超短波自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真

陳媛媛，黃 煒，李 強

（1.電子科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，四川 成都611731；2.中國電子科技集團(tuán)第五十四所研究所通信網(wǎng)信息傳輸和分發(fā)技術(shù)重點實驗室，河北 石家莊050000）

0 引 言

對超短波無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測、協(xié)議識別和入侵檢測分析都須建立在獲取超短波自組織網(wǎng)數(shù)據(jù)流的基礎(chǔ)上。傳統(tǒng)的直接截獲超短波電臺通信信號獲取數(shù)據(jù)流的方法的弊端在于電臺傳輸?shù)男畔⒁话氵M(jìn)行加密處理，內(nèi)部的通信協(xié)議和編碼方式也未知，很難解調(diào)出原始的數(shù)據(jù)流。本文提出直接搭建承載自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的仿真平臺，設(shè)計了其具體實現(xiàn)方法，并設(shè)計網(wǎng)絡(luò)中的中心節(jié)點截獲全部通信節(jié)點的數(shù)據(jù)，為監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)提供完整的數(shù)據(jù)。

1 MIL－STD－188－220D協(xié)議分析

MIL－STD－188－220D協(xié)議的定義請參見文獻(xiàn) ［1］。

1.1 數(shù)據(jù)鏈路層

無線自組織網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議在相鄰的兩個節(jié)點設(shè)備間運行，主要目的是實現(xiàn)數(shù)據(jù)在不可靠的無線環(huán)境中無差錯傳輸。主要功能包括［2，3］：幀同步、差錯控制、數(shù)據(jù)成幀、流量控制和鏈路管理。220D 協(xié)議定義3種類型的幀和3種鏈路幀結(jié)構(gòu)［3］分別為：信息幀、無編號幀、監(jiān)控幀、單字節(jié)尋址、4字節(jié)尋址和6字節(jié)尋址。本文主要討論單字節(jié)尋址的無編號幀幀格式，其它格式分析方法類似，圖1為單字節(jié)尋址的數(shù)據(jù)鏈路幀結(jié)構(gòu)。

圖1 單字節(jié)尋址的數(shù)據(jù)鏈路幀結(jié)構(gòu)

其中，傳輸頭在每一個數(shù)據(jù)鏈路幀之前傳送，用于鏈路控制，由起止標(biāo)志、傳輸信域、幀校驗序列組成。傳輸信息域內(nèi)容有信道編碼信息 （FEC、TDC、加擾）、版本信息、網(wǎng)絡(luò)訪問延長控制信息等。在進(jìn)行糾錯編碼時，整個傳輸頭將進(jìn)行格雷 （24，12）編碼 （FEC）和7×24 的交織編碼 （TDC）。

起止標(biāo)志域是數(shù)據(jù)鏈路層的幀同步標(biāo)志，是一個8比特的序列。本文使用的每一幀中的開始和結(jié)束標(biāo)志為“01111110”。

地址域的作用是用來存放目的節(jié)點、源節(jié)點的鏈路層地址，本文主要討論8位地址協(xié)議。地址域包含一個源地址和多個目的地址組成，總的地址數(shù)量不超過16個。無編號信息幀的控制域為00010011。

信息域的最大長度不超過3345并且其長度必須是字節(jié)的倍數(shù)，不足的數(shù)可以加1－7個0來補足。它的作用是封裝來自網(wǎng)絡(luò)層的信息，目的是傳輸信息。

幀校驗序列是一個32比特的序列，用于差錯檢測。本文使用的幀校驗的產(chǎn)生多項式為：P（x）＝x32＋x26＋x22＋x16＋x12＋x11＋x10＋x8＋x7＋x5＋x4＋x2＋x1＋1。

1.2 網(wǎng)絡(luò)層

220D 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層是Intranet層，也叫3a層，用于在同一廣播域中實現(xiàn)數(shù)據(jù)包從一個源地址到多個目的地址的路由。它也支持拓?fù)湫畔⒑途W(wǎng)絡(luò)連接信息的交換，以實現(xiàn)中繼路由的發(fā)現(xiàn)。

Intranet Header是Intranet層的重點。其中，版本號（version number）代表當(dāng)前使用的Intranet協(xié)議的版本，0代表220A、220B、220C，1 代表的是220D。Intranet Header的格式如圖2所示。

消息類型 （message type）指出Intranet包中數(shù)據(jù)域里的數(shù)據(jù)類型，共有0至15個值，其中有效值有9個，分別是1代表Intranet確認(rèn)，2代表拓?fù)涓拢?代表拓?fù)涓抡埱螅?代表IPv4，5代表ARP，6代表等等。

Intranet頭長度 （intranet header length），用于指示Intranet頭的字節(jié)數(shù)，其值是3、5 或者大于等于9 的數(shù)。RFC 791IP TOS 域的值決定服務(wù)類型 （type of service）的值。

信息識別編號是一個0～255之間的值，在分段重組或者有中繼的情況下使用，每個傳輸?shù)南⒂善渲岛驮吹刂芬黄鹞ㄒ粯?biāo)識。其值由發(fā)送方指定。

圖2 Intranet Header格式

最大跳數(shù) （maximum hop count）指定了Intranet數(shù)據(jù)包在無線網(wǎng)絡(luò)中可以被中繼的最大次數(shù)。它由源主機(jī)指定，每中繼一次減1，為值0則不轉(zhuǎn)發(fā)，進(jìn)行本地處理。

1.3 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議解析［4］

數(shù)據(jù)鏈路層的解析要完成基帶信號的處理和數(shù)據(jù)鏈路幀的字段分析。基帶處理包括解交織 （TDC 譯碼）、糾錯（FEC譯碼）、去擾等信道譯碼操作，根據(jù)標(biāo)志序列完成數(shù)據(jù)鏈路幀的同步。完成幀同步后，進(jìn)行0比特插入算法的逆操作——0比特刪除，復(fù)出原始數(shù)據(jù)鏈路幀的比特序列。按照220D 協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路幀結(jié)構(gòu)，分析源目地址、控制域、幀校驗的字段信息是否符合規(guī)范。然后，檢測幀校驗序列是否正確，將幀校驗序列錯誤的幀丟棄，正確解析出數(shù)據(jù)鏈路幀后則進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議解析。數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議解析流程，如圖3所示。

1.4 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議解析

網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議解析要先后完成Intranet層解析和IP 層解析。其中，IP層解析與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的IP層解析一樣，目的是通過檢測消息類型字段，確定IP數(shù)據(jù)包承載的上層協(xié)議是UDP還是TCP。

圖3 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議解析

根據(jù)MIL－STD－188－220D的定義，Intranet的頭部的第一個字節(jié)的高4位指示了消息類型。在進(jìn)行Intranet層解析時，首先檢查Intranet頭部的長度，確定其是否使用分段重組和中繼，再進(jìn)一步解析上層承載的協(xié)議類型。Intranet層解析的第二步是通過消息類型字段的值來判斷上層協(xié)議類型。比如，消息類型字段的值為 ‘4’，則說明上層協(xié)議是IPv4協(xié)議，下一步將進(jìn)入Intranet層協(xié)議解析。Intranet層的協(xié)議解析如圖1～圖4所示。

2 220D實驗平臺設(shè)計

2.1 實驗平臺的硬件組成

由于無法獲得軍用通信電臺搭建實驗平臺，又考慮到國家無線電規(guī)定，我們選用ISM 頻段的無線通信模塊搭建仿真平臺。該模塊主要由STM32 微處理器和SI4432 射頻模塊組成，工作在470 MHz頻段。在實時性和傳輸功率方面較其它無線模塊具有優(yōu)勢。其通信模塊接口連接圖和內(nèi)部連接如圖5，圖6所示。

2.2 實驗平臺的軟件設(shè)計

2.2.1 數(shù)據(jù)幀格式設(shè)計

220D 實驗平臺用于模擬220D 協(xié)議數(shù)據(jù)幀的端到端傳輸過程。220D 實驗平臺中使用的協(xié)議是簡化的220D 協(xié)議，使用單字節(jié)尋址方式，報文格式為固定的格式。實驗平臺中傳輸?shù)南⑹怯脩魯?shù)據(jù)經(jīng)過IP 層、Intranet層和數(shù)據(jù)鏈路層逐層封裝形成的［4］，如圖7所示。

按照Internet協(xié)議 （IP）在DARPA RFC791 中定義，IP報文格式較為復(fù)雜。在220D實驗平臺中，我們將IP報文的格式簡化為源IP地址，目的IP地址，用戶數(shù)據(jù)3個部分。

圖4 Intranet層解析

圖5 220D 實驗平臺節(jié)點的接口

圖6 通信模塊內(nèi)部連接

圖7 220D 實驗平臺的數(shù)據(jù)封裝過程

根據(jù)Internet頭部的結(jié)構(gòu)的定義，Intranet頭部最短為3個字節(jié)。在實驗平臺中消息類型的值是 “4”，表示承載IPv4協(xié)議；版本號的值是 “0”，表示220D；Intranet頭部長度為 “3”；服務(wù)類型為 “0”。

根據(jù)MIL－STD－188－220D 協(xié)議規(guī)定，鏈路層的數(shù)據(jù)鏈路幀結(jié)構(gòu)定義如圖1所示。在220D 實驗平臺中，不進(jìn)行幀校驗，幀校驗字段省略。這里使用的是單字節(jié)尋址。單字節(jié)源地址，消息指示為命令，命令響應(yīng)比特的值為 “0”；單字節(jié)目的地址，無后續(xù)目的地址，擴(kuò)展比特的值為 “1”。起止標(biāo)識是 “01111110”；控制域是 “01110011”。

2.2.2 通信參數(shù)的設(shè)置

220D 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的物理層定義了FSK、DPSK、CDP、ASK 和NRZ調(diào)制方式，速率是75bps～32kbps。SI4432射頻芯片支持GFSK、FSK 和ASK 這3種調(diào)制方式，支持的速率是1kbps～128kbps。因此，220D 實驗平臺選擇使用其中的FSK 調(diào)制方式，傳輸速率設(shè)置為75bps～32kbps范圍內(nèi)的9.6kbps。

SI4432［4］可以從FIFO 模式和直接模式獲得調(diào)制數(shù)據(jù)。FIFO模式下STM32使用SI4432芯片的FIFO 來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。直接模式是將數(shù)據(jù)直接送到芯片的一個引腳，進(jìn)行實時處理的。受通信模塊內(nèi)部硬件連接的限制，不支持直接模式。因此，在程序設(shè)計中，我們只考慮SI4432以FIFO 模式來進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。發(fā)送端模塊在上電后，首先對射頻芯片初始化，通過SPI接口復(fù)位射頻芯片的各寄存器，STM32微處理器通過SPI接口對SI4432的寄存器進(jìn)行配置，進(jìn)而控制通信頻率、工作模式、頻率偏差、調(diào)制方式等通信參數(shù)。STM32通過SPI讀操作，讀取SI4432寄存器的值，讀操作的參數(shù)包括起始寄存器地址、讀的字節(jié)數(shù)。其代碼實現(xiàn)是：

STM32通過SPI寫操作，配置SI4432寄存器參數(shù)，寫入操作包括起始寄存器地址、寫入的字節(jié)數(shù)和待寫入的數(shù)據(jù)。其代碼實現(xiàn)是：

220D 實驗平臺的通信參數(shù)設(shè)置如下：中心頻率470 MHz、調(diào)制方式FSK、傳輸速率9600bps、載波頻率間隔45kHz、發(fā)射功率20dBm，相應(yīng)的寄存器設(shè)置見表1。

表1 通信參數(shù)相關(guān)的寄存器參數(shù)設(shè)置

2.2.3 發(fā)送端程序設(shè)計

在發(fā)送數(shù)據(jù)時，用戶數(shù)據(jù)通過計算機(jī)的串口調(diào)制助手進(jìn)行輸入。來自計算機(jī)的用戶數(shù)據(jù)是以UART 中斷服務(wù)的方式發(fā)送給STM32。STM32通過UART 中斷服務(wù)程序的將來自計算機(jī)UART 數(shù)據(jù)接收下來，寫入到待發(fā)送的用戶數(shù)據(jù)Usr＿data 中。中斷服務(wù)程序的流程如當(dāng)檢測到UART 中斷時，進(jìn)入UART 接收模式，清除中斷標(biāo)志。等待數(shù)據(jù)接收完成后，將接收到的數(shù)據(jù)寫入到待發(fā)送的用戶數(shù)據(jù)Usr＿data 中。如果有UART 數(shù)據(jù)發(fā)送，則進(jìn)入UART 發(fā)送模式將數(shù)據(jù)從UART 發(fā)送出去。

發(fā)送端對用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，生成鏈路幀后，按照SI4432設(shè)置的包長度將其逐個發(fā)送出去。用戶數(shù)據(jù)的發(fā)送處理過程如圖8所示。發(fā)送端的主程序不斷地檢測UART中斷信號，當(dāng)檢測到UART 中斷信號時說明有用戶數(shù)據(jù)要發(fā)送。延遲200 ms （9600bps的UART 速率，在200 ms可以傳輸240 字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)［5］），等待用戶數(shù)據(jù)傳輸完成，確認(rèn)沒有后續(xù)數(shù)據(jù)，再進(jìn)入數(shù)據(jù)發(fā)送階段。首先，用戶數(shù)據(jù)按照2.2.1定義的報文格式進(jìn)行封裝，生成最終發(fā)送的數(shù)據(jù)鏈路幀。將生成的數(shù)據(jù)鏈路幀按照SI4432初始化時設(shè)定的發(fā)送包長度進(jìn)行分割，每個包依次寫入到SI4432的發(fā)送FIFO 中，逐個發(fā)送出去。SI4432 將一個包發(fā)送完一個包后，會產(chǎn)生nIRQ 中斷，向STM32指示該數(shù)據(jù)包已經(jīng)發(fā)送完成。STM32檢測到nIRQ 中斷后，停止SI4432的發(fā)送狀態(tài)，清除發(fā)送FIFO，向發(fā)送FIFO 寫入下一個待發(fā)送的數(shù)據(jù)包，再重新進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)。不斷重復(fù)這個過程，直到將所有的用戶數(shù)據(jù)發(fā)送畢。

圖8 發(fā)送端主程序流程

2.2.4 接收端程序設(shè)計

接收端的程序流程如圖9所示。接收端在上電后，同樣要完成STM32 和SI44432 芯片的初始化，設(shè)置通信參數(shù)，將幀起始標(biāo)志指示變量sta＿flag置零 （0表示沒有檢測到起始標(biāo)志，1表示檢測到起始標(biāo)志）［6］。然后，關(guān)閉去了除了接收中斷以外的其它所有中斷，進(jìn)入接收狀態(tài)，等待接收中斷 （中斷發(fā)生時nIRQ 引腳電平會拉低）。讀取中斷的狀態(tài)，將nIRQ的電平拉高。讀取SI4432的數(shù)據(jù)包長度寄存器4Bh，獲取到數(shù)據(jù)包的長度。從接收FIFO 中，讀取接收到的數(shù)據(jù)，關(guān)閉接收模式，進(jìn)行幀起始標(biāo)志“01111110”的檢測。當(dāng)檢測到 “01111110”時，判斷sta＿flag是否為1。當(dāng)sta＿flag不是1時，說明該 “01111110”是幀起始的標(biāo)志，重新進(jìn)行下一個包的檢測。當(dāng)sta＿flag是1時，說明此時的 “01111110”是幀結(jié)束標(biāo)志，進(jìn)行幀的解析，提取出用戶數(shù)據(jù)、源地址和目的地址信息，通過UART 傳輸給計算機(jī)的串口調(diào)試助手進(jìn)行顯示，并將sta＿flag置零。

3 性能測試和分析

開發(fā)環(huán)境使用IAR System 公司的IAR Embedded Workbench IDE嵌入式集成開發(fā)環(huán)境。該開發(fā)環(huán)境支持眾多的ARM 微處理器，也包括本文中使用的基于ARM Cortex－M3內(nèi)核的STM32 處理器［6］。程序燒寫成功并設(shè)置完成后即可進(jìn)行通信測試。

3.1 數(shù)據(jù)包解析測試

對實驗平臺的數(shù)據(jù)包傳輸和解析測試時，進(jìn)行了兩組測試。第一組測試時使用的用戶數(shù)據(jù)是 “Packet test”，第二組測試使用的用戶數(shù)據(jù)是 “240 MHz～930 MHz”。兩組測試的結(jié)果分別如圖10所示。

由圖10 （a）的測試結(jié)果可以看出，接收端能夠?qū)?shù)據(jù)報文進(jìn)行正確地解析，顯示出用戶數(shù)據(jù)、220D 鏈路層源地址和源IP地址，發(fā)送程序中設(shè)置的源地址一致。由圖10（b）看出，這組測試中出現(xiàn)了數(shù)據(jù)幀解析錯誤，只顯示了部分信息內(nèi)容。經(jīng)分析，原因是字符 ‘～’的ASCII值為0x7E與我們程序設(shè)計時的幀起止標(biāo)識 “01111110”相同。用戶數(shù)據(jù)中包含這個 ‘～’字符時，就會認(rèn)為是數(shù)據(jù)幀的起止標(biāo)志，造成成幀失敗。數(shù)據(jù)解析時，從起始標(biāo)志“01111110”開始到 ‘～’字符位置范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，按照定義的幀格式解析，只能解析出部分的數(shù)據(jù)包信息。而后面的那部分內(nèi)容，由于不符合定義的字段規(guī)范，會被丟棄。如果用戶數(shù)據(jù)中包涵多個 ‘～’字符，由于兩個 ‘～’字符所界定范圍內(nèi)的信息不符合定義的數(shù)據(jù)幀格式，這部分內(nèi)容也會被丟棄。原因是220D 協(xié)議中使用 “01111110”序列作為起止標(biāo)志，其原因是其使用了差錯控制和0比特插入算法，有效地避免了數(shù)據(jù)幀中出現(xiàn) “01111110”序列。目前，220D 實驗平臺的設(shè)計沒有使用差錯控制和0比特插入算法，不能直接使用 “01111110”作為標(biāo)志。

圖9 接收端程序流程

圖10 數(shù)據(jù)包解析測試結(jié)果

因此，需要對我們的收發(fā)端程序的起止標(biāo)志進(jìn)行修改，起止標(biāo)志設(shè)計為3 個 “01111110”序列。在接收端監(jiān)測到連續(xù)3個0×7E時，才認(rèn)為檢測到幀起止標(biāo)識，界定出數(shù)據(jù)鏈路幀的范圍，解析出用戶數(shù)據(jù)和地址信息。

3.2 丟包率測試

在進(jìn)行220D 實驗平臺的丟包率測試時，設(shè)計好程序燒寫到無線模塊中，通過計算機(jī)串口調(diào)試助手來控制數(shù)據(jù)的發(fā)送，不便于統(tǒng)計接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)幀數(shù)量。丟包率統(tǒng)計時，將發(fā)送端的程序修改為直接發(fā)送已經(jīng)寫入STM32內(nèi)部的用戶數(shù)據(jù) “packet loss test”，每次系統(tǒng)上電后發(fā)送6000次。接收端在檢測到一個數(shù)據(jù)包后，將接收數(shù)據(jù)包數(shù)量變量加1，并通過UART 端口輸出到計算機(jī)的串口調(diào)試助手進(jìn)行接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)量顯示。

對于 “packet loss test”用戶數(shù)據(jù)，經(jīng)過封裝后的鏈路幀長度是36個字節(jié)，按照SI4432設(shè)置的9600bps無線發(fā)送速率，6000個36字節(jié)的數(shù)據(jù)大約需要180s。在進(jìn)行一組測試時，先啟動接收端，再啟動發(fā)送端。發(fā)送端模塊上電啟動5 分鐘后 （5 分鐘足夠?qū)?000 個測試數(shù)據(jù)發(fā)送完成），從接收端的串口調(diào)試助手讀取數(shù)據(jù)包數(shù)量值，將其作為接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)量。

在空曠環(huán)境下對220D 實驗平臺的傳輸性能進(jìn)行測試。改變通信距離，統(tǒng)計發(fā)送的數(shù)據(jù)幀和接收到的數(shù)據(jù)幀數(shù)量。按照以上描述的方法進(jìn)行5組測試，通信距離分別是5m、20m、50m、100m。統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 丟包率測試結(jié)果

可以看出，系統(tǒng)的丟包率隨著距離的增加而增大。當(dāng)傳輸距離在20m 以內(nèi)時，系統(tǒng)的丟包率為0。傳輸距離大于100m 時，系統(tǒng)的丟包率高于2.2%，與REXDP2 模塊標(biāo)稱的2000m 可靠傳輸距離有較大差距。系統(tǒng)在傳輸距離增大到100m 后，丟包率增加的原因是通信距離［7］增大后系統(tǒng)信噪比降低，誤碼率增高，而軟件設(shè)計中沒有使用糾錯編碼，當(dāng)誤碼造成起止標(biāo)志發(fā)生差錯，或則誤碼使數(shù)據(jù)中出現(xiàn)起止標(biāo)志相同的序列均會出現(xiàn)成幀失敗，而造成丟包。另外，平臺中各模塊之間導(dǎo)線連接的不穩(wěn)定性，也會增加系統(tǒng)誤碼率，進(jìn)而造成系統(tǒng)性能下降。

4 結(jié)束語

筆者所提出的利用無線模塊搭建超短波自組織網(wǎng)絡(luò)并在該網(wǎng)絡(luò)上承載典型自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議幀格式進(jìn)行通信的方法，雖然我們只提取協(xié)議中典型的字段進(jìn)行了仿真研究，對于文獻(xiàn) ［8］中所提到的協(xié)議識別典型特征值比對已經(jīng)能夠滿足要求，該方法相對于傳統(tǒng)的利用超短波電臺進(jìn)行通信［9］的方法來進(jìn)行協(xié)議識別或者入侵檢測［10］研究來說，具有簡單可行，成本低的優(yōu)點。該方案降低了獲取超短波自組織網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的難度，整個實驗平臺能夠很好滿足自組織網(wǎng)絡(luò)的特點并且完成了通過編碼仿真使之承載典型自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議幀格式進(jìn)行通信。

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