈路與Internet網絡的互聯,在一些特殊環境中可以發揮重要作用,具有一定的現實意義和實用價值。

下一步將更加完善短波接入網關的功能,同時將其擴展到短波用戶一側,實現由兩個短波網關來完成不同局域網的廣域互聯,進一步實現短波IP網絡。

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