基于overlay架構的通信訓練模擬網絡設計﹡

蒲長春， 謝 宇

(中國電子科技集團公司第30研究所，四川 成都 610041)

0 引言

現代戰術通信網絡日益復雜，裝備類型多、網絡規模大、服務要求高、技術更新快、電磁環境惡劣，對指揮人員和作戰人員快速掌握和應用通信裝備形成了極大挑戰。建立戰術通信模擬網絡、開展模擬訓練是解決這一挑戰的有效途徑之一，由于模擬訓練具有經濟、安全、可控、靈活、不受自然條件限制、便于管理與考核等突出優點，可迅速提高指揮人員指揮水平、增強專業人員專業技能，已在國內外廣泛應用[1]。

根據通信模擬訓練需求，戰術通信模擬網絡應具備以下特點：

1）能夠模擬實裝網絡通信環境（設備、接口、協議、網絡拓撲、電磁環境、組網方式等），為應用系統提供與實裝一致的通信特性[2]。

2）能夠模擬實裝網絡操作環境，支持裝備操作技能訓練。

3）能夠傳輸各類實裝業務，使用方式與實際環境一致，支持專業人員開展戰術訓練。

4）支持異地分布式訓練和多級聯合訓練。

5）支持導調控制、訓練管理、考核評估，支持隨機實施作業指導，支持訓練過程回放和重演。

就構建模擬網絡而言，通常實現方式包括計算機仿真、物理仿真、半實物仿真等，主要是通過數學建模和統計分析的方法，為通信系統的規劃、設計、驗證、評估等方面的工作提供定量分析，為降低系統設計風險、提高產品性能、縮短建設周期等提供科學決策依據[3]。受計算機仿真可信度較差、HLA體系結構在大規模網絡仿真時效率較低[4]以及物理仿真成本較高等因素影響，這兩種方式不宜作為構建訓練用模擬網絡的主要方式。隨著互聯網的發展，出現了一種新的網絡構建方法，即 overlay網絡（又譯為重疊網或覆蓋網），該方法與特定技術、特定層次無關，是在已有的承載網絡基礎之上，通過增加額外的、間接的、虛擬的層，能在不改變現有網絡架構的條件下支持特殊網絡應用需求[5]。

作者根據通信訓練的特點，提出基于 overlay網絡架構的模擬網絡設計方法。該方法利用半實物的模擬通信設備，在通用網絡設備構成的承載網絡之上，增加一層基于全 IP的、拓撲結構可軟件重構的重疊網絡，該重疊網絡能夠有效融合通信網絡模擬、裝備操作技能訓練、專業人員戰術訓練、導調控制、考核評估等訓練環節，為受訓人員提供與實裝系統一致的訓練環境，且不受地域限制、部署靈活、通用性和擴展性好。

1 系統結構

基于overlay架構的模擬網絡基本結構與一般overlay網絡類似，如圖1所示。圖1中模擬通信節點由模擬路由設備和模擬傳輸設備構成，其數量和互連關系與實裝的通信節點一致；承載網絡是由以太網交換機、路由器構成，無論這些交換機、路由器部署在何地，只要承載網絡可達，總可以利用該網絡構建重疊的模擬網絡，且模擬網絡的部署不會改變原承載網絡的結構，從而能夠很好支持異地分布式訓練和多級聯合訓練。

圖1 模擬網絡結構

模擬網絡通過以太網接口與承載網絡互連，利用承載網絡作為傳輸通道，構建一個模擬網絡空間，在該空間內，通信要素、拓撲關系、路由協議、編號編址、支持的業務類型等與實裝系統完全一致，且可根據導調系統的要求進行自動控制，從而為受訓人員提供與實戰網絡環境幾乎完全一致的通信與指揮訓練平臺。

從圖1可以看出，模擬網絡與承載網絡的拓撲結構不是一一對應的，存在各自獨立的網絡空間，這可能在路由、QoS方面帶來一定的負面作用，模擬網絡節點可能不會恰好位于承載網絡的最優傳輸路徑上，這方面的分析和優化研究已有較多成果。如果考慮到承載網絡傳輸帶寬和交換能力遠大于模擬網絡本身的情況下，這一因素可以忽略。

2 系統組成

用于戰術通信訓練的模擬網絡通常包括以下六個部分：

1）模擬通信設備：包括各類模擬路由設備、模擬傳輸設備，用于模擬實裝設備的人機接口和通信特性，支持裝備操作訓練和戰術訓練。

2）網絡控制系統：實現模擬網絡規劃和監控，控制網絡拓撲結構、通信特性和電磁環境。

3）導調控制系統：是模擬訓練的控制與管理中心，實現訓練組織、指導、管理、控制、考核、評估等功能。

4）實裝互連系統：支持模擬網絡傳輸實裝業務，并與實裝網絡互連互通。

5）仿真互連系統：支持模擬訓練網絡與計算機仿真環境互連。

6）承載網絡系統：由各類通用路由器、交換機構成，用于承載模擬網絡，可以是局域網，也可以是跨地域的廣域網。

3 設計思路

（1）模擬通信設備

主要功能如下：

1）模擬通信設備應具備與實裝設備基本一致的外部結構特征和人機接口。

2）模擬通信設備采用統一的網絡管理與控制協議，支持參數加載、接受導調控制。

3）受訓人員通過模擬通信設備人機界面執行的有效操作能夠自動上報到導調控制系統。

4）模擬路由設備采用實裝路由協議，用于構建模擬的路由節點。

5）模擬傳輸設備采用實裝鏈路協議和專用控制協議，用于構建模擬的通信鏈路。

（2）網絡控制系統

主要功能如下：

1）支持分級分布式部署方式。

2）能夠根據實裝網絡的應用方式，規劃出與實裝一致的模擬網絡。

3）能夠監控各個模擬設備的工作狀態。

4）能夠根據導調指令，控制模擬網絡的拓撲結構和通信特性。

5）能夠控制模擬傳輸設備的建鏈方式，使之工作方式與實裝一致。

6）能夠根據導調指令，控制模擬網絡所處復雜電磁環境。

（3）導調控制系統

主要功能如下：

1）支持分級分布式部署方式。

2）支持訓練管理功能，能夠各類訓練基礎數據進行管理。

3）支持導調控制功能，對訓練過程進行隨機干預。

4）支持訓練監控功能，實時掌握訓練過程，并支持回放和重演。

5）支持考核評估功能。

（4）實裝互連系統

主要功能如下：

1）業務控制系統采用基于IP的信令協議，實現模擬網絡內的各類話音業務和數據業務傳輸。

2）實裝互連網關通過以太網接口與模擬網絡連接，通過實裝物理接口與實裝網絡互連，在模擬網絡與實裝網絡之間實現接口、協議、信令轉換，支持實裝業務在模擬網絡與實裝網絡之間互通。

（5）仿真互連系統

模擬網絡通過仿真接口設備與計算機仿真系統互連，采用專用高效接口協議，支持訓練科目初始化、綜合戰場環境初始化、導調干預等功能，擴展訓練要素和訓練科目，增強訓練效果。

4 系統應用

系統典型應用方式如圖2所示。

圖2 模擬訓練網絡典型部署示意

各個模擬通信節點、導調控制系統、戰場環境仿真系統、網絡控制系統、實裝互連系統均可部署于不同位置或地域，支持異地分布式訓練和多級聯合訓練。

5 結語

與傳統的基于局域網以及單裝操作的訓練系統相比，基于overlay架構的模擬訓練網絡具有以下突出特點[6]：

1）模擬網絡拓撲結構及通信特性可軟件重構，采用實裝鏈路協議和路由協議，能夠逼真模擬實裝網絡拓撲結構，支持導調系統實施隨機干預。

2）采用統一的基于IP的通信技術，增強了系統的靈活性和擴展性，部署時不必改變現有網絡結構，且隨著系統的發展可以很容易地增加新的功能，適應新的訓練需求。

3）采用分級分布式的網絡管理和導調控制結構，能夠高效、靈活的組織異地分布式訓練和多級聯合訓練。

4）支持與實裝網絡和仿真環境互連，擴展了訓練規模和訓練要素，增強訓練效果。

由于 overlay網絡架構固有的開放性和靈活性，文中所論述的模擬訓練網絡亦可很容易擴展到其它應用領域[7]，如可應用于模擬訓練裝備/系統的研制和部署；可作為通信網絡試驗床，開展路由、服務質量、尋址、安全、組播、應用系統等測試[8]；也可作為軍用實驗室基礎設施，支撐裝備發展規劃、體系結構優化和技術體制論證。

[1] 劉興堂,萬少松,張雙選.論軍用模擬訓練器/系統的發展趨勢[J].系統仿真學報,2002(05):647-649.

[2] 陳紅,蔡曉霞.通信對抗訓練模擬設備的研制及應用[J].航天電子對抗,2003(01):47-48.

[3] 周春華,冀瀟.基于QualNet的半實物網絡仿真[J].科協論壇:下半月,2011(08):67-68.

[4] 韋濤,田永春,姜永廣.基于協同的半實物網絡仿真系統設計[J].通信技術,2011(12):64-66.

[5] 杜麗娟,余鎮危.覆蓋網體系結構及應用研究[J].計算機工程與應用,2009,45(28):102-104.

[6] 陳志輝,李大雙.對美軍下一代數據鏈 TTNT技術的分析與探討[J].信息安全與通信保密,2011(05):76-78.

[7] 李莉,盧春,楊柯.LVS:優秀的服務器集群解決方案[J].信息安全與通信保密,2011(09):74-76.

[8] 韋澤訓.承載移動互聯網的傳輸網絡組網模式分析[J].通信技術,2011,44(09):98-100.