基于多协议融合的网关技术研究Word文档格式.docx
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摘要
随着互联网技术的不断发展,异构类型网络在其应用环境中也得到了长足的发展,但是由于异构网络之间协议的不兼容,使得网络之间无法实现互联互通互操作。
基于多协议融合的网关解决了这一问题,网关通过对不同网络的协议进行分析融合,实现了异构网络之间的互联互通互操作。
本文主要从协议的角度研究无线环境下的多协议融合网关技术。
文章从基于多协议网关的异构网络融合组网、基于Linux的多协议网关的体系结构和多协议网关的设计原理三个方面来进行研究。
在基于多协议网关的异构网络融合组网方面,主要研究了WLAN和移动3G网络的组网方式,并介绍了多协议融合网络中网关的重要主用,以及研究网关的必要性。
在基于Linux的多协议网关的体系结构,详细的分析了TCP/IP协议和Linux的网络协议架构,并以此作为出发点详细分析了多协议融合网关的协议栈、软件体系结构和功能体系结构,并对Linux下的Netfilter框架进行了深入的分析,因为它是网关能够实现协议融合的关键技术。
在多协议网关的设计原理方面,文章按照网关的软件体系结构,选取了WLAN子模块和移动3G子模块作为研究对象,深入的分析了它们各自的设计原理,并对网关能够实现转发和重要数据保障功能的三大关键技术,路由技术、链路探测技术、多路径分发技术进行了详细的研究,最后通过仿真验证了链路探测和多路径分发技术的正确性。
关键字:
多协议融合网关,无线局域网,3G,Linux,TCP/IP
Abstract
WithInternettechnologydevelopmentcontinuously,heterogeneousnetworkisalsodevelopeddeeply.Becausetheprotocolsamongtheheterogeneousnetworksarenotcompatible,theclientsintheheterogeneousnetworkscannotcommunicatewitheachother.Thegatewaybasedonmulti-protocolintegration,throughtheanalysisofdifferentnetworkprotocols,cansolvethisproblem.
Fromprotocol
pointofviewofthewirelessnetwork,papermainlyresearchthegatewaytechnologybasedonmulti-protocolintegration.Articleismainlyconsistofthreeaspects,heterogeneous
networkstechnologyofmulti-protocolintegration,thearchitectureofmulti-protocolintegrationgatewaybasedonLinuxandthedesignprincipleofmulti-protocolintegrationgateway.
Inheterogeneous
networkstechnologyofmulti-protocolintegration,thepapermainlydiscussesthenetworkprincipleofWLANand3G,showstheimportanceofmulti-protocolintegrationgateway,itachievestheclientinWLANcancommunicatewiththeclientin3G.Inthearchitectureofmulti-protocolintegrationgatewaybasedonLinux,thepaperanalyzesTCP/IPandnetworkprotocolstackonLinuxindetail,discussestheprotocolstack,thesoftwarearchitectureandthefunctionalarchitectureofmulti-protocolintegrationgateway,finally,researchesNetfilterarchitecturewhichisthekeypointofachievingmulti-protocolintegration.Inthedesignprincipleofmulti-protocolintegrationgateway,accordingsoftwarearchitectureofgateway,thispaperchoosesWLANand3Gastheobjects,andanalyzesdesignprincipleofthem,besides,thepaperdiscussesAd-hocroute,Link
detection,multi-pathdistribution,whicharethekeypointsofgatewayandhelpgatewayachieveimportantdatadistribution.Finally,thepaperprovesthesekeypointthroughsimulation.
Keywords:
Multi-protocolintegrationgateway,WLAN,3G,Linux,TCP/IP
图表目录
第1章绪论
1.1研究背景
1.1.1背景及意义
高科技战争中,以机械化部队为基础,以数字化电子信息装备和智能化主战武器装备为主体,实现集中指挥控制,保证高效的机动性能与协同作战能力,是当今世界各国军队取得胜利的重要保障。
在这样的数字化战争中,信息传输、信息共享和工作协同显得尤其重要,计算机通信系统网络及其相关设备是支撑共享与协同的关键和基础。
建立一个强大的机动性、自组性、和抗毁性的通信系统和信息应用平台是各国军队研究部署各自战术互联网的重要组成部分,是现代化战争系统需要考虑的重要内容。
目前,包括美军在内的世界各国军队数字化部队各级之间还缺乏安全、统一的无线移动异构网络融合基础设施。
此类设施需要采用多种技术(移动自组织网络、移动设备、嵌入式系统及软件、战术电台、3G网络,无线局域网WLAN、卫星等)集成来实现,因此,研究适合于各自军队实际需求的军用无线组网相关技术及设备,尽早实现各类技术的集成、验证与应用,是各国军队对战术互联网应用的迫切需求。
当前主要的无线及移动通信方式包括电台、移动3G网络、卫星、无线局域网WLAN、WiFi-WLAN等,如何有效的整合多种异构无线网络,并根据需求实施灵活定制与自动配置,真正实现部队之间的互操作性(互操作性可定义为部队之间直接进行信息交换),是各国军队所亟待解决的问题。
1.1.2国内外研究现状
从国外现状看,美军近年来的联合行动和演习已经表明,部队各级通信系统依然存在由于兼容性不匹配而导致无法沟通的问题,其中主要表现在互操作性方面。
互操作性问题至今仍然存在,特别是在阿富汗和伊拉克战争中的美军和联盟部队之间。
同时,互操作性问题也普遍存在于美国很多非国防通信网络中。
为了解决上述问题,2009年,美国军方与Raytheon公司签订合约,将斥资1.5亿美元开发一项所谓“MAINGATE(MobileAdhocInteroperabilityNetworkGATEway)”的关键技术,它将连接美军的各种异构无线网络,并为美军各级部队之间的无线通信业务提供整合和优化功能,在突破异构无线网络融合的同时保障网络通信业务的质量。
MAINGATE将开发一项突破性的通信技术和系统,以满足美军和联盟部队之间的网络中心战需求,以及与先遣反应部队之间的军事通信。
MAINGATE采用自适应网络设计,使陆基、机载移动和静止网络中心保持连接,并为各种无线通信设备之间的互操作提供网关服务能力。
MAINGATE展示了美军各部队之间及美军与联盟军队之间一种新的数据传输和指挥控制的网络能力。
国内在研究无线多协议融合网络,尤其是无线多协议融合网关方面起步较晚。
目前只是在移动自组织网络(MANET,MobileAd-hocNetwork)方面开展了大量的研究,并取得了很多关键的研究技术。
但主要成果基本上都体现在路由协议的改进方面,大多距离实际应用较远。
特别是在移动自组织网络(MANET)与其他异构类型网络的融合方面研究力度不足,仅有少量研究关注移动自组织网络(MANET)接入3G、无线局域网WLAN等的设计方案,且尚未涉足针对军事应用场景的设计和研究。
1.2研究内容
本文主要从基于多协议网关的异构网络融合组网、基于Linux的多协议网关的体系结构和多协议网关的设计原理三个方面来进行研究。
主要涉及无线局域网WLAN、移动3G网络两大模块的研究。
对协议转换的关键技术基于Linux的Netfilter框架进行了深入的分析。
同时,按照项目需求,文中也重点研究了基于多协议网关的关键技术——链路探测和多路径分发技术,并通过仿真验证了两项技术的正确性。
1.2
1.2.1无线局域网WLAN模块研究
无线局域网(WLAN,WirelessLocalAreaNetworks),是计算机通信和无线通信的产物,它作为局部热点范围内的应用网络,特点是能够为用户提供较高的传输速率和方便的接入服务[1]。
WLAN和有线局域网的区别在于:
其不需要有线电缆的连接,所需要的基础设施仅是几个或者多个具备WLAN功能的设备,不需要专门架设类似有线局域网的通信基础设施,提供所有有线局域网所能提供的服务和功能,并且提供接入点(AP,AccessPoint)和Ad-hoc等多种接入方式。
由于WLAN采用的是无线电磁波作为传输媒介,因此作用范围可拓展性强,终端设备的可移动能力较强,而且由于不需要有线基础设施的支持,所以其维护成本较低。
正是因为WLAN的这些优点,它已被广泛的应用于各种不同类型的主干网架设中,以解决“最后一公里”问题,目前较广泛的应用于:
人口密集且不易架设有线设施的地区(大型商场,火车站,飞机场)、工程性质的临时性场所(建筑工地,矿井)、需要随时接入网络的移动用户、家庭工作环境等。
WLAN协议栈的上层结构采用的仍然是标准的TCP/IP协议架构,底层采用的是IEEE802.11系列标准(IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g等)[2],其通信速率最高可以达到54Mbps,能够满足“最后一公里”的用户需求。
本文从组网接入方式,工作机理,与其他模块的协调工作机制等多方面对网关中的WLAN模块进行了深入的分析,得出关于WLAN与其他异构网络进行融合的可能性,对以后的研究起到了借鉴的作用。
1.2.2移动3G模块研究
第三代移动通信网络(3G,3rd-generation)最早于1999年,由国际电信联盟(ITU)在TG8/1最后一次会议上通过并制定的。
目前,主要运用在商业领域,主要包括TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000三种制式标准。
3G与前两代技术的主要区别在于传输声音和数据的速度上的提升,传输速率在高速移动环境中支持144kb/s,步行慢速移动环境中支持384kb/s,静止状态下支持2Mb/s,能够在全球范围内更好的实现无缝漫游,处理图像、音乐、视频等多种媒体形式,提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务[3]。
WCDMA由3GPP标准化组织制定,由欧盟提出,主要基于第二代移动通信网络(GSM)核心网,陆地无线接入网(UMTS)整合优化后得到,其具有较宽的通信频谱范围,漫游能力较强,技术较成熟。
CDMA2000是由美国高通公司提出的,基于CDMAOne数字标准直接升级演变过来的,所以其建设成本低廉,但支持者甚少。
TD-SCDMA(时分-同步码分多址存取)[3],是由我国大唐集团提出的第三代移动通信标准,能够灵活的支持多种业务,采用智能天线技术提供更为广泛的传输频率,并且维护成本较低。
TD-SCDMA是根据3GPP标准制定的,其协议栈大致上可分为物理层、链路层(L2)、网络层(L3)三个层次,在L2上承载了无线链路控制(RLC)、分组数据协议汇聚(PDCP)以及广播/多播业务(BMC)等三个子层,每个子层类似于一个链路层协议。
RLC主要用于物理层到L2的数据过渡,PDCP通过RLC来承载业务,并为上层提供服务。
基于项目的需求和我国的现状,本文重点研究TD-SCDMA标准的移动3G网络,主要从协议标准,接入方式,与其它的模块协同工作等方面,并结合网关自身功能来进行深入分析。
1.2.3多协议融合网关总体方案
多协议融合的总体方案应当为:
数据链路层发现业务数据,由Netfilter钩子截取数据,并解析数据的正确性,之后把业务数据移交到上层。
网络层接收数据后,根据其加载的路由协议所维护的路由表,为业务计算传输路径,并将其转发。
由于在转发的过程中将会出现异构网络彼此带宽不匹配,造成数据拥塞丢包等情况,因此根据需求,将由网关对网络进行链路探测,评估链路状态,对进出网关的业务数据进行流量控制,以解决异构网络之间速率不匹配问题。
同时,对于重要业务数据还要采取多路径分发技术,以保证其在传输过程中尽量不丢包。
如图1-1是对网关总体方案的抽象描述。
图1-1网关总体方案抽象描述
1.3论文组织结构
本文旨在研究基于多协议融合的网关技术,寻求出WLAN、移动3G及电台相互融合的可能性,对网关中涉及到的相关技术(Netfilter结构框架、链路探测、多路径分发)做充分的研究,为以后项目的开展起到借鉴的作用。
第2章为多协议融合网关组网方案,主要从网关的角度出发,详细叙述了整个融合网络的拓扑,各个子网的拓扑和接入方式以及网关在融合网络中所起到的作用。
第3章为基于Linux的多协议融合网关体系结构,详细描述了在Linux操作系统下,网关的软硬件体系结构。
同时分析了Linux协议栈和TCP/IP协议标准,因为项目的协议扩展,安全性完善都是基于这两个方面来进行的。
第4章为多协议融合网关设计,主要叙述了网关的总体设计方案、网关各子模块的设计原理、网关路由协议和网关关键技术等方面的内容。
其中,比对了两种不同类型的Ad-hoc路由协议,以解释选取路由协议的原因。
并对网关的关键技术进行了仿真验证。
第5章为总结和展望,总结前期所遇到的问题和经验教训,并对后期的工作做出安排。
最后对网关的前景及发展趋势进行了展望。
第2章多协议融合网关组网方案
网关(Gateway),或称为网络中继器、网络连接器、网络协议转换器、微型服务器等,它是一种连接异构类型网络的设备,使得不同网络的终端设备之间能够互联互通[5]。
网关在不同类型的网络之间充当着隘口的角色。
由于网关连接不同类型的网络,因此它必须对不同网络的协议进行“翻译”,使得异构网络彼此间能够通信,这里的“翻译”指不同网络数据帧的转换、不同路由协议的转换等。
同时,网关还能简化网络管理,使得管理者的工作变得方便。
多协议融合网关具备网关的所有功能,实现了不同类型网络之间的互操作,并且为不同类型的业务提供一定的传输优化服务,起到了一个微型服务器的作用,本章按照从局部到整体的思路,首先介绍了WLAN、3G以及电台各子网的组网接入方式,然后介绍了融合网络的组网拓扑以及多协议融合网关在整个融合网络中的作用。
1
2
2.1无线局域网WLAN
2.1
2.1.1WLAN子网类型
WLAN协议是基于IEEE802.11标准的,主要包括IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g等,IEEE802.11的覆盖范围是一种基于蜂窝状的结构,每个蜂窝由一个AP来负责控制。
WLAN的网络类型主要有两种,一种是AP-Infrastructure网络,现在正被广泛使用,一种是Ad-hoc网络。
2.1.1.1AP-Infrastructure网络
AP-Infrastructure网络主要分为两种接入模式,BSS(BasicServiceSet)和ESS(ExtendedServiceSet)[6]。
BSS网络只需要一个AP接入到主干网络,并且这个AP控制着几个或多个具备接入WLAN功能的无线终端。
AP在这里起到中继器或者桥接器的作用,它使得原来各终端之间简单的点对点通信方式转变成了必须经过AP才能通信的方式,增加了通信的可靠性,同时WLAN内的所有终端访问主干网络时,也需要通过AP来进行转发。
如图2-1所示为WLAN的BSS结构。
图2-1无线局域网BSS结构
ESS结构是由BSS结构聚集而形成的一个庞大而复杂的聚合网络,各BSS结构通过分布式系统(如以太网)相互连接起来。
整个ESS结构包括了AP,分布式系统和具备接入WLAN能力的无线终端,能够满足任意大小,任意复杂度的网络覆盖需求。
目前,这种结构正被运用于各种商业和军用领域。
如图2-2所示为WLAN的ESS结构。
图2-2无线局域网ESS结构
2.1.1.2Ad-hoc网络
Ad-Hoc网络是一种具备无线接口的多终端无线点对点的通信系统,无线终端之间彼此可以通信并且可以通过某一个终端接入主干网络,整个通信过程中不需要AP的参与。
整个网络拓扑处于动态变化之中。
存在于这种网络中的无线终端设备具备了路由器的功能,它通过承载于其上的Ad-hoc路由协议获取相应的路由表,并结合相应的路由机制进行数据转发和路由维护工作。
如图2-3所示为Ad-hoc网络。
图2-3Ad-hoc网络
2.1.2两种接入方式
由WLAN的网络类型可以知道,在多协议融合组网方面可以采用两种不同的接入方式,一种是AP接入方式,一种是Ad-hoc接入方式。
2.1.2.1AP接入方式
AP是无线终端进入主干网络的设施,通常被看作是无线路由器,具备有线接入功能。
此种方式的覆盖范围一般在几十到几百米,主要用于家庭,商场大楼或者公共园区等场所。
实现此种接入方式的方法一般为网卡AP和Soft-AP两种。
(1)网卡AP:
基于WLAN的无线路由器运用的就是这种方法。
目前,很多无线网卡(如华为的EC150和EC122)都具备AP功能,此外,一些便携式电脑厂商也都把AP无线网卡集成到其产品中。
用户终端通过它可以成为一个AP接入点,并自动检测网络环境,在完成相关设置后,其他用户将被允许通过此AP接入到Internet等公共主干网络。
现有的网卡速率都可以达到54Mbps,同时支持WEP、WPA等加密标准,有效地保证了用户业务数据的安全性。
总之,网卡AP接入是一种现成的方法,并对业务数据提供一定的安全管理功能。
(2)Soft-AP:
Soft-AP,又被称为软AP[7]。
它的实现需要一块普通的网卡和相应的软件完成。
目前,这一类的软件包括hostap,sonbuddy等。
此方法适用于没有AP无线网卡的环境中,其作用和网卡AP接入方式的一样,但是成本较低,易于实现。
虽然Soft-AP实现了网卡AP的基本功能,但是由于使用的是普通网卡,所以覆盖范围远远不如网卡AP,并且在其他方面还有许多不足,例如,不支持数据加密功能,不像网卡AP那样具备路由功能。
当然,其优点在于成本低,升级方便,只需更换相应的软件或无线网卡即可,比较适合于家庭办公,小型工作室等一些小区域内的快速组网。
Soft-AP所用到的软件主要完成两方面的功能。
一方面,做为驱动使用,负责对网卡的数据转发;
另一方面,它需要完成AP的正常业务处理功能,完成协议规定内的所有业务,必要的时候还要完成一些管理和配置工作。
2.1.2.2Ad-hoc接入方式
Ad-hoc接入方式类似于Soft-AP,同样不需要网卡AP的支持,甚至没有AP的参与,其实现方法比Soft-AP更为简便。
首先,需要终端具备无线接入功能,然后终端建立一个具有网络名称的Ad-hoc网络(此终端被称为簇头),其余各终端根据这个网络名称加入Ad-hoc网络。
它们之间通过点对点的方式连接起来,同时,簇头开启路由转发和NAT地址转换功能,网络内所有终端都通过簇头转换成统一的地址访问主干网络。
其中,簇头所建立的Ad-hoc网络可以是单跳或多跳的一对多网络拓扑结构,在其下层还可以有多级的Ad-hoc网络无限拓展开来,如图2-4所示为多级Ad-hoc网络的拓扑图。
相比于AP接入模式,特别是网卡AP方式来说,Ad-hoc接入方式的功能并不完善,他只是提供了一种接入方式,并没有数据加密,防火墙,安全管理等AP所具备的功能,并且其覆盖范围小于AP接入方式,仅能连接少数的终端设备。
但是由于其成本低廉,组网快捷,往往成为WLAN组网中十分重要的一种接入方式。
图2-4多级Ad-hoc网络
2.2移动3G网
基于项目的需求和我国的现状,本文重点研究TD-SCDMA标准的移动3G网络。
2.2
2.2.13G核心网
3G核心网(CN)逻辑上被分为电路交换域(CS
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