劉喜作，王紅軍，毛建舟

(1.大連理工大學(xué)，遼寧大連 116024;2.大連艦艇學(xué)院，遼寧大連 116018)

1 引言

評估和反饋功能對于訓(xùn)練分析、成績評定和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)具有重要意義，對提高受訓(xùn)者技能有極大幫助。而目前艦艇實(shí)裝模擬訓(xùn)練的反饋和評估功能不夠完善，在一定程度上制約了訓(xùn)練效果的提升［1］。利用艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)現(xiàn)有的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)資源，增加少量組件實(shí)現(xiàn)評估數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集將成為提高訓(xùn)練反饋的自動化和評估的智能化十分重要的環(huán)節(jié)。

在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上實(shí)時(shí)偵聽數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。文獻(xiàn)［2］指出，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)要考慮的性能因素有網(wǎng)卡驅(qū)動、過濾設(shè)置、數(shù)據(jù)包捕獲時(shí)間戳、內(nèi)存拷貝、系統(tǒng)調(diào)用、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動中緩存的大小以及內(nèi)核中數(shù)據(jù)包緩存的大小等。謝鯤［3］針對基于WinPcap的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控軟件特點(diǎn)，給出了軟件捕獲的流量監(jiān)測系統(tǒng)的總體性能評價(jià)。在解決高速網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的丟包問題上，文獻(xiàn)［4－5］提出了基于Win-Pcap系統(tǒng)的性能優(yōu)化方案，在分布式抓包結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了改進(jìn)。而廖俊云［6］從抓包方法本身出發(fā)，提出了一種改進(jìn)的快速抓包方法。但上述文獻(xiàn)方法都沒有提及如何對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與篩選。

新型艦艇實(shí)裝模擬訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和通信協(xié)議與互聯(lián)網(wǎng)有共性，但在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和信息流程方面有獨(dú)自特點(diǎn)。另外，評估數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)更為關(guān)注對感興趣的評估數(shù)據(jù)準(zhǔn)確與完整提取。因此，本文針對這些特點(diǎn)，就艦艇實(shí)裝模擬訓(xùn)練中評估數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集方法進(jìn)行論述。

2 實(shí)裝模擬訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

開展實(shí)裝化模擬訓(xùn)練，是以艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的整體性和系統(tǒng)性為基礎(chǔ)，在構(gòu)造的虛擬戰(zhàn)場態(tài)勢下進(jìn)行的各系統(tǒng)(包括警戒探測系統(tǒng)、作戰(zhàn)指控系統(tǒng)和軟硬武器系統(tǒng)等)聯(lián)合作戰(zhàn)模擬訓(xùn)練，它需要各裝備內(nèi)部的局域網(wǎng)、作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)網(wǎng)和模擬訓(xùn)練外部網(wǎng)的共同支持。

2.1 訓(xùn)練信息流程

實(shí)裝模擬訓(xùn)練是在實(shí)際艦艇裝備上進(jìn)行的作戰(zhàn)訓(xùn)練。首先由嵌入式模擬訓(xùn)練設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)化模擬訓(xùn)練設(shè)備產(chǎn)生具有對抗性的訓(xùn)練態(tài)勢，從警戒探測系統(tǒng)注入到實(shí)裝上，為作戰(zhàn)系統(tǒng)提供目標(biāo)來源。警戒探測系統(tǒng)在不實(shí)際發(fā)射電磁波或聲波的情況下模擬戰(zhàn)場感知，進(jìn)行戰(zhàn)場信息獲取。隨后，將模擬獲取的戰(zhàn)場信息輸入到作戰(zhàn)系統(tǒng)內(nèi)部，按照真實(shí)的作戰(zhàn)信息流程在作戰(zhàn)系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行相應(yīng)處理后，進(jìn)行戰(zhàn)場態(tài)勢顯示，使指揮員在如同實(shí)戰(zhàn)的背景下進(jìn)行目標(biāo)識別、威脅判斷、目標(biāo)分配、火力打擊等指揮決策。最后，各軟硬武器系統(tǒng)收到目標(biāo)指示，在指揮員下達(dá)火力打擊命令后進(jìn)行武器啞射、模擬攻擊。整個(gè)訓(xùn)練過程與真實(shí)作戰(zhàn)流程一致，既能訓(xùn)練指揮員的戰(zhàn)術(shù)指揮能力，又能訓(xùn)練操作人員的裝備操控能力［7－8］。

2.2 評估數(shù)據(jù)采集

評估系統(tǒng)要對上述整個(gè)過程進(jìn)行跟蹤，重點(diǎn)是對訓(xùn)練信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，主要包括考核目標(biāo)的產(chǎn)生、發(fā)現(xiàn)、處理、上報(bào)、態(tài)勢判別、目標(biāo)指示和軟硬武器攻擊。而在訓(xùn)練過程中，訓(xùn)練信息要在不同的網(wǎng)絡(luò)中流動，主要包括各警戒探測系統(tǒng)內(nèi)部局域網(wǎng)、各軟硬武器系統(tǒng)內(nèi)部局域網(wǎng)、作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)網(wǎng)和模擬訓(xùn)練設(shè)備的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)等。另外，有的關(guān)鍵評估信息只在實(shí)際裝備內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)傳輸(如對考核目標(biāo)的檢測、攻擊時(shí)機(jī)和方法等信息)，設(shè)備間的通信又采用不同協(xié)議，這給訓(xùn)練評估信息采集增加了困難。

為了全面收集評估信息，完善艦艇實(shí)裝模擬訓(xùn)練的反饋和評估功能，根據(jù)目前實(shí)際情況，評估數(shù)據(jù)采集設(shè)備必須進(jìn)行多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集。本文采用網(wǎng)絡(luò)嗅探方法在不同網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)底層數(shù)據(jù)過濾與收集，采用通用解包機(jī)制進(jìn)行評估數(shù)據(jù)分類解釋，基本工作原理如圖1所示。

圖1 評估數(shù)據(jù)采集原理圖Fig.1 The principle of assessment data acquisition

3 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)

評估數(shù)據(jù)采集的過程實(shí)際是對參與訓(xùn)練的各個(gè)網(wǎng)絡(luò)流經(jīng)信息進(jìn)行監(jiān)控與收集的過程，重點(diǎn)收集對考核目標(biāo)實(shí)施作戰(zhàn)行動的信息。為了全面準(zhǔn)確地獲得相應(yīng)評估數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用了網(wǎng)絡(luò)嗅探技術(shù)。

以單個(gè)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練評估數(shù)據(jù)采集為例，我們采用以下幾個(gè)主要的步驟:首先，打開網(wǎng)絡(luò)適配器，配置相關(guān)參數(shù)控制接收數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)和種類;然后，循環(huán)捕獲數(shù)據(jù)包和采用通用解包機(jī)制分析處理數(shù)據(jù)包;最后，對得到評估數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

圖2 評估數(shù)據(jù)采集流程(單點(diǎn))Fig.2 The process of assessment data acquisition(single point)

3.1 基于WinPcap網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)獲取

為了獲得較好的移植性，本系統(tǒng)采用WinPcap。WinPcap提供了一個(gè)具有良好易用性和可擴(kuò)展性的高效、通用且富于彈性的“內(nèi)核”［9－10］。

WinPcap 一般抓包步驟有［11］:

(1)獲取網(wǎng)卡設(shè)備列表(如果有多塊網(wǎng)卡，則從中選擇一塊)，設(shè)置用于嗅探的網(wǎng)卡和過濾器等參數(shù);

(2)把網(wǎng)卡上的數(shù)據(jù)包復(fù)制到內(nèi)核緩沖區(qū)中;

(3)通過上層的調(diào)用，把內(nèi)核緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包拷貝到用戶緩沖區(qū)中，經(jīng)過一定的處理，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和保存。

3.2 配置相關(guān)參數(shù)

為了更加有效地對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，必須認(rèn)真配置WinPcap系統(tǒng)中的相關(guān)參數(shù)，主要包括網(wǎng)卡的設(shè)定、緩沖區(qū)的設(shè)定和數(shù)據(jù)過濾設(shè)定。

(1)網(wǎng)卡的設(shè)定

通過pcap_open_live()函數(shù)來進(jìn)行網(wǎng)卡的設(shè)定。這個(gè)函數(shù)中共有4個(gè)參數(shù)，分別用來制定監(jiān)聽設(shè)備接口、制定WinPcap捕獲的最大數(shù)目網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包、制定網(wǎng)卡工作模式和指定讀數(shù)據(jù)的超時(shí)控制。其中關(guān)鍵是把網(wǎng)卡工作模式設(shè)置為混雜模式，當(dāng)網(wǎng)卡處于混雜模式時(shí)它將接收所有的流經(jīng)該網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)包，這就意味著在共享介質(zhì)的情況下可以捕獲到其他主機(jī)的數(shù)據(jù)包。

(2)緩沖區(qū)的設(shè)定

WinPcap的緩沖區(qū)包括內(nèi)核緩沖區(qū)、用戶緩沖區(qū)和內(nèi)核緩沖區(qū)與用戶緩沖區(qū)的拷貝數(shù)據(jù)最小值。系統(tǒng)的默認(rèn)值分別為1 MB、256 KB和16 KB。為了提高抓包性能，在網(wǎng)絡(luò)占用量大的情況下也能穩(wěn)定工作，避免出現(xiàn)丟包的現(xiàn)象，可以適當(dāng)提高上述值。

(3)數(shù)據(jù)過濾協(xié)議設(shè)定

根據(jù)所關(guān)心接收數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，制定數(shù)據(jù)過濾協(xié)議方案，主要包括通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)端口、IP地址和傳輸方向。在WinPcap中，捕獲網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流和系統(tǒng)的捕獲機(jī)制相集成，通過設(shè)置數(shù)據(jù)流過濾規(guī)則，在網(wǎng)絡(luò)鏈路層實(shí)現(xiàn)對不需要數(shù)據(jù)直接過濾，而不需要拷貝到WinPcap的內(nèi)核緩沖區(qū)內(nèi)進(jìn)行篩選，提高了效率。

3.3 數(shù)據(jù)采集線程

對于數(shù)據(jù)采集程序，可以用一個(gè)單獨(dú)的線程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。這樣，能最大限度地保證采集的實(shí)時(shí)性，而另外的線程同時(shí)響應(yīng)用戶的操作和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

具體地說，基于WinPcap多線程數(shù)據(jù)采集需要完成以下工作:

(1)從CWinThread類派生一個(gè)自己的PacketThread類，這就是用于數(shù)據(jù)采集的類，進(jìn)行采集時(shí)，創(chuàng)建一個(gè)PacketThread對象;

(2)數(shù)據(jù)采集線程的主體是一個(gè)while循環(huán)，為了簡單直觀，在該循環(huán)內(nèi)包含了WinPcap的pcap_next_ex()方法，該函數(shù)反饋值大于零，表示有數(shù)據(jù)包到來，然后對數(shù)據(jù)包的基本信息進(jìn)行解析，利用SendMessage()函數(shù)，通過事件的方式只把帶有數(shù)據(jù)的報(bào)文傳遞給數(shù)據(jù)處理線程，而過濾掉如TCP中建立連接、關(guān)閉連接和連接重置等握手消息;

(3)工作結(jié)束，通過事件的方式關(guān)閉數(shù)據(jù)采集線程，利用WinPcap的pcap_close()函數(shù)，釋放緩沖區(qū)，設(shè)置網(wǎng)卡為正常模式。

3.4 通用的數(shù)據(jù)解析機(jī)制

從數(shù)據(jù)采集線程得到的數(shù)據(jù)包匯集了實(shí)裝局域網(wǎng)里進(jìn)行傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)，而需要的評估數(shù)據(jù)是其中的一部分。我們建立了一個(gè)通用數(shù)據(jù)解析機(jī)制，對各種類型的數(shù)據(jù)包(TCP包還是UDP包)和各種粘包現(xiàn)象(幾個(gè)數(shù)據(jù)包粘結(jié)在一起或數(shù)據(jù)包接收不完整)，都能有效地從這些數(shù)據(jù)中檢測出和提取到感興趣的評估數(shù)據(jù)。

(1)建立滑塊模式緩沖區(qū)

建立一個(gè)緩沖區(qū)，緩沖區(qū)的大小一般是數(shù)據(jù)采集線程中內(nèi)核緩沖區(qū)與用戶緩沖區(qū)的拷貝數(shù)據(jù)最小值的幾倍，以減少數(shù)據(jù)拷貝次數(shù)。該緩沖區(qū)的特點(diǎn)是通過有效數(shù)據(jù)開始滑塊指針和有效數(shù)據(jù)結(jié)束滑塊指針分別建立了有效數(shù)據(jù)區(qū)、過時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)和空閑數(shù)據(jù)區(qū)，如圖3所示。

圖3 滑塊模式緩沖區(qū)Fig.3 The slide buffer block mode

(2)滑塊模式緩沖區(qū)寫入方法

在寫入時(shí)，如果準(zhǔn)備寫入數(shù)據(jù)的大小小于目前空閑數(shù)據(jù)區(qū)的大小，寫入數(shù)據(jù)將直接拷貝到以現(xiàn)在結(jié)束滑塊指針為起點(diǎn)空閑數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)，同時(shí)結(jié)束滑塊指針移動到剛剛寫入數(shù)據(jù)的末端，形成新的有效數(shù)據(jù)區(qū)。如果準(zhǔn)備寫入數(shù)據(jù)的大小大于目前空閑數(shù)據(jù)區(qū)的大小，首先前移有效數(shù)據(jù)區(qū)覆蓋掉過時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)，使開始滑塊指針重新回到緩沖區(qū)的起點(diǎn)，然后再進(jìn)行寫入數(shù)據(jù)的拷貝，拷貝結(jié)束移動結(jié)束滑塊指針到剛剛寫入數(shù)據(jù)的末端，形成新的有效數(shù)據(jù)區(qū)。

(3)滑塊模式緩沖區(qū)讀取方法

在讀取時(shí)，只對有效數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行操作。如果要讀取數(shù)據(jù)的大小小于有效數(shù)據(jù)區(qū)的大小，那么按該大小從有效數(shù)據(jù)區(qū)取走數(shù)據(jù)，同時(shí)開始滑塊指針移動到剛剛?cè)∽邤?shù)據(jù)的末端，產(chǎn)生新的有效數(shù)據(jù)區(qū)。如果要讀取數(shù)據(jù)的大小大于有效數(shù)據(jù)區(qū)的大小，那么把有效數(shù)據(jù)區(qū)的所有數(shù)據(jù)取走，開始滑塊指針將與結(jié)束滑塊指針重合，使有效數(shù)據(jù)區(qū)的大小為零。

(4)數(shù)據(jù)包解釋流程

評估數(shù)據(jù)包解釋流程是指從有效數(shù)據(jù)區(qū)里查找出所需要的評估數(shù)據(jù)，取出并對其進(jìn)行解釋的過程。在數(shù)據(jù)處理線程中，對要接收的所有評估數(shù)據(jù)按網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定義，這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是由數(shù)據(jù)頭和相應(yīng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容組成，數(shù)據(jù)頭中會規(guī)定類型和長度信息。在解釋過程中可能出現(xiàn)4種情況:一是數(shù)據(jù)頭長度不夠;二是不是當(dāng)前類的數(shù)據(jù);三是數(shù)據(jù)長度不夠;四是數(shù)據(jù)正確。解釋時(shí)，用一個(gè)要查找的評估數(shù)據(jù)頭在有效數(shù)據(jù)區(qū)開始滑塊指針位置進(jìn)行比較，如果有效數(shù)據(jù)區(qū)儲存的數(shù)據(jù)大小小于評估數(shù)據(jù)頭大小，返回?cái)?shù)據(jù)頭長度不夠標(biāo)識，等待滑塊模式緩沖區(qū)繼續(xù)寫入數(shù)據(jù);如果不是當(dāng)前類數(shù)據(jù)，返回不是當(dāng)前類的數(shù)據(jù)標(biāo)識，進(jìn)行下一個(gè)要查找的評估數(shù)據(jù)頭的比較，如果這樣查找下去，都不是需要的評估數(shù)據(jù)類頭，將從有效數(shù)據(jù)區(qū)讀取一個(gè)字節(jié)重新比較類型(這樣可以濾掉不明的類型);如果判斷是某個(gè)評估數(shù)據(jù)頭但有效數(shù)據(jù)區(qū)大小小于該數(shù)據(jù)類型長度，表示接收不完整，返回?cái)?shù)據(jù)長度不夠標(biāo)志，等待滑塊模式緩沖區(qū)繼續(xù)寫入后續(xù)數(shù)據(jù);如果是某個(gè)評估數(shù)據(jù)頭并且有效數(shù)據(jù)區(qū)大小大于或等于該數(shù)據(jù)類型長度，返回?cái)?shù)據(jù)正確標(biāo)志，從有效數(shù)據(jù)區(qū)讀取該評估數(shù)據(jù)即查找出所需要的評估數(shù)據(jù)，并繼續(xù)上述解釋過程進(jìn)行查找。

圖4 評估數(shù)據(jù)包解釋Fig.4 Interpret assessment data

4 性能分析

在 CPU 為1.0 GHz、內(nèi)存為2G、網(wǎng)卡為100M的兩臺計(jì)算機(jī)上，通過網(wǎng)線直接對接，進(jìn)行性能分析，其中一臺負(fù)責(zé)以TCP方式高速發(fā)送核心評估數(shù)據(jù)包(數(shù)據(jù)包長度為228 B)，另外一臺負(fù)責(zé)評估數(shù)據(jù)包采集，同時(shí)把采集到的數(shù)據(jù)按上述通用解包機(jī)制進(jìn)行自動還原。

性能測試時(shí)，設(shè)置WinPcap內(nèi)核緩沖區(qū)、用戶緩沖區(qū)和拷貝數(shù)據(jù)最小值分別為5 MB、2 560 KB和16 KB，定義滑塊模式緩沖區(qū)為40 000 B。同一種情況測試180 s，然后取平均值。性能測試結(jié)果如表1所示。

表1 性能測試結(jié)果Table1 Performance test result

從表1可以看出，系統(tǒng)在高速網(wǎng)絡(luò)下具有很低丟包率，但會出現(xiàn)大量的粘包現(xiàn)象。測試時(shí)，發(fā)送端發(fā)送固定TCP數(shù)據(jù)包，長度為228 B，而一次采集到的數(shù)據(jù)長度不等，試驗(yàn)中分別有228 B、1 460 B、136 B或456 B，表明幾個(gè)數(shù)據(jù)包粘結(jié)在一起或數(shù)據(jù)包接收不完整。在沒有丟包的情況下，即每秒傳輸小于5萬個(gè)數(shù)據(jù)包，用通用解包機(jī)制都能自動準(zhǔn)確還原;在有丟包的情況下，系統(tǒng)也會最大限度地準(zhǔn)確還原數(shù)據(jù)。對于某新型艦艇實(shí)裝模擬訓(xùn)練，模擬仿真系統(tǒng)的最大仿真度為500批目標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包每秒鐘發(fā)送不會超過10 000個(gè)，流量不會超過2M，該方法完全可以勝任評估數(shù)據(jù)采集需求。

在每秒傳輸超過6萬個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，存在丟包現(xiàn)象。經(jīng)分析，造成丟包的主要原因是由于用戶緩沖區(qū)對數(shù)據(jù)包的處理方式過于復(fù)雜，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流量比較大時(shí)，用戶緩沖區(qū)處理數(shù)據(jù)包的速度跟不上內(nèi)核緩沖區(qū)從網(wǎng)卡復(fù)制數(shù)據(jù)的速度，所以新的數(shù)據(jù)包就會因?yàn)閮?nèi)核緩沖區(qū)滿而被丟棄。進(jìn)一步提高性能，需要對WinPcap內(nèi)核拷貝過程進(jìn)行優(yōu)化，加快用戶緩沖區(qū)處理數(shù)據(jù)包的速度。

5 總結(jié)

本文論述了實(shí)裝模擬訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，提出了在新型艦艇進(jìn)行評估數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集的方法，為了捕獲流經(jīng)各網(wǎng)絡(luò)的所有數(shù)據(jù)，評估數(shù)據(jù)采集設(shè)備配置了多個(gè)網(wǎng)絡(luò)適配器，分別接入艦艇各個(gè)系統(tǒng)相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的數(shù)據(jù)鏡像口［12］。實(shí)踐證明，該方法能完整、正確和實(shí)時(shí)地采集到感興趣的評估數(shù)據(jù)，為基于實(shí)裝模擬訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)自動化評估提供了有力技術(shù)支撐。另外，提出的通用數(shù)據(jù)解析機(jī)制也可以應(yīng)用到艦艇串口通信方式的數(shù)據(jù)采集上，為下一步進(jìn)行艦艇綜合評估信息采集提供借鑒。

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