1 引言
    數字視頻廣播DVB(Digital Video Broadcasting)提供面向電視和機頂盒的無線廣播數字電視服務，定義了一套基于動態(tài)影像壓縮標準MEPG-2(Moving pictures Experts Group)傳輸流的數據包內封裝數據的方法，根據衛(wèi)星、有線和地面等不同傳輸媒介，DVB標準相應的分為DVB-S、DVB-C和DVB-T等。
    IP over TS技術是通過數字地面電視網絡傳輸IP數據業(yè)務的關鍵技術，它采用已有的基于DVB-T的發(fā)射和接收裝置提供無線IP訪問業(yè)務。IP over TS可為用戶提供高速移動(<200 krn／h)狀態(tài)下的遠程(<50 km)網絡訪問接口。以相對低廉的成本解決非固定以太網訪問的接入問題。
    IP over TS系統(tǒng)必須提供IP數據包和TS數據包的封裝能力和地址解析能力。同網段內地址擴展技術主要為要求互聯的雙方在同一網段內的特殊設備提供地址解析方案。它是IP over TS系統(tǒng)同網段內應用的關鍵技術。

2 問題的引入
    圖1為使用IP overTS系統(tǒng)的網絡構架。其中，A端接入以太網，為B端提供訪問接口；同時A端和B端接入A1和B1，A1和B1分別為要求接入同一網段內相互通訊的網絡設備。同網段內的地址擴展技術則提供A，B網絡的無縫連接。

3 鏈路擴展法
    對于上述模型，在以太網中通常采用鏈路擴展法解決A端和B端網絡的連接問題。常用的設備有集線器和交換機。在無線系統(tǒng)中可提供對底層鏈路的支持來實現以太網連接。因此，鏈路擴展法同樣適用于無線信道。
3．1 鏈路擴展法原理
    鏈路擴展法的原理是通過在MAC層截取數據包并轉發(fā)以太網底層所有數據包。通過對底層鏈路的支持實現同一網段內地址的擴展。
3．2 鏈路擴展法的實現
    訪問數據鏈路層通常有3種方法：基于BSD的分組過濾器(BPF)、基于SVR4的數據鏈路接口(DLPI)和基于Linux的SOCKET_PACKET接口。由于該系統(tǒng)采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，所以采用SOCKET_PACKET接口訪問數據鏈路層。實現過程為通過創(chuàng)建數據鏈路層socket進行數據鏈路層的訪問。所有數據鏈路層的數據進行TS封裝并通過TS無線信道傳輸至對端，對接收到的信號進行解調、解封裝，將數據通過SOCKET PACKET接口發(fā)送到交換機，再由交換機轉發(fā)。其程序主要語句為：

3．3 鏈路擴展法的測試
    測試上述方法：IP over TS系統(tǒng)采用2 Mb／s的無線信道，其中A端接入教育網內任意交換機并設定其IP地址為同網段內可用IP地址，無線B端通過IP over TS系統(tǒng)接入遠程交換機且IP地址和A端網絡處于同一網段，交換機端連接測試主機B1。A端主機A1每秒發(fā)送300 KBUDP數據至主機B1，B1主機同時每秒發(fā)送300 KB UDP數據至主機A1。在B端IP over TS系統(tǒng)處統(tǒng)計接收到的有效數據總量(UDP協議發(fā)送的數據)和信道傳輸數據總量。測試結果如圖2所示。

3．4 鏈路擴展法測試分析
    從圖2的測試結果看出，鏈路擴展法的主要問題：無線信道的有效數據占有率不穩(wěn)且在部分時段明顯下降，導致碼率接近信道容量的實時圖像傳輸出現卡圖或馬賽克。假如所采用的IP over TS系統(tǒng)的無線帶寬為2 Mb／s，在鏈路層進行數據包獲取和轉發(fā)通常會遇到ARP數據包、各種的廣播以及其他非載荷數據。對于2 Mb／s的無線通信鏈路，這些額外數據會占用部分傳輸帶寬而導致系統(tǒng)有效數據傳輸速率下降。

4 鄰接表法
4．1 鄰接表法原理
    鄰接表法基于鏈路擴展法并對其進行改進，鄰接表法過濾了鏈路層的 ARP數據包和其他廣播數據，從而提升了無線信道的傳輸效率。ARP南IP層復用，可解析局域網內任意合法第三層協議和第二層硬件地址之間的映射關系。當 A端設備訪問B端設備時，由于過濾ARP數據包，使得A端設備認為B端設備未在線或通過網關轉發(fā)，導致通訊不能正常進行。如果將A端IP over TS系統(tǒng)設定為默認網關，會導致A端的其他設備不能訪問上層以太網。可采用偽造ARP協議進行同網段內地址擴展解決此問題。由于ARP協議是建立在友好通信、充分信任基礎上的協議，因此很容易通過欺騙的手段獲取發(fā)送到其他主機的IP數據包。欺騙的整個流程為：(1)統(tǒng)計IP over TS系統(tǒng)兩端分別連接設備的IP地址，分別記錄到對方的鄰接表中；(2)將鄰接表映射到Hash表中，Hash表記錄是否主機在線；(3)當無線的任意一端請求數據發(fā)送時發(fā)送ARP協議，查找Hash表，如果此IP地址存在于鄰接表中，回復ARP協議進行數據發(fā)送欺騙。由于整個網絡被無線鏈路隔開，所以欺騙一定成功；(4)獲取發(fā)送到對端的IP數據，進行數據的TS封裝和轉發(fā)；(5)丟棄接收到的其他廣播數據。
4．2 鄰接表法實現
    讀取NextHost．txt鄰接表，Hash每個IP地址。while(1)
    if(截獲以太網數據)
    if(是ARP協議同時請求IP地址對應的Hash數據為真)
    以本機Mac地址回復ARP協議
    else if(非廣播數據)
    將數據截取到IP層發(fā)送到TS封裝隊列
    endwhile
4．3 鄰接表法的測試和分析
    鄰接表法的測試方法和鏈路擴展法的測試方法相同，測試結果如圖3所示。

    鄰接表法提升了系統(tǒng)有效數據載荷，信道有效數據的穩(wěn)定性和占有率得到提高。但由于需統(tǒng)計和編制地址鄰接表，每次IP地址變動都要修改鄰接表，導致IP over TS系統(tǒng)應用的靈活性不足。同時，IP over TS系統(tǒng)基于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，修改鄰接表的操作較麻煩，因此對于自動分配IP地址和頻繁變動布局的網絡應變能力不夠。

5 自適應鄰接表法
5．1 自適應鄰接表原理
    自適應鄰接表法基于鄰接表法。但它解決了鄰接表法中缺乏靈活性的問題。自適應鄰接表法不再需要手動統(tǒng)計IP地址和編輯鄰接表。它自動獲取各自網段中的鄰接表并發(fā)送到對端進行交換，特別適合對移動設備和臨時設備提供無線網絡接入。同時自適應鄰接表法也避免了發(fā)送過多的地址信息數據而占用有效數據帶寬。自適應鄰接表法如下：(1)系統(tǒng)開機，IP over TS設備向全網段內發(fā)送ARP數據包，在一定的時間內(10 s)將收到ARP回復的主機IP地址記錄入存根；(2)IP over TS兩端交換存根，并將交換后的存根進行Hash映射；(3)如果有主機上線，主機將發(fā)送一個ARP消息確保IP地址不沖突。IP over TS系統(tǒng)查找對端IP地址列表。如果此IP地址可用，則將該IP地址加入地址列表存根并準備發(fā)送修改消息至對端。如果此IP地址不可用(對端存在該IP地址)；則IP over TS系統(tǒng)回復該ARP消息表明此IP不可用(IP地址存在沖突)；(4)IP over TS系統(tǒng)每隔10 min向網絡中的每臺主機廣播ARP數據包用來輪詢下線的主機同時修改存根，將修改操作發(fā)至對端網絡。
    通過上述4個步驟，IP over TS系統(tǒng)就可知任意時刻網絡兩端的地址信息并確認是否為欺騙，轉發(fā)數據包。
5．2 存根交換幀
    TS的標準格式由MPEG2標準組制定。其中PID規(guī)定傳輸流中的數據類型。PID是在TS幀頭中預留的13比特數據。對于第1次存根交換和IP數據交換，采用指定PID標識。如果要添加或刪除一臺主機信息，PID的生成規(guī)則如下：
    PID 0b00000 0000 0000
    添加：0b00001 XXXX xxxx；其中XXXX XXXX表明主機地址。
    刪除：0b00010 XXXX xxxx；其中XXXX XXXX表明主機地址。
    在該PID出現的情況下，TS中的數據只有2種類型：一種是帶有IP數據的載荷數據包和單純發(fā)送修改消息的數據包。這兩種包可通過IP封裝算法進行區(qū)分。同時考慮到A類和B類地址的問題，通過子網掩碼的運算來確定多少個TS修改幀決定一臺主機地址。A類地址需3個TS幀修改一個主機地址，B類地址需2個 TS幀，C類地址需1個。
    自適應鄰接表法需2個原始socket協同工作。ARPsocket用來處理ARP相關的所有消息。IP socket用來捕獲發(fā)往該MAC地址的所有數據包。同時，和鄰接表法一樣。自適應鄰接表法由于在無線信道傳輸的過程中剔除了MAC層幀頭信息，這樣在無線信道中每傳送1個IP數據包就可省14個字節(jié)的流量，進一步提高了系統(tǒng)信道的有效利用率。
5．3 自適應鄰接表實現
5．3．1 數據捕獲線程

5．4 自適應鄰接表法的測試及結果分析
    自適應鄰接表的測試方法和鏈路擴展法的測試方法相同，測試結果如圖4所示?？煽闯觯捎米赃m應鄰接表法后。信道有效數據的穩(wěn)定性和占有率都與鄰接表法保持一致，優(yōu)點是增加了系統(tǒng)配置的靈活性。

6 結論
    鏈路擴展法可解決IP over TS系統(tǒng)在同網段內地址擴展問題，但對于無線信道該方法存在著有效數據占有率不穩(wěn)定且不足的問題。針對這些問題，將鏈路擴展法改進為鄰接表法，同時針對鄰接表法缺失靈活性的問題將其改進為自適應鄰接表法。通過航天某返回艙數傳鏈路項目的測試表明，自適應鄰接表法可有效解決IP over TS系統(tǒng)在同網段內地址擴展問題，能夠使無線信道的有效數據占用率趨于穩(wěn)定并有所提高。將該方法應用在無線信道的實時圖像傳輸系統(tǒng)，圖像質量得到了明顯改善。