恶劣环境下无线网络数据通信策略研究与应用.

Vol.33 No.5 Computer Engineering · 网络与通信 ·

文章编号：1000—3428(2007)05—0082—02

文献标识码：A

2007年3月

March 2007

中图分类号：TP9393

恶劣环境下无线网络数据通信策略研究与应用

高昊江，杨 晟，张宜生，梁书云

(华中科技大学模具技术国家重点实验室，武汉 430074)

摘 要：恶劣环境下无线信号会出现时断时续的不稳定现象，导致传统的保持在线连接的通信方法不能正常工作。为此，提出了一种“信号－时间窗”分析指引下的基于FTP协议传送经混沌加密及压缩处理的XML文档的数据通信策略，给出了其在恶劣信道下成功应用的实例。系统投入运行半年多的实践结果表明，该通信策略能很好地解决恶劣环境下的数据通信问题，保证了通信的敏捷性、完整性、保密性和可靠性，在恶劣通信条件下或异构系统之间的数据通信领域具有相当的应用价值和参考意义。 关键词：恶劣环境；数据通信策略；混沌加密；XML；系统安全

Research and Application of Wireless Network Data Communication

Strategy in Adverse Environments

GAO Haojiang, YANG Sheng, ZHANG Yisheng, LIANG Shuyun

(State Key Lab of Plast. Form. Simulation, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074)

【Abstract】In adverse environments, wireless communication speed is slow and often breaks down. It causes the traditional keeping-in-connectioncommunication methods do not work. To resolve this problem, a communication strategyis presented, which uses signal time window and FTP totransmit chaotic-encrypted and compressed XML document. The application example is also given, which has been put to use for more than half ayear. The experiments and application results show that the proposed communication strategydoes good work at bad communication conditions, andhas the advantages of agility, completeness, security and stability, which can be widely applied in the data communication fields under badcommunication conditions or between different systems.

【Key words】Adverse environments; Data communication strategy; Chaotic encryption; XML; System security

无线网络的快速发展为运动物体和外界之间的信息交互提供了现实基础。大型船舶、豪华客车等需要和外界进行实时的信息交互，就必须借助无线网络。无线信号是一种电磁波，它在空间是直线传输的，每遇到一个障碍物，信号强度就会受到一些削弱，特别是山丘、树林和金属物体，对无线信号的屏蔽、阻断影响就更明显。除此之外，无线信号还受到其它方式的能量损耗，例如空间带电离子的吸收损耗、散射损耗、折射损耗、反射损耗；并受到各种噪声干扰[1]。经过层层削弱之后，在某些特殊场合，无线信号就会变得非常弱，比如在两岸山峰连绵不断的江面上航行的大型船舶里，不但传输速率很低，而且出现时断时续的现象。那么在这种恶劣的通信条件下，如何保证运动物体和外界之间进行实时、准确的数据通信，就成了业界不得不研究解决的问题，本文提出了一种解决方案，并给出了一个已成功实施半年多的应用实例。 1 恶劣环境下的无线网络数据通信策略 恶劣无线网络环境下的数据通信问题，就不能再采用需要时刻保持在线连接的解决方案，比如单纯的B/S或C/S结构。先分析B/S或B/S/S不能解决此问题的原因：客户端采用浏览器的方式，一旦无线通信暂时中断，那么用户就需要重新进行系统登录和身份验证，并且之前通过浏览器登记的尚未保存的数据也会全部丢失；而且，由于无线网速较慢，这种和远程服务器端紧密耦合的方法使得用户的大部分时间都浪费在了打开页面的漫长等待过程中。再看C/S不能解决 —82—

此问题的原因：C/S虽然没有了打开页面漫长等待时间的缺陷，但由于它需要和远程数据库服务器保持在线连接，这种高频率、长时间地通过无线网络读写远程数据库的操作很容易出现卡死现象。 因此，恶劣网络条件下的数据通信，应该舍弃这种单一的、运动物体所用系统和远程服务系统间耦合太紧的传统方法，而采用解耦的系统架构，即在中间加设一个数据传输服务层。该层的主要作用为：(1)进行“信号－时间窗”波形分析，自动判断当前的网络状况是否适合进行通信，其方法为：分析最近一个微小时间片内的“信号－时间窗”(横坐标为时间，纵坐标为用信号强度或Ping命令的应答时长表示的信号质量，设定了信号质量的理想值和要求下限值)的波形情况，根据波形是否位于信号窗内来判断能否进行数据传输，若结论为否，则顺延到下一个时间片进行分析；(2)在信号满足要求时，基于FTP协议传送经过混沌加密[2]及压缩处理的XML文件，支持断点续传，以解决时常断线造成数据难以传输成功的问题。该策略的特别之处在于数据通信中断后，系统能自动选择何时进行断点续传，避免了人工经验操作的繁琐和低效率，极大地方便了用户的使用。 作者简介：高昊江(1981－)，男，博士，主研方向：信息安全，无线通信，协同制造；杨 晟，本科生；张宜生，教授、博导；梁书云，高工

收稿日期：2006-07-10 E-mail：hustpphd@126.com

该方案避免了上述传统解决方案存在的弊端，能够很好地满足恶劣通信条件下进行大量信息实时交互的业务需要；在这种“信号－时间窗”控制指引下，基于FTP协议传输经混沌加密及压缩处理生成的XML文档，能实现快速数据传送。XML的自描述性使其非常适用于不同应用间的数据交换，而且这种交换是不以预先约定一组数据结构定义为前提的，因而具备很强的开放性。 2 系统实现及应用 本文所提出的解决方案已经在长江客运无线网络数据通信系统中得到成功应用。该系统主要的功能为：游轮乘客住宿登记信息的采集上报，游客信息实时分析及内部管理信息传输。系统建设初期遇到如下一些需要研究解决的问题： 子系统。游轮用数据采集子系统的结构有两种可选方案：B/S结构模式或C/S结构模式，考虑到程序代码和数据结构的安全性，以及提供全方位的快捷键输入，选择C/S结构模式更为合理。配合合理的客户端界面设计，系统操作效率高、占用资源少、反应速度快。而服务控制子系统，需要支持分布式数据库查询、支持分布式访问(上述第6个问题)，因此采用基于J2EE的B/S/S结构模式；J2EE平台的采用，使得系统具有了良好的可扩展性、跨平台性、可移植性、可重用性。两个子系统之间采用基于FTP协议的文件通信的方式，即加设了一个数据传输服务层，系统总体结构如图1所示，可见系统为混合架构，兼取了C/S和B/S/S架构的长处。为了确保系统安全，服务控制子系统又分设了服务器和内网服(1)无线网络接入方案设计；(2)如何保证通信的完整性、敏捷性；(3)如何保证通信的有效性和安全保密性，防止数据资料外泄；(4)如何保证系统安全；(5)如何让游船用户操作方便，乐于使用；(6)如何实现数据在沿江分布的各个单位之间的 共享。 针对第1个问题，存在两种解决方案：(1)利用长江上的专用VHF数据信道。这种专用通信网目前的数据传输速率为2 400bps~4 800bps，速率较低，还需专用的终端接入设备，对于零散的船舶来讲，通用性较差，不能满足系统要求。 (2)利用国家现有的两种无线广域网GPRS或CDMA。GPRS网络理论上支持的最高速率为171.2Kbps，目前实际接入速度一般在15Kbps~40Kbps，CDMA的实际通信速率则可达150 Kbps。可见无线广域网传输速度较高，而且用户只需购置民用设施就可以实现无线联网，实施方便，因此初步选定第2套方案。 为调查了解长江三峡段的无线网络信号质量是否满足系统运行要求，笔者对宜昌至重庆江段的GPRS和CDMA的无线网络信号进行了测量。测试设备为：IBM笔记本电脑1台，CDMA无线网卡1块，GPRS无线网卡1块。轮船的航速为25km/h～30km/h。测试结果如表1所示。 表1 长江某段的CDMA/GPRS无线网络信号测试结果 地点 数据量(Kb) CDMA GPRS 用时(s) 用时(s) 信号强度 备 注 宜昌西陵峡 38.24 6 17 -87dB 巴东鳊鱼溪 38.24 6 15 -83dB 巫峡 91.45 17 26 -85dB 两号均存在个别盲点 奉节 17.57 4 23 -98dB 两网在瞿堂峡无信号达20min万州 55.29 18 19 -73dB 两号均存在个别盲点 从表1所述实验数据可得出以下几点结论：(1)无线网络基站分布稀疏，加之轮船自身以及位于侧旁的山体或其它轮船的屏蔽作用，导致无线信号大幅度衰减，信号微弱，通信速率低，而且出现了时断时续现象。(2)CDMA/GPRS无线网络已基本覆盖宜昌至重庆之间的长江江段，只是在某些高峡处，例如瞿堂峡，存在较大面积的信号盲点，但并不影响系统的正常运行，用户可选择避开这些地段传送数据。(3)CDMA比GPRS的网速要快一些。(4)表中的数据量，并不是数据流量，而是需要传输的文件的大小，另外由于受到测试服务器端系统的网络数据流速，因此两网的通信速率都没有得到很好的表现。此次实验表明系统可选用CDMA或GPRS无线接入方案，从运行速度上看更推荐使用CDMA，但从运行费用上看，GPRS却比较便宜[3]。 因为无线网络信号存在时常断线的情况，所以有必要采取解耦的系统架构，将系统分为数据采集子系统和服务控制

务器，2个服务器之间被物理隔断并设有防火墙，内部数据不会向外流动，从而杜绝了黑客入侵内部系统的可能性。 C/S结构子系统服务器 CDMA/GPRSInternet物理隔断 B/S/S结构子系统各单位用户

内网服务器

持久数据服务层

图1 系统体系结构 为了保证通信的完整性和敏捷性，本系统采用了前述的“信号－时间窗”分析指引下的基于FTP协议传送经混沌加密[4]及压缩处理的XML文档的数据通信策略。它舍弃了单条登记单条入库或通过无线网络执行数据库查询的常规模式，采用批量登记和一次性XML文件传送的新模式：即加设了一个数据传输服务层，用来完成信号窗波形分析、用户身份验证、数据的接收/存储/转发功能，游客信息、住宿信息、管理信息均经过此中间层上下流转。由于采用了FTP传输协议，因此数据发送方和接收方都会收到明确的通信成功与否的信息反馈；而且由于双方都支持断点续传的功能，因此有效保证了在时常掉线情况下的通信完整性。并且根据“信号－时间窗”内信号传输可靠性高的原理，采用了“信号－时间窗”波形分析预测机制，使得系统在数据通信中断后，能自动选择何时进行断点续传，避免了人工经验操作的繁琐和低效率。此外，系统采用了数据压缩技术，用RAR压缩格式对需传输数据进行压缩，压缩比达到了10倍以上，所以此项举措有效地提高了通信的敏捷性。 本文提出的数据通信策略还有效地保证了通信的有效性和保密性。C/S子系统和B/S/S子系统间采用XML文档进行数据交换，XML文档的自描述性使其非常适用于不同应用间的数据交换，从而保证了数据通信的有效性和可靠性。同时，为了防范恶意攻击及防止信息外泄，采用混沌加密技术[2]对XML文档进行了加密处理[5]，之后再经过上述的压缩处理及基于FTP协议的数据传送。数据接收方，对数据进行反向工程，取得原始的XML文档，并提取需要的信息入库。B/S/S子系统采用DOM4J技术进行信息的快速解析、校验和提取等工作。 （下转第86页） —83—