（通信与信息系统专业论文）基于ip网络的集群系统及其qos研究.pdf

芝玺鎏三些查主王耋堡圭兰竺兰銮 ： 摘要 集群通信系统属于专用移动通信系统，主要用于调度指挥。其特点是系 统内所有可用信道为系统内的全体用户共享，具有自动选择信道功能。集群 系统利用专用网络进行联网，可以采用e 1 或微波接力等方式。然而，铺设 这种专用网络费用大，维护困难，资源利用效率和可靠性都很低。随着科技 的发展，i p 网络已经成为主要的链路资源。专用网络也已经逐步从电路交 换模式的e 1 链路过渡到分组交换模式的l p 链路。面对未来通信的发展需 要，集群系统也必将以i p 网络作为其传输网。这样，基于i p 网络的集群系 统不仅可以利用已广泛普及i p 网络资源，而且还能通过分组方式提高资源 利用效率，当出现线路故障时，可以通过重新选路重传，提高了系统的可靠 性。 考虑到口网络采用一种尽力而为的服务，无法保障集群系统的服务质 量q o s 。而基于i p 网络的集群系统的服务质量参数目前还处于空白，没有 形成一套独立完善的评价体系。为此，针对集群系统的实际情况以及i p 网 络的功能和特点，本文分析了集群系统与i p 网络联网的关键技术，提出了 服务质量参数的定义，并进行了计算机仿真分析。 本文首先简要分析了t c p i p 协议，以及能够应用在专用i p 网络的现有 通信协议，并根据集群系统的功能和特点分析和比较了现有的路由算法和 i e t f 提出的三种网络服务模型，并参考其它不同网络对服务质量q o s 的定 义，提出了针对基于i p 网络的集群系统的服务质量参数。 然后分析了集群系统采用l p 网络作为传输网络与传统网络联网方式的 不同点与优点，提出了基于i p 网络的虚拟专用网v p n 在集群系统中应用的 方案，进而解决了集群系统专网中网络资源分配以及职网络安全性问题。 最后利用m a t l a b 软件，对这些q o s 参数进行了模拟仿真分析。首先 从分析链路时延入手，仿真了链路时延与分组长度和话务量之间的关系。然 后在此基础之上针对网络的抖动进行了仿真，分析了集群系统应该在其基站 子系统所设置的缓存长度，以便减少话音的不连续。最后分析并仿真了网络 的吞吐量与分组丢失率的关系。对这些服务质量q o s 参数的分析与仿真可 以为今后的实际系统提供可靠的理论依据。 关键词集群系统；i p 网络；服务质量 堕奎釜三兰查兰三兰堡圭主竺鎏兰 a b s t r a c t t r u n k i n gc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi s ap r i v a t em o b i l es y s t e m ，w h i c hi su s e d f o rc o m m a n d i n ga n dd i s p a t c h i n g i tf e a t u r e si ns h a r i n ga l lt h ec h a n n e l so ft h c s y s t e mb y a 1 1t h ec o n s u m e r sa n d s e l e c t i n g t h ec h a n n e l a u t o m a t i c a l l y 1 1 1 e t r u n k i n gs y s t e mu s e st h ep r i v a t en e t w o r k i n g ，w h i c hi su s u a l l yb y t h ew a yo ft h e e ll i n ko rm i c r o w a v er e l a y , t on e t w o r kw i t ho t h e rt r u n k i n gs y s t e m h o w e v e r i t i sg r e a te x p e n s i v et ob u i l ds u c hap r i v a t en e t w o r kt h a ti sh a r dt om a i n t a i n a n d a l s ot h el o w u s a g ea n dr e l i a b i l i t ya r eab i gp r o b l e m w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h e t e c h n o l o g y , i pn e t w o r kw i l lt u r ni n t ot h em a i nl i n kr e s o u r c ea n dt h ep r i v a t e n e t w o r ka r et r a n s i t i n gf r o mt h ec i r c u i ts w i t c hm o d e ，e ll i n k ，i n t ot h ep a c k e t s w i t c hm o d e ，i pl i n k t om e e tt h en e e do ft h ef u t u r ec o m m u n i c a t i o n ，t h e t r u n k i n g s y s t e mw i l la l s oe m p l o yt h ei pn e t w o r ka si t st r a n s i tn e t w o r kt h u s ，t h et r u n k i n g s y s t e mb a s e do ni pn e t w o r kc a nm a k eu s eo ft h ee x i t i n gi pl i n kr e s o u r c ea n d i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h er e s o u r c eu s ea n dt h er e l i a b i l i t yw h e no n eo ft h e l i n k sf a i l st ow o r ka n o t h e rr o u t ew i l lb ec a l c u l a t et os e n da n d r e c e i v et h ep a c k e t s c o n s i d e r i n gt h ei pn e t w o r ki s ab e s te f f o r ts e r v i c e ，t h eq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) o f t h et r t m k i n gs y s t e mc a n n o tb cg u a r a n t e e d t h e r ea r en op a r a m e t e r so f t h eq o so ft h et r u n k i n gs y s t e mb a s e do nt h ei pn e t w o r k ，w h i c hc a n n o tm a k ea n e f f i c i e n te v a l u a t i o n s y s t e m f o rt h e t r u n k i n gs y s t e m s o ，i n a l l u s i o nt ot h e p r a c t i c a ls i t u a t i o no ft h et r u n k i n gs y s t e ma n dt h ef u n c t i o na n df e a t u r eo ft h ei p n e t w o r k ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h ek e yt e c h n i q u eo ft h e t r u n k i n gs y s t e mn e t w o r k i n g u s i n gt l l e i pn e t w o r k 。p u t sf o r w a r do ft h ed e f i n i t i o n so ft h ep a r a m e t e r so f t h e q o s f b ft l l et r u n k i n gs y s t e mb a s e do ni pn e t w o r ka n dm a k e st h ee m u l a t i o n b y t h e c o m p u t e r t h i s p a p e rf i r s ta n a l y s e st h et c p i pp r o t o c o l a n do t h e rc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o lw h i c hi ss u i t a b l et ob ei m p l e m e n ti nt h ep r i v a t ei pn e t w o r k b a s e do n t h ef u n c t i o na n df e a t u r eo ft h et r u n k i n gs y s t e m ，t h i sp a p e rc o m p a r e st h et h r e e s e r v i c em o d e so ft h el e t f - a n dp u t sf o r w a r dt h ed e f i n i t i o n so f t 1 1 ep a r a m e t e r so f t h eq u a l i t yo fs e r v i c ef o rt h et r u n k i n gs y s t e mb a s e do nt h ei pn e t w o r k ，b yt h e h e l po f r e f e r e n c i n g o t h e rd e f i n i t i o n so f t h eq o so f o t h e rn e t w o r k s s e c o n d ，= t h i sp a p e ra n a l y s e st h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h et r a d i t i o n a lt r u n k i n g - 堕玺耋王些查堂三耋堡圭兰笔鎏兰 s y s t e ma n d t h ep l a nt h i sp a p e rd i s c u s s e d ，p u t sf o r w a r dap l a no f v p n u s i n g i nt h e t r u n k i n gs y s t e m ，w h i c hr e s o l v et h ep r o b l e mo ft h ed i s t r i b u t i o no f t h er e s o u r c e a n dt h es e c u r i t yi nt h ep r i v a t ei pn e t w o r k a tl a s t ，t h i sp a p e rn l a k e st h es i m u l a t i o no ft h eq o so ft h et r u n k i n gs y s t e m b a s e do ni pn e t w o r k hs t a r t sf r o mt h ea n a l y s i so ft h el i n kd e l a y , w h i c hi sa b o u t t h er e l a t i o na n a o n gt h el i n kd e l a y , t h ep a c k e tl e n g t ha n dt h et r a f f i c ，b a s i n go nt h e a b o v es i m u l a t i o i l s ，t h i s p a p e ra l s om a k e st h es i m u l a t i o n so ft h ej i t t e ra n dt h e b u f f e rl e n g t h ，w h i c hi su s e dt od e c r e a s et h ed i s c o n t i n u i t yo ft h ev o i c e a n dt h e t h r o u g h p u ta n dt h ep a c k e tl o s sr a t ea r ea l s ob es i m u l a t e d 1 1 1 e s es i m u l a t i o n so f t h ep a r a m e t e r so f t h eq o sw i l ls u p p l y d e p e n d a b l et h e o r yb a s e s k e y - w o r d s t r u n k i n gs y s t e m ；i pn e t w o r k ；q o s i 1 1 引言 第1 章绪论 移动通信系统按其使用性质可以分为公用移动通信系统和专用移动通信 系统。集群通信系统属于专用移动通信系统，它是一种专用高级指挥调度系 统。其特点是系统内所有可用信道为系统内的全体用户共享，具有自动选择 信道功能。它是共享资源、分担费用、共用信道设备及服务的多用途、高效 能的无线调度通信系统。由于集群系统主要侧重于指挥、联络、调度，其应 用需求可遍及铁道运输、公路交通、民航航运、公安消防以及重大事件与突 发事件应对等各行各业的方方面面。可以说，集群通信系统在国民生产与社 会生活中起着十分重要的作用。 1 1 。1 国外群通信系统的发展 集群的定义最早可追溯到有线电话通信中的“中继”概念。1 9 0 8 年 e c m o l i n a 发表的“中继”曲线的概念等级，证明了一群用户的若干中继 线路的概率可以大大提高中继线的利用率。当“集群”这一概念应用于无线通 信系统时，便把信道看作一种中继。集群通信系统就是可以把系统内有限的 信道动态地、自动地分配给系统的所有用户。早在2 0 世纪四十年代末，出 现了可以用一只手握住的步谈机，五十年代初，美国的无线电爱好者开始研 究类似于现在的集群系统，到了六十年代移动通信开始应用于集群通信。后 来国外些生产对讲机的著名厂商如建伍( k e n w o o d ) 、八重洲 ( y a e s u ) 、爱康姆( i c o m ) 、驰电达( s t a n d a r d ) 和快讯 ( c o n t r a d ) 等公司都推出了其产品。但是，此时的集群系统仍然处于对 讲机的时代。其缺点也是显而易见的：通信距离近，用户增多频率就不够使 用，而且分配困难；频率利用率不高；相互干扰也大，并且在对讲机上实现 选择性呼叫也比较困难。 为了解决这些问题，八十年代出现了模拟集群通信系统，其典型代表如 芬兰n o k i a 公司的a c t i o n e t 系统，日本u n i d e n 公司的f a s t 系统 和美国m o t o r o l a 公司的s m a r t n e t 系统。然而，这些模拟集群系统也 存在着若干问题，具体表现在：多种制式、信令不一、无法兼容、互不相 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 通：频谱效率低、系统容量小；功能单一、只有语音调度；干扰大、盲区 多；所能提供的业务种类受限，不能提供高速率数据服务；保密性差，容易 被窃听：移动设备成本高，体积大；网络的管理控制存在一定的问题等等。 随着数字话音编码、数字调制技术、多址技术、抗衰落技术以及数字信令控 制和数字语音终端等数字技术在集群通信系统中的广泛应用，九十年代出现 了数字集群通信系统，其典型代表如欧洲电信标准协会( e t s i ) 制定的欧 洲集群标准t e t r a 系统和美国m o t o r o l a 公司的开发i d e n 系统。这两 种数字集群系统采用先进的时分多址t d m a 寻址方式，相对于采用频分多 址f d m a 寻址方式的模拟集群系统来说，其性能大为提高。由于其全数字 方式，使得数字信令的使用更为方便，而且提高了频谱利用率，增大了系统 容量，有效地解决了出现在模拟集群系统的一些问题。面对下一代通信系统 3 g 的发展，集群通信系统会朝着频谱利用率更高、系统容量更大、传输速 率更快的方向发展。随着数字技术的不断发展，更先进的码分多址c d m a 寻址方式也会在集群通信中大显身手。 1 1 2 国内集群通信系统的发展 我国从2 0 世纪8 0 年代起开始引进模拟集群系统。1 9 8 8 年，采用 m p t 一1 3 2 7 信令的4 5 0 m h z 的a c t i o n e t 模拟集群系统进入我国，这是在 我国使用的最早的集群通信系统。但是这种集群系统在我国并没有得到广泛 的认可，随之而来的日本u n i d e n 公司的f a s t 系统和美国m o t o r o l a 公司的s m a r t n e t 系统占据了我国集群通信的大部分市场份额。其中，比 较有代表性的应用是于1 9 9 9 年己投入使用的黄河下游堤防查险报险 8 0 0 m h z 集群移动通信系统。九十年代末期在我国出现了数字集群网络。信 息产业部于2 0 0 0 年1 2 月2 8 日正式发布了我国数字集群移动通信系统体 制的两个行业标准，为我国新的数字集群通信运营商以较低的成本建网和 运营提供了技术基础。2 0 0 3 年4 月信息产业部批准中国卫通集团在天津、 济南、南京三个城市建设并运营数字集群商业共网实验网工程。 目前为止，集群通信在我国已经有将近二十余年的历史，但回过头来 看，虽然我国在信息产业部的大力扶植下，联合我国国内各大通信公司和高 校在研发集群遥信系统上取褥了一定的进展，但是事实上，我国并没有形成 具有自主知识产权的集群系统标准。基本上都是采用国外的标准进行研发或 是直接进口集群系统。由于这些标准或是系统有很多专利，其技术细节也大 堕玺鎏三些查兰三竺鎏圭竺竺兰三 多没有公开，这在很大程度上制约了我国集群通信系统的研究开发，不利于 我国集群通信的发展。然而，值得可喜的是，拥有较强实力的运营商已经开 发出来了具有自主知识产权的数字集群系统产品，如华为公司研制的基于 g s m 的g t 8 0 0 和基于c d m a 的c t 8 0 0 两种数字集群系统，以及中兴公司 研制的基于c d m a 的g o t a ( g l o b mo p e nt r u n k i n ga r c h i t e c t u r e ，开放式集群 架构) 数字集群系统，并逐渐形成成熟的产业链。虽然存在着这样或那样的 问题，但是这种科学健康的发展将势必将会不断推动我国集群通信的发展。 1 2 集群系统的实际系统 1 2 。1 模拟集群系统 模拟集群系统是指采用模拟话音进行通信且系统内没有数字技术。但是 为了使得通信更为可靠，许多集群系统都采用了数字信令。九十年代初期。 在我国主要有以下三种模拟集群系统。 ( 1 ) a c t i o n e t 系统 a c t i o n e t 是芬兰n o k n 公司生产的模拟集群系统。其工作频段在 v h f 频段。采用信息集群方式，专用控制信道技术，使用公开的m p t 一 1 3 2 7 信令。采用加强动态帧长a l o h a 结构，信令速率为1 2 0 0 b p s 。调制方 式采用f f s k ，控制信道分为1 2 8 个时隙( 1 0 7 m s ) ，每个时隙都包含下行控 制信息，任何一个无线用户都可以随机选取一个时隙发出自己的呼叫请求。 每个基站5 1 5 个无线信道，最多可达3 0 个无线信道。 ( 2 ) f a s t 系统 f a s t ( f a s ta c c e s ss y s t e mt r u n k i n g ) 是日本u n i d e n 公司生产的模 拟集群系统。其工作频段在8 0 0 m h z 、9 0 0m i - i z 。采用传输集群方式，非专 用信道的分布式控制技术，是用半公开的l t r 信令，信令速率为3 0 0 b p s ， 调制方式采用f s k 。因其不使用专用控制信道和系统控制器，使得该系统 具有充分利用语道和入网时间短等特点，其接续时间不超过3 0 0 m s 。系统中 每个信道在发射和接收话音的同时，也在同时发射和接收亚音频信令。每个 信道可拥有2 5 0 个唯一身份号。 ( 3 ) s m a r t n e t 系统 $ m a r t n e t 是美国m o t o r o l a 公司生产的模拟集群移动通信系统， 包括s m a r t n e t 智慧网i i 型和s t a r s i t e ( 智慧站) 两种集群移动通信系 堕釜鎏三兰盔竺三主要圭兰竺兰兰 统。两者的主要区别是系统容量和系统功能不同，但是都采用了先进的微处 理技术和电信技术。s m a r t n e t 系统采用准传输集群方式，专用控制信道 集中控制技术，采用不公开的专用数字信令，信令速率为3 6 0 0 b p s ，调制方 式为f s k 。为了解决争用控制而组成时隙结构，使用7 8 b i t 字组格式。在话 音信道上还传输1 5 0 b p s 、2 1 b i t 字组格式的信令，作为移动台提供联络和拆 线用的亚音频信令。信令传输采用b c h 码纠错技术来保证其信息的正确 性。 以上三种模拟集群系统有着不同的性能和特点，其简要对照如表1 - 1 所 示。 表1 1 典型的模拟集群系统 系统名称传输方式信令规程调制方式集群方式容量 a c t i o n e t共路信令m p t - 1 3 2 7f f s k消息集群5 1 5 c h f a s t随路信令u rf s k传输集群5 2 0 c h s m a r t n e t共路信令专用信令f s k准传输集群3 2 8 c h 1 2 2 数字集群系统 数字集群通信是以先进的数字移动通信技术为技术基础，已经成为当今 新一代集群通信领域研究和发展方向。2 0 0 0 年1 2 月2 8 日，我国信息产业 部正式发布的数字集群移动通信系统体制( s j t 1 1 2 8 - 2 0 0 0 ) 行业推荐标 准，参照国际标准t e t r a ( 体制a ) 和美国国家标准i d e n ( 体制b ) ，确 定了两种集群通信体制。2 0 0 1 年7 月信息产业部发布了关于8 0 0 m h z 集 群频率使用管理有关事宣的通知，明确了2 0 0 1 年年底前要对已经指配用于 模拟集群网的频率进行清理，并且要加强数字集群频率的集中管理l l j 。 ( 1 ) t e t r a 系统 陆地集群系统t e t r a ( t e r r e s t r i a lt r u n k e dr a d i o ) 是由欧洲电信标准 协会( e t s i ) 制定的欧洲集群标准【2 1 。它是基于传统大区制调度通信系统的 数字化而形成的一个专用移动通信无线电标准。该技术要求规范旨在满足大 量专业用户( 从应急通信业务到商业和工业机构) 的需求，提供集群、非集 群具有话音、电路数据、短数据信息、分组数据业务的直接模式( 移动台对 移动台) 通信。它支持多种附加业务，其中大部分为t e t r a 所独有。系统 具有兼容性好、开放性好、频谱利用率高和保密功能强等优点，是目前国际 上较为先进、参与生产厂商较多的数字集群标准p j 。 t e t r a 可以看成是t e t r a 话音和数据通信( v + d ，v o i c e + d a t a ) 、 t e t r a 分组数据优化( p d o ，p a c k e dd a t ao p t i m i z e d ) 和t e t r a 直接模式 通信( d m o ) 3 个普通标准的集合【4 一】。各个厂商所研制的设备可以包含上 述一个或多个标准功能，也可以根据用户的需求对标准进行变通处理，从而 使得t e t r a 系统更加灵活，功能也更强大。t e t r a 系统可以支持电路交 换和分组交换模式多种类的服务，如单呼、组呼、广播、优先呼叫、调度服 务、短数据业务和数据传输等。 t e t r a 系统也采用t d m a 多址方式，在2 5 k h z 信道带宽内支持4 个 时隙，用于控制或业务信道。其话音采用4 5 6 7 k b p s 的代数码激励线性预测 ( a c e l p ) 编码，调制方式为m 1 6 q a m ( m = 4 ) ，调制信道比特率为 6 4 k b p s 。上下行链路采用频分双工，在8 0 0 m h z 频段的收发间隔为 4 5 m i - i z 6 1 。 t e t r a 在1 9 9 9 年启动了r e l e a s e2 计划，满足新业务的需求。新的 标准采用新的话音编码器提高话音质量，并与g s m 3 g 网络互连，优化空 中接口以提高频谱效率，网络容量，系统性能和电池寿命。t e t r a i l e a s e2 标准还定义了两种新的高速数据业务，即高级分组数据业务 ( t a p s ) 和增强数据业务( t e d s ) ，可以将现有的数据业务速率提高到 3 9 4 k b p s 。 ( 2 ) i d e n 系统 i d e n 系统是由美国m o t o r o l a 公司开发的集移动电话、无线调度及无线 数据传输于一体、功能强大的无线数字移动通信系统。其前身是m o t o r o l a 公司于1 9 9 3 年推出m i r s ( m o t o r o l ai n t e g r a t e dr a d i os y s t e m ) 系统。最初 设计是作集群共网应用，因此除了以指挥调度业务为主外，还兼有双工电话 互联、数据和短消息等功能。1 9 9 4 年开始在北美和日本等地区使用，后更 名为i d e n ( i n t e g r a t e dd i g i t a le n h a n c e d n e t w o r k ) 系统。1 9 9 7 年前后，正式 投入商业应用。 作为一种相当成熟的商用数字集群技术，i d e n 的全球用户已经超过了 1 1 0 0 万，覆盖的区域遍及亚洲的日本、韩国、菲律宾、新加坡、关岛、以 色列以及美洲的美国、加拿大、墨西哥、哥伦比亚、巴西、陋根廷和秘鲁等 国家，仅在美国，i d e n 就覆盖了2 2 亿人口的庞大区域。 i d e n 数字集群通信系统的功能比较齐全，可满足各种特点的企业调度 使用要求，而且可以通过共用电话网使语音和数据业务得以延伸 7 1 。但是， i d e n 也有自身不足的地方，比如通话期间，此条通信信道始终被占用，即 降低了信道的利用率；还有i d e n 系统的标准不公开，而且产品价格较高， 这就不利于它在小企业当中的使用。 i d e n 系统采用t d m a 多址方式，在2 5 k h z 信道带宽内支持6 个时 隙，用于控制或业务信道。其话音采用4 7 2 k b p s 的矢量和激励线性预测编码 ( v s e l p ) ，调制方式为m - - 1 6 q a m ( m = 4 ) 。调制信道比特率为6 4 k b p s a 上下行链路采用频分双工，在8 0 0 m h z 频段的收发间隔为4 5 m h z 卜9 1 。以上 两种数字集群系统的性能简要对照如表1 - 2 所示。 系统名称i d e n 系统t e t r a 系统 多址方式 t d m at d m a 信道宽度 2 5 k h z2 5 l 饵z 每信道时隙数 64 调制方式 m 一1 6 q a m 兀4 d q p s k 调制信道比特率6 4 k b p s3 6 k b p s 语音编码v s e l pa c e l p 语音编码速率 4 2 k b p s4 5 6 7 k b p s 1 3i p 网络的服务质量研究的发展 如何保证集群系统在口网络中正常工作，关键就是要保障口网络的 q o s t l 0 】。目前，针对基于口网络的集群系统的q o s 评价机制与实现手段还 属于空白。但是，球网络的q o s 研究却一直受到人们的关注，也是研究的 热点和集群系统利用i p 网络联网的关键。 i p 网络的服务质量q o s 研究最早的文献可以追溯到s e i t z 和 w o r t e n d y k e 等人在研究a r p a n e t 中的x 2 5 通信时提出的基于用户的性能 评价问题，这是关于计算机网络q o s 研究的最早文献。2 0 世纪8 0 年代， 当时的i n t e r n e t 主要承载数据业务，网络采用尽力而为的服务、无q o s 保 障。到了8 0 年代末期，随着b i s d n 技术以及a t m 交换网的如现和分布式 多媒体应用技术的出现，人们开始致力于对q o s 更深入的研究“。2 0 世纪 9 0 年代初期，v o l p 业务出现，互联网工程任务组( i e t f ，i n t e r n e t e n g i n e e r i n g t a s kf o r c e ) 在i p q o s 领域提出了具有划时代意义的基于r s v p 的i n t s e r v 解决方案，这是一种端到端基于流的q o s 技术【l “。然而由于 i n t s e r v 过于复杂并且难于实现，为了寻求扩展性和简易性，i e t f 又在1 9 9 8 年推出了基于d s c p 的d i f f s e r v 解决方案，这是一种基于类的q o s 技术， 主要用于骨干网。使用d i t i s e r v 在网络入口处根据服务要求对业务进行分 类、流量控制，同时设置报文的d s c p 域。i n t s e r v 和d i f f s e l w 都有各自的 缺点，将这两种体系结构结合起来通常是网络运行商的首选方案n 3 1 。然 而，专用i p 网络不同于传统的i p 网络，面对未来集群系统联网范围的不断 扩大，在专用i p 网络中究竟是选取那种方式好，还需要进一步的研究。 1 4 课题的目的和意义 面对我国对集群通信的巨大需求，借鉴国际集群体制标准，制定符合中 国国情的集群体制标准，开发和研制具有自主知识产权的集群通信系统是非 常迫切和必要的。它不仅可以打破国外对集群系统的技术垄断，保证专用通 信系统的安全性，提高我国通信技术产品的竞争力，同时也有利于维护我国 市场有序竞争，保障无线移动通信频谱有序管理，对进出口商检、质量监督 检验、维护消费者权益等都有重大意义。因而开发集群系统有巨大的经济效 益和较好的社会效益l ”j 。 另外，我国地域广阔，不可能实现全国范围内的集群业务覆盖。但是， 随着全国各地市集群通信系统的发展，集群系统方便、快捷、灵活的调度指 挥功能使得对跨地市之间的通信、调度需求也更加迫切。尤其是在执行跨地 市的大型任务中，跨地市的指挥调度更有利于各地市统一行动、统一管理、 快速反应。这样，集群系统的联网就成为集群系统发展的关键因素。 作为一种专用移动通信系统，集群系统需要独立的专用传输网络。传统 的集群系统是利用e 1 链路、微波接力甚至是卫星通信作为传输网进行数据 传输的。单独铺设这种专用网络，不仅需要大量资金投入，而且其网络带宽 小，不利于未来通信发展的需要。 目前，i p 网络已经成为下一代通信系统的核心网络，以太网络在我国 也是最普遍的网络资源。为了适应第三代通信乃至第四代通信的发展需要， 有许多省市地区为了加快信息产业的发展已经部署了基于t c p i p 的以太专 用网络。在这些地区，如果重新为集群网络铺设专用传输网络，无论从经济 效益还是社会效益角度来讲，都是一种资源的浪费。因此，为了充分利用现 有网络资源并面向下一代通信网络的要求，利用专用i p 网络作为集群系统 的传输网络是未来集群系统联网的发展方向。这样，利用专用i p 网络作为 集群通信的传输网，将会把现有资源充分利用起来，并可实现v p n 和软交 换等诸多项业务和功能。 然而，标准口网络只是一种尽力而为的网络，对接续失败的反应较慢 【1 7 】，从而会导致通信的中断：系统繁忙时，标准i p 网络不能提供良好的话 音质量；另外，标准i p 采用分布式智能管理，导致组呼的呼叫建立时间过 长等等。这些因素对于集群通信系统来说是极其不利的。由于集群系统和 i p 网络有着各自的特点和要求，如果简单地把集群通信系统与i p 网络相结 合起来是不合适的。集群系统对于接续时间有着严格的要求，所传输的信令 也必须做到正确无误，这就要求传输网络有较小的时延和丢包率。而如何在 i p 网络里满足集群系统的要求并保证其服务质量q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 就成为关键所在。 国内外对于基于i p 网络的集群系统的研究尚处于刚刚起步的阶段，缺 少相关的参考文献。比较典型的有美国的m o t o r o l a 公司和n o k i a 公司致力 于t e t r ao v e ri p 的研究。t e t r ao v e ri p 可提供一系列数据应用，如w a p 应用、企业内部网应用、车队管理、电子邮件、数据库查询、指挥调度、遥 测、监视、自动车辆定位、导航、文件传递等业务。同时，可以通过共享无 线资源和话音业务，实现l p 网络内部用户间的持续交流，使现场工作人员 快速、准确地接入到数据库，如：个人身份确认、地址和车辆信息、丢失或 失窃的财产、处于工作状态的各种资源和信息目录业务。然而此项研究只指 针对于t e t r a 标准，虽然取得了一定的进展，但是并不具有普遍性。 针对这种状况，解决集群系统如何利用专用口网络实现集群系统互 联，并且研究集群系统在口网络的服务质量q o s 是本文研究的目的和意义 所在。 1 5 本文的主要研究内容和结构 本文主要研究在专用p 网络里如何实现集群系统互联，并研究基于i p 网络的集群系统的q o s ，提出适合于集群系统的q o s 技术指标。 第一章介绍了国内外集群通信系统的发展现状以及现有集群系统，说明 了本文的目的和意义以及文章结构； 第二章分析了网络协议，路由算法和网络模型，并提出了基于i p 网络 的集群系统的q o s 参数； 第三章介绍了局域网的基本知识，并主要针对总线型l a n ，介绍了 c s m a c d 协议的运行机制，从链路层的角度进行了性能分析； 第四章研究分析了基于i p 的集群系统的关键技术，通过仿真从应用层 模拟了系统性能，对所关心的参数进行了分析，提出了改善和解决的办法， 论证了基于l p 的集群系统的可行性。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第2 章i p 网络协议及服务质量参数分析 基于i p 网络的集群系统通过专用i p 网络进行系统联网。这种专用i p 网络是以t c p i p 协议为基础的，并辅之其它通信协议来增强i p 网络的功 能。对于基于i p 网络的集群系统来说。如何把集群通信协议与t c p i p 协议 有机的结合在一起，是实现在专用l p 网络与集群系统互联的关键。然而， 传统的i p 网络中没有服务质量( q o s ) 的保证，这已成为其向综合业务网 络方向发展的巨大障碍。为此，互联网工程任务组( i e t f ) 提出了增强现 有i p 网络服务质量( q o s ) 的体系结构模型一一i m s e r v 、d i i t s e r v 和 m p l s 体系结构模型以解决这些问题。这三种模型优势互补，但均不能完全 满足口网络的q o s 控制。由于基于l p 网络的集群系统目前还没有相对完 善的服务质量参数定义，也就无法评估系统的性能。为此，要满足未来集群 通信能够在更复杂的i p 网络环境下联网的服务质量要求，如何选择服务质 量体系结构模型并制定相关的服务质量参数是极其重要的。 本章首先简要分析了t c p i p 协议，然后分析了能够应用在专用i p 网络 的现有通信协议，并根据集群系统的功能和特点分析和比较了现有的路e h 算 法和i e t f 提出的三种模型，最后参考其它不同网络对服务质量的定义，提 出了针对甚千t p 网编的鱼群磊辖的阴鬈腑鲁寨将 2 1 网络协议分析 i p 是i n t e m e tp r o t o c o l 的简称，是在网络环境中传输数据的一种协议 1 1 8 。由于m 网络具有性能好，可靠性高，应用寿命长，适用性强，扩展性 好，成本低等优点。正成为产业界和科研组织研究和应用的焦点。集群系 统作为一种专用移动通信系统的标准，也在向m 型网络结构过渡，基于i p 网络的集群系统就是指把所有的信息，包括语音信息、用户数据信息( 短 数据、分组数据和状态数据) 、控制信息及网络管理信息等都封装在i p 分 组中，并在i p 网络中传送。因为在专用通信领域使用的系统要求实时的传 送信息数据，而且要求很高的服务质量q o s 峥以。因此，在基于i p 网络的 集群系统中，必须增强标准口网络的功能，以适应集群调度功能的需求。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 1 1t c p i p 协议体系结构 口协议是i n t e m e t 最基本的协议。简单地说，它就是由底层的i p 协议 和t c p 协议组成的。t c p i p 协议的开发工作始于7 0 年代，是用于互联网 的第一套协议。目前，t c p i p 协议版本已经发展到i p v 6 ，但是i p v 4 现在仍 然是互联网的主要协议版本。球协议可以用于互联网络系统间的通信，它 们既能应用于局域网数据通信中，也能应用于广域网数据通信中。i p 协议 包括了底层的协议规范，也包含了应用层的协议规范，如电子邮件、仿真 终端、文件传输等。 t c p i p 协议体系结构是一组允许经多个异构网络进行通信的协议。由4 层组成的t c p i p 协议体系结构由上至下依次为应用层、传输层、互联网 层、网络接口层。 i p 协议可以运行在各种网络上，使其独立于底层所用的网络技术。t c p 和u d p 通信服务提供了一种与网络无关的平台，在此平台上能够开发各种 应用程序。i p 协议报头结构如图2 - 1 阴影部分所示，总共2 0 个字节的长 度。 0 1 63 版本撤头长度服务类型总长度 标识l 标志i片偏移 牛存削期协议头部校验和 源i p 地址 日的i p 地址 选项+ 填允 数据 图2 1 i p 报头结构 t c p 是一种能够提供面向连接的可靠的服务协议。面向连接是指在源 站和目的站之间建立一条虚拟路径，属于同一个报文的所有数据分组都将沿 着这条虚拟路径发送。t c p 协议通过三次握手和四次握手来建立连接和释 放连接。t c p 协议的可靠性是由差错控制提供的，主要由校验和、确认和 超时来实现。此外，t c p 协议还提供流量控制和拥塞控制，由滑动窗口协 议实现，窗口的大小是由接收端的速率和网络拥塞情况这两者共同决定的。 因此t c p 协议可以在基于口网络的集群系统中为集群系统提供重要且有保 障的分组传输，比如信令协议等，也可以用于对时延不是很敏感的一些其它 业务，比如文字短信、多媒体短信等。其报头结构如图2 2 阴影部分所示， 总共有2 0 个字节的长度。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 数据 图2 - 2 t c p 报头结构 u d p 是一种提供无连接的服务的协议。每一个用户数据包都是独立的 数据包，不进行编号，每一个用户数据分组可以经过不同的路径。所以源站 无法判断目的站是否正确接收到用户数据包。由于u d p 无需源端的确认， 所以传输速度侠，适合语音实时分组通信。u d p 的报头结构如图2 3 阴影 部分所示，总共有8 个字节的长度。其长度也大大小于t c p 数据分组头部 的2 0 字节的长度。 1 6 位源端口号1 6 位目的端口号 1 6 位u d p 长度1 6 能u d p 校骑和 数据 2 1 2 传输层协议的确定 图2 - 3 u d p 报头结构 根据系统内部之间数据分组种类的特征，可以把在l p 网络中所传输的 数据划分为三个层面： ( 1 ) 控制面：允许呼叫建立、发送s d s 、发送状态等。 ( 2 ) 用户面：编码的语音和电路方式的数据业务。 ( 3 ) 管理面：允许网络拥有者使用集群系统，并用网络工具监视网络。 针对各个层面业务的不同特点，需要采用不同的传输协议。控制面的信 息是非周期性的，并且信息必须被认可承认，不允许出现丢包的现象，因此 采用t c p 协议。用户面的信息分为两种，对于话音信息来讲，是周期性的 话音包，不需要被认可承认。而且由于话音的实时性和交互性，必须要尽可 能快速的传输，在保证一定q o s 的基础上，允许一定程度的丢包发生，因 此采用u d p 协议；对于数据业务来讲，对实对性的要求不是很高，相比而 言，可靠性就显得相对重要一些，因此也采用t c p 协议，当然根据具体的 要求，也可以采用u d p 协议。管理面主要运行系统地维护和监测，为了方 便开发和升级，尽可能使用标准的i p 服务，例如：f t p 用来升级软件， t e l n e t 用来远程调试和改变参数，h t t p 用来规划内在的参数，s n m p 用来 故障侦测和实时信息，这些服务都是应用层的协议。它们都有默认的传输协 议。这样，通过使用在专用i p 网络上使用不同的通信协议，从而满足集群 系统的功能和需要。 2 1 3 其它协议 集群系统虽然主要以语音传输为主，但是，面对下一代网络n g n ( n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ) 的发展需要，未来的集群通信还会逐步向传输 多媒体信息、数据等方向发展。目前，许多适合语音通信、数据通信以及 多媒体通信的新协议已经制定完成，它们