基于數據包分割的多網絡鏈路分流系統及方法

任 政，楊 博，曹 萌

基于數據包分割的多網絡鏈路分流系統及方法

任 政，楊 博，曹 萌

基于當前網絡通信對帶寬需求的增加，本文立足于傳統鏈路聚合技術，探討了一種面向多種網絡鏈路的自適應鏈路分流系統和分流方法，將鏈路聚合概念更廣泛的應用于VSAT衛星網絡、地面專線網絡等多種網絡鏈路并存的綜合通信系統中，并通過數據包分割技術，實現業務數據的分流傳輸，提高了數據傳輸的安全性。

鏈路聚合；數據包分割；自適應

1 引言

從計算機誕生至今的幾十年里，網絡通信技術獲得了飛速發展，從最初的網頁文本瀏覽，到現在的視頻聊天、網絡直播等新興多媒體業務，不斷開拓的服務領域和服務項目極大地改變和豐富了人們的生活。但這也使網絡需要傳輸的數據量急劇增加，網絡帶寬已成為限制這些業務應用的主要瓶頸之一，鏈路聚合作為一種擴展網絡帶寬、增強網絡穩定性的技術，有效的解決了這個問題。

2 傳統鏈路聚合概念介紹

鏈路聚合，簡而言之就是在網絡設備上，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的上層業務數據而言，聚合鏈路的實現機制和內部運行細節是透明的，聚合在一起的物理鏈路條數可以根據業務數據的帶寬需求來配置。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，配置靈活的優點，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，提高了網絡的穩定性。

目前，鏈路聚合技術的正式標準是IEEE 802委員會制定的IEEE Standard 802.3ad協議，標準中定義了鏈路聚合技術的目標、鏈路聚合子層內各模塊的功能和操作的原則，鏈路聚合控制的內容以及鏈路聚合控制協議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，與傳統網絡只能以物理層技術提供的數量級方式（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，當聚合在一起的成員鏈路有一條出現故障時，其他的成員鏈路會分擔它的流量，所以業務不會中斷；負載分擔，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；快速地進行配置和重配置，當鏈路發生某些相關事件時，鏈路聚合可以快速重新配置鏈路狀態。

3 自適應多種網絡鏈路聚合技術

近年來，隨著通信需求的增長和通信技術的發展，能夠用于數據通信的網絡種類越來越多，這些網絡的示例包括但不限于互聯網（有線互聯網或無線互聯網）、移動通信網絡（3G或4G LTE等）、衛星網絡、地面專線網絡等。各種網絡在網絡協議、拓撲結構、通信速度、組網形式、數據傳輸接口等方面具有許多不同的特性。

傳統的鏈路聚合技術是在以太網和快速交換以太網交換機基礎上發展起來的，IEEE802.3ad標準的出現，實現了鏈路聚合的標準化，但現有鏈路聚合控制協議的應用只在單種網絡鏈路系統內實現了鏈路聚合，面對不同類型的通信網絡，在應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絡鏈路系統的鏈路聚合技術，以充分利用多種網絡鏈路，達到網絡業務不中斷的目的，提高了各種網絡鏈路的可用性，實現了高性能網絡。

3.1 自適應多種網絡鏈路聚合技術介紹

不同于傳統鏈路聚合只針對于以太網，在一個包含衛星通信網、地面同步專線網、地面IP專線網、互聯網、海事衛星網等多類型網絡鏈路通信系統中，各種網絡鏈路的差異性使得傳統鏈路聚合協議不能基于快速交換以太網交換機實現。自適應多種網絡鏈路聚合技術針對不同類型的網絡鏈路，分別確定各種類型網絡鏈路的可用狀態及可用帶寬，然后從可用的網絡鏈路中選擇N種網絡鏈路用于數據傳輸，確定所要使用的N種網絡鏈路后，將每個業務數據包對應N種網絡鏈路分割為N個鏈路子包進行傳輸。

3.2 自適應多種網絡鏈路聚合技術說明

圖1 鏈路分流系統結構示意圖

假定通信系統為星狀拓撲結構，主站為中心點，通過衛星網絡鏈路、同步專線網絡鏈路、互聯網鏈路、海事衛星網絡鏈路四種鏈路與各小站通過自適應多種網絡鏈路聚合技術進行數據通信，具體包括網絡鏈路狀態確定、網絡鏈路帶寬獲取、網絡鏈路選擇、數據包分割傳輸、網絡鏈路自適應五個步驟。

3.2.1 網絡鏈路狀態確定

每一種網絡鏈路可用狀態的確定是通過鏈路探測實現的，鏈路探測是通過小站和主站之間發送與應答鏈路探測包實現的，鏈路探測包即keeplive包。

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

圖2 VSAT衛星網絡鏈路狀態確定流程

（2）地面專線鏈路。地面專線鏈路建立之前，小站定時發起地面專線鏈路建立包，主站根據自身狀態，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起地面專線鏈路keeplive包，小站和主站自動應答地面專線鏈路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。

圖3 地面專線網絡鏈路狀態確定流程

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

圖4 網絡鏈路狀態確定流程

3.2.2 網絡鏈路帶寬獲取

網絡鏈路帶寬支持手動配置和自動檢測兩種方式，手動配置可以結合網絡鏈路帶寬資源根據實際需求進行配置，下面重點介紹自動檢測方式。

3.2.2.1 衛星鏈路的自動檢測

在小站側：通過檢測V35接口的發送時鐘，可以獲得衛星鏈路上行的帶寬，衛星鏈路上行的帶寬就是小站設備的衛星鏈路帶寬。

在主站側：通過檢測V35接口的發送時鐘，可以獲得衛星鏈路下行的帶寬，再通過衛星鏈路下行的帶寬分配管理機制，最終獲得主站設備和小站設備對應的衛星鏈路帶寬。

圖5 VSAT衛星網絡鏈路帶寬獲取流程

3.2.2.2 地面同步專線鏈路的自動檢測

在小站側：通過檢測V35接口的發送和接收時鐘，根據V35接口的發送時鐘，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：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 網絡鏈路的自動檢測

在小站側：在網絡鏈路建立的過程中，首先執行網絡鏈路的可用帶寬檢測，可用帶寬檢測成功后，再建立網絡鏈路。

在主站側：在網絡鏈路建立的過程中，首先執行網絡鏈路的可用帶寬檢測，可用帶寬檢測成功后，再建立網絡鏈路。

圖7 網絡鏈路帶寬獲取流程

3.2.3 網絡鏈路優先級確定及鏈路選擇

網絡鏈路優先級由高到低順序為：衛星網絡鏈路、地面同步專線鏈路、互聯網鏈路、海事衛星鏈路，在確定網絡鏈路狀態可用后，當可用鏈路≥2時，將選擇優先級高的兩種網絡鏈路進行鏈路聚合，對業務數據進行分流傳輸。

3.2.4 數據包分割處理單元

選取優先級最高的兩個可用鏈路進行鏈路聚合后將，對業務數據進行分流傳輸，首先根據網絡鏈帶寬計算出分流比例，然后根據分流比例，將每個IP數據包分為兩部分，分別通過選取的兩個可用鏈路進行傳輸。在接收側，需要將兩個鏈路接收的分流數據包合并拼裝成一個完成IP數據包。

圖8 不同類型網絡鏈路子包結構示意圖

3.2.5 網絡鏈路的自適應性

在業務數據報發送側，通過對鏈路狀態和鏈路帶寬的實時監測，當鏈路的可用狀態發生變化時，IP數據包將通過重新選取優先級最高的兩個可用鏈路上進行分流傳輸。當鏈路的可用狀態或帶寬發生變化時，會重新計算出分流比例，并按照新的分流比例進行分流傳輸。當只有一條鏈路可用時，將回退到不分流傳輸。在業務數據接收側，能夠根據接收到數據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，然后執行相應處理。

4 多網絡鏈路分流系統方法的優勢和意義

多種網絡鏈路分流系統能夠自動適應鏈路的變化，提高業務傳輸的可用性和數據通信的安全性。業務傳輸的可用性是指在提供多個傳輸網絡鏈路的情況，只要有一個鏈路可用，業務傳輸就不會中斷。數據通信的安全性是指當業務數據在單種網絡中傳輸時，由于對單種網絡鏈路數據的截獲較為容易，因此通過單種網絡鏈路傳輸數據的安全性較差。在這種情況下，即使將數據包拆分為多個子包并且利用單種網絡中的多條鏈路分別進行傳輸，也能夠通過攔截單種網絡的多條鏈路來獲取到整個數據包，難以保證數據傳輸的安全性和保密性。此外，由于網絡環境的多變性，數據傳輸所用的單種網絡可能受到外部干擾，從而使得經由單種網絡的數據傳輸不夠穩定，易于中斷。而當有兩個或兩個以上可用鏈路時，每個業務數據包將通過兩個可用鏈路分別傳輸，單個鏈路傳輸的只是數據包的一部分，降低了數據被截獲破解的安全風險，增強數據通信安全性。

此外，本文中介紹的多網絡鏈路分流系統方法所基于的鏈路聚合技術更加開放，不同于傳統鏈路聚合協議只面向以太網和快速交換以外網交換機，能夠自適應鏈路接口的多樣性和網絡鏈路的差異性。鏈路接口的多樣性是指衛星鏈路和地面專線鏈路使用V3.5接口，Internet網絡鏈路和海事衛星鏈路使用以太網接口。網絡鏈路是指異構性，衛星鏈路為TDM-SCPC網絡、地面專線鏈路為點到點，Internet網絡鏈路和海事衛星鏈路為網狀網。網絡鏈路的自適應性是指當可用網絡鏈路的狀態發生變化時，重新選擇優先級最高的兩個可用網絡鏈路進行分流傳輸。當可用鏈路帶寬發生變化時，重新計算出分流比例。

5 結論語

以上探討了一種基于數據包分割的多網絡鏈路分流系統及方法，符合當前通信系統中多網絡鏈路類型并存的實際情況，擴展了鏈路聚合技術的應用空間，滿足了用戶在多種網絡鏈路環境下，在每條鏈路只傳輸業務數據包部分數據從而增強數據通信安全性的實際需求。

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[2] 戎江霽．基于LCAP的擴系統鏈路聚合研究．電視技術，2013.07

武漢軌道交通6號線LTE-M承載CBTC應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主單位、北京交通大學、通號設計院/鐵科院通號所等信號企業、華為/中興/鼎橋等通信企業及城軌認證機構的15名專家參與了評審，中關村公信衛星應用技術產業聯盟等單位受邀參會。湖北省無線電管委副處長趙松林、武漢地鐵集團董事長周少東、中國城市軌道交通協會技術裝備專委會副主任史揚，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導和代表出席了會議。

評審會期間，專家組、與會領導和代表，聽取了武漢地鐵集團有限公司、武漢智慧地鐵科技有限公司等技術研發單位，關于LTE技術承載信號CBTC業務工作報告及相關技術方案、聯調聯試和通信測試相關報告，并進行了試乘體驗。經充分質詢和討論，專家組一致認為，武漢軌道交通6號線tcLTE1.0系統是基于1.8GHz頻段TD-LTE技術的LTE-M系統，實現了國內首次LTE-M系統承載CBTC業務工程化應用。經多方長期測試和近四個月的空載試運行，該系統設備性能指標滿足CBTC業務承載需求，符合國家系統規范要求，可以投入載客試運營。

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

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10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.01.001

TN915，TN927+.2文獻標示碼：B

1672-7274（2017）01-0001-05