基于IP over TS系统网段内地址扩展技术的研究

1 引言
数字视频广播DVB(Digital Video Broadcasting)提供面向电视和机顶盒的无线广播数字电视服务，定义了一套基于动态影像压缩标准MEPG-2(Moving pictures Experts Group)传输流的数据包内封装数据的方法，根据卫星、有线和地面等不同传输媒介，DVB标准相应的分为DVB-S、DVB-C和DVB-T等。
IP over TS技术是通过数字地面电视网络传输IP数据业务的关键技术，它采用已有的基于DVB-T的发射和接收装置提供无线IP访问业务。IP over TS可为用户提供高速移动(200 krn／h)状态下的远程(50 km)网络访问接口。以相对低廉的成本解决非固定以太网访问的接入问题。
IP over TS系统必须提供IP数据包和TS数据包的封装能力和地址解析能力。同网段内地址扩展技术主要为要求互联的双方在同一网段内的特殊设备提供地址解析方案。它是IP over TS系统同网段内应用的关键技术。

2 问题的引入
图1为使用IP overTS系统的网络构架。其中，A端接入以太网，为B端提供访问接口；同时A端和B端接入A1和B1，A1和B1分别为要求接入同一网段内相互通讯的网络设备。同网段内的地址扩展技术则提供A，B网络的无缝连接。

3 链路扩展法
对于上述模型，在以太网中通常采用链路扩展法解决A端和B端网络的连接问题。常用的设备有集线器和交换机。在无线系统中可提供对底层链路的支持来实现以太网连接。因此，链路扩展法同样适用于无线信道。
3．1 链路扩展法原理
链路扩展法的原理是通过在MAC层截取数据包并转发以太网底层所有数据包。通过对底层链路的支持实现同一网段内地址的扩展。
3．2 链路扩展法的实现
访问数据链路层通常有3种方法：基于BSD的分组过滤器(BPF)、基于SVR4的数据链路接口(DLPI)和基于Linux的SOCKET_PACKET接口。由于该系统采用嵌入式Linux操作系统，所以采用SOCKET_PACKET接口访问数据链路层。实现过程为通过创建数据链路层socket进行数据链路层的访问。所有数据链路层的数据进行TS封装并通过TS无线信道传输至对端，对接收到的信号进行解调、解封装，将数据通过SOCKET PACKET接口发送到交换机，再由交换机转发。其程序主要语句为：

3．3 链路扩展法的测试
测试上述方法：IP over TS系统采用2 Mb／s的无线信道，其中A端接入教育网内任意交换机并设定其IP地址为同网段内可用IP地址，无线B端通过IP over TS系统接入远程交换机且IP地址和A端网络处于同一网段，交换机端连接测试主机B1。A端主机A1每秒发送300 KBUDP数据至主机B1，B1主机同时每秒发送300 KB UDP数据至主机A1。在B端IP over TS系统处统计接收到的有效数据总量(UDP协议发送的数据)和信道传输数据总量。测试结果如图2所示。

3．4 链路扩展法测试分析
从图2的测试结果看出，链路扩展法的主要问题：无线信道的有效数据占有率不稳且在部分时段明显下降，导致码率接近信道容量的实时图像传输出现卡图或马赛克。假如所采用的IP over TS系统的无线带宽为2 Mb／s，在链路层进行数据包获取和转发通常会遇到ARP数据包、各种的广播以及其他非载荷数据。对于2 Mb／s的无线通信链路，这些额外数据会占用部分传输带宽而导致系统有效数据传输速率下降。

4 邻接表法
4．1 邻接表法原理
邻接表法基于链路扩展法并对其进行改进，邻接表法过滤了链路层的 ARP数据包和其他广播数据，从而提升了无线信道的传输效率。ARP南IP层复用，可解析局域网内任意合法第三层协议和第二层硬件地址之间的映射关系。当 A端设备访问B端设备时，由于过滤ARP数据包，使得A端设备认为B端设备未在线或通过网关转发，导致通讯不能正常进行。如果将A端IP over TS系统设定为默认网关，会导致A端的其他设备不能访问上层以太网。可采用伪造ARP协议进行同网段内地址扩展解决此问题。由于ARP协议是建立在友好通信、充分信任基础上的协议，因此很容易通过欺骗的手段获取发送到其他主机的IP数据包。欺骗的整个流程为：(1)统计IP over TS系统两端分别连接设备的IP地址，分别记录到对方的邻接表中；(2)将邻接表映射到Hash表中，Hash表记录是否主机在线；(3)当无线的任意一端请求数据发送时发送ARP协议，查找Hash表，如果此IP地址存在于邻接表中，回复ARP协议进行数据发送欺骗。由于整个网络被无线链路隔开，所以欺骗一定成功；(4)获取发送到对端的IP数据，进行数据的TS封装和转发；(5)丢弃接收到的其他广播数据。
4．2 邻接表法实现
读取NextHost．txt邻接表，Hash每个IP地址。while(1)
if(截获以太网数据)
if(是ARP协议同时请求IP地址对应的Hash数据为真)
以本机Mac地址回复ARP协议
else if(非广播数据)
将数据截取到IP层发送到TS封装队列
endwhile
4．3 邻接表法的测试和分析
邻接表法的测试方法和链路扩展法的测试方法相同，测试结果如图3所示。