VSAT網絡實時拓撲結構與通聯(lián)分析模型

王婧婧，趙艷秋，陳越新

(西南電子電信技術研究所，四川 成都 610041)

甚小孔徑終端(Very Small Aperture Terminal，VSAT)是衛(wèi)星通信的一個熱點領域，是指一類具有甚小口徑天線的小型或微型地球站，與一個中心站或其他小站協(xié)同工作，構成 VSAT 網絡［1］。

實時拓撲結構與通聯(lián)分析是網絡管理的重要內容［2］，是監(jiān)測網絡實時運行狀態(tài)，維護網絡正常運行的重要支撐。本文以通信體制為TDM/MF－TDMA/DAMA(即外向信道采用時分復用，內向信道采用多頻時分多址，信道分配方式為按需分配)的星形VSAT網絡為研究對象［3］，探討了實時拓撲結構與通聯(lián)分析在此類VSAT網絡中的具體應用。

其中，實時拓撲結構與通聯(lián)分析分別涉及一部分獨立或相互關聯(lián)的參數(shù)信息，如實時網絡拓撲中涉及各小站ID、地理位置等信息。如何從網絡實時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中獲取這些參數(shù)并進行有效的組織，是實時拓撲結構與通聯(lián)分析實現(xiàn)方法的重要內容。對此，本文提出了基于分組的雙線程分層分類參數(shù)提取方法。

最后，采用UML面向對象的建模方法［4］，盡可能規(guī)范而有效地建立此類VSAT網絡實時拓撲結構與通聯(lián)分析的通用模型［5－7］。該通用模型對此類VSAT網絡具備一定的普適性及可復用性，可為此類VSAT網絡相關模塊的設計提供一定的參考。

1 應用的實現(xiàn)形式

首先，對于傳輸體制為TDM/MF－TDMA/DAMA的星形VSAT網絡，其拓撲結構與通聯(lián)分析的應用具有分層分析、全網同步與實時處理的特點。即主要針對鏈路層與網絡層分別分析并相互結合，且對全網內向信道與外向信道進行實時同步分析。

基于以上3個特點，對此類VSAT網絡實時拓撲結構與通聯(lián)分析的具體應用作具體分析。

1.1 實時拓撲結構分析

VSAT網絡的網絡拓撲主要包含鏈路層與網絡層兩層。對于鏈路層，由于研究對象為星形網絡，各小站只能與中心站直接連接，因此鏈路層拓撲信息可以僅包含各小站ID、上下線情況，以及地理位置分布信息。網絡層拓撲與計算機網絡類似，應包含各路由器分布及連接情況、各路由器端口IP地址，以及各路由器端口所連接的子網。同時，網絡層拓撲與鏈路層拓撲之間存在對應關系，即各VSAT小站以及中心站應有各自對應的內置或直連的出口路由器。

此外，網絡拓撲應能實時反映網絡中小站的上下線情況、地理位置變化情況、各路由器連接變更情況等實時變化信息。

綜上，對于本文研究的VSAT網絡類型，其網絡拓撲應為實時動態(tài)更新的雙層立體結構，且兩層之間通過出口路由器相關聯(lián)，如圖1所示。

1.2 實時通聯(lián)分析

圖1 實時雙層網絡拓撲示意圖

對于VSAT網絡，其聯(lián)通關系可定義為VSAT傳輸網絡所承載的網絡層業(yè)務信息。當然，對于不由VSAT無線網絡承載的業(yè)務信息，如某小站連接的地面網絡中兩個網絡節(jié)點之間的通聯(lián)，不應包含在VSAT網絡的通聯(lián)分析范圍內。此外，通聯(lián)關系還同時涉及相應經過的小站以及小站之間交互的網控信息。對于星形網絡，網絡層的一次通聯(lián)還可能涉及中心站的轉發(fā)過程。

具體的通聯(lián)分析應用方式如維持一張用于通聯(lián)過程監(jiān)測與故障管理的通聯(lián)信息表。應包含每次通聯(lián)中涉及的相關信息，包括通聯(lián)雙方節(jié)點的IP地址、本次通聯(lián)業(yè)務類型、本次通聯(lián)的流量、通聯(lián)時間，以及連接建立與數(shù)據(jù)傳輸過程中涉及的鏈路層小站(或中心站)及各站之間交互的網控信息等。這些網控信息可能同時涉及外向信道與不同的內向信道，且交互過程遵循嚴格的同步時序。此外，通聯(lián)信息表中的內容應隨著每次通聯(lián)過程的進行實時添加記錄。

此外，以通聯(lián)信息表為基礎，還可經過統(tǒng)計得到用于流量管理的流量統(tǒng)計表，以及用于單個節(jié)點流量監(jiān)測的節(jié)點實時流量圖等。

2 實現(xiàn)原理分析

本節(jié)圍繞上述VSAT網絡實時拓撲結構與通聯(lián)分析的3個特點，探討其中涉及的相關參數(shù)的獲取方法，并總結為基于分組的雙線程分層分類參數(shù)獲取方法。

2.1 分層分類的參數(shù)獲取方法

根據(jù)分層分析的特點，首先將網絡實時傳輸數(shù)據(jù)分兩層進行參數(shù)提取。

第一層為鏈路層網管網控信息，僅在中心站與各小站之間交互，且不承載網絡層業(yè)務信息。此類網管網控信息主要包含2個子類:

1)小站狀態(tài)信息，即中心站收集各小站狀態(tài)或各小站主動報告自身狀態(tài)時在中心站與小站之間交互的信息。包括小站ID、上下線信息、小站地理位置信息等。顯然，此類信息可主要反映在實時網絡拓撲中的鏈路層網絡拓撲信息中。

2)中心站與小站之間交互的信道申請信息與信道分配信息。對于信道分配形式為按需動態(tài)分配(DAMA)的星形VSAT網絡，與各小站連接的網絡用戶節(jié)點在有業(yè)務數(shù)據(jù)需要傳輸時，需由對應的小站根據(jù)待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量向中心站發(fā)出信道申請。中心站聯(lián)系當前網絡信道的占用情況，為該小站在某內向信道上分配一定起始位置與大小的信道。如上所述，此類信息應包含在通聯(lián)信息表中。

第二層為網絡層數(shù)據(jù)信息，此類信息主要包含2個子類:

1)用于網絡層路由表維護與更新的路由信息。如RIP協(xié)議數(shù)據(jù)包、OSPF協(xié)議數(shù)據(jù)包，以及SNMP中的路由信息等。此類信息可主要用于實時網絡拓撲中的網絡層拓撲信息［8］。即在無法直接獲取各路由器內部路由表的情況下，可根據(jù)在各站之間發(fā)送的路由信息，間接挖掘網絡層拓撲信息。此外，由于經空口傳輸?shù)穆酚尚畔筛髡境隹诼酚善靼l(fā)出，因此，可認為這些路由信息包的源IP地址即為各站出口路由器的出口IP地址。由此，實時網絡拓撲中鏈路層網絡拓撲與網絡層網絡拓撲之間的對應關系即可確定。

2)用戶業(yè)務信息。即網絡層節(jié)點之間互通的數(shù)據(jù)、話音等業(yè)務信息，包括通聯(lián)雙方IP地址、通聯(lián)起始時間、結束時間，以及業(yè)務數(shù)據(jù)類型等。此類信息應包含在通聯(lián)信息表中，并與上述鏈路層與通信建鏈有關的網控信息相結合。

以上分類即為此類VSAT網絡實時拓撲結構與通聯(lián)分析中涉及的相關參數(shù)信息在網絡傳輸數(shù)據(jù)流中的來源，可稱為參數(shù)提取層。在此基礎上，按照第1節(jié)中各具體應用的分類，將參數(shù)提取層中的各類信息按照不同的應用進行重新組織，稱為參數(shù)應用層。最后，一些參數(shù)信息不一定能夠從數(shù)據(jù)流中直接提取，如網絡層拓撲信息需要從路由信息中進行挖掘等，因此，參數(shù)應用層的信息還需進行一定的信息挖掘和處理過程，最終實現(xiàn)各應用需求，稱為參數(shù)挖掘層。

綜上所述，可將各具體應用涉及的參數(shù)信息的獲取方法總結為分層分類參數(shù)提取方法，如圖2所示。

圖2 分層分類的參數(shù)提取方法

2.2 基于分組的雙線程參數(shù)提取方法

根據(jù)實時處理與全網同步的特點，應設定一個數(shù)據(jù)處理單元，對全網數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)處理單元為單位進行實時處理，此時系統(tǒng)處理延遲即固定為數(shù)據(jù)處理單元的大小。顯然數(shù)據(jù)處理單元應盡量小，以保證系統(tǒng)對于實時性的要求。整個處理系統(tǒng)按照“數(shù)據(jù)采集→參數(shù)提取→應用實現(xiàn)”的步驟進行。

對于數(shù)據(jù)處理單元的選擇以及具體的實現(xiàn)步驟和方法分析如下:

首先，對全網傳輸數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)處理單元為單位進行全網同步采集。對于參數(shù)提取模塊來說，相當于依次到達的數(shù)據(jù)處理單元所組成的數(shù)據(jù)單元流。由于全網同步的需要，各數(shù)據(jù)處理單元應保留在網絡數(shù)據(jù)中的真實發(fā)送時間，以在數(shù)據(jù)單元流中進行全網排序，按照網絡中數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼鎸嶍樞蜻M行依次處理。發(fā)送時間以時間戳的形式作為每個數(shù)據(jù)處理單元的附加信息。

由此，對于參數(shù)提取模塊，數(shù)據(jù)采集所得的數(shù)據(jù)單元流如圖3所示。其中各數(shù)據(jù)處理單元的大小與發(fā)送時間(即時間戳)不一定相同，設各單元的時間戳按數(shù)據(jù)發(fā)送的先后順序分別為t1，t2，t3，t4。顯然，參數(shù)提取模塊應首先處理時間戳為t1的數(shù)據(jù)單元，且在時間戳為t2的數(shù)據(jù)單元到來之前處理結束，依此類推。

圖3 “數(shù)據(jù)單元流”示意圖

由此可得，假設數(shù)據(jù)單元流中數(shù)據(jù)單元發(fā)送時間的最短時間間隔為τ，則參數(shù)提取模塊的運行時間必須小于τ。

具體而言，數(shù)據(jù)處理單元的選擇一般可按編碼方式分為兩類。

1)編碼方式為卷積碼的網絡(見圖4)

圖4 “卷積碼”時的數(shù)據(jù)流形式

其中外向信道與內向信道以一定大小的幀周期保持同步。發(fā)送數(shù)據(jù)時，外向信道分組按照特定的信息塊大小進行編碼，之后各分組時分復用，并在幀頭或幀尾加上一定的同步信息，形成連續(xù)載波的外向信道數(shù)據(jù)。而內向信道分組按照與外向信道相同或不同的信息塊大小進行編碼，加上突發(fā)頭及保護帶寬等后，形成固定大小的數(shù)據(jù)塊。數(shù)據(jù)塊大小稱為時隙。綜上，內向信道應由若干大小為1個時隙的數(shù)據(jù)塊以連續(xù)或間隔若干個時隙的方式占用信道。

由此，對于編碼方式為卷積碼的VSAT網絡，若選取的數(shù)據(jù)處理單元為數(shù)據(jù)幀，則相應的數(shù)據(jù)單元的最短間隔τ為1個幀周期，即參數(shù)提取模塊的最長處理時間為1個幀周期。但此時系統(tǒng)延遲為1個幀周期;若選取的數(shù)據(jù)處理單元為時隙，則相應的數(shù)據(jù)單元最短間隔τ為1個時隙，此時系統(tǒng)延遲為1個時隙。顯然，以時隙作為數(shù)據(jù)處理單元更能滿足系統(tǒng)的實時性需求。事實上，由于時隙由各數(shù)據(jù)分組以相同大小的編碼信息塊進行編碼，并加上保護時隙等其他信息組成，因此，以時隙為單位相當于譯碼后以分組為單位。

此外，由于外向載波與內向載波在通信中以幀同步為前提對幀內各自的數(shù)據(jù)分組按獨立的線程進行處理，因此，當以時隙或分組為數(shù)據(jù)處理單元時，管理參數(shù)提取同樣應采用雙線程的工作模式，對外向信道與內向信道分別進行處理。

2)編碼方式為分組碼的網絡(見圖5)

圖5 “分組碼”時的數(shù)據(jù)流形式

其中外向信道與內向信道同樣按照一定的幀周期同步。但與卷積碼編碼方式的網絡不同，外向信道分組與內向信道分組編碼后的編碼信息塊不是固定大小。因此，各編碼信息塊發(fā)送時間的最短時間間隔不再是固定大小。

對于此類網絡的外向信道數(shù)據(jù)，最小時間間隔應為最小的編碼信息塊大小，即最小分組對應的編碼信息塊大小。具體網絡有不同的最小外向信道分組大小。而對于此類網絡的內向信道，一般設置了一個最小時間單位時槽，各突發(fā)占用整數(shù)個時槽。因此，同樣采用分組為數(shù)據(jù)處理單元時，內向信道數(shù)據(jù)單元可能的最小時間間隔即為時槽大小。只要相應的參數(shù)提取模塊的運行時間小于時槽大小，即可滿足系統(tǒng)實時性要求。

如圖6所示，考慮到雙線程處理模式下，外向信道與內向信道參數(shù)提取模塊的運行時間可能不同步，如某主站數(shù)據(jù)分組比某小站數(shù)據(jù)分組的發(fā)送時間早，但參數(shù)提取過程較小站分組更長，于是，小站分組的參數(shù)獲取更快，此時若立即存入上述參數(shù)提取層的參數(shù)庫表，則參數(shù)庫表的順序發(fā)生錯誤，導致后續(xù)參數(shù)實時讀取順序發(fā)生錯誤。為解決此問題，可按各分組的時間戳大小為各分組依次加上一個分組順序標號，并將標號存入一個先進先出的順序隊列，各分組的參數(shù)按照隊列信息指示的順序存入?yún)?shù)庫。

圖6 分組順序隊列

3 基于UML的實時拓撲結構與通聯(lián)分析模型

本節(jié)對上述實時拓撲結構與通聯(lián)分析的應用及實現(xiàn)原理進行總結，并用UML類圖進行建模。模型按照圖2所示的系統(tǒng)工作層次分為3部分。其中圖7為參數(shù)提取層模型的UML類圖。

圖7 參數(shù)提取層UML類圖

圖7中的參數(shù)提取層參數(shù)庫按照該層的分類方法是一個分類模型，用UML類圖表示如圖8所示。

圖8 參數(shù)提取層參數(shù)庫UML類圖

最后，“參數(shù)應用層”與“參數(shù)挖掘層”完成對“參數(shù)提取層”參數(shù)庫的重新組織與信息挖掘，最終完成相應管理應用，用UML類圖表示如9所示。

圖9 參數(shù)應用層與挖掘層UML類圖

上述各UML類圖中的參數(shù)類均包含各自相關的特征參數(shù)，且以統(tǒng)一的格式表征與存儲。各參數(shù)列表在此不作詳述。

4 小結

本文以通信體制為TDM/MF－TDMA/DAMA的星形VSAT網絡為研究對象，建立了此類VSAT網絡實時拓撲結構與通聯(lián)分析的通用模型。該模型充分結合VSAT網絡自身特性，對此類VSAT網絡具備一定的普適性和可復用性。提出了基于分組的雙線程分層分類參數(shù)提取方法，其思路也可為其他類型VSAT網絡相關模塊的設計提供參考。

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