E航海服務交互的VDES尋址通信解決方案

余錦超

摘 要：詳細討論VDES應用終端訪問E航海服務的通信交互過程，并提出IALA G1139導則的VDES報文增加獨立Service ID以支持E航海服務尋址訪問模式。

關鍵詞：E航海 VDES 尋址

在E航海時代中，豐富海事服務和互聯網應用構建在IP網絡中。當船端具備互聯網接入能力，那將可順利獲得所需應用服務。考慮到移動基站運行在4G/5G的高通信頻率，覆蓋范圍比較有限，實際上在海上可靠的互聯網通信只有衛星通信手段。

VDES的出現為海上互聯互通提供一種新的可能性，VDES在實驗室中的傳輸速率達到了384bps/s，理論上可滿足船端的E航海和互聯網應用。由于應用服務主要部署在IP網絡中，而VDES運行在VHF網絡之中，因此船端是不能直接使用VDES訪問到在IP網絡中的服務。在VDES中船端使用MMSI進行標識，在互聯網中目的服務地址使用域名或者IP地址進行標識，要實現船端和服務端的雙向通信，需要VDES服務網關橋接IP網絡和VDES網絡進行數據轉換。VDES服務網關需要根據船端請求的服務目的地址進行路由指向，所以需要在VDES報文中指明服務目的地的信息。

1.VDES尋址通信報文需要服務標識

船端VDES請求服務的報文，首先需要進入岸基系統進行處理。根據VDES“點到點”的通信機制，VDES報文應該首先發往附近的VDES基站，實現VDES數據的“上岸”。VDES通過VDE公告板信息或者ASM區域廣播信息，告知附近船舶該基站的MMSI。在IALA G1139的導則中，VDE和ASM的報文設置了目的MMSI字段，該字段需要用于指向附近基站MMSI，所以該字段是不能用于承載服務目的地址。

當VDES數據進入岸基系統后，服務請求需要進一步送往目的服務端。服務端可能是在E航海數據中心，也可能在互聯網中。因此在船端和服務端交互的VDES數據，需要設計一個參數用于標識服務，稱之為Service ID。通過追蹤Service ID服務標識 ，VDES服務網關可以實現IP網絡和VDES網絡之間的數據路由轉換。

2.VDES尋址通信報文中增加服務標識

由于目前IALA G1139導則中并無Service ID字段，下文將圍繞Service ID具體設計進行討論。

2.1非獨立字段可變長Service ID

不設置獨立Service ID字段，且不固定Service ID長度，Service ID只能放在VDES報文的Payload中，Payload的數據空間可以最大程度地利用。由于VDES服務網關事前不知道Service ID實際長度，為了獲取Service ID，Payload需要采用結構化語言，并將Service ID和有效數據獨立標記，雖不可對Payload數據進行整體加密，但可支持對標記里包含的數據進行加密，如表1所示。

2.2非獨立字段固定長度Service ID

Service ID放在VDES報文的Payload中，但是事先定義Service ID在Payload的有效長度，當Service ID長度不足固定長度時，使用特殊字符進行填充，VDES服務網關不需要解釋整個Payload，只需截取固定長度的Service ID部分就可以獲取路由信息，因此可以對除去固定長度Service ID以外的Payload數據部分進行加密，如表2所示。

2.3獨立字段可變長（或固定長度）Service ID

該方案是在IALA G1139導則中關于VDE和ASM的尋址報文中，增設獨立的Service ID字段。VDES服務網關可以獨立解釋Service ID獲得服務目的地址，而無需解釋Payload的具體內容，因此payload可以對數據進行加密，如表3所示。

2.4三種服務標識方案的討論

非獨立字段服務標識方案：該模式不改動現有的VDES報文結構，將服務標識和有效數據共同放在Payload中，通過結構化數據或預定義數據結構來界定Service ID。VDES服務網關需要對Payload中服務標識進行提取，并將剩余的Payload數據進行重新封裝和路由。

獨立字段的服務標識方案：該模式是最接近當前主流路由交換模式的VDES通信應用解決方案，通過VDES服務網關可以優雅地解決VDES網絡和IP網絡的雙向交互問題。該方案需要較小程度地修改IALA G1139的VDES報文結構，對于VDES的終端設備只涉及到點到點通信報文解碼程序的小修改，并不影響設備硬件的修造，而且目前國際上VDES終端仍未量產，因此修改VDES報文方案是可以接受的。

3.服務標識在VDES服務網關起到的作用

可選用MRN、虛擬MMSI、域名、IP：Port等作為候選服務標識Service ID，但實際最終請求和服務響應均為TCP/IP數據。若Service ID以MRN、虛擬MMSI、域名等方式取值，本質上均需轉換為IP：Port進行處理，且VDES服務網關需要增加對應參數與IP：Port的映射關系，因此下文以IP：Port作為Service ID，說明Service ID在VDES服務網關中所起作用，在圖2中顯示以Service ID為服務標識串聯起各個通信主體。

3.1船端主動發起的通信請求

在有人駕駛的傳統船舶中，船岸通信主要源于船端發起的服務請求，服務端響應船端的請求，并反饋響應數據。由于請求總會自我標識源地址，服務端由此可知請求端地址，服務端向船端反饋響應數據的過程如下文所述和圖1所示。

第一步、船端發出Service ID字段值為IP_Service：Prot的VDES報文，該報文進入VDES岸基系統，Service ID數值不為空則將報文交給VDES服務網關處理。

第二步、V DES服務網關提取Service ID和Payload的有效數據負荷，根據有關參數將原數據封裝為服務請求TCP/IP數據包，其中服務請求TCP/IP報文的IP和TCP報頭參數來源如表4。

第三步、為了實現數據雙向互聯通信，VDES服務網關需要創建如下映射表， MMSI_Ship——IP_VSG：Port_ VSG——IP_Service：Port_Service，用于追溯服務請求和服務響應的數據反饋結果。

第四步、經過上述數據轉換和重新封裝，VDES服務網關代理VDES船端將向目的服務端發起服務請求。

第五步、服務端響應請求產生TCP/IP的數據包，服務端將向直接服務請求端，也就是VDES服務網關返回響應數據。其中服務響應TCP/IP報文的IP和TCP報頭參數來源如表5。

第六步、VDES服務網關獲得服務端響應的TCP/IP報文，并從中提取目的地址即是本VDES服務網關地址和端口IP_VSG：Port_VSG，源地址即是服務端的IP_Service：Port_ Service。根據之前建立的MMSI_ Ship——IP_VSG：Port_VSG——IP_ Service：Port_Service映射表，可以唯一確定服務原請求端的地址MMSI_ Ship，也就是船端MMSI。由于每次VDES請求通過臨時分配的Port_VSG進行了區分，因此可以VDES服務網關可以支持同一個VDES船端向不同的服務端同時發起多個請求。

第七步、VDES服務網關可以根據服務響應返回的目的船舶MMSI_ Ship，向VDES岸基系統發出控制指令，并將IP_Service：Port_Service作為VDES報文的的Service ID字段值，發送給服務請求的船舶VDES終端。VDES船端可以根據Service ID，按照誰請求返回給誰的策略，將服務反饋數據交給船端對應的應用終端。因此，VDES船端可以支持多個船載應用終端同時向不同服務發出請求，并且每個船載應用終端均能準確地接收到所請求服務的響應回復。

3.2服務端主動發起的通信請求

在無人船時代，服務端將會頻繁向船端發起主動通信，例如：動力控制、調度指揮，業務信息，船載設備狀態監控、導航信息服務等。服務端向船端發起通信時，需要在任何時刻均可便捷高效地與船端建立通信。由于VDES網絡中船端使用MMSI來標識，因此服務端需要向船端MMIS地址發送信息來建立通信。IP網絡中的服務端不能直接向船端發送VDES報文，這時需要VDES服務網關進行代理。服務端發出的TCP/IP報文使用服務端IP地址和服務端口作為源地址IP_ Service和源端口Port_Service，并使用船端MMSI作為目的地址（需要規則進行轉換TCP/IP模式）。VDES服務網關從TCP/IP報文中提取IP_Service和Port_Service信息作為 Service ID，提取目的地址轉換為標準的船端MMSI地址，并以參數此生成VDES報文發送至船端。由于VDES報文中包含了Service ID，船端可以較方便地的識別Service ID屬于什么業務，可由此判斷從服務端發來的數據應該由哪一種船端應用進行處理。該過程基本與服務端響應船端請求部分的返回過程類似，同見圖1中服務端向船端返回數據的部分內容。

通過以上的分析，在VDES尋址報文中增加服務標識可以有效地解決船端VDES與服務端雙向通信的問題。

4.小結

本文作為IALA ENAV23 次會議提案（ENAV23-3.1.17 Addition of IPPort to VDES Messages To support VDES service gateway addressing mode application （G1139）），ENAV委員會的數字通信工作組WG3和數字信息系統工作組WG1聯合對本提案進行了審議，普遍認為E航海應用服務訪問確實需要解決信息路由的存在的問題，而本提案是一個良好的開端。

IALA倡議的E航海的MCP海上互聯互通架構，由MSR、MIR、MMS三個核心部分組成，其中MSR負責注冊、管理和發現E航海服務，MMS負責響應用戶服務請求和路由用戶數據。VDES服務網關是MMS底層橋接異構網絡具體實現形式，實現MSR中服務注冊標識MRN與服務路由交換標識Service ID的轉換。通過服務標識Service ID的設計，IALA G1139導則設計的VDES通信體系可以較好地融入到E航海MCP整體架構中。