馬婷,陳芳
傳統的專業集群通訊往往局限于語音通信,已不能完全滿足各行各業對于數據、視頻等大寬帶的需求。由于LTE具有高速率、廣覆蓋、低時延、并發多、高穩定、快速移動等特性,基于LTE的寬帶應急通信將逐漸成為產業發展的共識。
目前LTE應急通信市場大多數方案都是采用公網的LTE基站(Building Base Band Unit、Radio Remote Unit)、小型核心網、第三方多媒體調度臺、天線等設備集成。這種解決方案各個設備自成一體,保守估計至少有5種以上設備,集成難度大。而應急通信系統體積過大,難以在災害發生的第一時間開赴救災現場。因此,如何在保障功能完備的情況下集成通信設備,縮小體積,減輕質量,這是應急通信發展的一個方向。
傳統的通信系統包括終端、基站、核心網以及調度臺等多種設備,設備多,體積龐大,不利于運輸。為了降低成本,減少設備數量,本文介紹了一種集成通信系統,即將核心網與調度臺集成在同一個Linux服務器上。兩者通過虛擬網卡TUN進行通信,具體系統總體架構如圖1所示:

圖1 集成通信系統總體架構
如圖2所示,通過創建一個虛擬網卡設備TUN作為核心網與多媒體調度臺的通信接口,使得核心網系統和調度臺系統集成在一臺Linux服務器上,即為EPC系統中集成多媒體調度臺設計方案。
虛擬網卡設備是一種工作在IP層的TUN虛擬設備。該虛擬設備作為用戶空間和內核空間交換數據的接口,在數據交互時用戶不需要關心MAC地址的處理。
虛擬網卡設備初始化的具體操作:通過open(“/dev/net/tun”,O_RDWR)打開/dev/net/tun字符設備,然后設置網絡設備的屬性為(IFF_TUN|IFF_NO_PI),利用ioctl的TUNSETIFF命令創建或打開一個點對點的虛擬網絡設備,命名為tunX并關聯到打開的字符設備。
虛擬網卡設備IP地址設置的具體操作:通過網絡套接字的方式利用ioctl的SIOCSIFADDR命令和SIOCSIFNETMASK來為虛擬網卡設備tunX設置IP地址。
通過虛擬網卡設備實現數據的發送,即使用write()系統調用向tun設備的字符設備文件寫入數據,將數據從用戶空間傳送到內核空間處理。
通過虛擬網卡設備實現數據的接收,即使用read()系統調用從tun設備的字符設備文件讀取數據,將數據從內核空間傳送到用戶空間供用戶程序使用。
技術方案的實現包含如下步驟:

圖2 集成方案原理框圖
(1)在EPC應用程序啟動初始化處理中,增加對虛擬字符設備的初始化,同時為虛擬網卡設備tunX設置IP地址。以socket的方式利用ioctl的SIOCADDRT命令為多媒體調度臺設置一條到達終端UE網絡的路由(應設置這樣一條回程路由:目的網段為終端網段的數據包,下一跳應交給tunX處理)。
(2)將EPC應用程序中原來通過物理鏈路將數據包發往多媒體調度臺的接口,修改為通過字符設備來實現數據的發送。即通過Write系統命令將數據寫入字符設備并最終發送到虛擬設備tunX。該數據來自UE,經由eNodeB后通過網口傳遞給EPC程序,由EPC去掉GTPU頭后形成。
(3)將EPC應用程序中原來通過物理鏈路收取來自多媒體調度臺的接口,修改為通過字符設備實現數據的接收。即通過Read系統命令從虛擬設備tunX中接收來自調度臺程序的數據,由EPC程序將數據進行GTPU封裝后經由eNodeB發給UE。
(4)將多媒體調度臺應用程序安裝在EPC應用程序所在的主機上,其與核心網通信的接口設置為tunX。
(5)設置系統自啟動腳本,將調度臺程序的啟動順序置于EPC程序啟動之后,使得調度臺程序的通信接口能夠正確綁定在tunX上。
本文通過將點對點設備TUN作為EPC系統和多媒體調度臺的交互接口,使核心網中集成了多媒體調度臺,實現了調度臺與核心網在同一個Linux服務器上運行。這樣能有效地減小應急通信設備的體積和質量,使設備便于攜帶,降低了應急難度,為應急通信帶來了便利。此系統在公司已有成熟產品,正逐步在應急搶險中發揮重大作用。由于核心網與調度臺在同一服務器上,共享有限的硬件資源,因此對于大量終端的應用場景是存在局限性的。后期可以使用性能更為強大的硬件設備來作為兩者的服務器,從而減少硬件資源帶來的缺陷。
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