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(wǎng)絡(NGN)中具有實時性要求的業(yè)務提供呼叫控制和連接控制功能,是下一代網(wǎng)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(wǎng)關。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡的區(qū)別是它將呼叫控制功能從媒體接入網(wǎng)關中分離出去,在服務器中通過軟件來實現(xiàn)這一功能[2]。那么就是可以實現(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),為使用者和服務商提供靈活的業(yè)務傳輸和協(xié)議控制,也就使得網(wǎng)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(yōu)點。在各種突發(fā)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(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)絡中可以將重要信息快速地進行傳輸,利用Internet網(wǎng)絡實現(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)關設備,使短波用戶直接接入到Internet網(wǎng)絡當中,實現(xiàn)信息快速分發(fā)。此外,對于平時的短波網(wǎng)絡用戶也可以通過短波接入網(wǎng)關實現(xiàn)一些Internet服務,諸如電子郵件收發(fā)、web網(wǎng)頁服務等。

本文設計的短波接入網(wǎng)關主要實現(xiàn)短波網(wǎng)絡用戶通過短波信道建立與Internet網(wǎng)絡的連接。短波接入網(wǎng)關主要實現(xiàn)短波網(wǎng)絡協(xié)議和IP協(xié)議在網(wǎng)絡層的轉(zhuǎn)換,以及建立應用層的業(yè)務連接。

2 短波接入網(wǎng)關主要功能

圖1展示了一個簡化的短波鏈路接入Internet網(wǎng)絡的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。

圖1 短波網(wǎng)絡接入到Internet網(wǎng)絡中Fig.1 HF network accessing to the Internet

國外對短波與Internet網(wǎng)絡的互聯(lián)早就進行了嘗試。例如澳大利亞的Longfish短波網(wǎng)絡,通過在澳大利亞沿海的多個接入站點實現(xiàn)近海海上用戶通過短波鏈路訪問Internet網(wǎng)絡,而每一個接入站點都配置有短波接入網(wǎng)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(yè)務,其郵件網(wǎng)關的功能單一。

美國海軍的BFEM66系統(tǒng)是點對點的單頻鏈路系統(tǒng),系統(tǒng)中短波郵件網(wǎng)關主要使用相應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)務種類單一等問題[4]。

目前,最受大家關注的是以STANAG 5066協(xié)議作為基礎的短波IP網(wǎng)絡研究,其中提出一種HF IP Router來實現(xiàn)關鍵數(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)絡展開研究。這種網(wǎng)絡協(xié)議分層更加明確,支持的業(yè)務更加靈活[5]。

國內(nèi)一些學者也設計了短波接入網(wǎng)關[6-7],增加特定的業(yè)務代理,例如增加郵件傳輸代理或者交互式聊天業(yè)務代理,在應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,分析認為短波接入網(wǎng)關應當滿足如下要求。

2.1 物理層設備的控制

短波接入網(wǎng)關實現(xiàn)短波網(wǎng)絡與有線網(wǎng)絡之間的互聯(lián)首先必須實現(xiàn)數(shù)據(jù)在兩個網(wǎng)絡中均能夠進行傳輸,那么實現(xiàn)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(cè),短波接入網(wǎng)關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)關還應當可以控制物理層數(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)絡中使用截然不同的鏈路層及網(wǎng)絡協(xié)議,要實現(xiàn)兩種鏈路之間的數(shù)據(jù)無縫傳輸,短波接入網(wǎng)關還必須實現(xiàn)兩種網(wǎng)絡中協(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)務代理

在Internet網(wǎng)絡中有著大量的應用業(yè)務,不同的業(yè)務需要不同的協(xié)議支持。總體來說這些協(xié)議為保證可靠性要求需要在通信過程中進行多次協(xié)議交互。然而這種交互在短波鏈路中卻是致命的,因為它將嚴重影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r[8]。為此,需要在短波接入網(wǎng)關中增加業(yè)務代理功能,即滿足Internet網(wǎng)絡中服務提供方的協(xié)議要求,又滿足短波鏈路的實際需求。例如美軍為其短波網(wǎng)絡開發(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)關設計

3.1 短波接入網(wǎng)關總體設計

短波用戶建立與Internet網(wǎng)絡的連接,短波接入網(wǎng)關首先要實現(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)絡用戶要使用Internet網(wǎng)絡中的資源必須連接到Internet網(wǎng)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(jīng)過相應的接入網(wǎng)關,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(即手機等無線通信終端)要實現(xiàn)對Internet網(wǎng)絡服務器的登陸,對于小區(qū)內(nèi)的基站就成為了移動臺接入到Internet網(wǎng)絡的接入網(wǎng)關,基站完成與本地服務器之間數(shù)據(jù)傳輸,然后由本地服務器將數(shù)據(jù)推送到Internet網(wǎng)絡當中,而對于數(shù)據(jù)的接收就是一個逆過程。

短波網(wǎng)絡與移動通信網(wǎng)絡的接入方式類似,網(wǎng)絡中都需要一個接入網(wǎng)關來實現(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(zhuǎn)接。而在短波網(wǎng)絡中,整個網(wǎng)絡是一個網(wǎng)狀網(wǎng),各個站點都可以建立連接,當然也可實現(xiàn)中間站點的轉(zhuǎn)接,在網(wǎng)絡內(nèi)部沒有所謂的基站。網(wǎng)絡中的接入網(wǎng)關只完成對Internet網(wǎng)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(wǎng)關來說,只有在網(wǎng)絡有數(shù)據(jù)發(fā)送到Internet網(wǎng)絡中時才進行工作。

協(xié)議轉(zhuǎn)換如圖2所示。由圖2可以看出,在短波網(wǎng)絡一側(cè)并沒有使用在NGN中推薦使用的IP協(xié)議,這是因為在短波網(wǎng)絡中使用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(xié)議更加適合在短波網(wǎng)絡中使用。

圖2 短波接入網(wǎng)關協(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)通信標準STANAG 5066中IP代理是通過STANAG 5066協(xié)議棧來實現(xiàn)IP數(shù)據(jù)在HF中的傳輸。其中IP代理使用ARQ來提供一個可靠的點對點數(shù)據(jù)鏈路連接。同時,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)關只是將短波網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)進行接收,重新封裝,建立TCP/UDP連接,在Internet網(wǎng)絡中傳輸,起到了一個將短波用戶接入到Internet網(wǎng)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(tǒng)中的tun/tap虛擬網(wǎng)卡技術來實現(xiàn)短波網(wǎng)關接收的短波用戶數(shù)據(jù)向Internet轉(zhuǎn)發(fā)的功能。

tun/tap虛擬網(wǎng)絡設備為用戶空間程序提供了網(wǎng)絡數(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,還可以實現(xiàn)字符設備驅(qū)動,以字符設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)核只會認為這是一個從普通網(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)絡當中。

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

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

3.3 軟件實現(xiàn)

結(jié)合短波接入網(wǎng)關的功能要求和業(yè)務的需求,對短波接入網(wǎng)關進行軟件開發(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,同時可以實現(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)重新進行標示為特定的業(yè)務種類。

當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,并增加校驗等冗余信息,最后交由短波數(shù)據(jù)發(fā)送和接收模塊進行發(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)務代理模塊的調(diào)度工作。首先當接收到短波用戶數(shù)據(jù)時,數(shù)據(jù)處理模塊會根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容標示特定的業(yè)務,協(xié)議分析模塊根據(jù)該標示將數(shù)據(jù)傳遞給對應的業(yè)務代理模塊,由特定的業(yè)務代理模塊完成Internet網(wǎng)路中的數(shù)據(jù)傳輸。其次,當接收到來自Internet網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)并且目標地址為短波用戶,協(xié)議分析模塊從相應的代理模塊中獲取數(shù)據(jù)并填充相應的業(yè)務類型標示,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)務代理模塊

業(yè)務代理模塊可以有很多個,根據(jù)不同的應用層或者傳輸層分業(yè)務或者協(xié)議進行區(qū)分,用來完成與Internet網(wǎng)絡中各類服務器之間的數(shù)據(jù)交互和傳輸,并將相應的結(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 實驗結(jié)果

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

圖6 驗證平臺Fig.6 Verification platform

在測試的網(wǎng)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(cè),主要由短波電臺、短波Modem、短波接入網(wǎng)關、本地交換機、本地路由器、網(wǎng)絡服務器組成,各個設備之間使用相應的連接線連接。

網(wǎng)絡中短波用戶終端的IP地址設置為223.0.0.5;短波接入網(wǎng)關的IP地址為193.168.0.2(物理網(wǎng)卡 IP地址,實現(xiàn)與本地交換機之間的連接),虛擬網(wǎng)卡的IP地址為223.0.0.6(該IP地址與短波網(wǎng)絡用戶在同一個網(wǎng)段);Internet網(wǎng)中的網(wǎng)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(shù)據(jù)傳輸軟件,將用戶的業(yè)務數(shù)據(jù)在應用層(也可以使網(wǎng)絡層進行收集,例如ICMP協(xié)議的ping報文)進行收集、發(fā)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(wǎng)絡用戶與Internet網(wǎng)絡服務器之間的連通性。從圖7中可以看到這種設計實現(xiàn)了短波網(wǎng)絡用戶與Internet網(wǎng)絡服務器之間的連接。實際測試中也測試了短波網(wǎng)絡用戶與短波接入網(wǎng)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(wǎng)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(diào)制解調(diào)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡之間在網(wǎng)絡層的連通性。進一步對本文設計的短波接入網(wǎng)關與相關網(wǎng)絡中的設備進行比較,如表1所示。

表1 與其他網(wǎng)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(xié)議的支持,由此也增加了不同業(yè)務的傳輸。而Longfish網(wǎng)絡中直接在短波鏈路中傳輸一種改進協(xié)議FITFEEL(Fast Information Transfer For Extremely Errored Links)來實現(xiàn)對TCP和UDP協(xié)議的支持。

由于短波接入網(wǎng)關中使用tun/tap虛擬網(wǎng)卡技術,在與Internet網(wǎng)絡中服務器的服務交互數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡就進行了捕獲,因此,可以結(jié)合對應業(yè)務的不同而進行不同的數(shù)據(jù)處理。基于以上特點,網(wǎng)關中可以實現(xiàn)各種應用層業(yè)務的數(shù)據(jù)傳輸,只需要得到相關軟件代理的支持。

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

5 結(jié) 論

短波用戶接入到Internet網(wǎng)絡中,可以實現(xiàn)用戶通過短波鏈路與Internet網(wǎng)絡的互聯(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)實意義和實用價值。

下一步將更加完善短波接入網(wǎng)關的功能,同時將其擴展到短波用戶一側(cè),實現(xiàn)由兩個短波網(wǎng)關來完成不同局域網(wǎng)的廣域互聯(lián),進一步實現(xiàn)短波IP網(wǎng)絡。

[1] 于揚.SUBCENTREX軟交換系統(tǒng)的研究與改進[D].北京:北京郵電大學,2006.YU Yang.Research and Improvement on SUBCENTREX Softs witch System[D].Beijing:Beijing University of Posts and Telecommunications,2006.(in Chinese)

[2] 謝泉.下一代絡的媒體網(wǎng)關與設計[D].貴陽:貴州大學,2008.XIE Quan.The Design of the Media Gateway for NGN[D].Guiyang:Guizhou University,2008.(in Chinese)

[3] 王立國.基于軟交換技術的SIP網(wǎng)絡電話會議系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].北京:華北電力大學,2010.WANG Li-guo.Research and Design of SIP Network Teleconference System Based on Softs witch[D].Beijing:North China Electric Power University,2010.(in Chinese)

[4] Renfree P R.The US Navy Returns to HF with STANAG 5066 as the Path[C]//Proceedings of 2001 IEEE Military Communications Conference.McLean,Virginia,USA:IEEE,2001:471-476.

[5] Kallgren D G,Smaal J W,Gerbrands M,et al.An Architecture for Internet Protocol over HF:Allied High-Frequency Wide-Area Networking using STANAG 5066(AHFWAN66)[C]//Proceedings of 2005 Military Communication Confierence.Atlantic City,New Jersey,USA:IEEE,2005.

[6] 顧芳.電子郵件在短波信道中的應用與改進[D].成都:電子科技大學,2007.GU Fang.The Implementation and Improvement for E-mail in HF Channel[D].Chengdu:University of Electronic Science and Technology of China,2007.(in Chinese)

[7] 石峰.短波電子郵件轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)設計研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2003.SHI Feng.Research on the Designing of the E-mail Forwarding System in HF Communication[D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2003.(in Chinese)

[8] Johnson E E,Balakrishnan M,Tang Zibin.Impact of Turnaround Time on Wireless MAC Protocols[C]//Proceedings of 2003 IEEE Military Communications Conference.San Jose,CA:IEEE,2003:375-381.

[9] Gillespie A F R,Trinder S E,Brown D J.Client Application Considerations for Low Bandwidth Communications[C]//Proceedings of 2003 IEEE Military Communications Conference.San Jose,CA:IEEE,2003:477-481.

[10] 景淵,曹鵬,黃國策.北約短波數(shù)據(jù)通信標準最新進展[J].艦船電子工程,2009,29(6):24-28.JING Yuan,CAO Peng,HUANG Guo-ce.New Development of the Standardfor Data Applications over HF Radio by NATO[J].Ship Electronic Engineering,2009,29(6):24-28.(in Chinese)

[11] Kallgren D G.IP Unicast/Multicast Operation over STANAG 5066.NATO 3G Radio Branch[C]//Proceedings of 2001 IEEE Military Communications Conference.McLean,VA:IEEE,2001:501-505.