基于数据包分割的多网络链路分流系统及方法

2017-02-13任政，杨博，曹萌

数字通信世界 2017年1期

任政，杨博，曹萌

任政，杨博，曹萌

基于当前网络通信对带宽需求的增加，本文立足于传统链路聚合技术，探讨了一种面向多种网络链路的自适应链路分流系统和分流方法，将链路聚合概念更广泛的应用于VSAT卫星网络、地面专线网络等多种网络链路并存的综合通信系统中，并通过数据包分割技术，实现业务数据的分流传输，提高了数据传输的安全性。

链路聚合；数据包分割；自适应

1 引言

从计算机诞生至今的几十年里，网络通信技术获得了飞速发展，从最初的网页文本浏览，到现在的视频聊天、网络直播等新兴多媒体业务，不断开拓的服务领域和服务项目极大地改变和丰富了人们的生活。但这也使网络需要传输的数据量急剧增加，网络带宽已成为限制这些业务应用的主要瓶颈之一，链路聚合作为一种扩展网络带宽、增强网络稳定性的技术，有效的解决了这个问题。

2 传统链路聚合概念介绍

链路聚合，简而言之就是在网络设备上，将多个低速物理链路聚合在一起，使它成为一条带宽成倍增加的逻辑链路。而对使用这个逻辑链路服务的上层业务数据而言，聚合链路的实现机制和内部运行细节是透明的，聚合在一起的物理链路条数可以根据业务数据的带宽需求来配置。配置后的逻辑链路带宽等于被聚合在一起的多条物理链路的带宽之和。因此，链路聚合具有成本低，配置灵活的优点，此外，链路聚合还提供了链路冗余备份的功能，聚合在一起的链路彼此动态备份，只要还存在能正常工作的物理链路，整个传输链路就不会中断，提高了网络的稳定性。

目前，链路聚合技术的正式标准是IEEE 802委员会制定的IEEE Standard 802.3ad协议，标准中定义了链路聚合技术的目标、链路聚合子层内各模块的功能和操作的原则，链路聚合控制的内容以及链路聚合控制协议LACP等。链路聚合可以提供以下功能：增加带宽且可以线形增加，与传统网络只能以物理层技术提供的数量级方式（如10M，100M，1000M）增加不同，链路聚合可以线性的增加带宽，配置灵活；提供了链路可靠性，当聚合在一起的成员链路有一条出现故障时，其他的成员链路会分担它的流量，所以业务不会中断；负载分担，聚合链路的流量可以相对均匀的分配到加入到聚合的物理链路上；快速地进行配置和重配置，当链路发生某些相关事件时，链路聚合可以快速重新配置链路状态。

3 自适应多种网络链路聚合技术

近年来，随着通信需求的增长和通信技术的发展，能够用于数据通信的网络种类越来越多，这些网络的示例包括但不限于互联网（有线互联网或无线互联网）、移动通信网络（3G或4G LTE等）、卫星网络、地面专线网络等。各种网络在网络协议、拓扑结构、通信速度、组网形式、数据传输接口等方面具有许多不同的特性。

传统的链路聚合技术是在以太网和快速交换以太网交换机基础上发展起来的，IEEE802.3ad标准的出现，实现了链路聚合的标准化，但现有链路聚合控制协议的应用只在单种网络链路系统内实现了链路聚合，面对不同类型的通信网络，在应用上有一定的局限性。本文提出一种基于链路聚合概念的跨网络链路系统的链路聚合技术，以充分利用多种网络链路，达到网络业务不中断的目的，提高了各种网络链路的可用性，实现了高性能网络。

3.1 自适应多种网络链路聚合技术介绍

不同于传统链路聚合只针对于以太网，在一个包含卫星通信网、地面同步专线网、地面IP专线网、互联网、海事卫星网等多类型网络链路通信系统中，各种网络链路的差异性使得传统链路聚合协议不能基于快速交换以太网交换机实现。自适应多种网络链路聚合技术针对不同类型的网络链路，分别确定各种类型网络链路的可用状态及可用带宽，然后从可用的网络链路中选择N种网络链路用于数据传输，确定所要使用的N种网络链路后，将每个业务数据包对应N种网络链路分割为N个链路子包进行传输。

3.2 自适应多种网络链路聚合技术说明

图1 链路分流系统结构示意图

假定通信系统为星状拓扑结构，主站为中心点，通过卫星网络链路、同步专线网络链路、互联网链路、海事卫星网络链路四种链路与各小站通过自适应多种网络链路聚合技术进行数据通信，具体包括网络链路状态确定、网络链路带宽获取、网络链路选择、数据包分割传输、网络链路自适应五个步骤。

3.2.1 网络链路状态确定

每一种网络链路可用状态的确定是通过链路探测实现的，链路探测是通过小站和主站之间发送与应答链路探测包实现的，链路探测包即keeplive包。

（1）卫星链路。小站和主站分别定时发起卫星链路探测包，小站和主站自动应答卫星链路keeplive包。如果小站和主站接收到卫星链路keeplive应答包，判定卫星链路可用，否则卫星链路不可用。

图2 VSAT卫星网络链路状态确定流程

（2）地面专线链路。地面专线链路建立之前，小站定时发起地面专线链路建立包，主站根据自身状态，决定是否允许地面专线链路的建立。地面专线链路建立之后，小站和主站分别定时发起地面专线链路keeplive包，小站和主站自动应答地面专线链路keeplive包。如果小站和主站接收到地面专线链路keeplive应答包，判定地面专线链路保持可用，否则地面专线链路不可用将断开，返回到地面专线链路建立之前的状态。

图3 地面专线网络链路状态确定流程

（3）网络链路。网络链路建立之前，小站定时发起网络链路建立包，主站根据自身状态，决定是否允许网络链路的建立。网络链路建立之后，小站和主站分别定时发起网络链路keeplive包，小站和主站自动应答网络链路keeplive包。如果小站和主站接收到网络链路keeplive应答包，判定网络链路保持可用，否则网络链路不可用将断开，返回到地面专线链路建立之前的状态。

图4 网络链路状态确定流程

3.2.2 网络链路带宽获取

网络链路带宽支持手动配置和自动检测两种方式，手动配置可以结合网络链路带宽资源根据实际需求进行配置，下面重点介绍自动检测方式。

3.2.2.1 卫星链路的自动检测

在小站侧：通过检测V35接口的发送时钟，可以获得卫星链路上行的带宽，卫星链路上行的带宽就是小站设备的卫星链路带宽。

在主站侧：通过检测V35接口的发送时钟，可以获得卫星链路下行的带宽，再通过卫星链路下行的带宽分配管理机制，最终获得主站设备和小站设备对应的卫星链路带宽。

图5 VSAT卫星网络链路带宽获取流程

3.2.2.2 地面同步专线链路的自动检测

在小站侧：通过检测V35接口的发送和接收时钟，根据V35接口的发送时钟，可以获得小站到主站方向的地面专线链路带宽，根据V35接口的接收时钟，可以获得主站到小站方向的地面专线链路带宽。

在主站侧：小站通过地面专线链路建立包或地面专线链路keeplive包，将主站到小站方向的地面专线链路带宽通知主站。

3.2.2.3 网络链路的自动检测

在小站侧：在网络链路建立的过程中，首先执行网络链路的可用带宽检测，可用带宽检测成功后，再建立网络链路。

在主站侧：在网络链路建立的过程中，首先执行网络链路的可用带宽检测，可用带宽检测成功后，再建立网络链路。

图7 网络链路带宽获取流程

3.2.3 网络链路优先级确定及链路选择

网络链路优先级由高到低顺序为：卫星网络链路、地面同步专线链路、互联网链路、海事卫星链路，在确定网络链路状态可用后，当可用链路≥2时，将选择优先级高的两种网络链路进行链路聚合，对业务数据进行分流传输。

3.2.4 数据包分割处理单元

选取优先级最高的两个可用链路进行链路聚合后将，对业务数据进行分流传输，首先根据网络链带宽计算出分流比例，然后根据分流比例，将每个IP数据包分为两部分，分别通过选取的两个可用链路进行传输。在接收侧，需要将两个链路接收的分流数据包合并拼装成一个完成IP数据包。

图8 不同类型网络链路子包结构示意图

3.2.5 网络链路的自适应性

在业务数据报发送侧，通过对链路状态和链路带宽的实时监测，当链路的可用状态发生变化时，IP数据包将通过重新选取优先级最高的两个可用链路上进行分流传输。当链路的可用状态或带宽发生变化时，会重新计算出分流比例，并按照新的分流比例进行分流传输。当只有一条链路可用时，将回退到不分流传输。在业务数据接收侧，能够根据接收到数据自动识别是分流包的前半部分，分流包的后半部分，或是不分流的包，然后执行相应处理。

4 多网络链路分流系统方法的优势和意义

多种网络链路分流系统能够自动适应链路的变化，提高业务传输的可用性和数据通信的安全性。业务传输的可用性是指在提供多个传输网络链路的情况，只要有一个链路可用，业务传输就不会中断。数据通信的安全性是指当业务数据在单种网络中传输时，由于对单种网络链路数据的截获较为容易，因此通过单种网络链路传输数据的安全性较差。在这种情况下，即使将数据包拆分为多个子包并且利用单种网络中的多条链路分别进行传输，也能够通过拦截单种网络的多条链路来获取到整个数据包，难以保证数据传输的安全性和保密性。此外，由于网络环境的多变性，数据传输所用的单种网络可能受到外部干扰，从而使得经由单种网络的数据传输不够稳定，易于中断。而当有两个或两个以上可用链路时，每个业务数据包将通过两个可用链路分别传输，单个链路传输的只是数据包的一部分，降低了数据被截获破解的安全风险，增强数据通信安全性。

此外，本文中介绍的多网络链路分流系统方法所基于的链路聚合技术更加开放，不同于传统链路聚合协议只面向以太网和快速交换以外网交换机，能够自适应链路接口的多样性和网络链路的差异性。链路接口的多样性是指卫星链路和地面专线链路使用V3.5接口，Internet网络链路和海事卫星链路使用以太网接口。网络链路是指异构性，卫星链路为TDM-SCPC网络、地面专线链路为点到点，Internet网络链路和海事卫星链路为网状网。网络链路的自适应性是指当可用网络链路的状态发生变化时，重新选择优先级最高的两个可用网络链路进行分流传输。当可用链路带宽发生变化时，重新计算出分流比例。

5 结论语

以上探讨了一种基于数据包分割的多网络链路分流系统及方法，符合当前通信系统中多网络链路类型并存的实际情况，扩展了链路聚合技术的应用空间，满足了用户在多种网络链路环境下，在每条链路只传输业务数据包部分数据从而增强数据通信安全性的实际需求。

[1] 李宏．链路聚合解决带宽瓶颈．中国计算机报，2001

[2] 戎江霁．基于LCAP的扩系统链路聚合研究．电视技术，2013.07

武汉轨道交通6号线LTE-M承载CBTC应用载客前专家评审会召开

2016年12月10日，武汉轨道交通6号线LTE-M承载CBTC应用载客前专家评审会在武汉召开，中国工程院院士丁烈云、赵梓森、张勇传，中国科学院院士叶朝辉等特邀专家出席会议，来自北上广深宁杭等城市业主单位、北京交通大学、通号设计院/铁科院通号所等信号企业、华为/中兴/鼎桥等通信企业及城轨认证机构的15名专家参与了评审，中关村公信卫星应用技术产业联盟等单位受邀参会。湖北省无线电管委副处长赵松林、武汉地铁集团董事长周少东、中国城市轨道交通协会技术装备专委会副主任史扬，以及烽火通信股份有限公司、上海自仪泰雷兹交通自动化系统有限公司、卡斯柯信号有限公司、武汉智慧地铁科技有限公司、铁四院、北京城建院等单位领导和代表出席了会议。

评审会期间，专家组、与会领导和代表，听取了武汉地铁集团有限公司、武汉智慧地铁科技有限公司等技术研发单位，关于LTE技术承载信号CBTC业务工作报告及相关技术方案、联调联试和通信测试相关报告，并进行了试乘体验。经充分质询和讨论，专家组一致认为，武汉轨道交通6号线tcLTE1.0系统是基于1.8GHz频段TD-LTE技术的LTE-M系统，实现了国内首次LTE-M系统承载CBTC业务工程化应用。经多方长期测试和近四个月的空载试运行，该系统设备性能指标满足CBTC业务承载需求，符合国家系统规范要求，可以投入载客试运营。

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

Ren Zheng,Yang Bo, Cao Meng

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