基于IP的機動網隨遇接入方案研究

于紅增 孟學軍

摘要：為解決機動網絡和骨干IP網在基于通用設備互聯漫游時的隨遇接入問題，分析了此類互聯需求的特點，對常用的基于IP的二三層互聯方案進行了簡單描述，重點對3層互聯的IP地址分配方案、設備選型和路由協議等進行了分析和比較，提出基于靜態分配IP地址的網絡漫游互聯方案。經驗證表明，在滿足網絡機動性、可用性、可靠性等方面有較大優勢，具有較好的推廣價值。

關鍵詞：機動網絡；隨遇接入；網絡漫游

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2019）12-60-3

0引言

隨著我國航天事業的發展，對通信測控系統機動布站的需求日增，在組網靈活性、便捷性方面提出了新挑戰，為滿足對外信息傳輸的需要，設計合理的機動設備IP地址分配方案和網絡互聯方案就非常重要。根據網絡互聯對IP地址的客觀要求，網絡的移動必須改變系統參數配置，當機動設備需頻繁移動時，終端設備軟件和網絡設備調整參數配置的工作量很大，增加了系統風險，同時給設備遠程操控帶來不便。針對終端的漫游和隨遇接入，可以采用移動IP技術[1-4]，但它并不適用于機動網絡與骨干網絡的互聯。目前，機固互聯和網絡化應用大多采用通信控制器和鏈路層技術實現鏈路自適應和組網[5-6]，而機固互聯設備本身相當于一個應用層網橋，實現基于IP技術的通信組網[7]。本文針對特定應用領域要研究的也是網絡機動問題，試圖基于通用路由器和3層交換機在IP層直接解決機動網絡與骨干網絡的隨遇互聯問題。基于機固網絡互聯鏈路本身的特點和現有網絡設備條件，設計適用于機動網絡的IP地址分配方案和漫游互聯方案，提高網絡部署的時效性，是本文研究的重點。

1機動網接入方案

1.1網絡漫游

機動平臺包括車載方艙、飛機和船舶等，并通過衛星、微波、短波/超短波、公網4G或地面光纖等手段與地面骨干網進行通信，機動平臺上有數量較多的用戶終端，終端地址不會因為網絡本身的移動而發生改變，改變的只是機動平臺網絡接入固定網絡的互聯鏈路和IP地址，需要解決IP地址的分配、路由控制及相關的網絡管理和網絡安全問題，并對系統的QoS進行評估。

1.2二層互聯與三層互聯

目前，地面固定骨干網絡和機動平臺網絡已采用路由器和交換機基于以太網技術構建，從OSI模型來看，各種互聯鏈路提供的都是具體的物理層傳輸介質，對于網絡層是透明的。為了便于研究和簡化描述，可以將機固互聯設備（如微波機、4G基站、短波/超短波電臺和衛星通信設備等）抽象為網橋，這樣就可以不必關心信道設備的具體形態，簡化互聯鏈路模型，只關注網絡層面，降低分析問題的復雜度。系統組網拓撲如圖1所示。

以太網互聯一般有2種方式：二層互聯和三層互聯。

二層互聯是將機動網絡與固定網絡的互聯部分共用1個VLAN和1個網段，共同構建1個二層網絡。由于二層網絡固有的廣播問題，該方式僅適用于小規模網絡，不適用于大規模網絡；三層互聯（即機動網絡與固定骨干網絡的互聯）依固定接入站點不同采用不同的網段，可以很好地限制廣播報文的擴散范圍，具有較好的擴展性，適用于大型網絡組網。

在三層互聯模式中，目前的路由交換設備基本都支持IPv4/IPv6雙棧，對于下一代網絡采用的IPv6技術來說，其可以自動分配FE80：/64的地址[8]作為互聯地址而不需人工參與，結合動態路由協議OSPF v3或IPv6-IS-IS可以很方便地解決機動網絡與固定網絡的互聯問題。考慮到目前終端應用系統主要基于IPv4，沒有IPv6的互聯地址自動分配機制。為此，本文討論了基于IPv4技術分配互聯地址的方案，并進一步探討了實現機固鏈路互通的機制。

2 IP地址分配方案和鏈路互聯方案

2.1 IP地址分配方案

IP地址分配有靜態和動態2種分配方式。

2.1.1靜態分配

靜態分配互聯IP地址的互聯方案，其核心思想是為固定站和機動平臺預先分配好互聯所需要的全部IP地址。對于每個機動站來說，接入到哪個固定基站，則激活相應的互聯鏈路，抑制其他備用互聯地址，實現機固網絡的一體互聯。IP地址分配方案如下：

第1步：確定固定站互聯IP地址網段的地址容量。根據機動網絡的數量決定機固互聯網段最大的IP地址容量。假定機動平臺網絡的數量為（≥1），由于固定站廣域網口需要1個IP地址，每個機動平臺網絡廣域網口需要1個IP地址，總計需要1+個IP地址，網段的IP地址總數不能小于（1+）+2，據此可以確定互聯網段采用的子網掩碼位數。

第2步：確定機動站機固互聯IP地址網段的數量。機動平臺網絡處于運動中，出口路由器可能接入到固定網絡的任何可用基站。顯然每個基站配置一個IP網段較為合理，而且也便于運維系統正常識別機動平臺網絡接入固定網絡的入口點位置；每個機動平臺網絡需要配置和基站總數同樣多的網段。假定固定基站的數量為（≥1），則總共需要個互聯網段。

2.1.2動態分配

動態分配互聯IP地址的機固互聯方案，核心思想是固定站互聯設備設置為DHCP服務器，機動站互聯設備作為DHCP客戶端。對于每個機動平臺來說具體接入到哪個固定基站，則從哪個基站獲取互聯所需的IP地址，激活相應的互聯鏈路，實現機固網絡的互聯。

DHCP協議采用客戶端/服務器（Client/Server）的方式工作，如圖2所示。DHCP客戶端啟動后自動向DHCP服務器動態請求IP地址配置信息，DHCP服務器選擇合適的地址池，并從中挑選一個空閑的IP地址，與其他相關參數（如網關地址、DNS服務器地址和地址租用期限等）一起傳送給DHCP客戶端，DHCP客戶端據此完成本地網絡端口的配置。

DHCP協議常用于為終端自動分配IP地址，圖2中AR路由器的端口A為DHCP服務器，終端工作在DHCP客戶端模式，自動從AR獲取網卡配置參數。DHCP協議簡化了終端網絡的配置和維護工作，帶來了便利。

DHCP協議的地址自動分配功能也以用于網絡互聯，如圖3所示，網絡Net1和網絡Net2通過各自路由器AR1，AR2互聯。如果將AR1的廣域網口A設置為DHCP服務器，而AR2的廣域網口B設置為DHCP客戶端，則可以實現當AR2開機后與AR1建立3層鏈路并互通，互通過程中AR1，AR2無需做任何配置調整。

2.1.3 IP地址分配方案的選擇

動態分配IP地址的DHCP協議，在移動WiFi和互聯網接入中廣泛應用，但在機固網絡互聯中也存在一些不足：

①DHCP客戶端獲得的網關地址將作為缺省網關，即在DHCP客戶端上會自動生成一條缺省靜態路由，容易導致路由環路。

②如果DHCP客戶端經過網橋設備（如微波機、衛通Modem等）連接到DHCP服務器，只要網橋設備一直處于開機狀態，DHCP客戶端在申請IP地址成功后直到其IP地址到期前不重復發送IP地址申請請求。這會導致當DHCP客戶端連接的DHCP服務器斷開或改變之后，DHCP客戶端不能及時發現，無效互聯地址產生的無效路由的存在會導致業務中斷，需要人工干預。因此，本文的應用領域無法采用DHCP動態分配IP地址的方案，只能采用靜態分配IP地址的方案。

2.2機固互聯方案

2.2.1確定互聯設備選型

機動平臺網絡出口路由器/三層交換機的一個端口需要個地址，以實現與個固定基站的自動連接，根據實際組網經驗，機固互聯采用交換機實現較為方便。

①交換機通過trunk接口可以通過最多4 k個VLAN（對應同等數量的IP地址網段），如果備用接口和主用接口預先做同樣的配置，切換到備用接口后不需要做任何配置調整；而路由器則必須采用子接口方式才能配置那么多IP地址，切換到備用接口后需要重新配置所有IP地址，恢復時間長，過程繁瑣易出錯。

②交換機比路由器在QoS能力、體積、功耗和成本等多方面更有優勢。

2.2.2確定互聯鏈路采用的路由協議

路由協議分為靜態路由協議和動態路由協議。采用動態路由協議（如OSPF）簡單方便，當機動平臺網絡在固定網中移動過程中處于哪個固定站的覆蓋區域內，則該機動平臺網絡的個網段中就有一個與固定站由于網段相同從而能夠形成OSPF鄰居關系，其他網段則不能形成OSPF鄰居關系。這樣在機動平臺網絡機動過程中自動利用不同的固定站與骨干網絡建立互聯鏈路，形成網絡傳輸通道。

3仿真驗證

綜上所述，基于靜態分配IP地址的互聯方案有較好的適應性，是機動網IP接入方案的首選。本文針對靜態預分配IP地址的網絡互聯方案，基于華為eNSP（enterprise Network Simulator Platform）平臺搭建模擬環境，對網絡互聯方案進行仿真驗證。實驗中用HUB模擬信道設備，即圖1中的網橋。

某機固互聯網絡以192.168.0.0/16作為機固鏈路的互聯地址空間，機動平臺數量=10，地面固定站點數量=5。

第1步：確定互聯IP地址。

①固定站的廣域網地址：

192.168.n.1/24，其中1≤n≤=5。

②機動站點m的個廣域網地址：

192.168.1.m+1/24，其中1≤m≤=10。

192.168.2.m+1/24

……

192.168.N.m+1/24

第2步：配置固定站機固互聯接口。

從100開始作為互聯鏈路的VLAN Id，固定站n的接口配置如下：

vlan [100+n]

interface vlanif [100+n]

ip address 192.168.n.1 255.255.255.0

interface gi 0/1/1

port link-type trunk

port trunk allow-pass vlan [100+n]

ospf 1

area 0

network 192.168.n.1 0.0.0.255

完成全部個固定站設備配置。

第3步：配置機動平臺機固互聯接口。

機動平臺m的接口配置如下：

vlan 101

interface vlanif 101

ip address 192.168.1.m+1 255.255.255.0

vlan 102

interface vlanif 102

ip address 192.168.2.m+1 255.255.255.0

vlan 105

interface vlanif 105

ip address 192.168.5.m+1 255.255.255.0

interface gi 0/1/1

port link-type trunk

port trunk allow-pass vlan 101 to [100+N]

ospf 1

area 0

network 192.168.1.m+1 0.0.0.255

network 192.168.2.m+1 0.0.0.255

……

network 192.168.5.m+1 0.0.0.255

完成全部個機動平臺站的設備配置。

第4步：模擬網絡機動互聯。設備加電后，通過調整網橋之間的連線模擬機動站接入不同固定站的情形，檢驗機固互聯鏈路OSPF鄰居的正確性和OSPF鄰居的唯一性，部分測試結果如表1所示。

可見，基于靜態分配IP地址的網絡互聯方案，能夠實現在漫游情況下接入鏈路的自動切換，滿足隨遇接入要求。

4結束語

提出的機動網與地面骨干網IP地址分配方案和互聯方案，經仿真和實際組網驗證，可以實現鏈路自動切換，開通無需修改配置，且切換快、切換后路由狀態穩定。在實際使用中，提出了優化方案，進一步提升了網絡安全性、可用性，降低了鏈路切換丟包。優化措施包括：將固定站設置為OSPF DR；將OSPF和bfd做綁定，以加快路由收斂速度；創建2個OSPF進程分別處理機固互聯鏈路和其他鏈路對應的網段，以加快路由收斂和路由切換速度；采用安全的OSPF協議，防止假冒OSPF鄰居的接入[9]。該方案可用于基于通用網絡設備實現網絡的機動互聯組網，還可以考慮部署VPN以隔離公網路由和私網路由，提升網絡的安全性和健壯性，更進一步改進用戶體驗。

參考文獻

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