基于VLAN技術的網絡通信系統(tǒng)設計

吳小濤

摘 要：某型通信系統(tǒng)是一個基于以太網的話音通信系統(tǒng)，用戶要求實現終端對目標端口的自動識別、監(jiān)聽和單播/組播通信。為此，文章的設計中采用了基于IEEE802.1Q協(xié)議標準的VLAN技術，通過對中心控制設備網絡端口進行VLAN分配，以及增加注冊流程，實現了對用戶端口信息的自動識別。最終結果表明，系統(tǒng)功能完全滿足用戶需求。

關鍵詞：虛擬局域網；網絡通信；系統(tǒng)設計

1 系統(tǒng)概述

某型車內通信系統(tǒng)是用于多乘員通信車的話音通信系統(tǒng)，其主要組成包括一個中心控制設備、多個乘員終端以及多部無線電臺，所有設備均通過以太網總線連接。系統(tǒng)的基本組成關系如圖1所示。

其中，電臺同時具備無線通信和有線通信功能：無線通信用于電臺之間相互通信，有線通信（以太網通信）用于電臺與系統(tǒng)內其他設備通信；管理計算機用于系統(tǒng)監(jiān)控和管理；乘員終端由車內乘員使用，可分別與其他乘員或電臺進行有線通信。根據用戶使用需求，要求乘員終端能夠自動識別和監(jiān)聽指定端口的電臺的話音，并可與之交互通信，且無需預先配置。這就要求乘員與電臺的交互通信應當使用單播或組播方式，而非廣播方式。因此，如何實現非人為配置的單播或組播通信，成為整個通信系統(tǒng)設計的關鍵。

本文采用的解決方案是VLAN（Virtual Local Area Network，虛擬局域網）。采用VLAN技術可以實現對局域網的自由分組，并以此控制以太網數據的傳播路徑，而協(xié)議數據的處理全部由控制軟件完成，無需人工預先配置。

2 VLAN簡介

IEEE802.1Q協(xié)議是由IEEE組織批準的一套標準協(xié)議，它定義了基于端口的VLAN模型，為標識帶有VLAN成員信息的以太網幀建立了一種標準方法。它的基本原理是：（1）IEEE802.1Q給每個需要轉發(fā)的以太網幀都添加一個“標簽”（tag），其中包含了VLAN的編號。（2）交換機在進行幀轉發(fā)的時候，同時判斷這些“標簽”是否匹配，從而確定其互通性，“標簽”與VLAN編號匹配的幀會被轉發(fā)，而不匹配的幀則被過濾丟棄。（3）不支持802.1Q的通信主機會因為無法“讀懂”標簽而丟棄該幀。

IEEE802.1Q的幀結構是在標準的IEEE802.3以太網數據幀中插入了4bytes的“標簽”（tag）而成的。4字節(jié)tag的具體內容是：（1）TPID（Tag Protocol Identifier）——標簽協(xié)議標識符，2bytes。根據IEEE802.1Q協(xié)議規(guī)定，該值為0x8100。（2）TCI（Tag Control Information）——標簽控制信息，2bytes。它又包括優(yōu)先級（3bits）、規(guī)范格式指示CFI（1bit）和VLAN ID（12bits）3個部分。這其中，VLAN ID是最重要的標識符，它決定了VLAN的分組和身份。

VLAN配置的關鍵參數有3個：（1）PVID：指的是以太網幀進入交換機端口時，需要添加的VLAN ID信息（進端口）。（2）VLAN-Map：表示可對哪些VLAN進行處理。（3）unTagVLAN-Map：表示哪些編號的VLAN需要被去除tag標記（出端口）。

VLAN幀入端口、出端口處理流程如圖2所示。

可見，無論是入端口還是出端口，對VLAN幀處理的關鍵就在于根據VLAN tag和PVID等關鍵參數，決定VLAN幀的去向。

3 系統(tǒng)設計

在經過詳細的需求分析后，整個通信系統(tǒng)的設計方案已經明晰。由于在整個通信系統(tǒng)中，中心控制設備是數據交換的中樞，因此，對中心控制設備以太網的配置成為系統(tǒng)設計的關鍵。

中心控制設備主控程序運行于ARM芯片上，而以太網交換芯片選用了Broadcom公司的BCM53118，是一款支持IEEE802.1Q協(xié)議VLAN技術的8端口芯片。

依據系統(tǒng)的設備組成，將8個以太網端口劃分為6個VLAN。（1）要識別每個電臺的端口，必須將每個電臺端口配置為單獨的VLAN。（2）2個管理端口無區(qū)別，劃分為一個VLAN。（3）2個乘員終端端口無區(qū)別，劃分為一個VLAN。

對網絡VLAN端口映射配置如表1所示（由于電腦網卡一般默認VLAN ID為0，故此處配置ID從1開始）。

各端口的具體配置為：（1）對各以太網端口輸入的數據包均加VLAN標簽（如已有標簽，不作處理）。（2）每個電臺端口均不接收其他電臺和管理計算機的數據包。（3）管理計算機端口只接收乘員終端數據包。（4）乘員終端端口接收所有的數據包。（5）各以太網端口根據上表中的Tag-Map映射決定是否接收其他端口轉發(fā)的數據包，不匹配的數據包將被丟棄。（6）各以太網端口根據上表中的unTag-Map映射決定如何處理轉發(fā)的數據包，匹配的數據包將被去除標簽后從本端口發(fā)出，不匹配的直接從本端口發(fā)出（接收端主機不識別，會被丟棄）。（7）所有輸入/輸出的以太網數據均按非VLAN數據（普通IP數據）進行解析處理。（8）為了能夠識別電臺編號，CPU接收端口0～3（VLAN1～VLAN4）數據幀時不去標，直接進行識別處理，獲得電臺端口與IP的對應關系，并通知乘員終端。

可以看到，經過上述配置之后，電臺1～電臺4端口均被分配了單獨的VLAN ID，中心控制設備CPU就可以很方便的識別這些端口的數據。中心控制設備再將電臺端口信息通知乘員終端，乘員終端就可以實現對指定電臺端口的單播或組播通信了。

4 系統(tǒng)實現

在系統(tǒng)實現上，增加了中心控制設備初始化配置VLAN、電臺向中心控制設備注冊和廣播電臺信息的流程。電臺、中心控制設備與乘員終端之間信令交互的流程如圖3所示。

（1）電臺啟動后，向中心控制設備發(fā)送注冊信令。（2）中心控制設備接收到注冊信令后，識別數據包VLAN ID，并將之與IP地址對應。（3）中心控制設備向電臺回復注冊應答。（4）中心控制設備向乘員終端廣播通知電臺編號及IP信息，乘員終端保存該信息用于與電臺的通信交互。（5）電臺與乘員終端直接進行話音收發(fā)交互，中心控制設備對此不作任何處理，直接轉發(fā)。

通過對以太網數據幀的分析，主控程序可以對來自電臺端口帶標簽的數據進行識別和處理，并與其他無標簽的數據區(qū)分開來。利用這些分析得到的信息，就可以方便的實現單播和組播通信了。

5 結論

實驗結果表明，采用VLAN技術實現的系統(tǒng)功能完全滿足用戶需求，無需預先配置即可以實現多種設備間的多種交互通信。目前，該系統(tǒng)已經開發(fā)完成，通過了項目評審和鑒定，并批量生產交付用戶使用。

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[2]李德水.基于IEEE802.1Q幀標記的VLAN實現原理[J].信息技術，2006（10）：90-92.

Design of a Network Communication System Based on VLAN

Wu Xiaotao

（Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company， Guangzhou 510663， China）

Abstract： There is a voice communication system based on Ethernet， the user requires to automatic identify and monitor the terminal net port. Then the VLAN technology based on IEEE802.1Q protocol is used in project design. The port information is identified and processed automatically by grouping port of the central control equipment and adding registration flow.

Key words： VLAN； network communication； system design