基于IP over TS系統(tǒng)網(wǎng)段內(nèi)地址擴(kuò)展技術(shù)的研究

1 引言

數(shù)字視頻廣播DVB(Digital Video Broadcasting)提供面向電視和機(jī)頂盒的無線廣播數(shù)字電視服務(wù)，定義了一套基于動態(tài)影像壓縮標(biāo)準(zhǔn)MEPG-2(Moving pictures Experts Group)傳輸流的數(shù)據(jù)包內(nèi)封裝數(shù)據(jù)的方法，根據(jù)衛(wèi)星、有線和地面等不同傳輸媒介，DVB標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)的分為DVB-S、DVB-C和DVB-T等。

IP over TS技術(shù)是通過數(shù)字地面電視網(wǎng)絡(luò)傳輸IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)，它采用已有的基于DVB-T的發(fā)射和接收裝置提供無線IP訪問業(yè)務(wù)。IP over TS可為用戶提供高速移動(<200 krn／h)狀態(tài)下的遠(yuǎn)程(<50 km)網(wǎng)絡(luò)訪問接口。以相對低廉的成本解決非固定以太網(wǎng)訪問的接入問題。

IP over TS系統(tǒng)必須提供IP數(shù)據(jù)包和TS數(shù)據(jù)包的封裝能力和地址解析能力。同網(wǎng)段內(nèi)地址擴(kuò)展技術(shù)主要為要求互聯(lián)的雙方在同一網(wǎng)段內(nèi)的特殊設(shè)備提供地址解析方案。它是IP over TS系統(tǒng)同網(wǎng)段內(nèi)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。

2 問題的引入

圖1為使用IP overTS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。其中，A端接入以太網(wǎng)，為B端提供訪問接口；同時A端和B端接入A1和B1，A1和B1分別為要求接入同一網(wǎng)段內(nèi)相互通訊的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。同網(wǎng)段內(nèi)的地址擴(kuò)展技術(shù)則提供A，B網(wǎng)絡(luò)的無縫連接。

3 鏈路擴(kuò)展法

對于上述模型，在以太網(wǎng)中通常采用鏈路擴(kuò)展法解決A端和B端網(wǎng)絡(luò)的連接問題。常用的設(shè)備有集線器和交換機(jī)。在無線系統(tǒng)中可提供對底層鏈路的支持來實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)連接。因此，鏈路擴(kuò)展法同樣適用于無線信道。

3．1 鏈路擴(kuò)展法原理

鏈路擴(kuò)展法的原理是通過在MAC層截取數(shù)據(jù)包并轉(zhuǎn)發(fā)以太網(wǎng)底層所有數(shù)據(jù)包。通過對底層鏈路的支持實(shí)現(xiàn)同一網(wǎng)段內(nèi)地址的擴(kuò)展。

3．2 鏈路擴(kuò)展法的實(shí)現(xiàn)

訪問數(shù)據(jù)鏈路層通常有3種方法：基于BSD的分組過濾器(BPF)、基于SVR4的數(shù)據(jù)鏈路接口(DLPI)和基于Linux的SOCKET_PACKET接口。由于該系統(tǒng)采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，所以采用SOCKET_PACKET接口訪問數(shù)據(jù)鏈路層。實(shí)現(xiàn)過程為通過創(chuàng)建數(shù)據(jù)鏈路層socket進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈路層的訪問。所有數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)進(jìn)行TS封裝并通過TS無線信道傳輸至對端，對接收到的信號進(jìn)行解調(diào)、解封裝，將數(shù)據(jù)通過SOCKET PACKET接口發(fā)送到交換機(jī)，再由交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)。其程序主要語句為：

3．3 鏈路擴(kuò)展法的測試

測試上述方法：IP over TS系統(tǒng)采用2 Mb／s的無線信道，其中A端接入教育網(wǎng)內(nèi)任意交換機(jī)并設(shè)定其IP地址為同網(wǎng)段內(nèi)可用IP地址，無線B端通過IP over TS系統(tǒng)接入遠(yuǎn)程交換機(jī)且IP地址和A端網(wǎng)絡(luò)處于同一網(wǎng)段，交換機(jī)端連接測試主機(jī)B1。A端主機(jī)A1每秒發(fā)送300 KBUDP數(shù)據(jù)至主機(jī)B1，B1主機(jī)同時每秒發(fā)送300 KB UDP數(shù)據(jù)至主機(jī)A1。在B端IP over TS系統(tǒng)處統(tǒng)計(jì)接收到的有效數(shù)據(jù)總量(UDP協(xié)議發(fā)送的數(shù)據(jù))和信道傳輸數(shù)據(jù)總量。測試結(jié)果如圖2所示。

3．4 鏈路擴(kuò)展法測試分析

從圖2的測試結(jié)果看出，鏈路擴(kuò)展法的主要問題：無線信道的有效數(shù)據(jù)占有率不穩(wěn)且在部分時段明顯下降，導(dǎo)致碼率接近信道容量的實(shí)時圖像傳輸出現(xiàn)卡圖或馬賽克。假如所采用的IP over TS系統(tǒng)的無線帶寬為2 Mb／s，在鏈路層進(jìn)行數(shù)據(jù)包獲取和轉(zhuǎn)發(fā)通常會遇到ARP數(shù)據(jù)包、各種的廣播以及其他非載荷數(shù)據(jù)。對于2 Mb／s的無線通信鏈路，這些額外數(shù)據(jù)會占用部分傳輸帶寬而導(dǎo)致系統(tǒng)有效數(shù)據(jù)傳輸速率下降。

4 鄰接表法

4．1 鄰接表法原理

鄰接表法基于鏈路擴(kuò)展法并對其進(jìn)行改進(jìn)，鄰接表法過濾了鏈路層的 ARP數(shù)據(jù)包和其他廣播數(shù)據(jù)，從而提升了無線信道的傳輸效率。ARP南IP層復(fù)用，可解析局域網(wǎng)內(nèi)任意合法第三層協(xié)議和第二層硬件地址之間的映射關(guān)系。當(dāng) A端設(shè)備訪問B端設(shè)備時，由于過濾ARP數(shù)據(jù)包，使得A端設(shè)備認(rèn)為B端設(shè)備未在線或通過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)，導(dǎo)致通訊不能正常進(jìn)行。如果將A端IP over TS系統(tǒng)設(shè)定為默認(rèn)網(wǎng)關(guān)，會導(dǎo)致A端的其他設(shè)備不能訪問上層以太網(wǎng)�？刹捎脗卧霢RP協(xié)議進(jìn)行同網(wǎng)段內(nèi)地址擴(kuò)展解決此問題。由于ARP協(xié)議是建立在友好通信、充分信任基礎(chǔ)上的協(xié)議，因此很容易通過欺騙的手段獲取發(fā)送到其他主機(jī)的IP數(shù)據(jù)包。欺騙的整個流程為：(1)統(tǒng)計(jì)IP over TS系統(tǒng)兩端分別連接設(shè)備的IP地址，分別記錄到對方的鄰接表中；(2)將鄰接表映射到Hash表中，Hash表記錄是否主機(jī)在線；(3)當(dāng)無線的任意一端請求數(shù)據(jù)發(fā)送時發(fā)送ARP協(xié)議，查找Hash表，如果此IP地址存在于鄰接表中，回復(fù)ARP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送欺騙。由于整個網(wǎng)絡(luò)被無線鏈路隔開，所以欺騙一定成功；(4)獲取發(fā)送到對端的IP數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的TS封裝和轉(zhuǎn)發(fā)；(5)丟棄接收到的其他廣播數(shù)據(jù)。

作者：何蘇勤，毛世文 北京化工大學(xué) 來源：國外電子元器件