软件无线电协议与网络问题.doc

课课程程设设计计报报告告 设计题目： 软件无线电协议和网络问题 学 院： 电子工程学院 专 业： 班 级： 学 号： 姓 名： 电子邮件： 日 期： 成 绩： 指导教师： 装订线 西西 安安 电电 子子 科科 技技 大大 学学 电电 子子 工工 程程 学学 院院 课课 程程 设设 计计 任任 务务 书书 学生姓名 指导教师 职称 学生学号 专业 题目 课程设计的目的课程设计的目的：研究软件无线电协议和网络问题 课程设计的时间安排：课程设计的时间安排： 第一天：教师布置设计任务，讲解设计要求，提示设计要点。 第二天至第六天：查阅资料（在图书馆或上网） ，提出设计方 案。 第七天之最后一天：整理资料，得出实验结果并写出设计报 告。 课程设计要求：课程设计要求： 1. 到电院官网下载课程设计报告封面、任务书 2. 文档内容包括封皮、任务书、目录、摘要、正文、总结与 展望以及参考文献正文字数 25003000，摘要中英双语 200 字左右。 3. 文档格式要求公式以 1-1、1-22-1、2-2 形式标出并右 对齐，图片以图 1-1+图片内容形式以五号字居中标出，公式 不得出现乱码，图片保证正常显示。 开始日期 2014 年 9 月 16 日 完成日期 2014 年 9 月 25 日 课程设计所在单位 目录目录 摘 要 Abstract . 一、 认识软件无线电协议1 1-1 软件无线电的起源.1 1-2 软件无线电的概念及特点.1 二、 软件无线电的模型2 2-1 软件无线电模型.2 三、 软件无线电的结构3 3-1 软件无线电基本体系结构.3 3-2 短波软件无线电的结构.3 四、软件无线电关键技术5 4-1 宽带/多频段天线技术-5 4-2 宽频 A/D 转换-5 4-3 DSP 处理部分-5 4-4 开放式模块结构-6 4-5 软件协议和标准. 6 参 考 文 献.6 摘要 传统的网络设计都遵循“层”的规则。这意味着不同的功能模块(例如，控 制流、路由、媒体接入)之间是独立的，然后通过彼此之间的接口而形成完整的 系统。这些层是垂直排列的。每个层都利用其下层所提供的服务，并且自已的服 务要能被上层所用。只有在榴邻的层之问才会发生层内的交流，并且只限于请求 和响应。OSI 的七层模型和 TCPIP 的四层模型就是层级设计的简单例子。 尽管层级设计架构在很多通信网的发展中起到重要作用，最典型的是因特网。但 是现在研究人员却开始质疑协议栈分层设计的合理性。这主要是因为无线网络正 成为通信架构的主要部分，因此成为研究的焦点。研究人员认为，对于有线网络， 在各个功能模块之间没有太多交流的前提下为彼此独立的层设计协议并运行这类 架构是很好的，但由于无线媒体的特殊性，这对于无线网络并不合适。为了证明 这个观点，他们通常使用跨层设计来展示。宽泛地讲，跨层设计是指不断地挖掘 层之间的依赖性来提高性能。这和彼此之间独立的层的设计是不同的。 关键字：关键字：网络安全，安全分析，攻击图 Abstract Under some circumstances, the single network node may be safe, orsingle network behavior will not form threat, but for the complicated network connections, the vulnerability situation is quite different.Network risk is notmerely the reflection of node flaw, but the measure of risk degree for theentire network. Network security analysis can evaluate the overall security of the network, which is the foundation for security strategy deployment. The network security evaluation is a systematic project, so we need to overall consider the security questions and seek the optimized solution.Simultaneously, we should consider the diversification of analysis methods and the relation among network nodes. This article has analyzed the basic principle of network security analysismethod, including attack graph conception, attack tree model, and othermethod of modeling. It has profited from the domestic and foreign research results, in this foundation, it discussed automatic production of attack path, as well as attack graph algorithm comparison. Then, based on theory research ,this article proposed a network security analysis system prototype based on attack graph, and produce five main modules which is given the more details, such as data structure, tables, and then compare these technology methods or tools, at last, analysis the strategy of security evaluation and give the basic framework on how to realize system.In conclusion, this article proposed some deficiency aimed at the prototype system as well as the content about research, and has introduced the direction which needs to be improved. Keywords: network security,security analysis, attack graph 一、认识软件无线电协议认识软件无线电协议 1-1.1-1. 软件无线电的起源软件无线电的起源 软件无线电(Software Radio)最初起源于军事通信。军用电台一般是根据某 种特定用途设计的，功能单一。虽然有些电台基本结构相似，但其信号特点差异 很大，例如工作频段、调制方式、波形结构、通信协议、编码方式或加密方式不 同。这些差异极大地限制了不同电台之间的互通性，给协同作战带来困难。同样， 民用通信也存在互通性问题，如现有移动通信系统的制式、频率各不相同，不能 互通和兼容，给人们从事跨国经商、旅游等活动带来极大不便。为解决无线通信 的互通性问题，各国军方进行了积极探索。1992 年 5 月，在美国电信系统会议。 IEEE National Telesystems Conference)上，MITRE 公司的 JoeMitola 首次明确 提出软件无线电的概念。 1-2.1-2. 软件无线电概念及特点软件无线电概念及特点 所谓软件无线电，就是说其通路的调制波形是由软件确定的，即软件无线电 是一种用软件实现物理层连接的无线通信设计。软件无线电的核心是将宽带 A/D、D/A 尽可能靠近天线，用软件实现尽可能多的无线电功能；其中心思想是在 一个标准化、模块化的通用硬件平台上，通过软件编程，实现一种具有多通路、 多层次和多模式无线通信功能的开放式体系结构。应用软件无线电技术，一个移 动终端可以在不同系统和平台间畅通无阻地使用。 软件无线电的主要优点是它的灵活性，可以通过增加软件模块，方便地增加 新功能。在软件无线电中，诸如信道带宽、调制及编码等都可以进行动态调整， 以适应网络标准和环境、网络通信负荷及用户需求的变化。软件无线电具有较强 的开放性，由于采用标准化、模块化结构，其硬件可以随器件和技术的发展而更 新或扩展，软件也可以随需要不断升级。 软件无线电推动了可编程硬件的发展，扩展了它的编程能力，提高了它的灵 活性。现在的无线通信设备包括手机都使用了 DSP，但 DSP 软件大多固化在设备 中，且 DSP 硬件是专用的。如果 DSP 硬件更加通用化，其软件可以通过有线或无 线手段装入，那么一台设备就可以实现在不同的制式、频段和协议下工作了。当 用户携带一台软件无线电装置到另一个国家，一入境就可以使用软件无线电装置 从空中接收并下载该地区的通信标准，然后就可以利用该地区通信标准运行自己 的软件无线电装置了，这将给人们带来很大的方便。 二软件无线电的模型软件无线电的模型 2-1.2-1.模型模型 模型软件无线电的功能模型，可以无线电的功能划分为信道集、信道编/解 码、信息安全、服务与网络支持、信源编/解码和信源集。其中，信道集包括： RF 信道、同时性、多波段传播、有线互操作性以及为了控制服务质量（QoS）自 动采用多信道（或模式） 。服务和网络支持包括：多路复用，建立与控制，数据 服软件无线电务和网络互连（有线及互联网标准，包括移动性） 。 2-1 软件无限电的功能模型图 联合控制包括：联合信源/信道编码，动态 QoS 与本地控制，处理资源管理 （综合用户和网络接口，多用户、多波段、多模式能力） 。多个性即多波段、多 模式、灵巧服务以及与传统模式的互操作。SDR 的个性包括：射频（RF）波段、 信道集（例如控制和业务信道） 、空中接口波形及有关功能。演进支持功能可以 支持软件及无线电平台的演进。 射频（RF）波形即空中接口；中频（IF）波形 包括大多数空中接口，但信号被滤波及变换到 IF 处理。保护比特即加密比特。 而明比特是非加密比特。网络比特符合网络协议，源比特适合解码器。多个性是 通过软件对象接口下载到无线电的。这些接口是软件无线电的“横向（水平） ” 接口，它形成信源和信道之间的信号流与控制流。 三、软件无线电结构三、软件无线电结构 3-13-1 软件无线电基本体系结构软件无线电基本体系结构 理想的软件无线电是多频段、多模式、开放式体系结构,其无线功能通过加 载软件来实现，从而提供多种无 基本体系结构： 线电通信业务。软件无线电的基本平台包括：天线、多频段射频(RF)转换器、 宽带 A/D（D/A）转换器和 DSP 处理器等，如图 3-1 所示。 3-1 软件无线电的基本平台 软件无线电将 A/D 和 D/A 向 RF 靠近,由基带移到中频甚至到射频,用可编程 能力强的 DSP 或 FPGA 器件代替专用的数字电路,进行 A/D 后的一系列处理，使系 统硬件结构与功能相对独立，这样就可以基于一个相对通用的硬件平台,通过软 件实现不同的通信功能,并可对工作频率、系统频宽、调制方式、信源编码加以 编程控制,系统灵活性大大增强。功能强大的软件开发工具可以根据通信技术的 最新发展和需求，修改各工作模块以实现系统升级。 3-23-2 短波软件无线电的结构短波软件无线电的结构 短波软件无线电主要有三种实现结构：射频全频段数字化采样、中频数字化 采样结构、虚拟无线电结构。 （1）射频全频段数字化采样 依据器件水平，短波软件无线电的射频全频段数字化采样尚不能实现。按照 Nyquist 采样定理对短波频段采样速率至少需要 70Msp/s，短波频段通信对 ADC 的动态范围要求为 120dB130dB，A/D 是每 bit 提供 6dB 动态范围。这样对短波 全频段采样需要 130/622bits，ADC 达不到此要求。 （2）中频数字化采样结构 如图 3-2 所示，中频采样是将射频信号预处理后，模拟变频到中频进行 A/D 采样，采样后的数据被送入 DSP，在中频数字化采样结构 DSP 中进行数字下变频 和数字解调处理。这种结构的软件无线电与中频数字化接收机的结构是类似的, 均采用了多次混频体制。但是软件无线电的中频带宽较宽，且一次混频后的变频 均在 DSP 中实现，所有调制解调等功能均由软件来实现，比普通超外差中频数字 化接收机更灵活，功能更强。尽管和理想的软件无线电有一定差距，这已是短波 软件无线电的最佳选择。 3-2 中频数字化采样结构图 （3）虚拟无线电结构 虚拟无线电是软件无线电的一个新的发展趋势。虚拟无线电利用工作站(或 者高速 PC 机)的强大计算能力取代 DSP 来完成所有数字信号处理。有代表性的是 美国麻省理工学院的计算机科学实验室开发的虚拟无线电结构图 Spectrum Ware 系统。整个系统分为子卡和工作站两个部分。子卡部分用于获得射频信号的采样 数据，将射频信号模拟下变频到中频，然后对中频信号进行采样。采样后的数据 流经过工作站上的 GuPPI（通用 PCII/O）接口被送入内存缓存区。为了满足实时 数据处理的要求，这里采用 DMA（直接存储接入）技术，数据流直接送入内存缓 存区，无需经过设备驱动程序和操作系统功能的处理。然后，工作站中的软件无 线电应用模块对内存中的采样数据流进行处理，完成软件无线电技术中 DSP 所能 完成的功能。 基于 PC 机的虚拟无线电结构具有以下几个特点：（1）更好的灵活性。工作 站的容量和开发环境均优于专用 DSP 芯片，容易实现新协议和信号处理新算法以 及性能的改进提高。 （2）升级快捷。用户可以很方便地通过更新软件来增强现有 设备功能。 （3）易与其他应用结合。虚拟无线电的研究将无线和其他应用的界限 模糊化了，提高了功能性和端到端的有效性。 四、软件无线电关键技术四、软件无线电关键技术 4-14-1 宽带宽带/ /多频段天线技术多频段天线技术 根据短波软件无线电的结构，天线要能覆盖 1.5MHz30MHz 频率范围；能用 程序控制的方法对功能及参数软件无线电进行设置。而实现这些功能的技术包括： 组合式多频段天线及智能化天线技术；模块化收发双工技术；多倍频程宽带低噪 声放大器方案等。 4-24-2 宽频宽频 A/DA/D 转换转换 在软件无线电通信系统中，要达到尽可能多的以数字形式处理的无线信号， 必须把 A/D 转换尽可能地向天线端推移，这样就对 A/D 转换器的性能提出了更高 的要求。为保证抽样后的信号保持原信号的信息，A/D 转换要满足 Nyquist 抽样 准则，而在实际应用中，为保证系统更好的性能，通常抽样率为带宽的 2.5 倍。 由于短波通信的频率变化范围较大，对采样频率、位数及动态范围也提出了较高 的要求，对此可采用并行 A/D 转换技术。高速采样保持电路的时间精度可达纳秒 级，通过串/并转换将量化速度降低，提高采样分辨率，这样用多个高速采样保 持和 A/D 可完成超高速转换。 4-34-3 DSPDSP 处理部分处理部分 可编程 DSP 模块主要由 DSP、FPGA(现场可编程门阵列)、FIR 专用芯片组、 存储器、I/O 接口组成。按照不同的数据处理流程可将 DSP 模块的功能分为：与 终端的数据交换、自适应调制解调、信道环境分析和管理、SSB 调制解调、频率 变换等。DSP 是软件无线电的核心部件，但单个 DSP 的处理速度也是现阶段一个 主要的瓶颈。当单个 DSP 处理能力不足时，可采用多个 DSP 芯片的并行来提高运 算能力，如 Quad40CMCM 处理器包括 4 片 TMS320C40 处理器、5MB 内存，已用于 多频段多模式军用电台。 4-44-4 开放式模块结构开放式模块结构 软件无线电的一个重要特点就是其优良的开放性，这主要体现在软件无线电 所采用的开放式标准化总线结构，只有采用先进的标准化总线，软件无线电才能 发挥其适应性广、升级换代方便等特点。现有软件无线电研究和试验系统中采用 双总线结构，即：控制总线和高速数据总线。控制总线结构，如 VME 总线、PCI 总线等，应尽可能采用现有的工业标准，以便于