空海空間一體化網絡技術研究*

黃成玉

(廣州海格通信研究院,廣東廣州510663)

空海空間一體化網絡技術研究*

黃成玉

(廣州海格通信研究院,廣東廣州510663)

空海空間一體化網絡是軍事信息化基礎平臺,是當今國內外重點發展的軍事戰略平臺之一。針對當今國外空海空間一體化軍事信息網絡系統發展動向,首先研究空海空間一體化網絡系統架構,分析其技術架構特點,其次結合其面臨的復雜多異構的挑戰性網絡環境等問題,進行針對性分析研究,最后提出采用無線鏈路自適應組網關鍵技術和機動網隨遇接入組網關鍵技術相結合,解決空海空間一體化網絡組網中的問題,為空海空間一體化網絡軍事技術發展提供技術支撐。

空海空間一體化網絡 無線鏈路自適應組網技術 機動網隨遇接入組網技術

0 引 言

空海空間一體化網絡是實施聯合作戰和各種軍事行動戰斗力的關鍵要素,為奪取戰爭的信息優勢提供了基礎平臺,通過信息技術把各軍兵種的作戰平臺、武器系統、情報偵察、指揮控制、后勤保障系統融合形成一體化的作戰體系,讓信息化戰爭不是各個作戰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絡的信息系統,在空間多維戰場實施體系與體系間的綜合對抗。

在空海空間一體化組網技術相關的研究中,美軍一直處在世界的前列,其中以美國防部的“新一代軍事衛星通信系統”和美國海軍的“海軍全球綜合通信系統”最為典型。

美軍的“新一代軍事衛星通信系統”集成了新一代美軍寬帶衛星通信系統(AWS)、美軍新一代窄帶衛星通信系統(MUOS)、美軍安全衛星通信系統(AEHF/APS),確保美軍未來的空間優勢,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”集成了聯合戰術無線電通信系統(JTRS)、數據鏈系統(linkx)、以及4G技術(LTE)等技術,并將衛星通信系統融合起來,讓美國海軍的信息化處于世界的前列。

從國外關于空海空間組網技術演進,空海空間一體化組網技術具有重要的戰略發展空間,通過對其網絡架構以及關鍵技術的研究,對于空海空間一體化網絡的軍事發展,具有重要的意義。

1 空海空間一體化網絡系統架構

空海空間一體化網絡系統架構總體分為衛星空間網絡、岸基固定網絡和海域機動網絡這3個子網絡,如圖1所示。衛星空間網絡為天際衛星網絡和空中移動站,其為空間通信樞紐網,所執行的軍事任務包括偵察、預警、氣象預報、導航、指揮、控制與通信以及目標的精確定位。岸基地面固定網絡為岸基通信網絡,其包括岸基中央站,地方站,地面固定承載網等,連接地面各作戰單元,實現各作戰單元間的信息互通。海域機動網絡是海域機動作戰單元,如艦艇編隊、潛艇、海上移動站等的綜合通信網,實現海域機動部隊多兵種的協同通信,以及通過多種通信手段實現與衛星空間網絡、岸基固定網絡的信息暢通。

圖1 空海空間一體化網絡系統架構示意Fig.1 Integration of air-sea network

在空海空間一體化網絡中,由于衛星無線鏈路組網延時長,以及與機動網絡、固定網絡的組網方式、運行環境存在很大差異,為實現一體化組網以及業務的傳輸,因此針對這些情況,研究空海空間一體化組網的關鍵技術,具有重要的實際意義。

2 空海空間一體化組網關鍵技術研究

在軍事網絡的組網路由協議中,路由尋址技術大多是基于完整的在線端對端路徑[2],但在作戰環境中,此種路由尋址方式將面臨著“挑戰性”網絡環境[3]。即由于存在網絡節點稀疏、高速移動性、交替活躍、網絡分割頻繁、或出于安全考慮實施無線電靜默、或遭受惡意攻擊以及戰爭毀傷,造成網絡的間歇性連接和網絡鏈路狀態的“時變性”,無法直接采用傳統的路由方式實現信息的可靠傳輸。

在空海空間一體化組網中,涉及到岸基固定網絡、海域機動網絡、星際網絡的一體化的組網,在這種空間三維立體復雜的異構性網絡中[4],面對復雜的信息戰時,上述的問題將更加突出,網絡將面臨更為復雜的“挑戰性”網絡作戰環境,鏈路將出現長延時、低數據率,或者不存在穩定的端到端的連接,使得空海空間一體化網絡的鏈路連接、傳輸速率、網絡延時等網絡傳輸性能出現“時變性”。

因此,在空海空間一體化組網技術研究中,針對這種復雜的“挑戰性”網絡情況,跟蹤國外的研究成果與發展趨勢,采用空海空間無線鏈路自適應組網技術和海域機動網隨遇接入技術結合綜合運用,研究解決這種具有復雜異構性的空海空間一體化網絡組網問題。

2.1 空海空間無線鏈路自適應組網關鍵技術

空海空間無線鏈路自適應組網技術主要是針對衛星網絡與海域機動網絡之間的多異構復雜無線組網問題,以及前文介紹的“挑戰性”網絡環境中所面臨的問題。該技術使用先存儲后轉發的傳輸機制,其技術原理類似于電子郵件的傳輸方式傳輸信息,即不需要空海空間一體化網絡中的所有節點同時在線[5-6],在出現衛星無線網絡或海域機動無線網絡拓撲分割,或者網絡節點時變性中斷的情況下,數據從源節點轉發到中間節點,再從中間節點轉發到目的節點,通過中間節點將數據以逐跳方式傳送到目的節點,不需要同時在線存在從源節點到目的節點的端到端的完整路徑,網絡中的節點依然能夠接收到的數據。

空海空間無線鏈路自適應組網技術的體系結構是基于網絡中的信息存儲與交換架構[7],其體系結構如圖2所示。

圖2 空海空間無線鏈路自適應組網體系結構Fig.2 Radio link adaptive network

在空海空間一體化網絡中,將空間衛星網絡或海域機動網絡的傳輸數據單元聚合在一起進行傳遞稱為“束”;處理此類“束”的路由與交換設備稱為空海空間無線鏈路自適應組網控制器。

如果在空海空間一體化網絡中的兩個節點不通過無線鏈路自適應組網控制器進行數據“束”交換,認為此兩個節點處在同一區域中,反之就表示不在同一區域中。區域邊界上的節點表示不同網絡協議和地址族之間的互聯節點。如圖2所示的無線鏈路自適應組網體系結構中有4個區域,分別為A、B、C、D,每個域內組網協議都不盡相同,域之間的互通是通過域邊緣的無線鏈路自適應跨域組網控制器進行路由和策略控制,完成數據的交換傳遞。區域D為一個聯接的近地旋轉的衛星鏈路(LEO),A、B、C區域表示為海域艦隊機動網絡,以及岸基的固定接入網絡。

空海空間無線鏈路自適應組網技術的協議棧如圖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發的方式;另外該協議棧引入了束層作為連接受約束的網絡覆蓋層,依靠該層實現束的異步消息進行通信。

圖3 空海空間鏈路自適應組網技術(DTN)協議棧Fig.3 DTN protocol architecture

在空海空間無線鏈路自適應組網路由策略選取上,通常按照是否對消息進行復制,分為單拷貝路由和多拷貝路由。單拷貝路由是在網絡中只存在信息的一份拷貝,多拷貝路由是網絡中存在同一信息的多份拷貝,從空海空間一體化網絡所面臨的實際復雜網絡環境綜合分析,根據網絡實時環境,空海空間一體化組網采用多拷貝路由和單拷貝路由結合路由策略,保證網絡的數據傳輸的高效與高可靠性。

通過利用空海空間無線鏈路自適應組網技術的特點,在衛星網絡與海域機動網絡組網所面臨的“挑戰性”網絡環境下,解決端到端聯接和節點資源都有限的網絡體系結構,如超長的延時(長達幾天)、網絡頻繁分割、鏈路隨機中斷、傳輸速率時變等問題,以滿足異步復雜網絡信息的可靠傳輸。

2.2 海域機動網隨遇接入組網關鍵技術

在空海空間一體化網絡中,為了保證海域機動網在移動過程中遇到可接入岸基固定網絡的接入點時,通過技術手段實現快速入網,而不需要根據該接入點的參數規劃進行配置更新,并且不會對接入后的整體網絡性能造成巨大影響。因此,海域機動網隨遇接入實現的關鍵在于如何不改變機動網內部配置的前提下實現與岸基固定網的隨遇對接。

海域機動網作為一個子網,內部節點數目、鏈路種類也非常多,同時為了實現路由表匯聚,其內部IP地址分配通常會結合網絡的分層樹狀結構進行規劃配置,由于節點分散,參數眾多,不便于頻繁更改。而機動網絡在更改接入點時,如果IP地址保持不變,就會帶來全網路由表更新,并可能破壞全網的IP地址樹狀結構,增加核心網節點IP路由表規模。為了解決此問題,提出在空海空間一體化網絡中采用基于LISP的海域機動網隨遇接入技術。

LISP(Locator/ID Separation Protocol)技術的優點是不需要修改網絡節點設備,只需要增強邊緣網絡的邊緣路由控制設備的功能即可。LISP通過動態封裝。進入核心路由控制設備的每一個數據包都會得到一個新的IP封裝,這個IP封裝攜帶有關目的地服務節點的網絡信息,而不是最終用戶的IP地址。當這個數據包到達目的地服務節點的時候,這個封裝將從數據包中刪除。

LISP方案對現有IP協議的改動主要集中在邊緣路由控制設備和終端上,符合機動通信網隨遇接入功能所要求的對岸基固定網不進行改動,隨遇接入,因此,在空間空海一體化網絡中,研究基于LISP技術的海域機動網隨遇接入方案。

LISP方案針對的是終端移動問題,而空間空海一體化網絡中,要解決的是一個機動子網的移動和隨遇接入,因此在設計時首先需要將機動子網進行抽象,每個子網內部的IP地址規劃不變,而機固接入點機動側的組網控制設備將進行LISP方式的IP封裝。

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

機固網絡接入點的機動網側組網控制設備還需要起到網關的作用,就是收到IP包時,要提取相應的終端IP地址,并進行子網內轉發。而終端發送IP包時,組網控制設備要將目標IP為終端IP的包進行封裝,封裝后的包目標IP為目的子網的組網路由控制設備。

海域機動網的接入、退網及典型業務流程如圖4所示。

圖4 子網接入、業務傳輸、子網退網流程示意Fig.4 Network random access flow charts

在圖4流程的基礎上,還需要設計一些提升業務性能的優化措施,包括:子網的名址映射服務器可暫存已發生(已查詢到)的其他子網名址映射信息,簡化后續業務的發送流程,子網退網時要清除這些映射信息;在某個子網退網時,全局映射服務器在收到退網請求后,要向其他在線的子網名址映射服務器組播該退網信息,收到消息的子網名址映射服務器可將相應的暫存映射信息清除。

機固網絡接入點機動網側的組網控制設備要做網間隔離,不能將子網內部的IP地址表向全網擴散,而只需要將網關與固網的接口IP及子網映射服務器的IP向全網擴散。而為了避免影響全網路由表,在實際應用時,只需要更改網關和子網映射服務器的對外接口IP地址(使之匹配接入點IP地址規劃),即可避免全網路由表更新。

3 結 語

通過跟蹤國內外空海空間一體化網絡組網技術的相關發展情況,總結并分析空海空間一體化網絡特點,以及在信息化作戰環境中面臨的空間網絡與海域網絡不同的異構復雜環境,空間網絡高速頻繁分割,網絡“時變性”復雜,海域網絡需要隨遇快速接入入網等問題,鑒于如此,提出采用空海空間無線鏈路自適應組網技術和海域機動網隨遇接入技術相結合來解決組網中面臨的一些問題,實現網絡性能的提高,為衛星組網、空海一體化組網、信息化對抗、網絡毀傷等方面,提供有力的技術保障,推進未來軍事網絡的智能化、泛在化、融合化的發展。

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LU Shan,JU Mao-guang,YAN Qing.Study on Global Information Grid and Military Enlightenment.Communications Technology[J],2010,43(12):88-90.

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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絡通信系統、信息網絡體系架構、路由交換技術等。

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