數據電臺組網通信中的一種IP接入技術

吳思遠

摘 ?要： 在傳統的數據電臺組網通信系統的基礎上，通過網口物理層抓包、發送的方式，引入一種全新的IP接入技術。該技術在用戶端以IP地址代替傳統平臺身份號的同時，還增加了對PING，Telnet，FTP等基本網絡功能的支持，就好像數據電臺組網通信系統中的每個節點都是連接在網絡交換機上的一臺電腦，為電臺用戶提供了極大的便利。另外，該技術還具有非常好的可移植性，支持Windows，Vxworks，Linux等多種操作系統。

關鍵詞： 數據電臺; 組網通信; IP接入技術; 可移植性; FTP; 操作系統

中圖分類號： TN711?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）12?0152?04

Abstract： On the basis of the traditional networking communication system using the data radio， a new IP access technology is introduced by means of packet capture and transmission on the physical layer of the network interface. In the technology， the IP address is substituted for the traditional platform ID number on the user terminal， and the support for basic network functions such as PING， Telnet and FTP is added， so that every node of the networking communication system using the data radio is like a computer connected to the network switch， which provides a huge convenience for radio users. The technology has a very good transportability， and can support various operating systems such as Windows， Vxworks and Linux.

Keywords： data radio; networking communication; IP access technology; transportability; FTP; operating system

0 ?引 ?言

隨著科學技術特別是信息技術的迅猛發展，傳統的數據電臺[1]應用方式已經無法滿足當前越來越多應用場景的需要[2]。首先，數據電臺對于用戶使用而言不夠便利。對于一個數據電臺來說，其用戶通常是與之通過網口相連接的應用平臺[3]。應用平臺的作用是人機交互，供決策者視情況做出相應的決策，并通過數據電臺進行發送[4]，應用平臺往往是一臺PC。這樣一來，用戶當然希望能夠通過PING命令[5]確定與其他應用平臺或數據電臺的連通性。其次，數據電臺的功能不夠強大。傳統的數據電臺往往只支持既定的格式化消息，不支持FTP[6]，Telnet[7]等基本網絡功能。這在特定的應用場景下是一種優勢，能以最小的資源代價完成各種消息的需要。但是，數據電臺的應用不會只局限于一種特定的場景，在不同的應用場景下，往往需要更換配置文件甚至更換程序。如果數據電臺能夠支持UDP，TCP傳輸，那便可以只通過一個應用平臺更換整個網內數據電臺的相關文件，極大地節省了人力、物力、財力，更重要的是節省時間成本，這對于軍事應用來說是非常寶貴的。本IP接入技術即是為解決這些問題而提出的，既使用IP地址代替平臺身份號以符合用戶習慣，又在傳統的功能之上增加了PING，FTP，Telnet等網絡功能，擴展了應用場景，具有很強的實用價值。

1 ?原型系統

為了簡單起見，使用如圖1所示的原型系統模擬現實進行說明。

原型系統由4臺PC組成，均為Windows（32位）操作系統，其中：PC2為模擬數據電臺1，PC1是與之通過以太網相連接的應用平臺1;同理，PC3為模擬數據電臺2，PC4是與之通過以太網相連接的應用平臺2;PC2與PC3之間通過以太網相連接，使用SOCKET UDP傳輸模擬空間射頻通信，數據電臺與應用平臺相連接的網口稱為IP接入口，即網口2和網口5。IP接入技術的應用程序駐留在PC2與PC3上，用VC6.0實現，其核心處理部分與其他操作系統保持一致，僅對IP接入口的操作因操作系統不同有所差異，以及使用SOCKET UDP傳輸模擬空間射頻通信而有所區別。

圖1 ?原型系統

本IP接入技術的基礎是IP接入口的物理層抓包與發送操作。在原型系統中，由于模擬的數據電臺的操作系統是Windows，因此需要安裝WinPcap[8]。安裝成功之后，便可以在操作系統下獲得一系列操作，包括網卡的讀取與選擇、數據的過濾、MAC地址的獲取、網口數據的捕獲及網絡數據的發送等[9]。值得注意的是，網口數據的捕獲是一種“捕獲”而非“截獲”的方式，即當PC1通過網口向PC2發送任何網絡消息時，該捕獲操作在獲得該消息的同時，網口2的網絡協議棧也能獲得該消息;并且，該捕獲還是雙向的，不僅能夠捕獲網口2接收的網絡消息，還能夠捕獲網口2發送的網絡消息。另外，網絡數據的發送操作也是雙向的，即當在網口2上使用WinPcap提供的網絡數據發送操作時，不僅PC1獲得了該網絡數據，網口2的網絡協議棧也能獲得該消息。正是由于上述提供的操作及其特性，才足以支撐本IP接入技術的實現。

2 ?具體設置

以太網通信特性依賴于網口的具體設置，包括IP地址設置、子網掩碼及默認網關[10]設置等，因此，在具體實現之前，首先需要根據功能需求對應用平臺網口及數據電臺IP接入口進行設置。

首先，基于數據電臺用戶便利性的考慮，并且，為了最大可能地支持更多的組網平臺數量，所有的應用平臺應該保證在同一個網段，所有的數據電臺IP接入口也應該保證在同一個網段，且這兩個網段為不同網段。因此，設置PC1與PC4的IP地址分別為192.168.0.1和192.168.0.2，子網掩碼均為255.255.255.0;設置PC2與PC3的IP接入口IP地址為22.20.22網段，子網掩碼也是255.255.255.0。基于向下兼容性的考慮，PC2與PC3的具體IP地址應該依賴于其具體的平臺身份號，即每臺數據電臺IP接入口的IP地址應與其平臺身份號有一個一對一的映射關系。這里為了簡單起見，假設映射關系為直接映射，即假設PC2與PC3的平臺身份號分別為1和2，那么它們的IP接入口的IP地址分別為22.20.22.1與22.20.22.2。這樣一來，當PC1的用戶希望與PC3的數據電臺互通網絡消息時，其知曉PC3的IP地址為22.20.22.2，當其希望與PC4的用戶互通網絡消息時，其也知曉PC4的IP地址為192.168.0.2。

其次，由于應用平臺IP地址與數據電臺IP接入口IP地址處在不同的網段，因此，為了網絡數據的可達，需要為每一個應用平臺設置默認網關。基于IP接入程序通用性的考慮，每個應用平臺的默認網關都設置為192.168.0.254，該IP地址不再做任何應用平臺IP地址使用。

另外，由于數據電臺往往連接了多個用戶平臺，受多個控制席位的控制，因此，出于安全性的考慮，無論通過什么方法（數據電臺本地設置或基于傳統應用方式通過格式化配置報文對數據電臺進行設置），數據電臺應能夠知曉與其相連接的唯一可以使用IP接入功能的應用平臺的IP地址。

3 ?相關改造

在該IP接入功能實現之前，還需要對傳統的數據電臺組網通信進行一定的改造。

首先，出于向下兼容性及便于IP接入程序實現的考慮，需要在傳統各類傳輸消息之外新增一類IP接入消息，以便于對不同消息進行分類處理。

其次，由于在傳統的數據電臺組網通信中都是利用平臺身份號進行尋址，因此，為了實現IP接入功能，需要在數據電臺內建立一個其他電臺平臺身份號與其應用平臺IP地址對應關系鏈表，每個節點包含平臺身份號、應用平臺IP地址及接收時間。每個數據電臺應在網內周期廣播發送本電臺平臺身份號與應用平臺IP地址對應關系，在收到網內其他電臺發來的對應關系后，更新對應關系鏈表，并定期對鏈表進行維護，刪除超時節點。以便通過IP接入消息目的IP地址轉換為平臺身份號進行尋址發射。

4 ?功能實現

該IP接入功能在程序實現上主要分為三個部分，分別是初始化、IP接入口捕獲數據處理及射頻接收數據處理。初始化的主要功能是選擇對應網卡以獲得在該網卡上的相應操作及該網卡的MAC地址，其程序流程如圖2所示。

圖2 ?初始化程序流程圖

IP接入口捕獲數據處理主要包括兩部分，分別是接收數據捕獲處理和發送數據捕獲處理，其程序流程如圖3所示。

圖3 ?IP接入口捕獲數據處理程序流程圖

由于需要本地應用平臺與遠端數據電臺進行網絡通信，因此，本地電臺每通過射頻接收到遠端應用平臺發來的給本電臺的網絡消息時，需要構造一個虛擬網口與本電臺IP接入口進行通信，虛擬網口的MAC地址為11.11.11.11.11.11，IP地址為22.20.22.遠端平臺身份號。發送數據捕獲處理就是對IP接入口發送給虛擬網口的網絡數據進行的處理。

射頻接收數據處理是解析從射頻接收到的網絡數據，根據目的IP及消息類型的不同做分類處理，其程序流程圖如圖4所示。

圖4 ?射頻接收數據處理流程圖

需要特別注意的是，對于UDP，TCP數據包，其用戶數據最大可達一包約1 500 B。在某些數據電臺組網通信系統中，空間射頻傳輸的單包消息可能無法支持這樣的數據長度，因此，對于網絡數據包長度大于空間傳輸限制的，在射頻發射與接收處還需要自行做分包重組處理。

5 ?結 ?語

通過在如圖1所示的原型系統上進行測試，證明了該IP接入技術支持本地應用平臺到本地數據電臺的PING命令、本地應用平臺到遠端數據電臺及到遠端應用平臺的FTP，Telnet功能，其中，FTP功能的傳輸速度大于500 Kb/s。由于有其他很多種方法可以實現，因此本地應用平臺到本地數據電臺的FTP及Telnet功能暫不做處理。在數據電臺為Vxworks操作系統的現實數據電臺通信系統中也實現了該IP接入功能，在實現手段上的區別只在于由Vxworks提供的系統函數替代WinPcap提供的相應操作，其余核心處理部分完全相同;在現實系統中進行測試，所支持的功能與在原型系統上完全相同，只是由于采用的數據電臺通信系統是TDMA的，因此在傳輸速度上有較大的下降。另外，在Linux操作系統下，也已知有操作系統提供的相同操作存在，因此該IP接入技術也完全可以移植到Linux操作系統的數據電臺中。

綜上所述，該IP接入技術不僅為數據電臺用戶提供了極大的便利，還具有非常強的可移植性，只是在支持的網絡功能上還有待進一步根據用戶需要進行擴展。

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