短信网关协议（精选7篇）
短信网关协议 篇1
遥控器用户对短信业务的使用是通过短信网关实现的, 借助于短信网关业务平台与遥控器进行交互, 继而完成信息的互通和SIP与TVPP协议的映射。业务信令流程、网关体系结构、协议映射是短信网关重点, 也是本文论述的切入点。
一、网关体系结构
为了方便用户使用, 提高通信效率, 业务平台对按键通话、语音留言、短信等多种通信方式进行了整合, 使用户能通过一个用户界面对各类通信业务进行使用。
本文介绍的短信网关接口模型从整体架构上看分为业务逻辑层、数据持久层、协议接口层, 从功能上看分为SIP互联接口、协议适配模块、数据库、TVPP接口、数据访问接口模块以及TVPP会话控制模块。
TVPP接口与遥控器之间的信息交互遵循既定的TVPP协议。TVPP接口负责客户端与服务器之间的消息传输以及在唤醒初始状态下的客户端, 具体的执行单位是数据通道和通信初始化请求通道。
SIP互联接口与业务平台之间的信息交互遵循既定的SIP协议, 具有一定扩展性, 保证其后期的发展潜力。
TVPP会话控制模块维系着客户端与业务平台的绑定关系, 从客户端的注册及认证到客户端与业务平台的消息互通, 其通过控制会话的建立来支配会话的结束及开始, 并处理超时和监控心跳。协议适配模块与接口层相连, 主要负责把客户端业务请求转化为业务平台认可的SIP请求[1]。
业务平台接受到SIP请求后会反馈相应的SIP应答, 然后协议适配模块再把SIP应答转化为遥控器能认可的业务应答, 也就说协议适配模块负责SIP协议与TVPP协议之间双向适配。
关系对象映射技术、数据库连接池技术是数据访问接口模块的技术支撑, 负责数据库的建立以及各项数据的处理。
业务平台储存管理用户有关数据, 数据库储存管理系统运行日志、系统管理维护数据、TVPP系统配置参数以及用户业务操作日志。
二、TVPP 与 SIP 协议间映射
用户标识的映射、消息类型映射、消息模式映射等是TVPP与SIP协议间映射的主要内容。值得注意的是, TVPP与SIP协议间映射并不是一一对应的关系。
2.1 消息类型映射
TVPP协议与SIP协议标示消息类型的方式不同, 前者用信息单元MESSAGE—TYPE, 后者用请求行的方法名。如果方法名是NOTIFY或SUBSCRIBE, 还需要先进行区别和标识。
消息类型映射的映射如表1所示。
2.2用户标识映射
在SIP协议中, 用户标识主要应用于TO头域、消息体中、FROM头域。根据SIP协议的要求, 网关在完成用户地址的映射时, 消息体中及TO头域的用户地址应把SCHEMA转换为SIP, 而FROM头域中只需填写USER-ID[2]。选定一个与标识用户逻辑区域ID相同的之于客户端透明的P参数, 以方便网关可根据P参数与业务平台返同的值对SIP中的用户标识进行处理。
2.3消息模式映射
由于TVPP与SIP协议间映射并不是一一对应, 它们之间存有差异, 为了有效维护相关资源, 网关要消除这种差异。例如, SIP协议有“Dialog”的概念, 而TVPP协议中没有, 这就使得TVPP与SIP协议间映射存有差异, 这种差异会影响到客户端会话对资源的使用效果。当TVPP客户端用户退出系统时会释放一定的资源, 网关通过向业务平台发送消息来显示资源的释放, 并结束此次会话, 以便资源得到更加高效的利用。此外, 网关可直接回送业务平台200OK来显示TVPP协议中无法匹配的SIP消息。
三、结束语
通过对SIP和TVPP协议的短信网关接口模型体系结构的分析, 我们知道该模型体系实现了SIP和TVPP协议之间的良好转化, 保留了短信的主要功能, 但由于差异的存在, 部分功能有所损失, 但整体而言其不仅流程简便还具备较高的运行效率, 对“三网融合”具有一定的启发意义。
摘要：短信网关功能的实现遵循电视对等通信协议 (TVPP) 和会话发起协议。本文对基于SIP和TVPP协议的短信网关接口模型体系结构进行了分析, 借此对短信网关的功能进行了介绍。
关键词：SIP协议,TVPP协议,短信网关,分析
参考文献
[1]王良家, 姜昱明, 陈婵颖.基于多协议网关的短信增值业务系统的研究与设计[J].计算机丁程与设计, 2002 (12) :2227-2230.
[2]夏寅贲, 张大伟.短消息网关系统结构设计分析[J].电信科学, 2002 (12) :19-22.
浅析短信网关监控体系 篇2
一、短信网关概述
短信网关, 英文全称为Internet Short Message Gateway, 即ISMG, 是一个为应用单位收发短信提供的数据交流系统, 主要解决SP接入、各运营商、网络之间短信互通问题[1]。利用该系统的接口软件, 无缝高效连接短信平台与各软件、系统, 及时实现应用单位动态信息向手机短信的转换。在短信网关运行中, 且与各部分联系, 组成短信网关系统, 该系统主要包括短信提供商 (SP) 、短信中心 (SMSC) 、汇接网关 (GNS) 等。
同时, 短信网关还包括与负责范围内SMSC连接的协议软件、与负责范围内SP连接的通信软件、与其他ISMG连接的通讯软件, 及网络管理软件、业务处理软件、防火墙软件。其中, SMPP通信代理系统实现短信中心与网关之间的连接, 从而确保数据发送、接收的准确、高效。而CMPP通信代理系统连接网关与SP服务提供商。防火墙系统包括身份验证与IP包过滤, 为网关系统提供安全保障。
二、采取合理措施, 科学设计、实现短信网关监控体系
2.1全面考虑短信网关业务, 确保监控全面
对于短信网关而言, 其包括多种业务、通信功能, 系统复杂。在具体短信网关监控体系设计中, 需要设计人员全面了解通信、业务功能, 考虑合适的监控方式, 结合具体情况进行监控方式设计, 然后在实现所有监控方式后进行技术调整、统一工作。同时, 由于网关与各设备、系统相互联系、作用, 监控设计需考虑各设备因素[2]。例如, 网关与通信模块、业务处理相关, 而通信模块、业务处理之间使用队列通信, 并具有自身的队列响应机制, 在此过程中, 短信网关监控体系进行通信模块返回的错误码监控, 及时发现错误码, 并对其进行及时解码, 解析成供用户解读的错误提示, 使用户及时识别、处理错误信息。
而业务处理过程中, 需要监控短信接口, 监控、判断任何对外短信接口的数据流通情况、运行状态, 并重启停止运行接口, 及时向管理人员发送接口停止运行信息, 及时维护接口。此外, 在通信模块运行中, 可利用I/O方式对通信端口进行同时监听, 循环检测通信模块运行状态, 根据通信返回状态对监控体系进行合理构建, 在此基础上重新连接、响应消息协议错误、接口断连错误等, 确保整个短信系统顺利、高效运行。
2.2依据短信网络通信模块, 设计、实现监控
短信网关监控体系主要包括接口监控、接口服务、通信模块、通信模块监控、消息分布服务等, 这些监控均需科学设计, 并确保各监控信息的畅通。例如, 在ISMG对于SP网关交互中, 通信模块监控 (CMPP-LISTEN) 是主要负责部分, 主要判断ISMG返回的消息, 并对处理结果进行通知, 使处理结果通过监控队列进入通信模块 (Cmpp-client) , 这样, 通信模块便根据返回结果实施重新相应、重新连接等操作[3]。
同时, 通信模块是电信运营商电信网关与SP数据传输的主要通道, 因此, 通信模块监控至关重要, 通过监控体系对ISMG建立的socket接口进行监听, 并利用queue-send () 函数发送队列消息, 且结合函数获取连续的返回消息, 与消息发布服务系统交互信息, 判断信息准确性, 为用户提供准确信息。
三、结束语
作为无线互联网消息业务的重要设备, 短信网关在整个短息发送、接受中占重要地位, 是互联网信息、手机用户信息传输、共享的枢纽, 需要确保短信网关运行的有效性、可靠性。因此, 科学设计监控系统, 实现短信网关的全面监控, 可全面监控信息发布、判断信息准确性, 实现系统的统一管理。
摘要：在目前人们日常生活交流中, 短信是重要媒介之一, 通过短信接收、发送传达信息、感情。而在互联网短信业务中, 短信网关是关键设备, 是短信中心、信息服务商的中介实体, 为数据交换提供通道。同时, 在短信网关运行中, 为了确保服务提供商短信网关的通畅、稳定, 短信网关监控至关重要, 因此监控体系设计、实现工作必不可少。本文主要对短信网关进行概述, 并在此基础上探究短信网关的具体设计、实现措施。
关键词：短信网关,短信中心,监控体系,措施
参考文献
[1]马斌, 张建业, 卿松等.短信网关监控体系的探讨[J].信息通信, 2014, (12) :242-242.
[2]洪源.短信网关的二次开发与实现[J].硅谷, 2013, (19) :151-151, 111.
短信平台移动网关开发 篇3
1.1 短信平台所依赖系统
互联网短信网关(ISMG)是业务提供商(SP)与移动网内短信中心之间的中介实体,互联网短信网关一方面负责接收SP发送给移动用户的信息和提交给短信中心。另一方面,移动用户点播SP业务的信息将由短信中心通过互联网短信网关发给SP。另外,为了减轻短信中心的信令负荷,互联网短信网关还应根据路由原则将SP提交的信息转发到相应的互联网短信网关。互联网短信网关通过向汇接网关(GNS)查询的方式获得网关间的转发路由信息。
另外,ISMG还必须与数据业务管理平台DSMP进行连接,在业务流程中对用户、业务以及定购关系等进行鉴权并对业务进行批价。
1.2 SP部分
如图1,整个系统既是实现SP部分。
短信网关上行数据包MO发往移动网关,移动网关对其进行分解,处理。将业务数据包发往中间服务器的业务队列;将回馈数据包发往中间服务器的回馈队列;将状态数据包发往中间服务器的状态对列。网关还要对中间服务器发来的下行数据包MT进行下行处理,然后发往短信中心。
1.3 SP的内部架构
如图2所示。
1.4 协议栈
CMPP协议以TCP/IP作为底层通信承载,具体结构由图3所示。
1.5 通信方式
各网元之间共有两种连接方式:长连接和短连接。所谓长连接,指在一个TCP连接上可以连续发送多个数据包,在TCP连接保持期间,如果没有数据包发送,需要双方发链路检测包以维持此连接。短连接是指通信双方有数据交互时,就建立一个TCP连接,数据发送完成后,则断开此TCP连接,即每次TCP连接只完成一对CMPP消息的发送。
现阶段,要求ISMG之间必须采用长连接的通信方式,建议SP与ISMG之间采用长连接的通信方式。
1.6 协议涉及的端口号
端口号 应用
7890 长连接(SP与网关间)
7900 短连接(SP与网关间)
7930 长连接(网关之间)
9168 短连接(短信网关与汇接网关之间)
1.7 消息定义
2 移动模块设计
2.1 总体设计
2.1.1 移动网关的内部架构
其中申请连接线程,重连机制,链路测试线程和Deliver线程由上行部分实现。
重发线程,Submit线程由下行部分实现。
2.1.2 移动网关上行部分的实现功能模块的设计
业务提供商(SP)与互联网短信网关(ISMG)间的消息定义
SP为客户端,向作为服务器端的ISMG发起连接请求,在通过身份验证之后SP与ISMG之间方可进行数据传输。这是申请连接线程所应实现的功能。
移动网关的上行部分如图5所示。
3 系统实现与测试
3.1 申请连接线程的实现
根据协议SP通过移动网关发一请求连接的包给短信中心,并等待短信中心的应答,如果通过验证,则启动其他服务(开启Deliver线程,Submit线程,重发线程,重连线程,链路测试线程);如果验证失败,则打印相应的信息。
4 结束语
本系统能与短信平台的其他模块良好的连接。实现短信数据的转发,分拣。接收短信中心ISMG的上行数据,对数据进行分析,将不同的数据按协议发往中间服务器进行处理。并接受中间服务器的发给短信中心的数据包,做下行处理,发往短信中心。
本系统只是实现了可运行的一些基本的功能。在可靠性方面可能还需要完善,比如说:日志的处理,报警机制等。还是有很多的后续工作要做。
参考文献
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[7]Foster J,Porter M.应用Java API开发Web Services[M].北京:中国水利水电出版社,2003.
谈谈SP短信接口网关开发 篇4
SP短信接口网关在运营商和SP企业之间起着重要的桥梁作用, SP短信接口网关性能的好坏将直接影响整个SP业务的性能, 因此, 如何开发出一个稳定、高性能的短信接口网关就显得至关重要。本文以笔者个人亲身的开发经历, 谈谈SP短信接口网关开发经验。
1. SP短信接口网关的开发
通用SP短信业务平台, 逻辑可分为用户层、系统层、接口层。短信接口网关处于SP业务平台的最底层, 是整个SP业务平台的基础, 因此, 我们在进行短信接口网关开发的时候, 必须严格按照底层通信模块的标准 (即高效、稳定) 来进行。下面将围绕提高短信接口网关处理能力、提高短信接口网关得稳定性以及其他控制措施三个方面展开阐述。
1.1 提高短信接口网关处理能力
作为底层通信接口, 其处理能力当然是最受关注的, 提高短信接口网关处理能力所用到的方法包括多线程编程、事务分割、内存缓冲以及滑动窗口机制。
1.1.1 多线程编程
如果仅仅采用单线程编程的话, 则接口网关无论如何都只能工作在半双工的模式下。为了提高通信效率, 短信接口网关采用了多线程的编程模式, 接口网关启动后, 由一个主线程分别启动两个主要线程, 即:发送线程和接收线程, 分别处理短信的发送和接收事务, 使短信接口网关真正做到全双工。
1.1.2 事务分割
由于接收短信的时候要做的事务比较多, 包括接收短信息、记录日志、解码、处理短信息、把处理结果入库五个动作。如果在一个事务中一次性完成这些动作的话, 那么, 将会影响短信接收的效率, 因此, 把整个接收事务细化成五个子事务:接收、写日志、解码、信息处理、入库, 这五个事务彼此相对独立, 仅仅通过各个子事务之间的缓冲池进行交互。这样一来, 就能够确保前面的事务不会因为后续事务处理速度跟不上而影响短信的接收。
1.1.3 内存缓冲
短信入库的速度受到I/O性能的影响, 如果频繁跟I/O交互的话, 将会严重影响短信的接收效率。结合考虑到目前所有的运营商短信网关/SP短信管理平台, 都仅仅能够为SP等ESME提供相对数量较少的缓冲池, 当处于某一个话务高峰的时候, I/O操作就会成为系统的瓶颈而导致部分短信息的丢失。考虑到计算机内存读写得速度远远高于I/O的读写速度, 为了提高接收效率, 确保不会因为接受效率而影响短信的正常接收, 在内存开辟一定数量的缓冲池 (根据实际短信息的吞吐量而定, 如1万条) , 如此一来, 即使碰到话务高峰的时候, 也能够把接收到的短消息及时地写入到内存中, 不至于短消息丢失。
1.1.4 滑动窗口
很显然, 在接收、写日志、解码、信息处理、入库五个子事务之间的处理速度不可能一致, 那么, 为了确保整个事务能够顺畅的进行, 那么, 我们还应该在每两个需要通信的子事务之间开辟对应的滑动窗口, 用于适配两个子事务的处理速度, 滑动窗口的大小应根据接口的吞吐量及峰值进行适当的调整。
1.2 提高短信接口网关稳定性
作为底层通信接口, 其稳定性也不容忽视, 提高接口网关稳定性的方法大致如下。
1.2.1 守护程序
作为不间断的底层通信程序, 其服务可用性的要求相当的高, 为此, 必须引入守护程序其进行监管, 一旦发现服务异常, 马上对接口网关程序做相应的处理, 如关闭异常进程并重新启动新的进程及时确保接口程序的服务可用。
1.2.2 监控模块
为了确保网关的高效运行, 还必须考虑系统监控问题, 通过监控模块实时监控网关的运行情况, 并及时的调整发送策略, 如发送速率、是否应急关闭关键字过滤功能等。
1.2.3 预警机制
考虑到大多数机房都是无人值守或巡查周期较长, 因此, 短信接口网关开发的时候还需要考虑接口的预警机制, 如短信接口网关长时间无收发记录或者待发送队列积压过多的时候, 能够触发预警流程, 及时地告知维护人员进行处理。
1.2.4 专用通道
在上述预警机制的部署中, 如果由于发送功能异常 (如发送线程异常、SP通道受限等) , 则预警短信也将无法通过接口进行发送, 必须有另外的通道把该预警短信及时的送达维护人员, 建议采用专用通道 (如GSM、CDMA工业Modem) 进行预警短信的发送。
1.2.5 现场保护与恢复机制
由于采用了内存缓冲机制, 为了确保短信息不丢失, 在守护进程进行异常处理的时候, 还需要考虑内存的现场保护, 把没有完成处理的任务保存期来, 以便在重新启动新的网关进程的时候, 能够把这些任务不遗漏的进行继续处理, 即现场恢复。
1.2.6 程序异常捕获
虽然有守护进程和监控模块能解决服务可用性的问题, 不过, 那是比较被动的解决途径, 为了能够更加积极地解决这个问题, 我们在网关开发的时候, 还需要多采用“try…catch…”语句, 能够更加有效地捕获到程序各个地方所可能产生的异常, 并积极地作相应处理。
1.3 其他控制措施
作为SP短信接口网关, 除了考虑处理能力与稳定性之外, 关键字过滤、发送优先级控制、发送流量控制这三种机制也是必不可少的。
1.3.1 关键字过滤
作为一个成熟的SP短信接口网关, 在规划过程中, 也必须考虑短信内容安全的问题。在功能模块分析中还必须增加关键字过滤模块。由于关键字过滤的算法相当复杂, 且对系统资源的开销相当大, 作为通用的SP短信接口网关, 仅仅考虑的是简单的关键字过滤而已。
1.3.2 发送优先级控制
值得一提的还有, 在SP短信应用中, 还有一类业务 (如获取校验码等) , 这类业务的实时性要求比较严格的, 所以, 不可能全部机械地扔到短信接口中进行排队发送。因此, 短信接口网关还必须引入一个重要的参数, 即发送优先级, 通过对发送优先级进行控制, 我们可以针对整个SP短信应用提交的发送请求, 按照既定的优先级由高至低有序的进行发送。
1.3.3 发送流量控制
在运营商的SPMS (SP管理系统) 或者SMGW (短信网关) 上都有对每一个ESME (扩展短消息实体) 都有一定的流量限制, 对于超过流量限制的短信息, 执行丢弃的动作。为了确保SP短信接口网关所提交到运营商的短信息不被丢弃, 那么, 在提交的速度上也必须有一个控制, 最快不能够超过运营商提供给该ESME的最快发送速度。
2. 结束语
本文设计的SP短信接口网关, 目前已开始应用于各类SP, 有着比较广阔的应用市场前景。本短信接口网关存在许多优点的同时, 也存在一些不足之处, 如目前版本仅支持SMGP协议等, 这些还需进一步的完善。
参考文献
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短信网关协议 篇5
关键词：CCSDS AOS,协议网关,卫星通信
0 引言
随着我国载人航天、深空探测等领域的发展,天地信息交换和卫星载荷容量日益增加,航天应用呈现向多元化发展的趋势。由此,基于天地一体化设计的信息传输系统研究在建设我国航空航天通信系统中起着至关重要的作用。
当前地面通信网络和天基通信网络是相互独立运行的2种网络,各自采用不同的通信协议,这为实现空间 - 地面任务端到端的数据传输带来了很大的困难[1]。TCP/IP协议发展至今,已成为事实上地面通信网的标准协议[2],若天地通信采用此协议,可实现端对端的天地通信,但该协议无法适应长延时、高误码的卫星通信网络[3,4]。为此,必须在通信网络中部署IP OVER CCSDS( 空间数据系统咨询委员会) 协议网关,实现地面网络IP协议与天基网络CCSDS协议间的相互转换,最终实现地面通信网与天基通信网的互联互通。
本文参考IP OVER CCSDS Space Links等相关CCSDS建议草案[5,6],在太网物理层接口芯片和FPGA TEMAC物理层接口IP内核的基础上,提出了一种IP OVER CCSDS协议网关的设计方案[7],并进行了设计实现和试验验证。
1 CCSDS 协议
CCSDS组织共定义了4种数据链路层协议: 遥测( TM) 、遥控( TC) 、临近空间( Prox - 1) 和高级在轨系统( AOS) 协议。在不同的应用场景,用户可采用不同数据链路层协议。AOS数据链路协议适用于高速业务前、返向( 用户到中心为返向,中心到用户为前向) 传输,应用于空 - 空和空 - 地测控和通信系统,可满足双向、高速率和大容量的数据传输用户[8,9]。
本文设计的IP OVER CCSDS协议网关,满足对高速率、大容量的数据传输地面用户的需要。设计的协议网关主要指标如下:
返向速率: 10 ~ 150 Mbps;
前向速率: 1 ~ 10 Mbps;
RS编码: RS( 255,239) ,RS( 255,223) ;
信道利用率≥80% ( 不含AOS和IP协议的开销) 。
2 方案设计
协议网关设备分为硬件设备和软件设计两大部分。
2. 1 硬件设计
设备硬件组成示意如图1所示。
协议网关硬件主要由协议转换单元、监控单元、接口单元和电源单元等几部分组成,下面对各单元功能进行介绍。
协议转换单元完成千兆以太网异步、突发数据帧与CCSDS AOS同步、连续传输帧的相互转换,并完成传输帧的RS编译码。
监控单元完成的功能主要有:
1监视返( 前) 向速率、返( 前) 向有效帧和无效帧计数、入口帧数、转发帧数以及内核电压、温度等信息;
2完成编译码方式等信息的配置。
接口单元主要包括同步接口、RS422接口和以太网接口等,各接口的功能如下:
1同步接口: 与信道设备接口,实现与调制解调器的通信;
2以太网接口: 与用户终端接口,主要用来接收和发送以太网帧;
3 RS422接口: 与远程监控设备接口,实现本机的远程监视和控制。
2. 2 软件设计
2. 2. 1 帧结构设计
在CCSDS建议的AOS数据结构的基础上,设计了用于协议网关数据传输的帧结构,如图2所示。
传输结构由同步字、数据帧和RS校验码构成。为了实现简单和可靠的同步,在服务于同一物理信道时,帧长度设定为固定值。
同步字: 在传输帧前附加同步字用于接收端解调后实现帧同步。
数据帧: 用户需要传输的信息数据。
RS校验码: 用于RS编码,附加在传输帧的末端。
2. 2. 2 返向协议转换
协议网关返向速率支持10 ~ 150 Mbps,编码方式支持RS( 255,239) ,RS( 255,223)[10]。返向协议转换原理框图如图3所示。
数据帧形成: 1利用以太网物理层接口芯片将接收的以太网帧缓存至MAC FIFO存储器中; 2控制状态机FSM_1控制多路器选择版本号、VCID_0( 无效) 或VCID_1( 有效) 、有效或无效帧计数值、信令域和串口FIFO中数据组成数据帧头; 控制状态机读取千兆网单元数据缓冲MAC FIFO中的数据作为数据帧数据域,若以太网数据长度小于数据域的长度,则循环补固定的参数数据值,经过上述处理后,FSM_1输出符合规定的数据帧。
传输帧形成: 数据帧通过RS编码器进行编码,校验码放在数据帧之后; 在数据帧前插入帧同步标志后组成传输帧。
传输帧送入FIFO中进行传输帧缓冲和总线宽度变换,由FIFO输出经过总线变换后的传输帧输出至调制器[11]。
2. 2. 3 前向协议转换
协议网关前向速率支持1 ~ 10 Mbps,编码方式支持RS( 255,239) ,RS( 255,223) 。前向协议转换原理框图如图4所示。
传输帧恢复: 1解调器输 出的传输 帧经过FIFO缓冲并进行总线宽度变换,总线宽度变换后,传输帧送入帧同步单元; 2帧同步单元检测规定的同步字节,输出相应的同步标志和控制信号; 3帧同步单元输出的传输帧送入RS译码单元进行信道译码,完成数据纠错功能,恢复传输帧。经过RS译码后的传输帧送入控制状态机FSM,控制状态机FSM检测信息区中的VCID字段,判断接收的传输帧是否为有效帧,并设置有效帧标志。
解帧: 拆帧单元检测有效帧标志,若传输帧为无效帧,则将数据帧内容直接丢弃。若为有效帧,拆帧单元完成传输帧的解帧功能,将数值帧帧头内的版本号、VCID、帧计数值和信令域等字段分别保存在对应的寄存器中; 根据帧长度字段,将数据区内容送入千兆网数据缓存FIFO中。
2. 3 结构设计
2. 3. 1 系统核心构架
系统核心构架采取“FPGA板 + 监控板”的方式。这种构架方式一方面通过对工控机上运行的上位机软件的编写,可以较好地满足整个系统运行中需要的参数修改、配置以及相关显示功能要求; 另一方面可根据具体需要,对FGPA的配置文件进行动态加载,从而实现不同功能,具有较强的灵活性和可扩展性。
2. 3. 2 机箱构架
采用1U高度19英寸上架式标准机箱,64位4槽CPCI背板,用于带80 ms后走线I / O的CPCI板,双250 W CPCI模块电源和电源背板,内置机箱散热风扇。
3 试验结果分析
协议网关在研制完成后,利用现有的传输系统进行了试验,试验场景示意图如图5所示,主要测试了协议网关在实际通信系统中的传输性能。测试中卫星信道采用OQPSK调制方式、1 /2编码 + RS,返向150 Mbit/s、前向10 Mbit/s的信息速率。
通过传输软件在用户数据传输终端和服务中心的传输终端之间传输数据文件,记录传输文件大小和传输时间,计算带宽利用率。通过测试,返向传输带宽利用率为80. 93% ,前向传输带宽利用率为80. 70% 。测试原始数据如表1和表2所示。
试验结果表明,在返向10 ~ 150 Mbps、前向1 ~10 Mbps速率下,信道利用率优于80% ( 不含AOS和IP协议的开销) 设计要求,接近于84. 4% 的理论效率值,达到了预期效果。
4 结束语
移动多协议融合网关的建模 篇6
随着信息技术的飞速发展，网络的种类也越来越多，同时产生了异构的网络环境。但是由于异构网络之间的协议并不相同，网络之间也无法实现互联互通[1]。移动环境下的多协议融合网关的提出，就是试图解决这个问题的。网关能够分析各种网络的路由协议，并在协议之间转换，从而使得不同类型的网络之间能够相互通信。
目前，国内的多协议融合网关的研究主要来自电信，移动等大型的运营商。但这些运营商的网关主要静止在其核心网内，缺乏移动性和灵活性。同时，国内对于在移动环境下的多协议融合网关的研究相对较少，仅有中科院，清华大学等少数机构在研究，提出的方案也不多。本文在OPNET的基础上，对多协议融合网关进行建模并采用该模型组成多层级的移动自组织网络，实现了业务数据的交换和无缝转发。
1 OPNET仿真软件
计算机网络仿真软件OPNET是由美国OPNET Technology公司开发，通过图形化编辑界面支持面向对象的建模方式，支持有线网络、无线局域网甚至卫星通信网的建模，是当前世界上先进的网络仿真开发平台之一。它以面向研发的OPNET Modeler为基础，系列产品还包括IT Guru、SP Guru、OPNET Development Kit和WDM Guru等等。
1.1 OPNET建模原理
OPNET Modeler采用层次建模方式[2](Hierarchical Network Modeling):从协议间关系看，节点模块完全符合OSI标准，自上而下分别是业务层，TCP层(传输层)、IP封装层、IP层、ARP层、MAC层、物理信道;而从模型层次关系来看，提供了三层建模机制，分别在进程层，节点层和网络层实施由下而上的建模方式。
三层模型的最下层是进程模型(Process Model)，通过有限状态机描述;中间层次为节点模型(Node Model)，由各个处理器/队列模块组成，每个处理器/队列模块包含一个或多个进程模型。最上层则为网络模型(Network Model)，通过对节点模型的配置组合最终构成设想的网络环境。
OPNET Modeler采用离散事件驱动(Discrete E-vent Driven)的模拟机制，与时间驱动相比，计算效率得到了很大提高。每一时刻，进程模型的有效状态机总是停留在特定状态，时间触发后则执行事件，随后进行状态转移。
2 多协议融合网关建模
2.1 网关功能概述
移动环境下的多协议融合网关的功能是建立移动单元和传统网络的连接，同时具备互操作传统和非传统通信设备的网关能力[3]。其本身也可以作为一个移动终端，实现移动多跳的自组织网络，类似一个自治域，可在域内融合多种不同的末端网络。因此，网关在移动网络环境下可以灵活充当以下角色:
(1)Wi-Fi WLAN AP(Access Point):为其他Wi-Fi终端提供WLAN接入服务。
(2)单跳/多跳Ad hoc节点:与其他终端或者网关节点组成不同层级的移动自组网、移动混合自组网[4]。
(3)有线局域网节点:与其他局域网节点构成本地局域网。
(4)网关节点:同时具备以上3种角色中多种，并且提供所连接的各个末端网络之间的路由互通功能。
2.2 网关节点模型
网关节点模型如图1所示，每一组进程模块都代表OSI通信协议模型的一层。可以明显的看出，它包含tcp模块，tpal模块，udp模块，rsvp模块，ip_encap模块，ip模块，arp模块(arp0、arp1、arp2、arp3),eth_port_rx和eth_port_tx,wlan_mac和wlan_port等模块。其中各模块的功能说明如下:
(1)位于ip模块上层的模块除了tcp和udp实现了传输协议外，rrp,rip,bgp,rsvp,ospf,igrp,eigrp,isis等模块都分别实现了对应其名称的路由协议，具体在本文中都不再赘述。
(2)ip_encap模块作为ip模块与上层的接口，为上层进入ip模块的分组封装ip协议的首部，形成ip数据报文，同时作为下层的接口，对下层进入上层的数据包解封装，将报文的有效数据部分传入上层。
(3)ip模块是网关节点的核心模块，接收来自上层的分组，根据不同的路由协议执行路由选择，Ad hoc路由协议、有线网络和WLAN的路由协议均在这一层实现，是实现多协议融合的核心模块。
(4)arp模块，mac模块和wireless_lan_mac模块的作用是仿真协议栈中的有线和无线数据链路层，提供信道接入协议。
(5)eth_rx和eth_tx模块为物理层模型，负责有线网络的数据收发功能。wlan_port_rx和wlan_port_tx模块负责无线网络的数据收发功能。
由于多协议融合网关要实现功能概述中的三个功能，因此ip模块下层连接四个不同类型网络的接口，分别为有线网络，基础架构的无线网，终端级Ad hoc网络以及网关级Ad hoc网络[5]。
2.3 网关进程模型
2.3.1 IP模块
网关节点模型的核心模块是ip模块，网络层的功能几乎都通过ip模块实现，扩充和修改网络层的功能也要修改ip模块。ip模块的根进程为ip_dispatch，而ip_dispatch再通过创建各种子进程实现ip模块的所有功能[6]。MANET路由协议的增加或者修改需在manet_mgr子进程中完成。manet_mgr子进程实现了本文中网关采用的aodv协议。
ip模块的数据处理流程:上下层的数据到ip模块后，由CPU模拟进程统一接收，经判断再转发到合适的处理进程。当ip模块需向外发送数据，CPU模拟进程并不会直接对外发送数据。若是向上层(ip_encap模块)发送数据，首先将数据发送给ip模块的根进程ip_dispath，然后再由其转发到上层，若在MANET进程有数据要发送，先发送给manet_mgr，它再转发到ip_dispatch，最后ip_dispatch转发给上层;若是向下层(arp模块等)发送数据，则是靠网络接口处理进程(ip_output_iface)或(mpls-mgr进程)完成转发。
从以上分析可知，要实现多协议网关异构网的路由功能，需要修改网关节点CPU模拟进程中的路由核心函数，使其融合多种路由协议实现异构网互通。
2.3.2 网关路由转发过程
网关具体路由过程如图2所示，网关内保存了3张路由表，分别为routing table、网关级aodv table、移动终端级aodv table。routing table为除了Ad hoc以外的节点提供路由，而Ad hoc节点的路由与转发则需通过网关级aodv table或移动终端级aodv table来完成。算法步骤如下:
(1)网关每收到一个数据帧，首先检查帧的目的MAC地址是否为网关相应接收端口的MAC地址，若不是则直接丢弃，否则转步骤(2)。
(2)提取帧的目的IP地址，查找routing table，在routing table中是否查询到相应路由信息，若存在且为本地路由，则帧不再转发，网关接收处理，若非本地路由，则转步骤(3)。
(3)根据路由信息里下一跳所属的端口号，查询配置文件，确定端口连接的网络类型，若非Ad hoc网，则通过端口直接转发，否则，确定Ad hoc类型为网关级还是终端级，若为网关级(只有一种可能，即该帧的目的主机为某网关，因为通往该目的主机的路由信息在routing table中找到，可以确定目的主机所属网络必然与该网关相连;若帧的目的主机非网关，而为某子网中的节点，则在routing table中查不到路由信息)，则查询网关级aodv table，若找不到目的网关，则运行网关级aodv协议进行路由寻路。若为终端级Ad hoc网(目的主机属于该网关下的Ad hoc子网)，则查询终端级aodv table，若查询不到路由信息，则运行终端级aodv协议进行路由寻路。
(4)若在routing table中查询不到任何路由信息，则说明帧的目的主机不在该网关所连接的任何网络，而属于另一网关下的某一子网。此时查询网关级aodv table，若有去往目的主机的所属网络的路由信息，则直接路由，否则网关运行aodv协议执行路由寻路，直到目的主机所属网关响应路由寻路请求，告知本网关它可以去往目的主机;本网关更新网关级aodv table，将数据发送至目的主机所属的网关，转发完毕。
3 仿真场景设计
本文设计了两个仿真场景，其中场景一专门验证网关在不同层级的Ad hoc网络通信的功能，场景二验证网关在异构网下不同终端之间的通信功能。
3.1 不同层级Ad hoc仿真场景
仿真场景如图3所示，整个网络由两个Ad hoc子网和一个网关级Ad hoc网络组成。2个终端节点和1个网关节点组成Ad hoc子网1,1个服务器节点，1个终端节点和1个网关节点组成Ad hoc子网2,3个网关节点组成上层的网关级Ad hoc网络，其中两个子网中的网关节点是跨层级Ad hoc混合网关。
为验证网络的连通性能，在此场景中加载FTP服务，FTP Client设置在Ad hoc子网1中，FTP Server设置在Ad hoc子网2中。根据Ad hoc网络的单跳特性，Client与Server通信需多个中间节点转发数据，必然跨越多层Ad hoc网络，因此可验证网关节点的混合移动组网功能。
3.2 异构网络通信场景
仿真场景如图4所示，有线局域网，无线局域网以及Ad hoc网络三网组成异构网络。其中，有线局域网由6个终端节点，1个服务器节点以及1个交换机节点组成;无线局域网由4个无线终端节点和1个服务器节点组成;Ad hoc网络由6个终端节点和1个服务器节点组成。唯一的网关节点是异构网网关，在此场景中同时作为WLAN的AP,Ad hoc节点以及LAN的外部通信节点。
为验证异构网络的互通性，在此场景中加载FTP、Email以及Database服务。FTP Server设置在有线局域网中，FTP Client设置在Ad hoc网络中;Email Server设置在无线局域网中，Email Client设置在有线局域网中;Database Server设置在Ad hoc网络中，Database Client设置在无线局域网中。不同业务跨越不同的子网，网关节点起到转发数据的关键作用，可借此场景验证网关在异构网络组网功能。
4 仿真结果分析
仿真采用Windows XP SP3操作系统，使用OP-NET软件的版本为14.5，编译器使用微软Microsoft Visual Studio 2010编译软件。
4.1 参数设置
场景1中Ad hoc网络采用AODV路由协议[7]，参数设置如表1所示，FTP Client节点IP地址设置为192.168.1.2,FTP Server节点IP地址设置为192.168.100.3，处于不同的网段，网关1设置192.168.1.1和192.168.2.1两个IP地址，网关3设置192.168.100.1和192.168.2.3两个IP地址。
加载在场景中的FTP业务参数设置如表2所示，传输的文件大小设置为5kB。
场景2中的Ad hoc网络同样采用AODV协议，参数与场景1一致。有线局域网采用RIP路由协议，采用默认设置。加载在场景中的FTP业务参数设置与场景1一致。Email业务的参数如表3所示，每封Email的尺寸为2kB。
Database业务的参数如表4所示，两个事务发生的时间间隔服从指数分布，事务请求数据包的大小为32768bytes。
4.2 结果分析
场景1主要关注FTP Client(IP地址为192.168.1.2)与FTP Server(IP地址为192.168.100.3)节点的数据传输。仿真运行时间为10分钟，收集的统计量有Client与Server的端到端时延，FTP传输数据大小，路由跳数，丢包率等。
表5为Client与Sever通信仿真结果统计量，可得Server到Client的时延较短，双向时延均为毫秒级。Client上传了5kB的数据，这与参数设置的文件大小是一致的。Client到Server的平均跳数为6，这符合Ad hoc网络单跳的特性，从192.168.1.2到192.168.100.3恰好需要6跳路由。丢包率大致保持为0，这反映了移动组网的稳定性。
从场景1的结果分析中可得，多协议网关在多层级Ad hoc网络中能有效实现数据传输，运行Aodv协议并顺利路由报文到目的地址，与预期的结果基本一致。
场景2较场景1复杂，仿真时间设置为20分钟。本文重点分析各配对客户端与服务器的通信情况，以此验证多协议网关异构组网是否成功。图5为位于有线局域网中的FTP Server和位于Ad hoc网中的Client通信对比图，上下两图的曲线大致相同，表明Server发出的数据包均被Client收到。也即表明有线局域网和Ad hoc网络能互通。
图6为位于无线局域网中的Database Client与位于Ad hoc网络中的Database Server通信对比图，最上面的曲线为Server发送数据曲线，上下两条曲线大致相同，表明Server发出的数据包均被Client收到，也即表明无线局域网与Ad hoc网络能互通。
图7为位于有线局域网中的Email Client与位于无线局域网中的Email Server通信对比图，最上面的曲线为Server发送数据曲线，上下两条曲线大致相同，表明Server发出的数据包均被Client收到，也即表明有线局域网与无线局域网能互通。
至此，由以上3个服务运行后的统计结果可知，无论服务器节点与客户端在何种网络，两者之间均能通信并且实现无缝数据传输。从而说明多协议网关具有组建异构网络的能力。
5 结束语
多协议融合网关是一种能连通异构网络的设备。本文利用OPNET仿真软件对多协议网关进行节点域和进程域的建模，并在两种不同的场景下加载FTP,Database,Email等数据业务，模拟网关在真实网络环境下的工作情况。实验结果证明，多协议网关完全实现了异构网络下的路由与数据转发功能，对在特殊环境下的移动组网有重要的实际意义。下一步工作将在网关功能中融合3G网络，进一步增强网关的组网能力。
摘要：多协议融合网关是一种融合多种路由协议,实现异构网络混合组网的网络设备。为验证多协议网关在移动环境下的可行性,文中在OPNET网络仿真软件的基础上,对多协议网关建立模型,并设定通过网关互操作Ad hoc、WLAN、LAN网络的仿真场景,加载Email、FTP、Database业务模拟实际网络行为。结果表明,移动多协议融合网关能实现异构网络之间数据的交换和无缝转发,保障异构网络业务的需求。
关键词：多协议融合,移动,OPNET仿真,异构网络
参考文献
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煤矿井下多协议网关设计与实现 篇7
随着国家对煤矿安全重视程度的增加,更多井下设备和环境参数需要进行实时监测,井下监测和井上监控的实时性要求越来越高。煤矿安全监控系统中的传感器大多采用不同的传输协议,具有不同的输出信号,传统的串行数据采集方式必然会导致数据实时性低,不能满足 应用要求[1,2]。针对该问 题,本文提出一种基于FPGA的井下多协议网关设计方案。该网关利用FPGA并行处理的特点,可同时采集各个端口的不同协议的数据信号,并将信号直接打包成以太网帧上传至环网内,满足传感器数据实时传输要求。
1多协议网关整体设计
根据现有传感器传输协议、传感器数据实时性要求和 矿方需求,所设计的 多协议网 关实物如 图1所示,外围接口描述见表1。多协议网关结构如图2所示。从图2可以看出,多协议网关硬件结构较简单,只是提供一些多协议传感器的接口,并进行本安处理,设计的重点和难点是利用FPGA并行处理的优点,将采集的信号打包成以太网帧并通过环网接入监控系统。
2多协议网关硬件设计
2.1电源控制器
电源控制器主要将外部提供的非本安交流电源127V经过AC/DC和DC/DC转换为本安直流电源24,18,12V,供各设备使用;同时对电源控制器内部的备用电池进行充放电管理,备用电池在掉电的情况下必须能使网关连续工作2h以上。
2.2 485/CAN通信
485总线和CAN总线通信的硬件原理基本类似(软件处理不同),硬件设计时采用不同的收发隔离芯片。CAN总线收发 隔离采用 高速光耦 芯片HP6N137,协议转换芯片采用TJA1050T;485总线收发隔离采用光耦芯片TLP181,协议转换芯片采用SP485EEN。485/CAN通信速率可以通过红外和数码管显示的方式设置,以满足不同传感器接入要求[3,4,5]。
2.3开关/频率信号检测
多协议网关开 关/频率信号 检测输入 电路如图3所示。FPGA通过检测管脚的高低电平获取连接传感器的开关状态,为了防止误检测,FPGA连续3次50ms都检测为相同电平时,才认为准确检测一个状态,可防止线路干扰引起的错误判断[6,7]。
频率信号检测与开关信号检测的硬件电路基本类似,主要区别在于软件实现。图3中的MOS管具有很高的响应频率,且FPGA具有兆级的电平翻转速度,因此,该硬件电路可满足几万赫兹的频率信号输入,满足应用要求。
FPGA内部采用更高频率对输入信号的上升沿进行检测,当检测到上升沿时将计数器 (用100 M时钟驱动)值记下并清零,连续多次统计计数器值进行平均,得到上升沿周期计数器值,将计数器值转换为对应的时间即可得到输入信号的频率。
2.4无线收发器
为了减少布局布网的成本,采用无线方式将传感器信号传递到网关。网关采用CC2530无线单片机为核心,满足煤矿无线监测系统的低成本、低功耗要求[8,9]。FPGA主要负责对无线收发协议帧进行逻辑组帧和数据提取处理,保证无线收发器的实时数据能够得到及时响应。
3多协议网关软件设计
多协议网关软件设计包括传感器信号采集和红外遥控的人机交互显示,红外遥控的人机交互显示对实时性要求较低,处理流程如图4所示。传感器信号采集流程如图5所示。多协议网关不同接口支持不同的协议,同一个接口只支持相同的协议接入, FPGA通过并行的接口同时解析不同协议,提取其中的有效数据,并利用内部状态机将提取的有效数据接入监控系统,实现对开关状态量、485/CAN通信、频率采集、以太网通信、无线收发器信号和电源控制管理等的并行处理。
4结语