數據鏈網絡測試系統設計

劉 邈

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

1 引 言

數據鏈系統是一種用于實現戰術信息交換的集指揮、控制、通信和情報感知為一體的大型軍用綜合電子信息系統,其利用通信媒體構建一定體系結構的數據鏈網絡,將兩個或多個指揮控制和武器系統,或多個武器系統連接在一起,通過傳輸機器可讀的戰術數字信息,實現作戰平臺間戰術信息的高效交互[1]。數據鏈系統在現代戰爭中的應用越來越廣泛,所起的作用也越來越重要。在數據鏈系統的研發、集成和使用過程中,對數據鏈系統進行各個層級的測試,對于驗證系統技術體制、測試系統性能、檢驗系統狀態和開展日常訓練都很重要。

外軍在數據鏈系統發展過程中非常重視測試訓練系統的研發和建設,其中較為典型的有美國格魯曼公司開發的戰術數據鏈集成訓練系統(TIGER)、美軍建立的數據鏈聯合測試評估中心(SPAWAR CENTER),以及英國國防部發展的鏈路互操作網絡測試系統(LION)等。外軍的數據鏈測試訓練系統經過近20年的發展,在設計和應用上已日趨合理成熟,大都能為各類數據鏈平臺提供靈活多樣的接入方式,開展各個層級的測試檢驗,產生較為理想的應用激勵數據,并能夠對測試數據進行分析對系統功能性能進行評估。

目前,數據鏈系統發展較快,各種數據鏈裝備都陸續投入應用,但迄今為止國內還沒有建立能夠為眾多數據鏈平臺的測試訓練提供靈活多樣化支持的數據鏈測試訓練系統。本文以戰術數據鏈為背景提出了一種數據鏈網絡測試系統的設計,為建立數據鏈系統級測試訓練環境、開展數據鏈平臺系統各個層級的測試訓練提供可選擇的方案。

2 系統功能應用

數據鏈網絡測試系統可產生包括傳感器信息和平臺信息在內的應用想定數據作為測試訓練的激勵信息,能提供多種真實數據鏈端機及典型戰術數據系統的適配接口,可通過網關設備接入地面通信網,并能對所記錄的數據信息進行綜合分析處理,其主要應用方式有:

(1)支持處于研發階段的數據鏈系統開展試驗室試驗,對傳輸波形、組網協議、消息格式,以及互操作性應用進行測試,從而評估驗證在研系統的技術體制;

(2)支持裝備和改進的數據鏈系統進行技術體制符合性驗證及系統功能性能測試,從而測試裝備和改進升級系統的技術體制符合性及功能性能;

(3)支持對遠端的實際數據鏈無線網絡進行實時監測,從而實現對訓練演練等應用進行實時監測記錄;

(4)支持廣域范圍內分散部署的數據鏈平臺開展測試和訓練,從而有效促進數據鏈平臺裝備開展標準化的測試訓練。

3 系統設計

3.1 系統特點

數據鏈網絡測試系統是一種能夠以經濟、便捷、靈活多樣的方式,支持平臺數據鏈系統開展測試評估及訓練演練的綜合化測試訓練支持系統。系統針對各類平臺數據鏈系統結構組成多樣、應用特點各異、地域分布廣泛、測試訓練需求多變等特點,采用集中分布式的系統架構,利用網關接入技術、數據庫技術,并通過建立嚴格遵循標準的基準激勵系統,為眾多數據鏈平臺提供靈活多樣的測試訓練支持,能較好地滿足平臺數據鏈系統的測試訓練需求。

3.2 系統總體設計

3.2.1 系統組成

數據鏈網絡測試系統包括數據庫服務器、想定模擬器、戰術數據系統模擬器、網絡規劃設備、數據鏈控制及接口適配設備、網關設備、數據綜合分析處理設備、以及數據鏈端機及天線系統8個部分,其組成架構如圖1所示。

圖1 數據鏈網絡測試系統架構Fig.1 Architecture of the data link network testbed

(1)數據庫服務器

為數據鏈網絡測試系統的各個設備提供其所需的各類數據信息服務。

(2)想定模擬器

在測試環境中替代真實的傳感器信息源模擬產生各類傳感器信息,模擬產生平臺自身位置狀態信息,并使想定按照設置動態自動運行,從而模擬真實環境中的態勢信息。

(3)戰術數據系統模擬器

模擬典型指控、武器平臺的戰術數據系統,產生各類戰術數據鏈的應用數據,并按照要求生成格式化數據信息。同時,能夠對所接收的各類數據信息進行處理和相應的顯示,為測試人員提供友好的操作使用界面。

(4)網絡規劃設備

根據測試或訓練支持的需要,對數據鏈網絡進行規劃,確定參與成員網絡拓撲、信息交互轉發關系,并生成網絡成員的初始化參數信息。

(5)數據鏈控制及接口適配設備

實現數據鏈網絡的組網協議和網絡控制功能,并提供真實數據鏈端機接入數據鏈網絡測試系統所需的適配接口,以及真實戰術數據系統接入數據鏈網絡測試系統所需的適配接口。

實現數據鏈信息在數據鏈網絡與地面通信專網之間的交換,以及利用地面通信專網模擬數據鏈網絡的組網傳輸特性,實現數據鏈應用信息在虛擬數據鏈網絡中的交互,同時支持通過地面通信專網接收發送網絡成員初始化信息。

(7)數據綜合分析處理設備

對數據鏈網絡中交互的信息進行提取、測量、統計、分析等處理,滿足數據鏈網絡各層級的測試需要。

(8)數據鏈端機及天線系統

采用真實戰術數據鏈端機,支持各類戰術數據鏈數據信息的傳輸,并為數據鏈網絡測試系統接入實際數據鏈無線網絡提供手段。

3.2.2 系統工作原理

2.1 高頻彩超對頸部淋巴結轉移的診斷情況 高頻彩超診斷為甲狀腺頸部淋巴結轉移46例，術后病理確診淋巴結轉移39例；高頻彩超診斷非頸部淋巴結轉移26例，術后病理確診為淋巴結轉移6例。陽性診斷率為84.78%(39/46)。

數據鏈網絡測試系統通過建立一套符合標準的激勵系統作為與受試系統進行組網通信的基準系統,作為基準系統標準符合性是其顯著特點,包括:物理層傳輸波形的標準符合性;數據鏈路層接入控制組網協議的標準符合性;表示層數據信息格式的標準符合性,以及應用層數據信息處理的標準符合性。系統在嚴格遵循標準的前提下,中心測試試驗室主要實現想定激勵數據生成、平臺模擬、網絡初始化參數生成、數據分析處理等功能,網關設備和數據鏈端機及天線系統主要實現對遠端數據鏈平臺及平臺戰術數據系統的接入。系統的信息流程如圖2所示。

圖2 數據鏈網絡測試系統信息流程Fig.2 Information flow of the data link network testbed

(1)想定模擬器、戰術數據系統模擬器通過調用數據庫服務,獲取所需的戰術應用激勵信息;

(2)網絡規劃設備通過調用數據庫服務,獲取網絡規劃信息并生成網絡初始參數進行分發;

(3)通過戰術數據系統模擬器產生符合標準的格式化數據消息;

(4)在數據鏈控制及接口適配設備、網關設備的控制下實現數據信息按照組網控制協議進行交互;

(5)通過數據鏈端機、數據鏈控制及接口適配設備和網關設備實現對被測數據鏈系統在多個層級上的接入,實現與被測數據鏈系統間的信息交互;

(6)數據綜合分析處理設備利用多種可擴展的測試接口并通過調用數據庫服務實現對數據信息在各個層級上的分析處理。

系統中的數據庫采用C/S模式的三層邏輯結構,分別是客戶應用層,業務邏輯層,以及關系數據庫層。在該體系當中,業務邏輯層及關系數據庫層布置在服務器上,而客戶應用層布置于客戶端,當客戶端有數據服務請求時只需將請求發送至服務器端。具體結構如圖3所示。

圖3 關系數據庫在數據鏈網絡測試系統中的結構Fig.3 The structure of relational database in the testbed

客戶應用層通過客戶端工具實現對底層數據庫的查詢、修改等操作,提供數據層與業務邏輯層的接口,可調用JDBC驅動、ODBC驅動等,并支持對數據庫管理系統核心功能的調用。

業務邏輯層封裝了接入服務的核心功能,數據庫管理系統利用客戶端發送的執行文檔,接受客戶端請求并響應用戶請求,管理維護數據,并將處理后的結果和操作狀態以響應文檔的形式返回給用戶。

關系數據庫層通過建立關系數據庫,提供包括作戰應用想定信息、地理信息、平臺初始化參數信息、數據鏈網絡規劃信息、數據鏈頻率規劃信息、網絡成員狀態信息、數據記錄信息,以及系統設備工作狀態信息等的數據信息。

在數據鏈網絡測試系統中,網關設備以及數據綜合分析處理設備是支持其完成測試及訓練的關鍵設備,下面給出上述設備的設計。

3.3 網關設備設計

網關作為兩個不同的域或系統的中介,需解決位于不同域當中的通信對象在通信協議、應用數據和安全策略方面的差異[2]。在數據鏈網絡測試系統中,網關設備利用地面安全、保密通信網絡,在廣域范圍內傳送數據鏈戰術應用數據信息以及網絡管理類參數信息,主要完成數據信息格式和通信協議的轉換、相應數據映射關系維護、消息隊列管理,以及網絡管理等功能。網關設備的組成主要包括消息數據預處理功能模塊、路由及數據鏈鏈路選擇功能模塊、格式協議轉換及消息隊列管理功能模塊、數據鏈網絡參數加載及網絡管理模塊,其工作原理過程如圖4所示。

圖4 網關設備工作原理Fig.4 Operation principle of gateway set

網關設備的工作過程如下:

(1)對接收自本地戰術數據系統的戰術數據信息進行處理,主要是判斷傳輸信息的類型,并根據消息QoS屬性信息實現對需傳輸信息的優先級管理。與消息類型相關的QoS屬性信息包括消息類型/子類型、消息優先級、消息生存期、路由及鏈路選擇規則。

(2)對經過預處理的消息進行路由選擇及數據鏈鏈路選擇處理,主要是根據當前參試、參訓平臺的數據鏈網絡組網情況和地面通信網的連通性情況,獲取路由信息表,結合相關的鏈路狀態、過慮規則以及安全規則,確定最終的信息路由并生成相應的路由消息,同時據此對參試、參訓平臺的網絡拓撲進行維護。

(3)對確定了路由及數據鏈鏈路的消息進行格式轉換、地址映射以及消息隊列管理,主要是需完成數據幀的重新組包及分片,以符合地面通信網絡信息傳輸格式和傳輸協議的要求。同時,完成需傳輸信息的目的地址映射,以及根據路由消息及數據鏈鏈路選擇規則對消息隊列進行管理。

(4)對于網絡參數信息,網關設備將進行如下處理:提取自身節點數據鏈網絡參數信息,并按參數要求進行初始化;將其它節點的數據鏈網絡參數信息發送至相關節點。同時,提供對數據鏈網絡成員的基本監視管理,如:成員網絡連通性、成員工作狀態、成員工作模式等信息的監視與控制。

3.4 數據綜合分析處理設備設計

數據綜合分析處理設備通過多種可擴展的測試接口,對被測數據鏈系統相應接口數據進行實時監測記錄,支持對參試數據鏈系統進行技術體制符合性的詳細測試。其提供的可擴展測試接口包括RS232接口、RS422接口、ARINC429總線接口、1553B總線接口和以太網接口,各接口功能模塊均采用商用貨架產品實現,包括MIC3620RS232/422通信卡、CPCI-1553-M 1553B通信卡、WT-CPCI-429 ARINC429通信卡,以及能夠對監測數據添加時間標識的專用以太網卡。同時,為了確保能夠實時準確地監測記錄數據而不出現丟包或時標錯誤的現象,數據綜合分析處理設備使用兩個CPU模塊,并采用CPCI總線方式。其中,從CPU模塊專門用于接收數據、對接收到的數據添加時間標識,完成所有測試接口的數據監測功能,并通過網口向主CPU模塊發送監測到的數據;主CPU模塊接收從CPU模塊發送的數據,對數據進行顯示、記錄和解析。

數據綜合分析處理設備利用數據庫技術,將所記錄的信息納入關系數據庫當中進行管理,以便對數據信息進行綜合分析處理。因為采用通用化的關系數據庫技術,有利于對大量數據進行有效地縮減和提取[3],所以該方式非常適合對數據鏈系統測試、訓練過程中產生的大量數據信息進行分析處理。數據記錄分析處理的關系數據庫按照數據鏈數據記錄分析標準的要求建立,其主要關系邏輯結構包括消息類型表、數據域表、數據項表、消息記錄表等。數據綜合分析處理設備利用數據庫管理系統操作數據庫進行各類查詢、修改操作,完成對數據信息的檢索、統計、分析等處理功能,通過建立多個視圖為操作者提供各種不同的數據分析處理的可視化結果,其能夠提供的數據分析處理能力包括:

(1)對數據記錄進行篩選、排序和數量統計;

(2)對收、發數據記錄進行比對,統計數據信息發送、接收的傳輸情況;

(3)對指令信息與對應的應答信息的匹配情況進行統計;

(4)對數據鏈系統的系統響應時間、接收處理時延,以及傳輸時延等性能指標進行統計;

(5)對網絡的數據流量、傳輸效率,以及鏈路質量進行統計評估;

(6)對分析處理的結果重新進行保存。

4 結束語

數據鏈網絡測試系統構建了一個系統級的綜合化測試環境,能夠有效地支持數據鏈平臺以多種方式開展測試評估及訓練演練,提供靈活的組織應用方式、多樣化的測試手段,以及較為詳盡的測試結果。系統有效地解決了目前國內戰術數據鏈系統在系統層級缺乏測試訓練手段和支持環境的問題,在實際項目中已有部分應用,并取得了很好的效果。此外,系統針對廣域范圍內多平臺數據鏈系統共同開展組網測試訓練的應用需求所提出的集中分布式設計方案,也能夠為其它大型信息系統的集成聯試試驗提供較好的借鑒。

數據鏈網絡測試系統未來的研究重點將側重于對系統應用層級的互操作性測試進行研究,其涉及到的互操作性規范標準研究、XML對多數據鏈互操作性測試的支持及其在網關設備中的應用,將是下一步工作中的研究重點。

[1]孫義明,楊麗萍.信息化戰爭中的戰術數據鏈[M].北京:北京郵電大學出版社,2005:6-8.SUN Yi-ming,YANG Li-ping.Tactical data link in information war[M].Beijing:Beijing University of Posts and Telecommunications Press,2005:6-8.(in Chinese)

[2]平添翼.融合IP網和SS7網的一種新型短信息網關[J].知識經濟,2010(5):120-122.PING Tian-yi.A New Gateway Integrated in IP Net and SS7 Net for Short Message[J].Knowledge Economics,2010(5):120-122.(in Chinese)

[3]Kallgren D G,Cheng J P,Grant K E.Design and Implementation of the Link22/NILE Testbed[M]//1998 NRL Review.Washington:Naval Research Laboratory,1998:45-53.