基于多傳輸通道的單向傳輸技術(shù)研究

楊 越 王若冰 劉 瑞 張 博 佟 軼

(中國(guó)航天工程咨詢中心 北京 100048)

基于多傳輸通道的單向傳輸技術(shù)研究

楊 越 王若冰 劉 瑞 張 博 佟 軼

(中國(guó)航天工程咨詢中心 北京 100048)

在對(duì)單向數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究的基礎(chǔ)上,分析了現(xiàn)有的光閘系統(tǒng)中存在的一些不足。針對(duì)這些不足，提出基于多傳輸通道的單向數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)。首先闡述了多傳輸通道傳輸方案的基本思路，利用通用的光纖網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的單向傳輸，然后結(jié)合前向糾錯(cuò)技術(shù)進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，并給出了多通道數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)度算法。最后進(jìn)行了系統(tǒng)的架構(gòu)的設(shè)計(jì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案可以實(shí)現(xiàn)快速、單向、可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

單向傳輸 多通道 調(diào)度算法 光閘

0 引 言

隨著國(guó)家安全形勢(shì)的不斷變化，數(shù)字信息的安全受到高度重視。依據(jù)國(guó)家保密安全規(guī)范，必須采用物理隔離的方式，將處理涉密信息的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與其他網(wǎng)絡(luò)環(huán)境隔離，不同密級(jí)網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換必須進(jìn)行全生命周期的監(jiān)控和審計(jì)。隨著涉密網(wǎng)內(nèi)業(yè)務(wù)工作的擴(kuò)展，物理隔離造成了涉密網(wǎng)絡(luò)的信息“孤島”效應(yīng)，業(yè)務(wù)管理和科研生產(chǎn)工作對(duì)外部信息持續(xù)、快速的獲取需求逐漸凸顯，采用多批次人工導(dǎo)入方式已經(jīng)很難滿足需求，在一定程度上已經(jīng)影響了日常科研生產(chǎn)工作。

針對(duì)于這一缺陷，現(xiàn)在很多部門采用網(wǎng)閘、光閘等單向傳輸設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)單向、安全、快速地從低密級(jí)的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁呙芗?jí)的網(wǎng)絡(luò)中。同網(wǎng)閘相比，光閘傳輸速率極高，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸[1]。近幾年國(guó)內(nèi)研究的技術(shù)主要是基于光閘的單向傳輸系統(tǒng)[2]。王海洋等設(shè)計(jì)了一款基于單模光纖的數(shù)據(jù)單向傳輸系統(tǒng)，解決了非涉密網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)單向?qū)肷婷苡?jì)算機(jī)的問(wèn)題[3]。姜黎等通過(guò)光電單向轉(zhuǎn)換的物理原理設(shè)計(jì)了基于光纖通信技術(shù)的數(shù)據(jù)單向傳輸設(shè)備[4]；李佩玥等將無(wú)源光隔離器應(yīng)用于單光纖的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程，結(jié)合前向糾錯(cuò)碼和物理層編碼保證單光纖無(wú)反饋傳輸鏈路極低誤碼率[5]。國(guó)外對(duì)光閘的研究文獻(xiàn)較少，但在單向傳輸技術(shù)上也有深入的研究，主要代表為Kang等提出了數(shù)據(jù)泵的概念[6-7]以及澳大利亞亞特尼克斯數(shù)據(jù)門公司研制的“數(shù)據(jù)二極管”設(shè)備[8-9]。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的研究，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的傳輸技術(shù)存在著一些不足： 1) 一般的單向傳輸設(shè)備都是基于單通道進(jìn)行單向傳輸，使用前向糾錯(cuò)(FEC)技術(shù)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕匀淮嬖谥鴨瓮ǖ朗У目赡苄裕?) 利用單通道實(shí)現(xiàn)的單向傳輸設(shè)備的可靠性及傳輸速率是已確定的，不具備擴(kuò)展的能力，實(shí)際應(yīng)用中，不同的應(yīng)用數(shù)據(jù)對(duì)傳輸速率和可靠性具有不同的需求，現(xiàn)有的單向傳輸設(shè)備很難滿足這樣的需求；3) 文獻(xiàn)[3-5]中提到的硬件設(shè)備需要依靠定制才能生產(chǎn)出來(lái)，對(duì)采用通用的網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)單向傳輸?shù)年U述不足。

為加強(qiáng)單向數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的健壯性、靈活性和可靠性，本文擬采用多模冗余容錯(cuò)的方式，設(shè)計(jì)基于多個(gè)通道的數(shù)據(jù)單向傳輸方案。該方案利用常見(jiàn)的硬件設(shè)備，在確保系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)保障了數(shù)據(jù)單向性，有效地避免了單通道失效造成的數(shù)據(jù)丟失，并可以通過(guò)動(dòng)態(tài)地增減傳輸通道來(lái)調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛡鬏斔俾省?/p>

1 基本思路

通過(guò)單向光通道技術(shù)途徑，多路單向傳輸系統(tǒng)在物理隔離網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)從低密級(jí)網(wǎng)絡(luò)向高密級(jí)網(wǎng)絡(luò)的嚴(yán)格單向數(shù)據(jù)傳輸，達(dá)到零比特回傳的安全指標(biāo)。在跨網(wǎng)的單向傳輸鏈路上，采用了私有的數(shù)據(jù)傳輸/封裝協(xié)議，提高了數(shù)據(jù)安全性和可信性。數(shù)據(jù)單向傳輸系統(tǒng)由多個(gè)單向傳輸通道、發(fā)送端和接收端組成。為解決單向傳輸固有的傳輸可靠性難題，本方案采用冗余傳輸與FEC技術(shù)相結(jié)合的設(shè)計(jì)思想，首先采用FEC技術(shù)對(duì)應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后通過(guò)多路單向通道進(jìn)行冗余傳輸時(shí)，可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｔ诒ＷC一定可靠性的前提下，為解決大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捚款i，利用多條通道同時(shí)并發(fā)傳輸數(shù)據(jù)。此外，調(diào)度子系統(tǒng)支持在傳輸可靠性和傳輸帶寬之間進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)置，以適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟煌枨?；并可以配置不同?shù)量的單向傳輸通道，使得系統(tǒng)具備一定的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展能力。

方案的原理如圖1所示，在物理隔離的外部網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)分別部署外網(wǎng)主機(jī)與內(nèi)網(wǎng)主機(jī)，外網(wǎng)主機(jī)與內(nèi)網(wǎng)主機(jī)配對(duì)安裝發(fā)送網(wǎng)卡和接收網(wǎng)卡，每對(duì)網(wǎng)卡及其連接光纖構(gòu)成了一條單向傳輸通道。通過(guò)這些傳輸通道，外網(wǎng)主機(jī)可以將數(shù)據(jù)單向的傳遞給內(nèi)網(wǎng)主機(jī)，并可以采用增減網(wǎng)卡對(duì)數(shù)的方式，動(dòng)態(tài)調(diào)整單向傳輸通道的數(shù)量。

針對(duì)單條通道失效所帶來(lái)的數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題，通過(guò)多路單向通道對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行冗余傳輸。此外，為避免同一條數(shù)據(jù)的所有拷貝重復(fù)通過(guò)一條單向通道進(jìn)行冗余傳輸，仍存在通道失效造成數(shù)據(jù)丟失的可能性。本方案規(guī)定同一條數(shù)據(jù)的多個(gè)拷貝只能通過(guò)不同的單向通道進(jìn)行傳輸，使得單條通道失效只能造成一條數(shù)據(jù)的一份拷貝的丟失，確保仍可通過(guò)其他通道獲取足夠的數(shù)據(jù)拷貝進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)與重組。

圖1 系統(tǒng)原理圖

在通信系統(tǒng)中，用于糾正傳輸差錯(cuò)的方法主要有兩種：自動(dòng)重傳(ARQ)技術(shù)和FEC技術(shù)。在單向通道數(shù)據(jù)傳輸中，無(wú)法通過(guò)交互進(jìn)行數(shù)據(jù)重傳來(lái)糾正數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或丟失?，F(xiàn)有的單向傳輸技術(shù)主要使用FEC技術(shù)保證單向傳輸?shù)目煽啃?。本文中針?duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，將冗余傳輸與FEC技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)行了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃栽O(shè)計(jì)。其中有助于提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性的手段主要包括冗余傳輸、FEC編碼、交織處理和CRC編碼。為實(shí)現(xiàn)傳輸可靠性和傳輸帶寬之間的適應(yīng)性設(shè)置，方案中根據(jù)數(shù)據(jù)的傳輸需求設(shè)計(jì)了傳輸質(zhì)量參數(shù)，包括數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)先級(jí)、是否進(jìn)行FEC編解碼、冗余傳輸次數(shù)三個(gè)參數(shù)。對(duì)數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)先級(jí)進(jìn)行設(shè)置可以調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)先順序，高優(yōu)先級(jí)適用于實(shí)時(shí)性要求較高的數(shù)據(jù)。對(duì)FEC編解碼以及冗余傳輸次數(shù)進(jìn)行設(shè)置可以調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，冗余傳輸次?shù)的增加(減少)可以提高(降低)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?；相?yīng)地，應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸所需的時(shí)間也隨之增加(減少)。

在發(fā)送端，應(yīng)用數(shù)據(jù)被拆分并封裝成一組原始數(shù)據(jù)塊，對(duì)這一組原始數(shù)據(jù)塊進(jìn)行FEC編碼和交織處理以應(yīng)對(duì)連續(xù)丟幀，并在數(shù)據(jù)塊頭部加入序號(hào)、CRC編碼、數(shù)據(jù)幀類型等信息，形成含冗余數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)塊傳輸組。之后通過(guò)冗余傳輸調(diào)度將數(shù)據(jù)塊子分組交給傳輸通道打包成數(shù)據(jù)幀進(jìn)行冗余傳輸。由于一組數(shù)據(jù)塊在單向無(wú)反饋的傳輸過(guò)程中，可能存在數(shù)據(jù)塊丟失的情況，因此，在接收端，需要通過(guò)數(shù)據(jù)塊頭部的CRC檢測(cè)出錯(cuò)的數(shù)據(jù)塊，并通過(guò)數(shù)據(jù)選取從多個(gè)數(shù)據(jù)塊冗余拷貝中選取正確的數(shù)據(jù)塊。數(shù)據(jù)塊排序后通過(guò)編號(hào)確定丟失的數(shù)據(jù)塊在數(shù)據(jù)塊組中位置，若不存在傳輸失敗的數(shù)據(jù)塊，則可直接獲得原始數(shù)據(jù)塊；若存在傳輸失敗的數(shù)據(jù)塊，在丟包恢復(fù)的能力范圍之內(nèi)恢復(fù)出丟失的數(shù)據(jù)塊。最后經(jīng)數(shù)據(jù)重組還原為原始應(yīng)用數(shù)據(jù)。

2 主要設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)單向傳輸

在本方案中，數(shù)據(jù)單向傳輸?shù)挠布A(chǔ)是由普通千兆光纖網(wǎng)卡改造而來(lái)的單向網(wǎng)卡，如圖2所示。普通的千兆光纖網(wǎng)卡以光纖為介質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)、信號(hào)傳輸，通過(guò)光模塊與光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。光模塊由光電子器件、功能電路、光接口等構(gòu)成，光接口包含光發(fā)送接口和光接收接口兩個(gè)部分，其中光發(fā)送接口將光信號(hào)發(fā)送到光纖上，光接收接口從光纖接收光信號(hào)。

圖2 千兆光纖網(wǎng)卡及光模塊

如圖3所示，光網(wǎng)卡數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑硎牵菏褂?根光纖將2個(gè)網(wǎng)卡光模塊的光接收接口RX與光發(fā)送接口TX進(jìn)行交叉連接的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。根據(jù)此原理，只需將其中1根光纖以及兩個(gè)網(wǎng)卡分別對(duì)應(yīng)的光發(fā)送接口和光接收接口失效即可構(gòu)成1條單向傳輸通道。發(fā)送網(wǎng)卡由普通網(wǎng)卡將光模塊接收接口失效后得到，接收網(wǎng)卡由普通網(wǎng)卡將光模塊發(fā)送接口失效后得到。由于沒(méi)有從接收網(wǎng)卡到發(fā)送網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)通道存在，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的單向隔離，可以應(yīng)用到不需要對(duì)端響應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)連接協(xié)議。

圖3 單向傳輸通道

由于基于單向傳輸網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)傳輸不存在反向數(shù)據(jù)傳輸，在傳輸層就不能采用面向連接的TCP協(xié)議[10]。另外，由于無(wú)法通過(guò)交互進(jìn)行數(shù)據(jù)的重傳來(lái)糾正出現(xiàn)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或數(shù)據(jù)丟失，基于無(wú)連接的UDP協(xié)議也無(wú)法滿足數(shù)據(jù)傳輸要求。在傳輸層傳輸時(shí)需將數(shù)據(jù)包提交給數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行進(jìn)一步的拆分和封裝，會(huì)降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鬏斔俾省樘岣邌蜗騻鬏數(shù)臄?shù)據(jù)可靠性和傳輸速率，結(jié)合系統(tǒng)的應(yīng)用需求，本方案在鏈路層采用數(shù)據(jù)幀的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)只需知道接收端網(wǎng)卡的MAC地址，無(wú)需建立連接就可以直接發(fā)送數(shù)據(jù)。方案中，應(yīng)用程序交下來(lái)的數(shù)據(jù)被看作成無(wú)結(jié)構(gòu)的字符串。傳輸系統(tǒng)不關(guān)心字符串的含義，將數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)拆分、封裝、協(xié)議打包后，形成一組數(shù)據(jù)幀進(jìn)行傳輸。

對(duì)于多個(gè)單向傳輸通道利用，主要存在兩種方式：

方式一 對(duì)各條通道針對(duì)于數(shù)據(jù)的傳輸需求分成不同優(yōu)先級(jí)的通道，一組待傳輸數(shù)據(jù)幀在傳輸時(shí)交給一條對(duì)應(yīng)優(yōu)先級(jí)的通道單獨(dú)發(fā)送。

方式二 將多個(gè)通道看作成一條擴(kuò)展了帶寬的傳輸通道，一組待傳輸數(shù)據(jù)幀在傳輸時(shí)會(huì)占用所有的通道進(jìn)行統(tǒng)一發(fā)送。

在發(fā)送端，會(huì)對(duì)應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分、封裝等操作，一個(gè)原始數(shù)據(jù)將生成一組待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀。在接收端，會(huì)對(duì)這一組數(shù)據(jù)幀進(jìn)行校驗(yàn)和重組等操作，這會(huì)占用接收端計(jì)算機(jī)大量的內(nèi)存和計(jì)算資源。相對(duì)于發(fā)送端，接收端的計(jì)算更復(fù)雜，工作負(fù)載更大，需要盡可能的降低接收端的計(jì)算壓力。方式一意味著在同一時(shí)間段內(nèi)，同時(shí)存在著多組待數(shù)據(jù)幀在進(jìn)行傳輸；方式二類似于原子操作，即在同一時(shí)間內(nèi)，只有一組數(shù)據(jù)幀在發(fā)送。在一組數(shù)據(jù)幀發(fā)送完畢后，才能進(jìn)行下一組數(shù)據(jù)幀的發(fā)送。與方式一相比，采用方式二，在一段時(shí)間內(nèi)，接收端緩存的數(shù)據(jù)幀將會(huì)大大減少，占用的內(nèi)存資源會(huì)降低很多。

此外，方案要求能夠動(dòng)態(tài)擴(kuò)展傳輸通道。每次需要增添或刪減傳輸通道時(shí)，方式一需要對(duì)所有傳輸通道進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。同方式一相比，方式二會(huì)方便很多，只需要對(duì)新增的傳輸通道進(jìn)行配置即可。

綜合以上兩方面因素，本方案采用方式二來(lái)使用單向傳輸通道，這樣就意味著將多條傳輸通道看作是一條擴(kuò)展了帶寬的傳輸通道。在傳輸一組數(shù)據(jù)幀時(shí)，多個(gè)通道將同時(shí)并發(fā)的進(jìn)行傳輸。

對(duì)于每條通道，應(yīng)盡可能地確保通道可以正常工作，所以需要一種方式可以檢測(cè)通道狀態(tài)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了一種心跳機(jī)制[11]。即發(fā)送端在每條傳輸通道空閑時(shí)，定時(shí)發(fā)送一個(gè)同步信號(hào)，接收端以此判斷單向傳輸通道的連通性。接收端在一段時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)從某一條數(shù)據(jù)通道未接受到任何數(shù)據(jù)，就可以確定此通道發(fā)生故障，進(jìn)行報(bào)警操作。

每條傳輸通道在發(fā)送時(shí)，會(huì)生成一個(gè)連續(xù)的流水號(hào)Sn，每條傳輸通道的接收端同樣會(huì)存在一個(gè)接收數(shù)據(jù)流水號(hào)Rn。在接收到每幀后會(huì)對(duì)流水號(hào)進(jìn)行判斷，根據(jù)這個(gè)流水號(hào)的連續(xù)性，若出現(xiàn)Rn

2.2 可靠性設(shè)計(jì)

2.2.1 數(shù)據(jù)糾錯(cuò)分組

FEC是一種為數(shù)據(jù)傳輸而設(shè)計(jì)的差錯(cuò)控制技術(shù)。發(fā)送端在根據(jù)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)生成冗余數(shù)據(jù)，然后將原始數(shù)據(jù)與冗余數(shù)據(jù)一起傳輸。接收端則可以根據(jù)冗余數(shù)據(jù)檢測(cè)原始數(shù)據(jù)中錯(cuò)誤數(shù)據(jù)并糾正。

數(shù)據(jù)塊級(jí)的FEC進(jìn)行編碼時(shí)，對(duì)字節(jié)長(zhǎng)度統(tǒng)一固定為L(zhǎng)的K個(gè)原始數(shù)據(jù)塊進(jìn)行FEC編碼后，得到M(M>0)個(gè)冗余數(shù)據(jù)塊。這K個(gè)原始數(shù)據(jù)塊和M個(gè)冗余數(shù)據(jù)塊組成的一個(gè)FEC子分組。數(shù)據(jù)塊級(jí)的編碼過(guò)程如圖4所示，K個(gè)原始數(shù)據(jù)塊為b=b0,b1,…,bK-1，M個(gè)冗余數(shù)據(jù)塊為r=r0,r1,…,rM-1;從每個(gè)數(shù)據(jù)塊頭部開(kāi)始，依次選取每個(gè)數(shù)據(jù)塊上相同位置的字節(jié)得到K個(gè)字節(jié)B0,1,B1,1,…,BK-1,1，通過(guò)FEC編碼生成M個(gè)冗余字節(jié)R0,1,R1,1,…,RM-1,1，這M個(gè)冗余字節(jié)對(duì)應(yīng)于冗余數(shù)據(jù)塊相同位置的字節(jié)。

圖4 數(shù)據(jù)塊FEC編碼

在接收端進(jìn)行解碼，可以通過(guò)數(shù)據(jù)塊的序號(hào)確定傳輸失敗的數(shù)據(jù)塊。從每個(gè)數(shù)據(jù)塊頭部開(kāi)始，依次選取每個(gè)數(shù)據(jù)塊上相同位置的字節(jié)，通過(guò)FEC解碼器恢復(fù)出丟失的字節(jié)，并用這些字節(jié)重組為丟失的數(shù)據(jù)塊，完成丟失數(shù)據(jù)塊的恢復(fù)。根據(jù)糾刪碼原理，接收端只需要在M+K個(gè)數(shù)據(jù)塊中接收到K個(gè)數(shù)據(jù)塊就可以恢復(fù)K個(gè)原始數(shù)據(jù)塊。不同的FEC編解碼類型和M值在糾錯(cuò)能力和編解碼效率上存在著差異。在實(shí)際應(yīng)用中最好根據(jù)實(shí)際效果選擇FEC編解碼類型和M的值。

本方案中，在實(shí)現(xiàn)FEC編解碼算法時(shí)采用軟件編程，比較復(fù)雜的FEC編解碼算法會(huì)占用到較多的計(jì)算資源，影響到數(shù)據(jù)的傳輸速度。本方案中采用奇偶校驗(yàn)碼的數(shù)據(jù)幀層的編解碼，每k個(gè)數(shù)據(jù)塊的對(duì)應(yīng)為XOR(異或)運(yùn)算后會(huì)得到1個(gè)冗余數(shù)據(jù)塊，其中k的值可以根據(jù)實(shí)際的可靠性需求和傳輸速率需求進(jìn)行調(diào)整。k值越小，冗余度就越高糾刪能力就越強(qiáng)；而編解碼所占用的時(shí)間會(huì)增加，整體的傳輸速率會(huì)隨之降低。這種方式編解碼復(fù)雜度低，計(jì)算比較簡(jiǎn)單，時(shí)延較小。如果k+1個(gè)數(shù)據(jù)塊中出現(xiàn)1個(gè)數(shù)據(jù)塊丟失，則可利用其它k個(gè)數(shù)據(jù)塊恢復(fù)，同樣是進(jìn)行XOR操作。

發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，一條應(yīng)用數(shù)據(jù)經(jīng)拆分、封裝和FEC編碼之后會(huì)生成一個(gè)由多個(gè)FEC子分組構(gòu)成的數(shù)據(jù)塊傳輸組，這一個(gè)數(shù)據(jù)塊傳輸組會(huì)交給調(diào)度程序統(tǒng)一發(fā)送。

為避免相鄰數(shù)據(jù)被連續(xù)丟棄，造成一個(gè)FEC子分組內(nèi)丟失數(shù)據(jù)過(guò)多，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不能恢復(fù)，在進(jìn)行FEC編碼之前，方案中采用數(shù)據(jù)塊層面的交織方式對(duì)原始數(shù)據(jù)塊進(jìn)行FEC分組。交織本身不能恢復(fù)丟失數(shù)據(jù)，但可以把連續(xù)丟幀離散成隨機(jī)丟幀。進(jìn)行交織的深度越大，就有更多的分組去承擔(dān)連續(xù)丟幀，對(duì)于單獨(dú)的一個(gè)FEC子分組造成影響就會(huì)越小。

本方案中，將對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分，每個(gè)數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度固定為L(zhǎng)個(gè)字節(jié)，不足用零填充。將得到一組數(shù)據(jù)塊，個(gè)數(shù)為t。然后會(huì)對(duì)這些數(shù)據(jù)塊每組k個(gè)數(shù)據(jù)塊分成g個(gè)FEC子分組。然后采用FEC編碼，生成r個(gè)冗余數(shù)據(jù)塊。為使分組比較均衡，先計(jì)算得出FEC子分組個(gè)數(shù)g的值。

令：

a=tmod(k)

(1)

則：

(2)

然后利用分組數(shù)g進(jìn)行數(shù)據(jù)塊分組：

j=imod(g) i={0,1,…,t-1}

(3)

如圖5所示，t個(gè)原始數(shù)據(jù)塊分成g個(gè)子分組進(jìn)行FEC編碼，其中i為數(shù)據(jù)塊的序號(hào),j值相等的數(shù)據(jù)塊為同一FEC子分組。數(shù)據(jù)塊傳輸仍按數(shù)據(jù)塊的序號(hào)依次進(jìn)行傳輸，冗余數(shù)據(jù)塊會(huì)在原始數(shù)據(jù)塊后進(jìn)行傳輸。

圖5 交織分組

2.2.2 冗余傳輸

為進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的可靠性，可以采取冗余傳輸?shù)姆绞?。冗余傳輸?shù)拇螖?shù)越多，數(shù)據(jù)的可靠性就越高。冗余傳輸?shù)姆绞酱嬖趦煞N:

方式一 每條數(shù)據(jù)幀選取多條通道并發(fā)地進(jìn)行冗余傳輸；

方式二 一組待傳輸數(shù)據(jù)幀統(tǒng)一進(jìn)行多次重復(fù)發(fā)送。

兩種方案各有優(yōu)劣。方式一，發(fā)送端在每條數(shù)據(jù)幀發(fā)送完畢之后就可以將數(shù)據(jù)幀丟棄，但因?yàn)榇嬖诙嗤ǖ劳瑫r(shí)丟幀的可能性，可能導(dǎo)致某一幀冗余發(fā)送均會(huì)失敗。第二種方案中，每條數(shù)據(jù)幀的冗余發(fā)送之間間隔較長(zhǎng)，可以避免冗余發(fā)送失敗，但發(fā)送端需等待整個(gè)數(shù)據(jù)重復(fù)發(fā)送完畢才可以將整組數(shù)據(jù)丟棄，這就意味著在此發(fā)送過(guò)程中發(fā)送端須一直緩存這一組數(shù)據(jù)塊。

在設(shè)計(jì)中，冗余發(fā)送時(shí)采用第二種方案。主要考慮到存在連續(xù)丟幀的可能性，以及在傳輸過(guò)程中，接收端的數(shù)據(jù)處理所占用的資源會(huì)比發(fā)送端要多，適當(dāng)降低發(fā)送端的發(fā)送速度，減輕接收端的處理數(shù)據(jù)的負(fù)荷，會(huì)進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。此外，考慮到某一條通道失效的可能性，在數(shù)據(jù)幀重復(fù)發(fā)送時(shí)，會(huì)記錄之前已經(jīng)發(fā)送過(guò)的通道，再次發(fā)送時(shí)避開(kāi)此通道，選用其它的通道進(jìn)行發(fā)送。

數(shù)據(jù)采用冗余發(fā)送經(jīng)各傳輸通道發(fā)送到接收端后，每條數(shù)據(jù)塊會(huì)在接收端收到多個(gè)數(shù)據(jù)塊拷貝。調(diào)度層程序從這些拷貝中選取正確的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行數(shù)據(jù)重組。本文采用投票的方式確定正確的數(shù)據(jù)塊。

在投票之前，首先會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行CRC校驗(yàn)。數(shù)據(jù)選取時(shí)，會(huì)提取校驗(yàn)通過(guò)的數(shù)據(jù)塊中有效數(shù)據(jù)載荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。相同的有效載荷的個(gè)數(shù)會(huì)作為票數(shù)。將得票數(shù)最多的有效載荷作為正確數(shù)據(jù)塊進(jìn)行后續(xù)處理。若存在得票數(shù)相同的多個(gè)有效載荷，則可借助傳輸數(shù)據(jù)塊拷貝的所有數(shù)據(jù)通道的丟包率進(jìn)行判斷，綜合選取傳輸通道可靠性較高的有效載荷作為正確數(shù)據(jù)。

2.3 傳輸調(diào)度算法

利用多個(gè)單向通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，需要綜合考慮應(yīng)用數(shù)據(jù)的傳輸需求(時(shí)效性、可靠性等)，調(diào)度算法的性能。檢驗(yàn)一種調(diào)度算法通常有以下幾個(gè)方面：算法是否完善、資源分配是否合理、調(diào)度速率是否滿足實(shí)時(shí)性的要求、是否解決通道過(guò)載和空閑的現(xiàn)象、調(diào)度模塊的響應(yīng)是否足夠快、通道資源是否合理利用以及能否做到實(shí)現(xiàn)代價(jià)小等[12]。

為提高傳輸速率，減少調(diào)度所需的次數(shù)，將一個(gè)數(shù)據(jù)塊傳輸組分成m個(gè)待發(fā)送的待傳輸子分組，每個(gè)待傳輸子分組中的數(shù)據(jù)塊個(gè)數(shù)為H，具體的值根據(jù)實(shí)際傳輸情況設(shè)定。傳輸調(diào)度模塊在傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)塊傳輸組時(shí)會(huì)根據(jù)用戶數(shù)據(jù)配置的服務(wù)質(zhì)量參數(shù)，得到數(shù)據(jù)幀所需傳輸?shù)娜哂啻螖?shù)r。然后依次調(diào)取每個(gè)待傳輸子分組進(jìn)行發(fā)送。

在獲取待傳輸子分組后，傳輸調(diào)度模塊繼而會(huì)輪詢每條傳輸通道的狀態(tài)，若傳輸通道當(dāng)前空閑且可用，則向當(dāng)前傳輸通道傳遞傳輸子分組進(jìn)行發(fā)送。

數(shù)據(jù)塊傳輸組發(fā)送調(diào)度流程：

1) 傳輸調(diào)度線程從傳輸緩存隊(duì)列中獲取一組數(shù)據(jù)塊傳輸組。

2) 根據(jù)用戶數(shù)據(jù)配置的服務(wù)質(zhì)量參數(shù)得到數(shù)據(jù)幀所需傳輸?shù)娜哂啻螖?shù)，以及數(shù)據(jù)塊傳輸組的子分組個(gè)數(shù)。

3) 從數(shù)據(jù)塊傳輸組中選取一個(gè)待傳輸子分組以待發(fā)送。

4) 傳輸調(diào)度線程輪詢每條傳輸通道狀態(tài)，選取空閑傳輸通道。

5) 若選取的傳輸通道從未傳輸過(guò)此數(shù)據(jù)幀分組，執(zhí)行下一步驟，否則返回步驟4)重新選擇傳輸通道。

6) 將待傳輸子分組傳遞給傳輸通道進(jìn)行傳輸。

7) 若此待傳輸子分組是數(shù)據(jù)塊傳輸組的最后一個(gè)子分組，執(zhí)行下一步驟，否則返回步驟3)繼續(xù)循環(huán)處理。

8) 若數(shù)據(jù)幀組傳輸次數(shù)是否已達(dá)到冗余次數(shù)要求，則執(zhí)行下一步驟，不是則轉(zhuǎn)到步驟3)繼續(xù)循環(huán)處理。

9) 此數(shù)據(jù)塊傳輸組發(fā)送完成，轉(zhuǎn)到步驟1)循環(huán)執(zhí)行。

具體調(diào)度算法如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

3 系統(tǒng)架構(gòu)

多通道單向數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)架構(gòu)圖

從圖7中可以看出，在發(fā)送端和接收端的宿主和物理層之間都存在著三個(gè)層次，即服務(wù)層、調(diào)度層和鏈路層。在發(fā)送端，來(lái)自宿主系統(tǒng)的數(shù)據(jù)依次通過(guò)服務(wù)層、調(diào)度層和鏈路層的處理后會(huì)封裝成一組數(shù)據(jù)幀經(jīng)單向網(wǎng)卡進(jìn)行傳輸。接收端接收到單向網(wǎng)卡傳來(lái)的數(shù)據(jù)幀后，依次通過(guò)鏈路層、調(diào)度層和服務(wù)層處理，還原成宿主原始數(shù)據(jù)并發(fā)送給宿主系統(tǒng)。

服務(wù)層：在發(fā)送端，服務(wù)層主要負(fù)責(zé)緩存來(lái)自宿主系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并根據(jù)數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)依次交給調(diào)度層處理。在接收端，服務(wù)層主要負(fù)責(zé)緩存調(diào)度層重組后的數(shù)據(jù)，并提交給宿主系統(tǒng)。

調(diào)度層：在發(fā)送端，調(diào)度層會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)拆分、協(xié)議封裝、冗余塊生成、校驗(yàn)碼生成等數(shù)據(jù)處理，然后將生成的一組數(shù)據(jù)塊調(diào)度分配給鏈路層中各傳輸通道。在接收端，調(diào)度層接收來(lái)自鏈路層的數(shù)據(jù)塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)、協(xié)議解析、丟包恢復(fù)、數(shù)據(jù)重組等數(shù)據(jù)處理操作，將還原后的數(shù)據(jù)提交給服務(wù)層。

鏈路層：面向各條傳輸通道。在發(fā)送端，鏈路層主要負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行數(shù)據(jù)幀打包、發(fā)送等操作。在接收端，鏈路層主要負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)塊提取等操作。

4 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試環(huán)境為兩臺(tái)服務(wù)器，型號(hào)為HPDL580G7，分別作為外部網(wǎng)絡(luò)終端和內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)終端。配置為：CPU：InterXeon2.00GHz雙核，內(nèi)存：32GB，操作系統(tǒng)：Windows2008R2。測(cè)試中采用了3條傳輸通道,即3對(duì)千兆單向傳輸網(wǎng)卡通過(guò)光纖連接。因?yàn)橹八龅耐ǖ纻鬏敺绞?，本方案將多條傳輸通道看作為一條擴(kuò)展了帶寬的傳輸通道，所以單條通道傳輸與多條通道傳輸僅在傳輸速率上存在區(qū)別。

每條應(yīng)用數(shù)據(jù)為10MB，進(jìn)行FEC編碼時(shí)，采用奇偶校驗(yàn)碼編碼，每10個(gè)數(shù)據(jù)塊生成1個(gè)冗余數(shù)據(jù)塊。此外，改變測(cè)試數(shù)據(jù)的產(chǎn)生速率，可以調(diào)整系統(tǒng)的傳輸速率。在測(cè)試時(shí)，選取了兩種不同的傳輸速率作為對(duì)比。為了證明系統(tǒng)的傳輸效率和穩(wěn)定性，對(duì)傳輸參數(shù)進(jìn)行了選擇，如表1所示。

表1 測(cè)試參數(shù)

從表2可以看出，丟幀率與傳輸速率相關(guān)，通過(guò)測(cè)試1、測(cè)試3、測(cè)試5可以看出在傳輸速率為190MB/s左右時(shí)，10個(gè)小時(shí)以內(nèi)幾乎沒(méi)有丟幀出現(xiàn)。在傳輸速率為280MB/s左右時(shí)，丟幀出現(xiàn)較多。通過(guò)測(cè)試2看出，F(xiàn)EC編解碼可以解決部分丟幀問(wèn)題，測(cè)試4表明冗余傳輸與FEC編解碼相比，可靠性會(huì)更高。這與FEC編解碼選擇的編碼算法和冗余度有關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，如果條件許可，可以選擇更為有效的FEC編碼算法，本方案中的可靠性設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步優(yōu)化。此外，測(cè)試2與測(cè)試4、測(cè)試6相比，通道傳輸速率基本相同的情況下，測(cè)試2的應(yīng)用數(shù)據(jù)的產(chǎn)生速率是測(cè)試4、測(cè)試6的兩倍左右，這是由數(shù)據(jù)冗余傳輸造成的。

表2 測(cè)試結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)一般單向傳輸系統(tǒng)中存在的單通道失效的可能性，以及可靠性及傳輸速率無(wú)法動(dòng)態(tài)調(diào)整等問(wèn)題，提出了利用多條通道進(jìn)行傳輸?shù)南到y(tǒng)方案。方案中首先闡述了如何改造通用的光纖網(wǎng)卡構(gòu)建單向傳輸通道，提出了一套利用多通道冗余傳輸結(jié)合前向糾錯(cuò)技術(shù)，以提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性的傳輸機(jī)制；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了傳輸調(diào)度的設(shè)計(jì)，旨在提高數(shù)據(jù)的傳輸效率。在單向傳輸系統(tǒng)測(cè)試中，使用3個(gè)傳輸通道進(jìn)行了傳輸可靠性和傳輸性能測(cè)試，證明了方案的可行性。方案存在一些需要改進(jìn)的不足：由于單向傳輸通道不存在反饋信息，方案不可能確保完全可靠的傳輸，方案中的可靠性設(shè)計(jì)中的前向糾錯(cuò)算法可以采用糾錯(cuò)性能更優(yōu)的算法，并使用硬件實(shí)現(xiàn)的方式實(shí)現(xiàn)；因多個(gè)通道的原因，本方案實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)會(huì)比單通道占用更多的計(jì)算機(jī)資源。綜上所述，本方案解決了現(xiàn)有的單向傳輸系統(tǒng)的一些不足，提高傳輸?shù)目煽啃院退俾?，并可以?dòng)態(tài)地調(diào)整可靠性與傳輸速率以適應(yīng)不同應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸需求，具有很好的可擴(kuò)展性，這些都使得本方案在內(nèi)外網(wǎng)安全領(lǐng)域具有很廣闊的應(yīng)用前景。

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STUDY OF ONE-WAY TRANSMISSION TECHNOLOGY BASED ON MULTIPLE TRANSMISSION CHANNELS

Yang Yue Wang Ruobing Liu Rui Zhang Bo Tong Yi

(ChinaAerospaceEngineeringConsultationCenter,Beijing100048,China)

Based on the research of the one-way data transmission technology, we analyze some shortages existing in optical gap system. Aiming at these shortages, a one-way data transmission design based on multiple transmission channels is proposed. Firstly, the basic idea of data transmission scheme of multi-transmission channels is expounded, and the one-way data transmission is achieved with universal optical network card. Then the forward error correction technique is used to design the reliability, and the scheduling algorithm based on multichannel data transmission is given. At last, the architecture of the system is designed. Experiments show that the scheme can achieve fast, single and reliable data transmission.

One-way transmission Multiple transmission channels Scheduling algorithm Optical gap

2016-01-26。楊越，碩士生，主研領(lǐng)域：信息安全。王若冰，研究員。劉瑞，高級(jí)工程師。張博，本科。佟軼，碩士。

TP309.2

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.04.024