（通信与信息系统专业论文）城轨应急通信平台的设计及若干关键技术研究.pdf

中文摘要 摘要：本论文针对城市轨道交通系统，设计了一套以通用m e s h 组网设备为基础的 应急通信平台。该平台的目标是可以在复杂的地形环境，封闭狭小的空间中快速 组建用于指挥救援的无线通信网络，并在设备可以提供最大带宽的基础上，提供 较好的网络性能，比较适合城市轨道交通中诸如地铁隧道、车站、楼宇、高架桥 等环境下，传统应急手段不方便组网的救援环境。论文对该平台中用到的若干关 键技术做了深入的研究。 本论文首先介绍了无线m e s h 及其操作系统，w e b 服务器及面向服务的体系机 构等基础，接下来分析了系统的需求与目标，然后从运行模式和切换方式的设计 出发，以通信协议设计为基础，设计了设备之间的通信方式和指令包的组织结构， 以及网络状态监测和故障定位的方式，并提出了网络性能优化方案。考虑到对救 援的支持，设计了依靠接入节点来进行人员定位的方法，并提出了一种救援发现 机制，提高救援和指挥工作的效率。 该论文的主要工作有： ( 1 ) 研究了在通用m e s h 设备中实现应急通信功能的方案，以及需要具体实 现的工作。 ( 2 ) 为了使设备间可以互操作，设计了设备问通信和控制的基本协议。 ( 3 ) 研究和设计了平台在指挥和搜救过程中需要提供的基本服务，包括救援 发现、人员定位等功能的技术实现。 ( 4 ) 研究和设计了实现网络性能整体优化的方案，以保证平台网络可以提供 较好的网络性能。 论文对设计中涉及到的关键核心技术和算法做了细致的描述，包括网络维护和 故障定位算法，分级缓存更新算法，数据校验算法，救援发现和人员定位方案， 以及网络优化的方式等。 关键词：应急通信；无线网状网；数据推送；分级缓存；网络监测 分类号：t p 3 0 2 a bs t r a c t a b s t r a c t ：a ne m e r g e n c yc o m m u n i c a t i o n sp l a t f o 册i sd e s i 印e da i m e dt om a l ( eu p 廿l es h o n f a l lo ft m d i t i o n a lw a yo fe m e r g e n c yn e 觚o r k i n gi nt h eu r b a nr a i l t r a l l s i t s y s t 锄si nw h i c ht l l ea c c i d e n t sw i l lc o m ea c r o s si nt h eu n d e r 黟o u n dt l l 彻e l s ，s t a t i o n so r v i a d u c t sw h e r et h e 锄e r g e n c yc o m m u n i c a t i o nv e h i c l e sc o u l dn o tb eu s e do re v e nt h e r e i sn os a t e l l i t es i 印a lc o v e r e d t h ep l a t f o 姗i si d e a lf o rs e t t i n gu pw i r e l e s sn e 撕o r k s w i n l yi nc o m p l e xt e r r a i na n dc o n 矗n e ds p a c e t h et h e s i sd e t a i l st h ed e s i g no ft h e p l a t f o 珊s u c ha sm eo p e r a t i o nm o d ed e s i g n ，c o n 矗争l r a t i o nm o d ed e s i g n ，c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o ld e s i 弘b e 铆e e nn e m o r k i n ge q u i p m e n t ，c o n h n u i l i c a t i o nd a t as 觚c m r ed e s i 印， a c c e s sa w a r e n e s sd e s i g n ，i n f o 册a t i o np u s l l i n gm o d u l ed e s i g na n ds oo n t h e m a j o rw o r k sb e e n d o n ei nt h et 1 1 e s i sa sf 0 1 1 0 w s ： ( 1 ) r e s e a r c h e dt h es o l u t i o n so fi m p l 锄e n t i n gt h ep l a t f o 咖i nu n i v e r s a lm e s h e q u i p m e n t ( 2 ) d e s i g n e dm eb a s i cc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo ft h ep l a t f o h n ( 3 ) r e s e a r c h e dt 1 1 eb a s i c 允n c t i o n st l l ep l a t f o mc o u l dp r o v i d et oa s s i s tr e s c u e w o r k s ( 4 ) r e s e a r c h e dm es 0 1 u t i o n so ft l l en e t w o r ko p t i m i z a t i o n i nt 1 1 et l l e s i sw ea l s ow e l ld e s i 伊e dm eb a s i cd a t as t r u c t u r ea 1 1 da l g o r i m mo ft h ek e y p a r t o fp l a t f o n ns u c ha sd a t a s e c u r i t yc h e c k i n ga l g o r i t h m ， n e t w o r kt o p o l o g y m a i n t e n a l l c ea l g o r i m ma n dn e t w o r kp e r f o 衄a 1 1 c eo p t i m i z a t i o na l g o d t l l i l l n ep l a t f b 衄 c o u l db ei m p l 锄e n t e de a s i l ya c c o r d i n gt ot l l et l l e s i s k e y w o r d s ： 锄e r g e n c y c o m m u n i c a t i o n p l a t f o r n l ； w i r e l e s sm e s h n e t w o r k ，； i n f o 册a t i o np u s h i n gm o d u l e ；h i e r a r c h i c a lc a c h e ；n e t w o r ks t a t u sm o n i t o r i n g c l a s s n o ：t p 3 0 2 v 致谢 本论文是在刘云教授和张振江教授的悉心指导下完成的。刘云教授严谨的治 学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。两年的研究生学习期间，她 在科研方面对我严格要求，在我论文的选题、撰写和修改方面帮助很大。衷心感 谢刘云教授对我的关心和指导。 张振江教授悉心指导我完成了实验室的各项科研工作。感谢他对我的信任， 让我参与了很多实验室项目，给了我很多锻炼的机会。在我论文的收稿阶段，张 振江教授给了很多宝贵意见，在此表示我衷心的感谢。 感谢实验室的程辉，熊菲，程紫尧，张彦超，程军军等学长对我的关心和帮 助。对于棘手的问题，他们都可以给我耐心的解答，对我论文的完成帮助很大。 感谢唐沁钦、杨帅、王巍、高炳楠同学给我的帮助，在我论文最困难的时期给了 我有益的建议和鼓励。 另外感谢我的家人对我的理解和支持，使我可以专心的完成学业。 最后，感谢那些在百忙之中抽出宝贵的时间，审阅我的论文，参加我的论文 答辩工作的老师。在此表达我的感激之情。 1 引言 1 1 论文研究目的及意义 近年来，我国城市轨道交通发展进程很快。据不完全统计，北京、上海、天 津、深圳、广州、重庆、南京、大连、武汉、长春等1 0 个城市已经开通运营，其 线路里程可达7 7 0 公里。加上建设中的杭州、成都、苏州、西安、沈阳、宁波共 1 7 个城市，总里程将达到1 1 0 0 公里。我国2 5 个城市8 5 个城轨交通建设项目中， 总里程数将达到13 3 3 k m 【。 根据我国城市轨道交通发展规划，2 0 1 5 年我国的城轨交通规划项目为9 3 个， 总线路里程数27 0 0 l ；2 0 2 0 年我国城轨交通规划的项目为1 7 6 个，总里程数将 达到62 0 0 蛔；到2 0 5 0 年，我国规划和已建的城市轨道交通线路将达到2 8 9 条， 总里程数将达到1 17 0 0 k m 【2 1 。我国的城市发展规划指出，城市人口达到2 0 0 万人 以上时，都需要建设城市轨道交通。考虑到我国城市状况和发展速度，我国将有 2 2 9 个城市有潜力发展城市轨道交通系统【3 1 。 虽然我国城市轨道交通事业的发展迅速，城市轨道交通的安全与应急机制却 处于相对滞后的状态。我国今年( 2 0 1 1 年) 就已经有多起城轨交通运行事故发生， 城市轨道交通系统的客运量很高，事故的严重性不容忽视。在保证其安全运营的 同时，还应当注意如果发生突发事件时的应对措施。我国的城轨线路总长度j 凉人， 在世界首屈一指，且建设速度也是国外发达国家的数倍不止，在这种情况下更应 该注意安全隐患的排除和对突发事件的应对。 城轨事故突发后，高效率的反应和救援工作可以在很大程度上减少人民的生 命财产损失，减小事故的危害性，提高救援的成功率。因此，应用于指挥和救援 的通信网络的快速组织是前提。但城市轨道交通系统在事故发生时，面临的首要 问题就是现场信息的闭塞问题。以地铁系统来说，它的绝大多部分是地下建筑， 很容易出现信号受阻，没有网络覆盖的情况。由于地铁系统内部空间的受限，普 通的应急通信系统，如应急通信车等很难安置和应用。并且由于地铁系统内隧道 交叉分布，地形相对复杂，应急网络对于网络的拓扑结构要求较高，需要有针对 性的组建网络。地铁隧道内采光较差，给搜救带来了一定的困难，因此如何做到 救援发现和指挥定位也是一件非常有意义的研究方向。 现有的应急通信手段主要通过车载基站加移动终端的手段，或是卫星通信 i p s t a r l 4 刈支持的通信系统。其响应快，带宽高，但在隧道和地下建筑中，用处很 有限。地下建筑无法适用于卫星通信，信号阻塞，且车载基站也无法支持，而常 规的无线组网方式配置繁琐，响应较慢，很难满足应急通信的需要。研究和设计 一套有针对性的应急通信平台将会是一个有益的解决手段。 本文将在这个背景下，研究和设计一套应用于城市轨道交通的应急通信平台。 对它的设计与研究，可以在一定的程度上帮助城市轨道交通系统提高应对突发事 件的能力，起到快速指挥救援的目的。对减小人民财产损失，减少伤亡有着切实 可行的意义。 1 2 论文介绍及章节安排 本论文详细描述了城市轨道交通应急通信平台的设计，并将设计中出现的关 键技术和算法做了数学论证以证明其可行性。文章从平台的底层硬件设备的选取， 组网方式的选择和步骤，到设备间的通信规约，以及平台可以向上层提供的基本 救援服务作了详细的设计和深入的研究，并对平台可以实现的功能做了细致的描 述。 论文将重点放在了平台的设计中，而将硬件设备的选择方面做了简略的说明。 平台的目标是利用通用m e s h 设备组建应急通信网络。由于通用的组网设备在市面 上种类齐全，只要设备可以稳定的运行，提供符合论文需求的无线标准和网络标 准，并且可以安装符合论文要求定制的操作系统即可应用于该平台之中。在组网 方式的选择方面选择无线网络作为应急组网的基本方式。下面是论文各章的内容 安排。 第一章介绍应急通信平台的研究目的和价值。该章从我国城市轨道交通的发 展现状和发展规模出发，分析了我国城市轨道交通系统的发展速度和潜力，和其 在应对突发事件时尚存在的一些不足。指出应急通信平台所具备的实际意义。 第二章主要介绍了平台使用到的相关技术，包括平台运行的软件环境的定制、 编译、开发流程，以及平台通信协议用到的包过滤机制和轻量级的前端服务器技 术。由于平台的设计面向w 曲服务，因此介绍了s o a 技术和w 曲s e r v i c e 技术。 第三章主要介绍了平台的设计需求，设计目标，平台的硬件组成。 第四章设计平台的各个模块以及上层应用的功能实现。重点描述了平台的运 行模式，通信协议模块，状态模式，信息推送模块，标识编码模块，网络监控模 块，消息路由与救援发现模块以及单机配置模块的设计，包括功能和实现手段。 第五章对平台所涉及到的若干关键技术做了研究。它从设计实现与算法分析 的角度出发，对平台中将要用到核心技术和核心算法做了描述和实现，包括需要 维护的数据结构，核心算法的流程和伪代码实现，流程分析和说明。重点包括数 据完整性校验算法，网络拓扑维护算法，故障定位算法，分级缓存算法，以及网 络优化的实现手段。 第六章对全文做了总结和展望。所有的设计都会有侧重点和不足之处。这里 对平台进行了客观的评价，并从它的不足之处出发，对平台提出了改进的要求。 1 - 3 本章小结 本章节从我国城市轨道交通发展的状况和发展潜力出发，提出了城市轨道交 通应急通信平台研究的目的和意义。我国的城市轨道交通发展快速，但应对城轨 系统的突发事件时尚显不足。并且由于城轨事故容易发生在信号阻塞和地形复杂 的环境，给救援指挥工作中需要的应急网络搭建造成了一定的困难。本章从这个 角度出发，指出了论文研究的意义。 2相关技术介绍 平台相关技术包括无线网状网技术，o p e n w i 玎系统的获取、编译、定制和开 发技术，n e t 6 l t e r 包过滤技术，s o a 技术，以及轻量级w 曲服务器的原理和搭建 技术等。下面加以简单介绍。 2 1 无线网状网 无线网状网又称为m e s h 网络或多跳网络【7 1 。它与传统无线网络有很大的不同， 是一种新型的无线网络技术。传统接入网络中，拓扑结构采用固定的点到点或点 到多点，一般由中心节点与骨干网络相连。用户通过a p 被接入到无线网络中，经 过中心节点的转发，将用户接入到骨干网络中。 无线m e s h 网络中的网络结构与此十分不同。任何无线设备节点在该网络中， 可以同时作为a p 和路由，及每个节点均可实现信号的接入和转发【8 】。数据可以通 过相邻的其他用户节点，以多跳的方式连接如骨干网络。在网络的扩展时不需要 增加中心节点，可以极大的减小网络建设成本。 无线网状网的优点在如果接入节点( a p ) 由于流量过大出现拥塞时，数据可 以自动被路由到数据量小的节点进行传输。数据包还根据网络情况，逐次路由到 下一节点，直到达到最终目的地址位置。当网络结构发生重大的变化或改动时， 数据流可以自适应网络的改变，网络的自适应性较强【9 1 。 由于m e s h 路由的可移动性很低，但m e s h 终端的移动性很高，因此m e s h 路 由技术用到了a d h o c 的思想。而且m e s h 网络还可以针对不同路由节点进行可配置 路由协议和动态编程的方法【l0 1 ，应对极端的组网环境。这样给应急通信的组网解 决方案带来了极大的便利。 2 2o p e n w i 盯系统 o p e n w i 盯系统是平台设备运行的操作系统。该系统是一个开源的可以用于各 种无线路由以及嵌入式设备的l i n u x 发行版本。它提供了一个完全可写的文件系 统，以及功能完备的o p k g 包管理系统，允许用户自主的，自由的发行和安装软件， 而不受重新定制系统的限制，使在其上做二次开发成为可能。用户可以通过特殊 化定制内核模块、软件模块来定制符合自己需求的各种嵌入式固件，将自己的设 备打造成功能强悍的网络设备。现在最新的o p e n w r t 发行版是1 0 0 3 。有必要介 4 绍一下它的主要特征： ( 1 ) l i 肌x 内核为2 6 3 2 长期支持版。 ( 2 )支持m a c 8 0 2 1 1 系列驱动。 ( 3 )支持u c l i b c 版本为o 9 3 0 ，支持替代库l i b c 的实现。 ( 4 ) w 曲服务器支持u h t t p d 。 系统的编译和安装这里不做赘述，参考资料【一5 】做了非常详细的介绍。 系统的配置方式有两种：一种是直接执行命令和修改配置文件，基本的命令 集是l i n u x 系统命令的一个子集。用命令配置的参数会当即生效，且随着下次启动 后失效。另一种是通过修改配置文件来实现。它的生效需要重启系统的某些功能 模块，或者重启设备才能生效，且不会改变。系统的配置途径有两种：一种是通 过s s h 命令远程登录系统，在文本命令终端下操作，这样获得的操作权限最高，且 执行速度最快。需要对系统的熟悉度很高。另一种是通过w 曲方式，在w 曲服务 器的驱动下，通过g u i 来实现对系统的操作，这种方式可以提供友好的操作界面， 控制权限和可靠性均不高，适合一般用户。 系统参数配置的基础是配置文件的修改。郇e n w i 盯的系统为可写系统，因此 它的配置文件可以通过远程登录或是s h e l l 脚本进行添加和修改。所有的配置文件 均在e t c c o n f i 目录下。主要的网络设置配置文件有：n e m o r k 1 6 】，w i r e l e s s 【1 7 】， d h c p f l 8 】，f i r e w a l l 【1 9 】等文件。n 咖o r k 配置文件用于配置网络接口参数，包括接口 的i p ，网关，掩码，协议等。、矾r e l e s s 文件用于配置无线设置，包括无线的开启， 信道的选择，无线s s i d ，加密方式和密钥，无线使用的网络接口等。d h c p 文件用 来配置d h c p 服务器，包括d h c p 服务器应用的网络接口，起始租赁地址，地址 位数以及租赁时间。f i r e w a ! l 文件用来配置数据包的过滤转发规则，流量控制等内 容。 系统的软件开发不同于一般模式下软件开发。针对嵌入式设备的开发，需要 搭建交叉编译环境方可编译对应的系统软件包。编译软件的前提是已经配置好了 编译o p e l l w i 玎固件的环境，其中需要的工具有：a s c i i d o c ，b i n u t i l s ，b z i p 2 ，佻t j 鸥g + + ， g n ua w k ，酵k 2 0 一d e v ，i n t l t 0 0 1 - u p d a t e ，j i l ( e s ，l i b z d e v m a k e ，n c u r s e s ，o p e n s s l s s l h ， p a t c h ，p e r l e x t u t i l s - m a l ( e m a l ( e r ，r s y i l c ，m b y ，s d c c ，u n z i p ，w g e t ，w o r k i n g s d c c ，x g e t t e x t ， x s l t p m c ，z l i b 。编译之前需要首先安装这些工具包方可进行后续工作。 2 3n e t f i l t e r 包过滤机制 n e t 6 1 t 硎p t a b l e s 【2 0 1 是与最新的2 4 x 版本的l i n u x 内核集成的i p 包过滤系统。 它通过用户空间建立用户自己的规则表来对流量包进行匹配和过滤。通过合理的 配置防火墙【2 卜+ 2 2 】，可以实现路由转发、流量控制、安全认证等强大的功能。 i p t a b l e s 的包过滤机制【2 3 】是在三个表和其对应的链上进行规则匹配，对匹配成 功的包进行对应的操作。具体操作有d r o p ，a c c e p t ，r e j e c t 以及s n a t 和 d n a t 等。当一个数据包传输时，它会有三种可能情况：从网络发给本机，通过本 机转发和从本机发给网络。这三种情况都可以实现路由的过滤操作。i p t a b l e s 内部 有三个表：n a t ，6 l t e r 和m 柚西e 。每个表对应一些链( c h a i n ) 。通过对各个表中的 链做规则匹配，可以实现包的过滤等操作。具体的匹配顺序如下解释。 当一个包从网络发给本地时，它需要经过以下的步骤才能到达接收它的程序： ( 1 ) 进入网络接口。 ( 2 ) 经过m a l l 舀e 表的p 砌! r o u t i n g 链。这个链可以改变包的t o s ，t t l ， m a i 等字段。 ( 3 ) 经过n a t 表的p r e r o u t i n g 链。这个链可以做d n a t 操作。一般不 会在这个链上做过滤操作。 ( 4 ) 路由判断。查找路由表判断该包是否需要接收或转发。 ( 5 ) 送往本地程序之前，经过m a l l 舀e 表的i n p u t 链。依旧可以修改包的 t o s ，t t l ，m a r k 等值。 ( 6 ) 经过f i l t e r 表的i n p u t 链。所有以本地为目的的包都要经过这个链。 此处可以设置包的过滤条件实现允许或拒绝不同匹配规则的包。 ( 7 ) 送达本地应用程序。 以本地为源的包，它需要以下步骤才能进入到网络： ( 1 ) 本地程序发送。 ( 2 ) 路由判断。需要使用源地址、外出接口等信息进行路由判定。 ( 3 ) 经过m a n 西e 表的o u t p u t 链。在此处可以实现m a n 四e 表的所有操作。 ( 4 ) 经过n a t 表的0 u t p u t 。在此处可以对从防火墙本身发出的包做d n a t 操作。 ( 5 ) 经过6 1 t e r 表的o u t p u t 。这个链可以对所有本地发出的包进行过滤。 ( 6 ) 经过m a l l g l e 表的p o s t r o u t i n g 链。这条链在d n a t 之后，离开本 地之前，对包实现m a l l 酉e 表中的任何操作。有两种包会经过这里，防火墙产生的 包和被转发的包。 ( 7 ) 经过n a t 表的p o s t r o u t i n g 链。在这里做s n a t 操作。 ( 8 ) 离开接口传输。 被转发的包，需要经过以下步骤： ( 1 ) 进入接口。 ( 2 ) 经过m a n 西e 表的p r e r o u t i n g 。在此处可以实现m a n 酉e 表的任何操 6 作。 ( 3 )经过n a t 表的p r e r o u t i n g 链。在这里做s n a t 操作。 ( 4 )路由判断，判断是否需要接收还是转发。 ( 5 ) 经过m a n 9 1 e 表的f o r 、凇i 链。特殊情况下需要用到。 ( 6 )经过矗l t e r 表的f o r 、i 国链。只有需要转发的包才经过该链。可以 针对这些包做规则匹配和过滤。 ( 7 ) 经过n a t 表的p o s t r o u t i n g 链。这个链用来做s n a t 和m a s q u e r a d e 。 ( 8 ) 离开接口。 2 4 轻量级w 曲服务器 该平台的若干w 曲s e i c e 的功能实现w 曲服务器的支持，需要在设备上搭建 和部署w 曲服务器。由于设备的资源受限，一般的w 曲服务器无法在设备中运行。 l l h t t p d 【2 4 j 服务器是一款可以在嵌入式设备上运行的轻量级w 曲服务器。可以通过 该服务器，组合数据库和脚本语言搭建l i n u x 系统上流行的l a m p 来实现w e b s e r v i c e 功能。 w 曲服务器选择0 p e w r t 系统集成的m t p d 服务器。数据库选择m y s q l ，脚 本语言选择p y t h o n 。服务器的配置需要指定监听端口和网络应用的文件路径，并 设置对应的配置文件和环境路径使其支持p y t l l o n 脚本解析。所有的配置文件均在 e t c c o n 6 路径中。 2 5 面向服务的体系架构 面向服务的体系架构【2 5 】( 简称s o a ) 可以将一个应用的不同服务，通过服务 间定义的接口联系起来，接口问采用不依赖于服务实现的硬件、编程语言和操作 系统的中立方式定义，使得不同服务之间可以通过统一的标准进行通信，而与服 务提供的平台和环境无关。w 3 c 给出的s o a 架构模型中【2 6 】，s o a 由三种不同角 色组成，其包括服务提供者，服务请求者，服务代理者【2 7 1 。服务提供者提供符合 接口描述的服务，并将其发布到服务代理；服务请求者通过服务代理者发现并调 用所需要的服务，即应用服务或软件组件；服务代理者是服务的注册中心，生成 和发布服务提供者的软件接口。 虽然s o a 架构是独立于技术实现的，但采用一套核心标准对实施s o a 有很 大的帮助和促进作用【2 8 】。w 曲s e r v i c e 的特性十分适合s o a 的实现，主要原因是： ( 1 ) w 曲s e r v i c e 中，w 曲服务间可以交换粗颗粒度的异构数据，并且使用通用的 网络协议，使不同服务之间进行广泛连接成为可能。( 2 ) w 曲s e r v i c e 改变了传统 的系统构建过程，使具有高度分布式的面向服务体系结构有了技术依托和支持。 s o a 架构的优点是将分布在不同位置的不同资源看作服务。它可以将现有的 系统集成进新的系统或平台中来，而不用了解这些系统的实现方式和实现技术。 由于服务的松散设计，系统或平台的可扩展性很高。 2 6 本章小结 本章着重介绍了平台设计中需要用到的一些相关技术。无线网状网技术用来 弥补传统无线网络组网模式的不足；数据包过滤技术实现无线网状网的路由转发、 系统防火墙规则设置、q o s 控制等机制；o p e n w r t 系统为这些服务和功能需要实 现了软件环境。考虑到平台不仅需要提供无线网络环境进行通信和救援指挥，还 需要通过平台本身的设备环境，提供其它的服务。因此，使用利用w 曲s e i c e 技 术实现的s o a 架构可以很好的解决平台提供的服务与外部服务间的交互和通信问 题。 3需求分析与设计目标 本章分析城市轨道交通应急通信平台的设计需求，给出一个合理的设计目标。 这些是平台设计和功能实现的标准。 3 1 需求分析 城市轨道交通的突发事故一般会出现在一些地形复杂、信号闭塞、障碍较多 的环境。应急通信车、卫星系统等常用的救援手段较难适应这种场合。平台主要 针对这些特殊的场合，设计一套可以快速组网的通信平台。对该平台的需求分析 主要有： ( 1 ) 使用通用的组网设备。特制和专用的组网设备可以提供较通用设备更好 的网络性能，但其价格昂贵，如果出现故障或不适用的情况，无法做到快速的替 换和增补。通用设备的优点是价格便宜，容易购买，而且可以达到与专业设备近 似的性能。 ( 2 ) 可以灵活适应现场环境。m e s h 网络可以做到灵活的组网，但对m e s h 设 备的配置需要较多的人工操作，使组网灵活性较差。平台的设计需要考虑在人工 干预较少的情况下，达到较佳的网络性能。 ( 3 ) 有一定的救援发现能力。救援环境的复杂和特殊性使得救援发现工作比 较困难。平台应该可以提供一种辅助救援发现的能力，提高救援工作的效率。 3 2 设计目标 该平台的设计注重于在某些突发事件的场合，实现快速组建通信网络，并且 可以应付环境以及地形的特殊性。可以快速的对网络拓扑进行更改，并且对网络 运行状况进行监控，保证指挥人员在出现二次突发事件或特殊情况下，对网络的 运行情况全面的掌控。在此基础上，平台集成了一些基础的服务，可以简化架设 在该平台之上的不同救援指挥服务的设计，减小网络的负载。可以有效的与提供 s o a 架构的系统进行交互，扩展平台的功能。因此，平台的设计有以下几个目标： ( 1 )优化组网流程，使组网的现场准备时间和准备工作尽量缩小。 ( 2 )利用通用设备实现组网，而非专用的应急通信设备。 ( 3 )对网络负载可以做到监控，保证网络利用最大化。 ( 4 )对网络故障可以设置故障最长容忍时间，以符合不同的应急标准。 9 ( 5 )对网络提出升级建议。具体到增加节点的数量和位置。 ( 6 ) 提供网络节点状态复位和灾难恢复的能力。 ( 7 )对大规模网络，可以做到对任意节点的定位，识别和配置。 ( 8 ) 提供特定条件下的救援发现的能力。 ( 9 ) 提供良好的可扩展性。 3 3 硬件环境 平台硬件环境是平台的硬件组成设备，包括组网设备，接入设备以及服务器 设备。由于平台基于通用设备，平台硬件设备的选择范围相对较广。对其参数要 求主要有： ( 1 ) 支持1 0 1 0 0 mr j 一4 5 接头以太网接口。 ( 2 ) 支持2 4 g ，8 0 2 1 1 b 咖无线网接口。 。 ( 3 ) 支持c p u1 8 0 mm i p s 及以上。 ( 4 ) 支持f 1 a s h4 m b 及以上。 ( 5 ) 支持r a m1 6 m b 及以上。 ( 6 ) 支持o p e n w r t 操作系统。 ( 7 ) 支持p o e 供电方式或电池供电方式。 实验设备是u b i o u i t i 公司的n a l l o s t a t i o nm 2 和p o w e r s t a t i o n 2 设备，它们作 为组织网络的节点设备。其参数完全可以满足该平台的需要。表2 1 是该设备的参 数说明。 表2 1n a i l o s t a t i o n m 2 硬件参数 设备参数 c p ua i h e r o s4 0 0 m h zm i p s r a m3 2 m b r a m f l a s h8 m bf l a s h w 讹1 e s s 2 4 g h z ，8 0 2 11v g n c h a i l i l e lw i d ml 1 0 2 0 m h z r a l l g e 1 5 k m a n t e n n ag a i n1 0 4 11 2 d b i p o w e rs u p p l y1 2 v 1 ap o e 该设备支持8 0 2 1 1 b 咖标准，最高吞吐量可以达到1 5 0 m b p s 以上。在室外的 最大覆盖范围1 5 k m ，并且支持双网口设计，可以直接接入网络摄像头等以太网口 接口设备。而且它的c p u 主频和r a m 容量也非常符合设计要求，可以在作为网 络接入和转发设备的同时，进行一些用户层的运算，符合平台的功能要求。 此外还需要一台便携式计算机作为网络规模较大情况下的备用服务器。硬件 设备是由多个节点设备和一个便携式计算机组成。节点设备用作网络的接入和转 发设备，便携式计算机作为设备的调试和备用服务器。 3 4 本章小结 本章对平台的需求和设计目标做了分析说明。并针对需求中提到的通用设备， 给出了设备至少需要满足的硬件指标。本章还介绍了实验设备的参数指标作为网 络节点设备选择的参考。 4应急通信平台设计 本章对城市轨道交通应急通信平台进行具体的设计。设计包括平台的总体结 构和各个功能模块的内部结构和功能细节。 4 1 平台总体结构 平台的总体结构示意图如图4 1 所示： 图4 1 平台总体结构图 f i g u r e4 1t l l eo v e ! f a l ls 仃u c h l r eo f p l a t f o 加 由于平台的分布式结构，上图仅从总体的角度概括了一个近似的层次关系。 从配置的方式上看，当设备间无法支持通信协议时，只要网络接口可用，即可通 过单机接口利用单机配置模块进行网络配置。在支持通信协议的基础上，可以实 现集群的配置方式，实现网络拓扑维护和监测功能，实现消息路由及人员的定位 功能，实现数据的推送机制。为了优化网络，降低网络负载，设计了前端服务器 机制，通过数据的同步和推送技术，附加多级缓存的支持，降低网络重复数据的 传播。后续几小节将对平台的设计做具体的分析和论述。 4 2 运行模式设计 由于组建网络需要诸多的接入节点和转发节点才能实现，该平台主要以集群 的方式配置和运行。虽然如此，考虑到单个节点故障失效后与服务器无法通信的 情况，需要提供单机模式作为备用解决方法。因此，该通信平台需要有支持两种 运行模式：单机模式和集群模式。单机模式用于对单独的节点进行配置操作，适 用于相对简单的组网需求和单点故障时的维护配置方式。 4 。2 i 单机模式 单机模式是每个设备都应该具备的配置模式，也是通用设备可以提供的唯一 配置模式。它需要通过有线或无线的方式连接到配置计算机中，获取本机的s h e l l ， 或通过w e b 的方式进行配置。单机模式的配置方式十分直接简便，对于配置单个 节点以及高级权限下的配置十分有效。图4 2 对该模式进行了描述： 有线或无线 j 广一 m e s h 设备 图4 2 单机配置模式 f i g u r e4 2s t a n d a l o n ec o n 6 9 u r a t i o n 单机配置模式的配置方案有两种： ( 1 ) s s h 直接获取s h e l l 远程登录。这种方式可以获得设备的最高权限，配 置快速直接，但没有可视化的界面，由于复杂性和安全性限制，不适合普通管理 员的操作。 ( 2 ) w 曲方式从网络进行配置。这种方式可以提供友好的配置界面，操作简 便直观，操作的权限较低，适合普通管理员。但无法获取最高权限，其配置功能 受限。 4 2 2 集群模式 集群模式是该平台主要的运行模式。集群配置、状态维护以及网络配置优化 等多种功能均需要集群运行模式来实现。在一个应急通信环境中，集群就是由网 络节点和中心服务器组建的无线网络环境。只是每个节点除了转发数据外，还增 加了额外的功能。基本结构如图4 3 ： 有线酾滋 m e s h 设备a p 牟令固 集群服务器 m e s h 设备l 舀l 龋l 凹s b 益潦刖 图4 3 集群模式基本结构 f i g i l r e4 3b a s i cs t r u c n l r eo fc l u s t e rm o d e 集群服务器运行在一个m e s h 设备节点上。该节点在组网时将被配置成网关节 点? 通过它可以接入到救援现场外的互联网或者专用网。集群服务器也可以配置 到互联网或专用网的任何一个主机上，这样集群服务器运行的位置有二个方案： 方案一：服务器运行在一个m e s h 节点设备上，该节点在组网时将被配置成网 关节点，通过它可以接入到救援现场外的互联网或者专用网。这样做的好处是组 网的硬件设备组合的相当紧凑，不需要额外的设备就可以快速配置成一个网络。 缺点是当网络结构比较庞大时，网关节点的计算压力会很高，或许会成为网络吞 吐量的瓶颈节点。 方案二：服务器运行在额外的主机上。这样不会存在计算量不够的问题，网 关节点只需要专心转发数据即可，所有的服务被搬放在了后方服务器。这样做的 缺点是配置将会不方便，组网的时候必须要有一台特定的主机来管理配置。 平台选择方案一实现。不方便的组网方式是该平台不可容忍的，而方案一中 的问题可以通过使用备用服务器或计算能力更高的网络节点来弥补。 4 3 设备状态及切换方式设计 设备共有两种需要记录的状态，初始状态和复位保持状态。对应于设备上电 之后需要进入的两种状态： 初始状态：所有处于初始状态的设备之间可以互通。除了集群服务器节点外， 其他节点都是对等关系，唯一的区别是不同的i p 地址。这样可以维持节点间的基 本通信，是集群模式下配置节点的基础。对集群进行配置需要进入到该状态。 复位保持状态：该状态对应节点配置后，重启使之生效的状态，或是节点在 运行过程中突然掉电后有重启的状态。该状态需要记忆上次配置的信息，并使该 配置生效或继续有效。 设备的状态切换方式是平台必须要解决的问题之一。由于设备在配置完毕后， 通常需要重新启动设备使配置生效，或是将设备从未使用状态切换到上电使用过 程中来。设备必须可以自动识别相应的有效状态。 状态的识别可以通过设置标志为来实现。o p e n w n 系统在启动过程中，会留给 用户一个加载用户项的接口，它的定义在r c 启动脚本中。状态的识别可以通过在 这里定义自己的用户脚本来使之实现。如图4 4 ： 标志被设计为一个特殊内容的文件，文件路径为e t c c o n 6 i n i t s t a t u s f i l e n a g 。 当启动进入用户定义的脚本后，脚本会检查该文件是否存在，如果存在，则向该 文件中添加启动项信息字段，之后进入保持状态，加载已存在的配置文件，使其 设置不变( 或是使新设置生效) 。如果未发现标志，则执行一个已有的初始化脚本， 将配置文件全部改写为初始化设定，然后添加标志位，继续启动设备，进入初始 1 4 化状态。 图4 4 标志检查流程 f i g t 】4 4m a r ke x 锄i n a t i o np r o c e s s 该设计使设备在启动中，如果没有确定的删除标志位操作，则设备在下次启 动时都会进入保持状态。这样做的好处是将故障引起的重启操作统一归入保持状 态，而无需分辨重启原因。可以通过删除标志文件来使设备在下一次启动时进入 初始化状态，操作和实现比较简便。 集群模式下，集群服务器可以通过广播发送删除操作来宣布这次组网工作完 成，下一次节点重新启动将进入初始化状态，等待下一次组网。而单机模式则可 能需要远程登入节点系统，通过手动删除的方式使节点在下次启动时进入初始化 状态。 标志文件的内容与启动进入何种状态无关。可以将每次启动的信息写入该文 件，作为故障检查的手段。 4 4 集群控制结构设计 4 4 1 设计原理 由于平台的分布式结构，服务器与受控节点之间只能使用c s 模式。大部分 的控制交互信息都被实现在了c s 模式中。而用户与服务器之间的交互通过b s 模式实现，可以提供友好简单的交互界面。如图4 5 ： 用户输入的数据，通过脚本执行特殊的指令，触发服务器端的程序运行状态， 进而实现对节点设备的配置。这里需要定义一套良好的通信协议，用于处理服务 器与受控节点之间的通信协作，以及数据交互功能。 韭立一童适太堂亟堂位途塞 廑釜逗篮垩鱼退进 4 4 2 集群控制结构 图4 5 集群控制原理 f i g l l r e4 5c l u s t e rc o n t r o lp r i n c i p l e s 图4 6 是集群控制结构图： 图4 6 集群控制结构 f i 舀l r e4 6c 1 u s t e rc o n t r o ls t r u c t i l r e 用户数据通过表单的形式发送给s e r v e r ，s e e r 内的w 曲服务器调用脚本集 中的特定脚本进行处理。该脚本拆解数据，并调用相应的功能模块将相应数据封 装成控制指令，通过网络接口发送给特定的节点。该节点从网络接口中收到指令， 经过协议解析可以获得需要配置的内容，将这些控制内容生成相应的系统命令发 送给系统接口执行。 4 4 3s e r v e r 进程结构 互。 s e r v e r 进程结构中包含以下部分： ( 1 ) 脚本接口：提供脚本接口来响应一组自定义的脚本集合，实现与用户的交 ( 2 ) 网络接口：提供网络接口来实现s e r v e r 端与c l i e n t 端的通信。 ( 3 ) 标识模块：定义一套以四个l e d 灯组和的信号标识解析协议，区分不同的 设备。 ( 4 ) 心跳监听模块：监听不同设备的心跳信号，以此信号判断该设备是否工作 异常。 ( 5 ) 协议配置模块：将用户的命令和组网参数配置成为相应的控制指令。 ( 6 ) 网络状态模块：收集和分析网络的流量，负载，拓扑，故障等信息，维护 网络的正常运行。 ( 7 ) 信息推送模块：向前端应用服务器推送信息，减少网络压力和响应时间。 4 4 4 c l i e n t 进程结构 c 1 i e n t 进程结构中包含以下部分： ( 1 ) 网络接口：实现与s e r v e r 间的通信。 ( 2 ) o s 接口：实现对设备的具体配置。 ( 3 ) 标识解析：识别和实现设备l e d 的响应模式。 ( 4 ) 心跳信号模块：发送心跳信号给s e r v e r ，告知自己工作正常。 ( 5 ) 协议解析模块：识别对应的指令，将其解析为o s 配置命令。 ( 6 ) 前端应用模块：响应s e r v e r 端的推送信息，实现现场信息的发布和交互。 ( 7 ) 网络状态模块：收集本机的负载、流量和路由信息给s e r v e r 端。 4 。5 通信协议设计 良好的通信协议设计是平台实现高效通信基础。该平台有两类基本的通信需 求：下达控制命令和接收响应请求。 4 5 1 系统指令 4 7 ： 控制指令从s e r v e r 发出，用来控制和请求c l i e n t 的数据指令。指令结构如图 c i a s s i d | r e s e n ，e d | c o m m a n d l i s tr e s u l t n u m b e rc r c 6 b i t2 b i t8 b i t8 b i t 1 6 b i t l一lj，一llj 图4 7 系统指令结构 f i g u r e4 7s y s t e mc o m m a n ds t r u c t u r e 该指令结构中的c l a s s i d 二进制为( o o o o0 0 b ) ，r e s e