任 政，楊 博，曹 萌

基于數(shù)據(jù)包分割的多網(wǎng)絡(luò)鏈路分流系統(tǒng)及方法

任 政，楊 博，曹 萌

基于當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)通信對帶寬需求的增加，本文立足于傳統(tǒng)鏈路聚合技術(shù)，探討了一種面向多種網(wǎng)絡(luò)鏈路的自適應(yīng)鏈路分流系統(tǒng)和分流方法，將鏈路聚合概念更廣泛的應(yīng)用于VSAT衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、地面專線網(wǎng)絡(luò)等多種網(wǎng)絡(luò)鏈路并存的綜合通信系統(tǒng)中，并通過數(shù)據(jù)包分割技術(shù)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的分流傳輸，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

鏈路聚合；數(shù)據(jù)包分割；自適應(yīng)

1 引言

從計(jì)算機(jī)誕生至今的幾十年里，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)獲得了飛速發(fā)展，從最初的網(wǎng)頁文本瀏覽，到現(xiàn)在的視頻聊天、網(wǎng)絡(luò)直播等新興多媒體業(yè)務(wù)，不斷開拓的服務(wù)領(lǐng)域和服務(wù)項(xiàng)目極大地改變和豐富了人們的生活。但這也使網(wǎng)絡(luò)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量急劇增加，網(wǎng)絡(luò)帶寬已成為限制這些業(yè)務(wù)應(yīng)用的主要瓶頸之一，鏈路聚合作為一種擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)帶寬、增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的技術(shù)，有效的解決了這個問題。

2 傳統(tǒng)鏈路聚合概念介紹

鏈路聚合，簡而言之就是在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上，將多個低速物理鏈路聚合在一起，使它成為一條帶寬成倍增加的邏輯鏈路。而對使用這個邏輯鏈路服務(wù)的上層業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)而言，聚合鏈路的實(shí)現(xiàn)機(jī)制和內(nèi)部運(yùn)行細(xì)節(jié)是透明的，聚合在一起的物理鏈路條數(shù)可以根據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的帶寬需求來配置。配置后的邏輯鏈路帶寬等于被聚合在一起的多條物理鏈路的帶寬之和。因此，鏈路聚合具有成本低，配置靈活的優(yōu)點(diǎn)，此外，鏈路聚合還提供了鏈路冗余備份的功能，聚合在一起的鏈路彼此動態(tài)備份，只要還存在能正常工作的物理鏈路，整個傳輸鏈路就不會中斷，提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

目前，鏈路聚合技術(shù)的正式標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 802委員會制定的IEEE Standard 802.3ad協(xié)議，標(biāo)準(zhǔn)中定義了鏈路聚合技術(shù)的目標(biāo)、鏈路聚合子層內(nèi)各模塊的功能和操作的原則，鏈路聚合控制的內(nèi)容以及鏈路聚合控制協(xié)議LACP等。鏈路聚合可以提供以下功能：增加帶寬且可以線形增加，與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)只能以物理層技術(shù)提供的數(shù)量級方式（如10M，100M，1000M）增加不同，鏈路聚合可以線性的增加帶寬，配置靈活；提供了鏈路可靠性，當(dāng)聚合在一起的成員鏈路有一條出現(xiàn)故障時，其他的成員鏈路會分擔(dān)它的流量，所以業(yè)務(wù)不會中斷；負(fù)載分擔(dān)，聚合鏈路的流量可以相對均勻的分配到加入到聚合的物理鏈路上；快速地進(jìn)行配置和重配置，當(dāng)鏈路發(fā)生某些相關(guān)事件時，鏈路聚合可以快速重新配置鏈路狀態(tài)。

3 自適應(yīng)多種網(wǎng)絡(luò)鏈路聚合技術(shù)

近年來，隨著通信需求的增長和通信技術(shù)的發(fā)展，能夠用于數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)種類越來越多，這些網(wǎng)絡(luò)的示例包括但不限于互聯(lián)網(wǎng)（有線互聯(lián)網(wǎng)或無線互聯(lián)網(wǎng)）、移動通信網(wǎng)絡(luò)（3G或4G LTE等）、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、地面專線網(wǎng)絡(luò)等。各種網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、通信速度、組網(wǎng)形式、數(shù)據(jù)傳輸接口等方面具有許多不同的特性。

傳統(tǒng)的鏈路聚合技術(shù)是在以太網(wǎng)和快速交換以太網(wǎng)交換機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，IEEE802.3ad標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了鏈路聚合的標(biāo)準(zhǔn)化，但現(xiàn)有鏈路聚合控制協(xié)議的應(yīng)用只在單種網(wǎng)絡(luò)鏈路系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了鏈路聚合，面對不同類型的通信網(wǎng)絡(luò)，在應(yīng)用上有一定的局限性。本文提出一種基于鏈路聚合概念的跨網(wǎng)絡(luò)鏈路系統(tǒng)的鏈路聚合技術(shù)，以充分利用多種網(wǎng)絡(luò)鏈路，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)不中斷的目的，提高了各種網(wǎng)絡(luò)鏈路的可用性，實(shí)現(xiàn)了高性能網(wǎng)絡(luò)。

3.1 自適應(yīng)多種網(wǎng)絡(luò)鏈路聚合技術(shù)介紹

不同于傳統(tǒng)鏈路聚合只針對于以太網(wǎng)，在一個包含衛(wèi)星通信網(wǎng)、地面同步專線網(wǎng)、地面IP專線網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、海事衛(wèi)星網(wǎng)等多類型網(wǎng)絡(luò)鏈路通信系統(tǒng)中，各種網(wǎng)絡(luò)鏈路的差異性使得傳統(tǒng)鏈路聚合協(xié)議不能基于快速交換以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)。自適應(yīng)多種網(wǎng)絡(luò)鏈路聚合技術(shù)針對不同類型的網(wǎng)絡(luò)鏈路，分別確定各種類型網(wǎng)絡(luò)鏈路的可用狀態(tài)及可用帶寬，然后從可用的網(wǎng)絡(luò)鏈路中選擇N種網(wǎng)絡(luò)鏈路用于數(shù)據(jù)傳輸，確定所要使用的N種網(wǎng)絡(luò)鏈路后，將每個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包對應(yīng)N種網(wǎng)絡(luò)鏈路分割為N個鏈路子包進(jìn)行傳輸。

3.2 自適應(yīng)多種網(wǎng)絡(luò)鏈路聚合技術(shù)說明

圖1 鏈路分流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

假定通信系統(tǒng)為星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主站為中心點(diǎn)，通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)鏈路、同步專線網(wǎng)絡(luò)鏈路、互聯(lián)網(wǎng)鏈路、海事衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)鏈路四種鏈路與各小站通過自適應(yīng)多種網(wǎng)絡(luò)鏈路聚合技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，具體包括網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)確定、網(wǎng)絡(luò)鏈路帶寬獲取、網(wǎng)絡(luò)鏈路選擇、數(shù)據(jù)包分割傳輸、網(wǎng)絡(luò)鏈路自適應(yīng)五個步驟。

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)確定

每一種網(wǎng)絡(luò)鏈路可用狀態(tài)的確定是通過鏈路探測實(shí)現(xiàn)的，鏈路探測是通過小站和主站之間發(fā)送與應(yīng)答鏈路探測包實(shí)現(xiàn)的，鏈路探測包即keeplive包。

（1）衛(wèi)星鏈路。小站和主站分別定時發(fā)起衛(wèi)星鏈路探測包，小站和主站自動應(yīng)答衛(wèi)星鏈路keeplive包。如果小站和主站接收到衛(wèi)星鏈路keeplive應(yīng)答包，判定衛(wèi)星鏈路可用，否則衛(wèi)星鏈路不可用。

圖2 VSAT衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)確定流程

（2）地面專線鏈路。地面專線鏈路建立之前，小站定時發(fā)起地面專線鏈路建立包，主站根據(jù)自身狀態(tài)，決定是否允許地面專線鏈路的建立。地面專線鏈路建立之后，小站和主站分別定時發(fā)起地面專線鏈路keeplive包，小站和主站自動應(yīng)答地面專線鏈路keeplive包。如果小站和主站接收到地面專線鏈路keeplive應(yīng)答包，判定地面專線鏈路保持可用，否則地面專線鏈路不可用將斷開，返回到地面專線鏈路建立之前的狀態(tài)。

圖3 地面專線網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)確定流程

（3）網(wǎng)絡(luò)鏈路。網(wǎng)絡(luò)鏈路建立之前，小站定時發(fā)起網(wǎng)絡(luò)鏈路建立包，主站根據(jù)自身狀態(tài)，決定是否允許網(wǎng)絡(luò)鏈路的建立。網(wǎng)絡(luò)鏈路建立之后，小站和主站分別定時發(fā)起網(wǎng)絡(luò)鏈路keeplive包，小站和主站自動應(yīng)答網(wǎng)絡(luò)鏈路keeplive包。如果小站和主站接收到網(wǎng)絡(luò)鏈路keeplive應(yīng)答包，判定網(wǎng)絡(luò)鏈路保持可用，否則網(wǎng)絡(luò)鏈路不可用將斷開，返回到地面專線鏈路建立之前的狀態(tài)。

圖4 網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)確定流程

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)鏈路帶寬獲取

網(wǎng)絡(luò)鏈路帶寬支持手動配置和自動檢測兩種方式，手動配置可以結(jié)合網(wǎng)絡(luò)鏈路帶寬資源根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行配置，下面重點(diǎn)介紹自動檢測方式。

3.2.2.1 衛(wèi)星鏈路的自動檢測

在小站側(cè)：通過檢測V35接口的發(fā)送時鐘，可以獲得衛(wèi)星鏈路上行的帶寬，衛(wèi)星鏈路上行的帶寬就是小站設(shè)備的衛(wèi)星鏈路帶寬。

在主站側(cè)：通過檢測V35接口的發(fā)送時鐘，可以獲得衛(wèi)星鏈路下行的帶寬，再通過衛(wèi)星鏈路下行的帶寬分配管理機(jī)制，最終獲得主站設(shè)備和小站設(shè)備對應(yīng)的衛(wèi)星鏈路帶寬。

圖5 VSAT衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)鏈路帶寬獲取流程

3.2.2.2 地面同步專線鏈路的自動檢測

在小站側(cè)：通過檢測V35接口的發(fā)送和接收時鐘，根據(jù)V35接口的發(fā)送時鐘，可以獲得小站到主站方向的地面專線鏈路帶寬，根據(jù)V35接口的接收時鐘，可以獲得主站到小站方向的地面專線鏈路帶寬。

在主站側(cè)：小站通過地面專線鏈路建立包或地面專線鏈路keeplive包，將主站到小站方向的地面專線鏈路帶寬通知主站。

3.2.2.3 網(wǎng)絡(luò)鏈路的自動檢測

在小站側(cè)：在網(wǎng)絡(luò)鏈路建立的過程中，首先執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)鏈路的可用帶寬檢測，可用帶寬檢測成功后，再建立網(wǎng)絡(luò)鏈路。

在主站側(cè)：在網(wǎng)絡(luò)鏈路建立的過程中，首先執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)鏈路的可用帶寬檢測，可用帶寬檢測成功后，再建立網(wǎng)絡(luò)鏈路。

圖7 網(wǎng)絡(luò)鏈路帶寬獲取流程

3.2.3 網(wǎng)絡(luò)鏈路優(yōu)先級確定及鏈路選擇

網(wǎng)絡(luò)鏈路優(yōu)先級由高到低順序?yàn)椋盒l(wèi)星網(wǎng)絡(luò)鏈路、地面同步專線鏈路、互聯(lián)網(wǎng)鏈路、海事衛(wèi)星鏈路，在確定網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)可用后，當(dāng)可用鏈路≥2時，將選擇優(yōu)先級高的兩種網(wǎng)絡(luò)鏈路進(jìn)行鏈路聚合，對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分流傳輸。

3.2.4 數(shù)據(jù)包分割處理單元

選取優(yōu)先級最高的兩個可用鏈路進(jìn)行鏈路聚合后將，對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分流傳輸，首先根據(jù)網(wǎng)絡(luò)鏈帶寬計(jì)算出分流比例，然后根據(jù)分流比例，將每個IP數(shù)據(jù)包分為兩部分，分別通過選取的兩個可用鏈路進(jìn)行傳輸。在接收側(cè)，需要將兩個鏈路接收的分流數(shù)據(jù)包合并拼裝成一個完成IP數(shù)據(jù)包。

圖8 不同類型網(wǎng)絡(luò)鏈路子包結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.5 網(wǎng)絡(luò)鏈路的自適應(yīng)性

在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送側(cè)，通過對鏈路狀態(tài)和鏈路帶寬的實(shí)時監(jiān)測，當(dāng)鏈路的可用狀態(tài)發(fā)生變化時，IP數(shù)據(jù)包將通過重新選取優(yōu)先級最高的兩個可用鏈路上進(jìn)行分流傳輸。當(dāng)鏈路的可用狀態(tài)或帶寬發(fā)生變化時，會重新計(jì)算出分流比例，并按照新的分流比例進(jìn)行分流傳輸。當(dāng)只有一條鏈路可用時，將回退到不分流傳輸。在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接收側(cè)，能夠根據(jù)接收到數(shù)據(jù)自動識別是分流包的前半部分，分流包的后半部分，或是不分流的包，然后執(zhí)行相應(yīng)處理。

4 多網(wǎng)絡(luò)鏈路分流系統(tǒng)方法的優(yōu)勢和意義

多種網(wǎng)絡(luò)鏈路分流系統(tǒng)能夠自動適應(yīng)鏈路的變化，提高業(yè)務(wù)傳輸?shù)目捎眯院蛿?shù)據(jù)通信的安全性。業(yè)務(wù)傳輸?shù)目捎眯允侵冈谔峁┒鄠€傳輸網(wǎng)絡(luò)鏈路的情況，只要有一個鏈路可用，業(yè)務(wù)傳輸就不會中斷。數(shù)據(jù)通信的安全性是指當(dāng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在單種網(wǎng)絡(luò)中傳輸時，由于對單種網(wǎng)絡(luò)鏈路數(shù)據(jù)的截獲較為容易，因此通過單種網(wǎng)絡(luò)鏈路傳輸數(shù)據(jù)的安全性較差。在這種情況下，即使將數(shù)據(jù)包拆分為多個子包并且利用單種網(wǎng)絡(luò)中的多條鏈路分別進(jìn)行傳輸，也能夠通過攔截單種網(wǎng)絡(luò)的多條鏈路來獲取到整個數(shù)據(jù)包，難以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院捅Ｃ苄浴４送?，由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的多變性，數(shù)據(jù)傳輸所用的單種網(wǎng)絡(luò)可能受到外部干擾，從而使得經(jīng)由單種網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸不夠穩(wěn)定，易于中斷。而當(dāng)有兩個或兩個以上可用鏈路時，每個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包將通過兩個可用鏈路分別傳輸，單個鏈路傳輸?shù)闹皇菙?shù)據(jù)包的一部分，降低了數(shù)據(jù)被截獲破解的安全風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)數(shù)據(jù)通信安全性。

此外，本文中介紹的多網(wǎng)絡(luò)鏈路分流系統(tǒng)方法所基于的鏈路聚合技術(shù)更加開放，不同于傳統(tǒng)鏈路聚合協(xié)議只面向以太網(wǎng)和快速交換以外網(wǎng)交換機(jī)，能夠自適應(yīng)鏈路接口的多樣性和網(wǎng)絡(luò)鏈路的差異性。鏈路接口的多樣性是指衛(wèi)星鏈路和地面專線鏈路使用V3.5接口，Internet網(wǎng)絡(luò)鏈路和海事衛(wèi)星鏈路使用以太網(wǎng)接口。網(wǎng)絡(luò)鏈路是指異構(gòu)性，衛(wèi)星鏈路為TDM-SCPC網(wǎng)絡(luò)、地面專線鏈路為點(diǎn)到點(diǎn)，Internet網(wǎng)絡(luò)鏈路和海事衛(wèi)星鏈路為網(wǎng)狀網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)鏈路的自適應(yīng)性是指當(dāng)可用網(wǎng)絡(luò)鏈路的狀態(tài)發(fā)生變化時，重新選擇優(yōu)先級最高的兩個可用網(wǎng)絡(luò)鏈路進(jìn)行分流傳輸。當(dāng)可用鏈路帶寬發(fā)生變化時，重新計(jì)算出分流比例。

5 結(jié)論語

以上探討了一種基于數(shù)據(jù)包分割的多網(wǎng)絡(luò)鏈路分流系統(tǒng)及方法，符合當(dāng)前通信系統(tǒng)中多網(wǎng)絡(luò)鏈路類型并存的實(shí)際情況，擴(kuò)展了鏈路聚合技術(shù)的應(yīng)用空間，滿足了用戶在多種網(wǎng)絡(luò)鏈路環(huán)境下，在每條鏈路只傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包部分?jǐn)?shù)據(jù)從而增強(qiáng)數(shù)據(jù)通信安全性的實(shí)際需求。

[1] 李宏．鏈路聚合解決帶寬瓶頸．中國計(jì)算機(jī)報(bào)，2001

[2] 戎江霽．基于LCAP的擴(kuò)系統(tǒng)鏈路聚合研究．電視技術(shù)，2013.07

武漢軌道交通6號線LTE-M承載CBTC應(yīng)用載客前專家評審會召開

2016年12月10日，武漢軌道交通6號線LTE-M承載CBTC應(yīng)用載客前專家評審會在武漢召開，中國工程院院士丁烈云、趙梓森、張勇傳，中國科學(xué)院院士葉朝輝等特邀專家出席會議，來自北上廣深寧杭等城市業(yè)主單位、北京交通大學(xué)、通號設(shè)計(jì)院/鐵科院通號所等信號企業(yè)、華為/中興/鼎橋等通信企業(yè)及城軌認(rèn)證機(jī)構(gòu)的15名專家參與了評審，中關(guān)村公信衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟等單位受邀參會。湖北省無線電管委副處長趙松林、武漢地鐵集團(tuán)董事長周少東、中國城市軌道交通協(xié)會技術(shù)裝備專委會副主任史揚(yáng)，以及烽火通信股份有限公司、上海自儀泰雷茲交通自動化系統(tǒng)有限公司、卡斯柯信號有限公司、武漢智慧地鐵科技有限公司、鐵四院、北京城建院等單位領(lǐng)導(dǎo)和代表出席了會議。

評審會期間，專家組、與會領(lǐng)導(dǎo)和代表，聽取了武漢地鐵集團(tuán)有限公司、武漢智慧地鐵科技有限公司等技術(shù)研發(fā)單位，關(guān)于LTE技術(shù)承載信號CBTC業(yè)務(wù)工作報(bào)告及相關(guān)技術(shù)方案、聯(lián)調(diào)聯(lián)試和通信測試相關(guān)報(bào)告，并進(jìn)行了試乘體驗(yàn)。經(jīng)充分質(zhì)詢和討論，專家組一致認(rèn)為，武漢軌道交通6號線tcLTE1.0系統(tǒng)是基于1.8GHz頻段TD-LTE技術(shù)的LTE-M系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)首次LTE-M系統(tǒng)承載CBTC業(yè)務(wù)工程化應(yīng)用。經(jīng)多方長期測試和近四個月的空載試運(yùn)行，該系統(tǒng)設(shè)備性能指標(biāo)滿足CBTC業(yè)務(wù)承載需求，符合國家系統(tǒng)規(guī)范要求，可以投入載客試運(yùn)營。

Distribution System and Method of Multiple Network Links Based on Packet Segmentation

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The current network communication calls for increased bandwidth, based on the traditional link aggregation technology, this paper discussed a kind of link adaptation distribution system and method for a variety of network links, which applies link aggregation concept more widely in an integrated communication system including satellite network link, SDH network link and other network links, and through packet segmentation technology, the system implements the shunt transmission of business data, improved the security of data transmission.

Link Aggregation; Packet Segmentation; Link Adaptation

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.01.001

TN915，TN927+.2文獻(xiàn)標(biāo)示碼：B

1672-7274（2017）01-0001-05