黃成玉

(廣州海格通信研究院,廣東廣州510663)

空海空間一體化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究*

黃成玉

(廣州海格通信研究院,廣東廣州510663)

空?？臻g一體化網(wǎng)絡(luò)是軍事信息化基礎(chǔ)平臺,是當(dāng)今國內(nèi)外重點發(fā)展的軍事戰(zhàn)略平臺之一。針對當(dāng)今國外空?？臻g一體化軍事信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)展動向,首先研究空海空間一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu),分析其技術(shù)架構(gòu)特點,其次結(jié)合其面臨的復(fù)雜多異構(gòu)的挑戰(zhàn)性網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等問題,進行針對性分析研究,最后提出采用無線鏈路自適應(yīng)組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)和機動網(wǎng)隨遇接入組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)相結(jié)合,解決空?？臻g一體化網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)中的問題,為空?？臻g一體化網(wǎng)絡(luò)軍事技術(shù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。

空?？臻g一體化網(wǎng)絡(luò) 無線鏈路自適應(yīng)組網(wǎng)技術(shù) 機動網(wǎng)隨遇接入組網(wǎng)技術(shù)

0 引 言

空?？臻g一體化網(wǎng)絡(luò)是實施聯(lián)合作戰(zhàn)和各種軍事行動戰(zhàn)斗力的關(guān)鍵要素,為奪取戰(zhàn)爭的信息優(yōu)勢提供了基礎(chǔ)平臺,通過信息技術(shù)把各軍兵種的作戰(zhàn)平臺、武器系統(tǒng)、情報偵察、指揮控制、后勤保障系統(tǒng)融合形成一體化的作戰(zhàn)體系,讓信息化戰(zhàn)爭不是各個作戰(zhàn)單元之間的獨立對抗,而是各軍兵種力量可依托的空海空間一體化網(wǎng)絡(luò)的信息系統(tǒng),在空間多維戰(zhàn)場實施體系與體系間的綜合對抗。

在空?？臻g一體化組網(wǎng)技術(shù)相關(guān)的研究中,美軍一直處在世界的前列,其中以美國防部的“新一代軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)”和美國海軍的“海軍全球綜合通信系統(tǒng)”最為典型。

美軍的“新一代軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)”集成了新一代美軍寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)(AWS)、美軍新一代窄帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)(MUOS)、美軍安全衛(wèi)星通信系統(tǒng)(AEHF/APS),確保美軍未來的空間優(yōu)勢,目前并已取得多項重要研究成果[1]。

美軍的“海軍全球綜合通信系統(tǒng)”集成了聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電通信系統(tǒng)(JTRS)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)(linkx)、以及4G技術(shù)(LTE)等技術(shù),并將衛(wèi)星通信系統(tǒng)融合起來,讓美國海軍的信息化處于世界的前列。

從國外關(guān)于空?？臻g組網(wǎng)技術(shù)演進,空?？臻g一體化組網(wǎng)技術(shù)具有重要的戰(zhàn)略發(fā)展空間,通過對其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及關(guān)鍵技術(shù)的研究,對于空?？臻g一體化網(wǎng)絡(luò)的軍事發(fā)展,具有重要的意義。

1 空?？臻g一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)

空海空間一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)總體分為衛(wèi)星空間網(wǎng)絡(luò)、岸基固定網(wǎng)絡(luò)和海域機動網(wǎng)絡(luò)這3個子網(wǎng)絡(luò),如圖1所示。衛(wèi)星空間網(wǎng)絡(luò)為天際衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和空中移動站,其為空間通信樞紐網(wǎng),所執(zhí)行的軍事任務(wù)包括偵察、預(yù)警、氣象預(yù)報、導(dǎo)航、指揮、控制與通信以及目標(biāo)的精確定位。岸基地面固定網(wǎng)絡(luò)為岸基通信網(wǎng)絡(luò),其包括岸基中央站,地方站,地面固定承載網(wǎng)等,連接地面各作戰(zhàn)單元,實現(xiàn)各作戰(zhàn)單元間的信息互通。海域機動網(wǎng)絡(luò)是海域機動作戰(zhàn)單元,如艦艇編隊、潛艇、海上移動站等的綜合通信網(wǎng),實現(xiàn)海域機動部隊多兵種的協(xié)同通信,以及通過多種通信手段實現(xiàn)與衛(wèi)星空間網(wǎng)絡(luò)、岸基固定網(wǎng)絡(luò)的信息暢通。

圖1 空?？臻g一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)示意Fig.1 Integration of air-sea network

在空?？臻g一體化網(wǎng)絡(luò)中,由于衛(wèi)星無線鏈路組網(wǎng)延時長,以及與機動網(wǎng)絡(luò)、固定網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式、運行環(huán)境存在很大差異,為實現(xiàn)一體化組網(wǎng)以及業(yè)務(wù)的傳輸,因此針對這些情況,研究空?？臻g一體化組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù),具有重要的實際意義。

2 空?？臻g一體化組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究

在軍事網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)路由協(xié)議中,路由尋址技術(shù)大多是基于完整的在線端對端路徑[2],但在作戰(zhàn)環(huán)境中,此種路由尋址方式將面臨著“挑戰(zhàn)性”網(wǎng)絡(luò)環(huán)境[3]。即由于存在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點稀疏、高速移動性、交替活躍、網(wǎng)絡(luò)分割頻繁、或出于安全考慮實施無線電靜默、或遭受惡意攻擊以及戰(zhàn)爭毀傷,造成網(wǎng)絡(luò)的間歇性連接和網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)的“時變性”,無法直接采用傳統(tǒng)的路由方式實現(xiàn)信息的可靠傳輸。

在空海空間一體化組網(wǎng)中,涉及到岸基固定網(wǎng)絡(luò)、海域機動網(wǎng)絡(luò)、星際網(wǎng)絡(luò)的一體化的組網(wǎng),在這種空間三維立體復(fù)雜的異構(gòu)性網(wǎng)絡(luò)中[4],面對復(fù)雜的信息戰(zhàn)時,上述的問題將更加突出,網(wǎng)絡(luò)將面臨更為復(fù)雜的“挑戰(zhàn)性”網(wǎng)絡(luò)作戰(zhàn)環(huán)境,鏈路將出現(xiàn)長延時、低數(shù)據(jù)率,或者不存在穩(wěn)定的端到端的連接,使得空?？臻g一體化網(wǎng)絡(luò)的鏈路連接、傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)延時等網(wǎng)絡(luò)傳輸性能出現(xiàn)“時變性”。

因此,在空?？臻g一體化組網(wǎng)技術(shù)研究中,針對這種復(fù)雜的“挑戰(zhàn)性”網(wǎng)絡(luò)情況,跟蹤國外的研究成果與發(fā)展趨勢,采用空?？臻g無線鏈路自適應(yīng)組網(wǎng)技術(shù)和海域機動網(wǎng)隨遇接入技術(shù)結(jié)合綜合運用,研究解決這種具有復(fù)雜異構(gòu)性的空海空間一體化網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)問題。

2.1 空?？臻g無線鏈路自適應(yīng)組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

空?？臻g無線鏈路自適應(yīng)組網(wǎng)技術(shù)主要是針對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與海域機動網(wǎng)絡(luò)之間的多異構(gòu)復(fù)雜無線組網(wǎng)問題,以及前文介紹的“挑戰(zhàn)性”網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中所面臨的問題。該技術(shù)使用先存儲后轉(zhuǎn)發(fā)的傳輸機制,其技術(shù)原理類似于電子郵件的傳輸方式傳輸信息,即不需要空?？臻g一體化網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點同時在線[5-6],在出現(xiàn)衛(wèi)星無線網(wǎng)絡(luò)或海域機動無線網(wǎng)絡(luò)拓撲分割,或者網(wǎng)絡(luò)節(jié)點時變性中斷的情況下,數(shù)據(jù)從源節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到中間節(jié)點,再從中間節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點,通過中間節(jié)點將數(shù)據(jù)以逐跳方式傳送到目的節(jié)點,不需要同時在線存在從源節(jié)點到目的節(jié)點的端到端的完整路徑,網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點依然能夠接收到的數(shù)據(jù)。

空?？臻g無線鏈路自適應(yīng)組網(wǎng)技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)是基于網(wǎng)絡(luò)中的信息存儲與交換架構(gòu)[7],其體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 空?？臻g無線鏈路自適應(yīng)組網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)Fig.2 Radio link adaptive network

在空?？臻g一體化網(wǎng)絡(luò)中,將空間衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)或海域機動網(wǎng)絡(luò)的傳輸數(shù)據(jù)單元聚合在一起進行傳遞稱為“束”;處理此類“束”的路由與交換設(shè)備稱為空?？臻g無線鏈路自適應(yīng)組網(wǎng)控制器。

如果在空?？臻g一體化網(wǎng)絡(luò)中的兩個節(jié)點不通過無線鏈路自適應(yīng)組網(wǎng)控制器進行數(shù)據(jù)“束”交換,認(rèn)為此兩個節(jié)點處在同一區(qū)域中,反之就表示不在同一區(qū)域中。區(qū)域邊界上的節(jié)點表示不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和地址族之間的互聯(lián)節(jié)點。如圖2所示的無線鏈路自適應(yīng)組網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中有4個區(qū)域,分別為A、B、C、D,每個域內(nèi)組網(wǎng)協(xié)議都不盡相同,域之間的互通是通過域邊緣的無線鏈路自適應(yīng)跨域組網(wǎng)控制器進行路由和策略控制,完成數(shù)據(jù)的交換傳遞。區(qū)域D為一個聯(lián)接的近地旋轉(zhuǎn)的衛(wèi)星鏈路(LEO),A、B、C區(qū)域表示為海域艦隊機動網(wǎng)絡(luò),以及岸基的固定接入網(wǎng)絡(luò)。

空?？臻g無線鏈路自適應(yīng)組網(wǎng)技術(shù)的協(xié)議棧如圖3所示。其主要特點就是不需要在線存在端到端的傳輸路徑,而是采用束存儲再轉(zhuǎn)發(fā)的方式;另外該協(xié)議棧引入了束層作為連接受約束的網(wǎng)絡(luò)覆蓋層,依靠該層實現(xiàn)束的異步消息進行通信。

圖3 空?？臻g鏈路自適應(yīng)組網(wǎng)技術(shù)(DTN)協(xié)議棧Fig.3 DTN protocol architecture

在空海空間無線鏈路自適應(yīng)組網(wǎng)路由策略選取上,通常按照是否對消息進行復(fù)制,分為單拷貝路由和多拷貝路由。單拷貝路由是在網(wǎng)絡(luò)中只存在信息的一份拷貝,多拷貝路由是網(wǎng)絡(luò)中存在同一信息的多份拷貝,從空海空間一體化網(wǎng)絡(luò)所面臨的實際復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境綜合分析,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實時環(huán)境,空?？臻g一體化組網(wǎng)采用多拷貝路由和單拷貝路由結(jié)合路由策略,保證網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝c高可靠性。

通過利用空?？臻g無線鏈路自適應(yīng)組網(wǎng)技術(shù)的特點,在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與海域機動網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)所面臨的“挑戰(zhàn)性”網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,解決端到端聯(lián)接和節(jié)點資源都有限的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),如超長的延時(長達幾天)、網(wǎng)絡(luò)頻繁分割、鏈路隨機中斷、傳輸速率時變等問題,以滿足異步復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)信息的可靠傳輸。

2.2 海域機動網(wǎng)隨遇接入組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

在空海空間一體化網(wǎng)絡(luò)中,為了保證海域機動網(wǎng)在移動過程中遇到可接入岸基固定網(wǎng)絡(luò)的接入點時,通過技術(shù)手段實現(xiàn)快速入網(wǎng),而不需要根據(jù)該接入點的參數(shù)規(guī)劃進行配置更新,并且不會對接入后的整體網(wǎng)絡(luò)性能造成巨大影響。因此,海域機動網(wǎng)隨遇接入實現(xiàn)的關(guān)鍵在于如何不改變機動網(wǎng)內(nèi)部配置的前提下實現(xiàn)與岸基固定網(wǎng)的隨遇對接。

海域機動網(wǎng)作為一個子網(wǎng),內(nèi)部節(jié)點數(shù)目、鏈路種類也非常多,同時為了實現(xiàn)路由表匯聚,其內(nèi)部IP地址分配通常會結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的分層樹狀結(jié)構(gòu)進行規(guī)劃配置,由于節(jié)點分散,參數(shù)眾多,不便于頻繁更改。而機動網(wǎng)絡(luò)在更改接入點時,如果IP地址保持不變,就會帶來全網(wǎng)路由表更新,并可能破壞全網(wǎng)的IP地址樹狀結(jié)構(gòu),增加核心網(wǎng)節(jié)點IP路由表規(guī)模。為了解決此問題,提出在空海空間一體化網(wǎng)絡(luò)中采用基于LISP的海域機動網(wǎng)隨遇接入技術(shù)。

LISP(Locator/ID Separation Protocol)技術(shù)的優(yōu)點是不需要修改網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備,只需要增強邊緣網(wǎng)絡(luò)的邊緣路由控制設(shè)備的功能即可。LISP通過動態(tài)封裝。進入核心路由控制設(shè)備的每一個數(shù)據(jù)包都會得到一個新的IP封裝,這個IP封裝攜帶有關(guān)目的地服務(wù)節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)信息,而不是最終用戶的IP地址。當(dāng)這個數(shù)據(jù)包到達目的地服務(wù)節(jié)點的時候,這個封裝將從數(shù)據(jù)包中刪除。

LISP方案對現(xiàn)有IP協(xié)議的改動主要集中在邊緣路由控制設(shè)備和終端上,符合機動通信網(wǎng)隨遇接入功能所要求的對岸基固定網(wǎng)不進行改動,隨遇接入,因此,在空間空海一體化網(wǎng)絡(luò)中,研究基于LISP技術(shù)的海域機動網(wǎng)隨遇接入方案。

LISP方案針對的是終端移動問題,而空間空海一體化網(wǎng)絡(luò)中,要解決的是一個機動子網(wǎng)的移動和隨遇接入,因此在設(shè)計時首先需要將機動子網(wǎng)進行抽象,每個子網(wǎng)內(nèi)部的IP地址規(guī)劃不變,而機固接入點機動側(cè)的組網(wǎng)控制設(shè)備將進行LISP方式的IP封裝。

在LISP中,原有的網(wǎng)絡(luò)IP地址被分成EID (End-identifier)和RLOC(Routing Locator)。其中, EID用于標(biāo)志主機,不具備全局路由功能;RLOC用于全網(wǎng)路由。LISP網(wǎng)絡(luò)自然會引入名與址的映射,即LISP中EID-to-RLOC的映射。名址映射服務(wù)的實現(xiàn)可分為全局服務(wù)器實現(xiàn)、邊緣路由控制設(shè)備分布式實現(xiàn)、終端實現(xiàn)的多種形式。因此,在空海空間一體化網(wǎng)絡(luò)中,為了提高名址映射的可靠性,采用核心網(wǎng)全局映射服務(wù)器和機動子網(wǎng)局部映射服務(wù)器協(xié)同工作的方式。在機動子網(wǎng)部署一個名址映射服務(wù)器,提供本網(wǎng)終端與IP地址的映射關(guān)系查詢、存儲功能;在核心網(wǎng)部署全局名址映射關(guān)系服務(wù)器,主要存儲全網(wǎng)的名址映射關(guān)系查詢、存儲,并存儲各機動子網(wǎng)名址映射服務(wù)器IP地址與子網(wǎng)名址列表的映射關(guān)系。

機固網(wǎng)絡(luò)接入點的機動網(wǎng)側(cè)組網(wǎng)控制設(shè)備還需要起到網(wǎng)關(guān)的作用,就是收到IP包時,要提取相應(yīng)的終端IP地址,并進行子網(wǎng)內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)。而終端發(fā)送IP包時,組網(wǎng)控制設(shè)備要將目標(biāo)IP為終端IP的包進行封裝,封裝后的包目標(biāo)IP為目的子網(wǎng)的組網(wǎng)路由控制設(shè)備。

海域機動網(wǎng)的接入、退網(wǎng)及典型業(yè)務(wù)流程如圖4所示。

圖4 子網(wǎng)接入、業(yè)務(wù)傳輸、子網(wǎng)退網(wǎng)流程示意Fig.4 Network random access flow charts

在圖4流程的基礎(chǔ)上,還需要設(shè)計一些提升業(yè)務(wù)性能的優(yōu)化措施,包括:子網(wǎng)的名址映射服務(wù)器可暫存已發(fā)生(已查詢到)的其他子網(wǎng)名址映射信息,簡化后續(xù)業(yè)務(wù)的發(fā)送流程,子網(wǎng)退網(wǎng)時要清除這些映射信息;在某個子網(wǎng)退網(wǎng)時,全局映射服務(wù)器在收到退網(wǎng)請求后,要向其他在線的子網(wǎng)名址映射服務(wù)器組播該退網(wǎng)信息,收到消息的子網(wǎng)名址映射服務(wù)器可將相應(yīng)的暫存映射信息清除。

機固網(wǎng)絡(luò)接入點機動網(wǎng)側(cè)的組網(wǎng)控制設(shè)備要做網(wǎng)間隔離,不能將子網(wǎng)內(nèi)部的IP地址表向全網(wǎng)擴散,而只需要將網(wǎng)關(guān)與固網(wǎng)的接口IP及子網(wǎng)映射服務(wù)器的IP向全網(wǎng)擴散。而為了避免影響全網(wǎng)路由表,在實際應(yīng)用時,只需要更改網(wǎng)關(guān)和子網(wǎng)映射服務(wù)器的對外接口IP地址(使之匹配接入點IP地址規(guī)劃),即可避免全網(wǎng)路由表更新。

3 結(jié) 語

通過跟蹤國內(nèi)外空?？臻g一體化網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)的相關(guān)發(fā)展情況,總結(jié)并分析空?？臻g一體化網(wǎng)絡(luò)特點,以及在信息化作戰(zhàn)環(huán)境中面臨的空間網(wǎng)絡(luò)與海域網(wǎng)絡(luò)不同的異構(gòu)復(fù)雜環(huán)境,空間網(wǎng)絡(luò)高速頻繁分割,網(wǎng)絡(luò)“時變性”復(fù)雜,海域網(wǎng)絡(luò)需要隨遇快速接入入網(wǎng)等問題,鑒于如此,提出采用空海空間無線鏈路自適應(yīng)組網(wǎng)技術(shù)和海域機動網(wǎng)隨遇接入技術(shù)相結(jié)合來解決組網(wǎng)中面臨的一些問題,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能的提高,為衛(wèi)星組網(wǎng)、空海一體化組網(wǎng)、信息化對抗、網(wǎng)絡(luò)毀傷等方面,提供有力的技術(shù)保障,推進未來軍事網(wǎng)絡(luò)的智能化、泛在化、融合化的發(fā)展。

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Integration of Air-Sea Network Technology

HUANG Cheng-Yu
(Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company,Guangzhou Guangdong 510663,China)

The integrated air-sea network is the platform for military information,and also one of the military strategic platforms available.Aiming at the development situation and trend of air-sea network technology abroad,this paper firstly discusses the architecture of network system,then analyzes the system according to the existing problems.Finally,the key technologies of radio link adaptive networking and mobile network random access technologies are proposed,thus to offer some effective technical support for the development of integrated air-sea network.

integration of air-sea network;radio link adaptive technology;mobile network random access technology

TP393

A

1002-0802(2014)09-1027-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.09.010

2014-05-16;

2014-07-15 Received date：2014-05-16;Revised date：2014-07-15

國防科技預(yù)先研究項目(No.1100101024)

Foundation Item：Advance Research Project in Defense(No.1100101024)

黃成玉(1984—),男,碩士研究生,工程師,主要研究方向軍事網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、信息網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)、路由交換技術(shù)等。

HUANG Cheng-yu(1984-),male,M. Sci.,engineer,mainly working at military communication networks,information networks architecture,routing switching technology,etc.