異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)終端切換整合系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)*

林海濤，何如龍，吳學(xué)智

（海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033）

1 引言

隨著信息化建設(shè)飛速發(fā)展，為滿足快速傳遞信息的需求，擁有多種通信業(yè)務(wù)終端和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)成為商務(wù)人員的必然選擇[1]，如圖1所示。

經(jīng)過調(diào)查分析，并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)實(shí)際連接圖，可發(fā)現(xiàn)當(dāng)前使用的系統(tǒng)主要存在以下問題：1）各業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)基于業(yè)務(wù)需求而建設(shè)，出于安全性考慮，大多業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)相互隔離，因此有多少種業(yè)務(wù)，就有多少種業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)用戶而言就有多少類網(wǎng)絡(luò)終端；2）每部終端只能應(yīng)用于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，存在信息孤島[2]，有時(shí)為了獲取多方面信息，必須在多臺(tái)終端上同時(shí)進(jìn)行操作，操作復(fù)雜，信息處理的效率比較低；3）眾多網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備集中于狹小的辦公區(qū)域，辦公場(chǎng)所擁擠不堪、雜亂無章。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

依據(jù)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，網(wǎng)絡(luò)終端主要分為兩類，即電話終端和網(wǎng)絡(luò)終端。電話終端又可分為普通電話和保密電話。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一電話終端和多種電話網(wǎng)絡(luò)、統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)終端和多種信息網(wǎng)絡(luò)之間的任意切換，并將電話終端和網(wǎng)絡(luò)終端有機(jī)整合在一起。

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)終端切換整合系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。接入層提供該系統(tǒng)連接各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)接口，包括電話網(wǎng)用戶線接口、網(wǎng)絡(luò)接口。接入層主要功能是適配各種網(wǎng)絡(luò)的接口，解決異構(gòu)的問題。交換層是本系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其接收控制管理層的控制指令，完成電話調(diào)度功能和信號(hào)切換功能。控制管理層接收用戶的操作指令，轉(zhuǎn)化為交換層的控制指令。該層主要通過嵌入式軟件來實(shí)現(xiàn)。終端顯示層直接面向用戶，為用戶提供統(tǒng)一的通信操作界面和管理控制界面，用戶可以通過統(tǒng)一的終端接入各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)電話通信和信息查詢等功能。

圖2 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)終端切換整合系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 電話交換模塊

電話交換模塊是電話調(diào)度的底層支持模塊，與硬件平臺(tái)密切相關(guān)，其軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示?；谇度胧杰浖拈_發(fā)特點(diǎn)，電話交換軟件在設(shè)計(jì)上采用結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法，從頂層往下逐層細(xì)化和設(shè)計(jì)，核心業(yè)務(wù)和公共處理部分放在主控模塊中執(zhí)行。

電話調(diào)度管理軟件與電話交換模塊沒有直接的通信關(guān)系，而是通過一個(gè)代理動(dòng)態(tài)庫(kù)來實(shí)現(xiàn)兩者的通信，該動(dòng)態(tài)庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電話交換模塊的檢測(cè)和管理，并上報(bào)消息的部分解析，能夠確?；厮偷臓顟B(tài)消息為一條完整的命令幀，減輕了電話調(diào)度管理軟件的處理負(fù)擔(dān)。

3.1.1 UDP通信機(jī)制

采用UDP通信，能夠確保電話交換模塊并發(fā)的消息經(jīng)代理動(dòng)態(tài)庫(kù)緩存和處理后，及時(shí)通知電話調(diào)度管理軟件進(jìn)行接收處理，不需要電話調(diào)度管理軟件使用循環(huán)緩沖區(qū)來存儲(chǔ)，同時(shí)，該通信機(jī)制能夠方便地進(jìn)行后續(xù)功能擴(kuò)充。

3.1.2 回調(diào)函數(shù)

代理動(dòng)態(tài)庫(kù)基于回調(diào)函數(shù)實(shí)現(xiàn)，即網(wǎng)絡(luò)接口層的接收函數(shù)、發(fā)送函數(shù)均由上層軟件實(shí)現(xiàn)，由代理動(dòng)態(tài)庫(kù)來調(diào)用。通信過程中，當(dāng)有數(shù)據(jù)上報(bào)、Socket連接成功/斷開，代理動(dòng)態(tài)庫(kù)均以回調(diào)函數(shù)的形式通知電話調(diào)度管理軟件進(jìn)行處理。采用這種處理方法，當(dāng)邏輯關(guān)系或者業(yè)務(wù)變更時(shí)，以及將UDP修改為TCP通信時(shí)，不需修改代理動(dòng)態(tài)庫(kù)，只修改上層軟件即可。

3.1.3 連接異常處理

電話調(diào)度管理軟件無需直接面對(duì)電話交換模塊，與電話交換模塊的連接關(guān)系均由代理動(dòng)態(tài)庫(kù)以回調(diào)函數(shù)通知電話調(diào)度管理軟件，省去了繁瑣的輪詢檢測(cè)機(jī)制。

3.2 電話調(diào)度管理模塊

電話調(diào)度管理模塊主要處理電話信息的調(diào)度、管理和數(shù)據(jù)處理等。采用低功耗嵌入式單板計(jì)算機(jī)作為電話調(diào)度管理模塊核心硬件處理平臺(tái)，設(shè)計(jì)調(diào)度管理軟件實(shí)現(xiàn)電話調(diào)度管理功能。

電話調(diào)度管理軟件為一單線程軟件。在應(yīng)用層，用戶操作圖形界面，產(chǎn)生的點(diǎn)擊事件和觸發(fā)的消息，根據(jù)業(yè)務(wù)流程傳遞到綜合業(yè)務(wù)處理模塊進(jìn)行處理，簡(jiǎn)化了界面操作和邏輯處理，方便綜合業(yè)務(wù)處理模塊根據(jù)不同的消息來統(tǒng)一處理用戶事件；在網(wǎng)絡(luò)通信層，交換模塊上報(bào)的狀態(tài)信息通過Socket事件和動(dòng)態(tài)庫(kù)的回調(diào)函數(shù)接收處理，屏蔽了電話調(diào)度管理軟件與電話交換模塊間的繁瑣通信。

如圖4所示，電話調(diào)度管理軟件的處理流程是基于事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制的，系統(tǒng)對(duì)上響應(yīng)用戶操作事件，對(duì)下響應(yīng)用戶狀態(tài)消息上報(bào)，所有事件和消息均交由業(yè)務(wù)處理模塊處理，并更新相應(yīng)的界面顯示和增加通信記錄。

圖4 電話調(diào)度管理軟件系統(tǒng)運(yùn)行流程

采用事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制不僅可大大簡(jiǎn)化業(yè)務(wù)流程間的邏輯處理，而且極大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和擴(kuò)展性。

3.3 信號(hào)切換模塊

信號(hào)切換模塊是系統(tǒng)的底層控制模塊（見圖5），實(shí)現(xiàn)多套網(wǎng)絡(luò)模塊共用一套KVM、USB、音頻等外設(shè)的功能。信號(hào)切換控制軟件主要由一個(gè)主控模塊控制，各種信號(hào)切換及串口控制等由具體的子模塊根據(jù)主控模塊的調(diào)用實(shí)現(xiàn)。該軟件采用結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，交換矩陣的切換控制必須考慮到實(shí)時(shí)性要求。

3.4 電源模塊

電源模塊為整個(gè)后臺(tái)子系統(tǒng)及桌面子系統(tǒng)供電，并為電話交換模塊提供鈴流。電源模塊同時(shí)提供后備電源方式供電，模塊內(nèi)部包含鋰電池組，當(dāng)外接交流電斷電時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)備用電源系統(tǒng)為各功能模塊供電，保證設(shè)備工作不間斷。

該模塊內(nèi)設(shè)置電源監(jiān)控代理，實(shí)時(shí)反映電源模塊的供電情況，包括當(dāng)前的供電方式以及電池供電方式下的電量信息，方便用戶實(shí)時(shí)了解電源信息。系統(tǒng)運(yùn)行流程圖如圖6所示。

圖6 電源監(jiān)控軟件系統(tǒng)運(yùn)行流程

4 性能分析

4.1 功能和成本分析

經(jīng)過試驗(yàn)，原電話終端的功能沒有任何缺失，同時(shí)統(tǒng)一增配了來電轉(zhuǎn)接、來電號(hào)碼顯示、呼叫轉(zhuǎn)接、對(duì)講、錄音等功能。

采用本系統(tǒng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)終端切換整合系統(tǒng)，代替了原6～7部電話機(jī)、2～3套計(jì)算機(jī)設(shè)備（包括主機(jī)、顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)等），空間尺寸可節(jié)省50%。同時(shí)使電話機(jī)、顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)等設(shè)備的采購(gòu)成本下降40%。

4.2 可靠性分析

根據(jù)電子設(shè)備的可靠性評(píng)估算法，可得出該系統(tǒng)MTBF貝葉斯單側(cè)置信下限公式為

式中：MTBFL表示設(shè)備MTBF單側(cè)置信下限；T為設(shè)備的等效試驗(yàn)累積時(shí)間；γ為故障數(shù)；（1-α）為置信度，本次取0.6；χ21-α是置信度為（1-α）的 χ平方分布。

根據(jù)多次試驗(yàn)，根據(jù)可靠性、維修性、保障性工程軟件CARMES2.5，可計(jì)算該系統(tǒng)可靠性評(píng)估單側(cè)置信下限超過2 000 h。

4.3 安全性分析

通常采用物理隔離技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)安全性分析。傳統(tǒng)的物理隔離辦法主要有以下3種[3-5]：1）采用兩套系統(tǒng)，包括兩套布線、兩套網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及兩套終端，布線還要加一些屏蔽手段來防范電磁輻射，進(jìn)而造成了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的巨大浪費(fèi)。2）采用雙硬盤型或單硬盤雙操作系統(tǒng)型等隔離方式，造成了投資的浪費(fèi)，而且操作復(fù)雜，需采用兩個(gè)硬盤或在單硬盤上進(jìn)行硬盤分區(qū)，切換網(wǎng)絡(luò)必須重新啟動(dòng)系統(tǒng)，使用十分繁瑣。3）采用兩塊網(wǎng)卡外加一塊物理隔離卡，兩塊網(wǎng)卡分別接到內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)，物理隔離卡用于實(shí)現(xiàn)內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)物理隔離。該種方式仍然可能加大安全隱患，并且占用了計(jì)算機(jī)較多的硬件資源，造成性能下降。

在本系統(tǒng)中，為了保證接入網(wǎng)絡(luò)間的完全物理隔離，對(duì)各接入網(wǎng)絡(luò)采用獨(dú)立的CPU、內(nèi)存、硬盤的設(shè)計(jì)模式，僅共用顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)、手寫板等輸入/輸出設(shè)備，保證各處理模塊間完全物理隔離。系統(tǒng)方案在網(wǎng)絡(luò)安全性、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本以及計(jì)算機(jī)性能等幾個(gè)指標(biāo)取得了很好的均衡，是較優(yōu)的方案。

5 小結(jié)

基于嵌入式處理器控制技術(shù)、電話交換技術(shù)實(shí)現(xiàn)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)終端切換整合系統(tǒng)，很好地解決了目前面臨的很多異構(gòu)信息處理困難的問題，很大程度上降低了成本。該系統(tǒng)通過交換矩陣和KVM切換等技術(shù)實(shí)現(xiàn)多路電話統(tǒng)一管理、智能電話信息集中管理、快速電話調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)一鍵切換及輔助信息處理等功能，為商務(wù)人員提供了一種高效的通信管理和有效的輔助信息管理工具。

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