遠洋客船網絡化服務平臺系統組件兼容性分析

于棟亮 薛亞賓

(上海外高橋造船有限公司 上海 201200)

近年來，伴隨經濟發展和社會進步，市場對客運船舶的需求越來越多；為緊跟遠洋客船相關航運和商業發展趨勢，國務院、交通運輸部、文化和旅游部以及國家發改委等部門相繼出臺一系列產業政策來扶持國內遠洋客船經濟的發展。上海、天津、海南、廈門、青島等地方政府的產業發展政策也為區域遠洋客船航運的發展注入強勁的動力。目前，我國多家船舶制造企業已承接包括大型郵輪、客運滾裝船、中小型郵輪在內的遠洋客船訂單，市場占有率達到世界前列。以客滾船為例，截至目前我國客滾船手持訂單共31艘，占全球130艘訂單總量的23.8%，位居世界第一，為從歐洲向中國進行產業轉移提供了基礎條件。據推測，到2030 年，我國高技術遠洋客船旅客將達到1 750萬人次，成為世界上最大的遠洋游客市場之一。大型郵輪作為高度現代化的遠洋航海船舶的典型代表，被稱為造船業的“皇冠上最光芒的珍珠”。中國船舶工業集團有限公司在2018年首屆國際進口博覽會上與美國嘉年華集團、意大利芬坎蒂尼集團簽署了建造2+4 艘Vista 級13.55 萬噸大型郵輪的合同，這是中國造船業發展歷程中的一個里程碑，標志著中國船舶工業正式進入了大型郵輪和客滾船等高技術遠洋客船建造的新時代。

高技術遠洋客船的船上服務水平是該類產品競爭力的重要組成。目前，我國形成的船上服務模式和手段難以滿足乘員對于船上服務日益增長的需求。網絡化手段可有效改善船上服務質量，并提高我國遠洋客船產品的競爭力。中國在“互聯網+”技術應用領域的很多方面已經走在世界前列，如移動支付、移動視聽平臺、互聯網+社區、智慧交通和智能城市等成功案例非常多，將“互聯網+”技術與高技術遠洋客船船上服務相結合，是我國在高技術遠洋客船行業實現彎道超車的突破口。

在構建我國高技術遠洋客船船上服務研究與應用過程中，首先需要進行船上網絡化服務模式研究，構建適合我國國情，并增添中國元素的網絡化服務體系。客船網絡化服務平臺因強大的功能需求，包含了很多子系統及其組件。這就對網絡服務平臺不同運行環境下，種類繁多的軟件程序與各子系統、系統組件間的兼容性有高要求、高標準。

1 船上網絡化服務平臺系統組件介紹

1.1 定位導航設備

船上定位導航平臺主要用于對旅客進行區域引導與指引，高技術遠洋客船定位導航平臺硬件集成方案主要分為系統定位設備研發構建以及測試與校正系統兩部分，如圖1所示。

圖1 高技術遠洋客船定位導航平臺硬件集成方案

圖2 高技術遠洋客船以太網設備集成方案

圖3 高技術遠洋客船視頻監控設備設計方案

1.2 以太網設備

以太網硬件設備按內部終端千兆網絡帶寬配置，攝像頭、無線AP、定位微基站等采用POE供電方式，主干網絡如存儲器、交換機、路由器、服務器采用主備模式和雙網傳輸，預留防火墻、上網行為管理、路由器、上網計費網關等網絡設備接口，實現無線訪問功能。同時考慮三階段測試、驗證的系統擴容。

1.3 無線Wi-Fi-AP設備

結合郵輪內部及客人無線網絡需求情況，為了提供穩定、高速、可靠、安全且易于維護管理的無線接入網絡，采取了AP+AC的無線網絡結構。這種方案可以有效地滿足用戶對無線網絡的各種需求，提供穩定的信號覆蓋、高速的數據傳輸、安全的數據加密、可靠的網絡連接以及易于管理的網絡控制。具體設計為在船端部署兩臺無線AC 控制器、雙機熱備，保障運行安全與冗余。控制器采用集中管理模式，無線AP接入網絡后會自動下載相應的控制器配置。這種集中管理模式可以方便地對整個網絡進行統一管理和控制，提高網絡的效率和穩定性，同時也保證了網絡的安全性和可靠性。無須手動配置，系統可以自動識別和下載所需的配置信息，使網絡的管理更加智能化和高效化。登船系統、POS收銀機、刷卡機使用以及其他移動專用設備上網；隱藏SSID，MAC+密碼認證接入無線網絡（無線AC上認證），手動靜態IP，DHCP上通過MAC綁定協助重啟設備獲取到原來設定的IP。

船員辦公應用，該網段可以訪問內網服務器；有DHCP 分配，但DHCP 分配的IP 無法上網，必須手動配置IP，由管理員分配可上網的IP；默認開通互聯網郵箱（IAM 開通郵件應用）；其他上網權限需要向管理部門申請開放。

1.4 視頻監控設備

視頻監控設備包括200 萬像素高清半球攝像頭（POE 供電模式）、攝像頭、交換機（采用Cat6A 網線互聯）；存儲設備（錄像存儲不少于30 d）；電視（實時查看攝像頭畫面）。

1.5 生物體征識別設備

郵輪上生物體征識別設備是一種安全識別和認證設備。該設備采用自動化方法來驗證或識別個體身份，這些方法基于個體的生理或行為特征。這些特征包括指紋、面部圖像、虹膜和語音識別。生物體征識別設備包括智能功能、熱成像功能、可見光功能、紅外相關功能、系統功能以及接口功能等。

1.6 廣播系統設備

郵輪廣播系統是一種多功能設備，它可以遠程或本地進行尋呼，全區或僅某一區進行廣播喊話。該系統還可以實現背景音樂和消防系統的聯動，系統會自動停止播放背景音樂，優先播放消防廣播，以最大程度地減少人員傷亡和財產損失。在緊急情況下，該系統可以及時播放緊急廣播信息，并停止公共廣播系統的其他功能（如背景音樂、一般廣播等），迅速引導人員疏散，并指引疏散方向，直至緊急狀態解除。

1.7 消防系統設備

消防系統設備具有自動化功能，當火災探測器探測到火災信號后，系統會自動執行一系列措施。首先，在火災剛剛發生時，火災探測器會將煙霧、熱量，以及光輻射等一些物理信號轉變為數字信號，并將其傳輸到火災報警控制器。控制器會準確地顯示火災發生的位置，并記錄火災發生的時間。其次，消防設備將啟動自動滅火程序，這些程序包括切斷報警區域內的空調器，關閉防火閥以及停止換風機，以便避免火勢蔓延。同時，消防設備也會開啟排煙閥，并關閉電動防火門和卷簾門等設備，以控制火源和減緩火勢。再次，非消防用電源將被切斷，而事故照明和疏散標志燈將被打開，以便給人員提供必要的照明和指示。最后，為了確保人員的安全，除了消防電梯以外的所有電梯都將被停用，以避免人員迷路或者被困在電梯內，立即啟動滅火系統，進行自動滅火[1]。所有措施都旨在保護人員和財產的安全，減輕火災造成的破壞與減少損失。

2 一般系統組件兼容性研究

遠洋客船船上網絡化服務平臺系統及其組件主要是指網絡化服務平臺集成所涉及的上述硬件設備、設施，實現分布式的設備設施集成。充分研究遠洋客船船上網絡化服務平臺系統組件兼容性，并進行整體集成，是為平臺的正常運行提供的前期研究探索，也是保證軟件系統功能實現的具體舉措，對硬件環境搭建與軟件系統應用具有重要意義。

兼容性測試主要用于驗證軟件與其所依賴的環境之間的依賴程度，包括硬件和軟件平臺的依賴程度，以確保軟件能夠在不同的環境下穩定運行。該測試方法要關注多個方面的因素。其中包括待測試項目在不同版本的同一操作系統平臺和不同操作系統平臺上的兼容性測試，以確保其能夠在多種操作系統平臺上正常運行[2]。此外，還需要測試待測試項目與其他相關軟件的兼容性，以避免相互影響。在測試過程中還需要檢查待測試項目在指定的硬件環境中是否能夠高效、穩定地運行，以避免因硬件問題而導致的系統崩潰或其他故障。最后，還需要測試待測試項目在不同的網絡環境中的可用性和穩定性，以確保其能夠在各種網絡條件下正常運行。綜合這些因素，測試人員需要對待測試項目進行全面的測試，以確保其能夠在多種情況下穩定運行，并滿足用戶需求。

兼容性測試主要包括以下幾個方面：首先是測試軟件是否能夠在不同操作系統平臺上兼容，并檢查軟件在同一操作系統平臺的不同版本上是否能夠正常運行；其次，測試軟件本身是否具有向前和向后兼容性，也就是說，舊版本的軟件能否與新版本的軟件兼容，新版本的軟件是否能夠兼容舊版本的軟件；再次，測試軟件能否與其他相關軟件兼容，包括一些常見的用戶軟件，這樣才能確保整個軟件生態系統的穩定性；最后，測試軟件所使用的數據是否具有兼容性，是否能夠被共享。

2.1 操作系統/平臺的兼容性測試

平臺兼容性測試是為了確保待測試項目在不同類型的操作系統平臺下能夠正常運行。由于備用方案有不同類型的操作系統，因此需要進行該操作系統平臺的兼容性測試，以確保軟件能夠在不同的操作系統下正常運行。用戶的系統配置也會影響軟件的最終運行情況，從而產生兼容問題。軟件程序可能在一些操作系統下能正常運轉，在更換其他操作系統后就會出現系統不兼容[3]。因此，優秀的網絡服務系統應該具有平臺無關性。

針對船上人員使用的操作系統為Windows，軟件開發人員在進行兼容性測試時應該優先考慮當前主流操作系統版本的兼容性。這樣可以確保軟件能夠在大多數用戶使用的主流操作系統上正常運行，提高軟件的可用性和穩定性。但是，除了主流操作系統版本，還有一些用戶使用非主流操作系統版本的情況，因此在主流操作系統版本兼容性測試的基礎上，對非主流操作系統版本也應進行測試，以盡可能保證項目的操作系統版本兼容性測試的完整性。這樣可以更全面地覆蓋用戶的使用情況，降低軟件出現兼容性問題的風險，提高軟件的質量和用戶體驗。需要注意的是，在進行兼容性測試時，應該注重測試的深度和廣度，盡可能地覆蓋不同的操作系統版本、不同的硬件平臺和不同的應用場景，以確保測試的全面性和準確性。

2.2 應用軟件兼容性測試

網絡化服務平臺在運行過程中需要與各種軟件、子系統及組件進行交互，這種交互過程可能會引起平臺的運行問題。為了確保平臺能夠正常運行，需要評估其所需的應用軟件支持，并為了確保軟件能夠正常運行，需要進行兼容性測試。兼容性測試的目的是判斷軟件與其他常用軟件一起使用時是否會出現兼容性問題，以及軟件本身是否能夠正確實現其功能。

2.3 瀏覽器兼容性測試

B/S 結構的應用軟件是以瀏覽器作為Web 客戶端的核心構建塊，但是不同瀏覽器來自不同的廠商，對Java、JavaScript、ActiveX、plugins 或HTML 規范的支持會有所不同，甚至同一廠商的不同版本之間也可能存在兼容性問題[4]。這些差異和問題可能會影響應用軟件的使用效果和用戶體驗，甚至導致應用軟件無法正常運行。此外，瀏覽器的框架和層次結構風格也會有所不同，有些瀏覽器甚至根本不支持某些框架或層次結構風格。這也可能導致同一個應用在不同的瀏覽器中顯示效果不同，甚至無法正常顯示。另外，不同瀏覽器對于安全性和Java 設置的處理方式也不一樣。例如：有些瀏覽器可能默認禁止Java的自動運行，需要用戶手動授權才能運行，而有些瀏覽器可能默認允許Java 自動運行，這可能會對系統的安全性產生影響。因此，在開發Web應用時，需要考慮到不同瀏覽器之間的差異性，并進行兼容性測試，以確保應用能夠在不同瀏覽器中正常運行。同時，開發者還需要注意Web 技術的兼容性問題，盡量避免使用某些瀏覽器特有的技術，以兼容更多的瀏覽器。

3 船上網絡化服務平臺系統組件兼容性分析

3.1 無線網絡中TCP與IPsec的兼容性分析

TCP 協議是目前應用最廣泛的傳輸層協議，主要提供可靠有序的數據傳輸，其在固定網絡中的表現非常出色。但是，由于無線網絡中信道的不穩定性和其他影響因素，TCP 協議在無線網絡中的性能受到了很大的影響。在無線網絡環境下，網絡擁塞控制和丟包恢復機制的效率都會受到很大的挑戰，從而導致TCP的性能下降、網絡速度變慢、延遲增加等問題[5]。為了改善TCP 在無線環境下的性能，提出了優化擁塞控制算法、重傳機制以及流量控制等提高TCP 在無線網絡中的性能的改進方案。然而，這些改進方案與IPsec協議存在一定的沖突。因此，在實際應用中，需要綜合考慮網絡環境、應用需求和安全性要求等因素來選擇合適的協議和方案。如果網絡環境較差，TCP 協議的改進方案可以提高網絡的性能和可靠性；如果通信內容需要保密或者防止被篡改，IPsec協議可以提供較高的安全性[6]。

3.1.1 無線網絡中TCP與IPsec的兼容性分析

傳輸層安全協議（TLS）和安全套接層協議（SSL）是基于傳輸層的安全協議，它們只對TCP 連接的數據部分進行加密保護，而TCP 報頭以明文形式傳輸。相比于IPsec 協議，TLS 和SSL 的優勢在于可以與TCP 的改進方案協同工作，從而提高TCP 在無線網絡中的性能和可靠性[5,7]。因此，TLS和SSL可以代替IPsec，使網絡中的中間節點可以對TCP 報頭進行操作，以便更好地支持無線網絡。然而，該方案存在些許缺點，由于TCP 報頭和IP 報頭都通過明文形式在網絡傳輸，攻擊者可以輕易地獲得通信雙方的身份信息，從而進行各種攻擊，如欺騙、竊聽、篡改等。此外，TLS 和SSL 也存在一些安全漏洞，如心臟滴血漏洞、POODLE 漏洞等，這些漏洞可能會被黑客利用進行攻擊。因此，為了解決TCP改進方案與IPsec兼容性的問題，需要在保證通信安全的前提下，采用一些更為安全的協議來替代TLS 和SSL，以提高無線網絡中TCP 協議的性能和安全性。

3.1.2 擴展ESP協議

為了在無線網絡中改進TCP 協議，可采用擴展ESP協議的方案，該方案在ESP頭部添加TCP源端口、目的端口、報文序號和確認序號等數據域，但只對這些數據進行完整性保護而不進行加密，這樣網絡中間節點可以獲取這些數據，從而TCP 在無線網絡中的改進方案能夠正常工作，如Snoop方案[5,7]。然而，該方案存在一些缺陷，如不允許中間節點對TCP 報頭進行修改操作，無法提供端到端的加密保護等。因此，在選擇安全方案時，需要考慮網絡環境、應用需求和安全性要求等因素，如需要高度保密和防篡改，可選擇IPsec 協議提供更高的安全性；如果網絡環境較差，可采用TCP協議的改進方案提高網絡的性能和可靠性。同時，及時更新安全協議和軟件也很重要，以防止安全漏洞被黑客利用。

3.1.3 對TCP路徑分段

一條TCP會話的通信路徑通常包括無線網絡和有線網絡兩個部分。其中，無線網絡連接移動主機和基站之間，在移動過程中會經歷多個基站之間的切換。有線網絡連接基站和遠端固定主機之間，通常通過Internet 或局域網等網絡進行連接。如果用戶信任無線網絡的安全性，則可以使用鏈路層安全協議來提高TCP性能，并使用IPsec協議來保護有線網絡的數據傳輸安全性。IPsec協議提供了端到端的數據加密、認證和完整性保護功能，可以確保數據傳輸的安全[7]。然而，TCP 改進方案通常只在移動主機和基站之間的無線網絡上運行，不涉及基站和遠端固定主機之間的有線網絡。為了確保通信安全并避免IPsec 與TCP 改進方案之間的沖突，可以采用鏈路層的安全協議和IPsec協議來保護數據傳輸的安全性，這種方法可以同時確保通信的安全和TCP的性能。該方案的局限性在于需要對無線網絡完全信任，如果無線網絡出現問題，則可能會導致通信的安全性受到威脅。

上述3 種解決方案都存在一定的限制，需要進一步研究來解決IPsec與TCP改進方案之間的沖突問題。改進方案需要盡量減少對IPsec安全性能的影響，以確保通信的安全性。要綜合考慮安全性、性能和實現難度等因素，以找到最優的改進方案。

3.2 視頻監控系統編解碼兼容性分析

視頻監控系統的數據采集、存儲、調取、查看作為核心功能，將能夠根據硬盤容量大小進行滾動覆蓋式循環存儲；不同的監控系統應具有良好的兼容性，以實現不同區域間的互聯互通、分級控制管理和流媒體信息共享。

H.264編解碼產品的兼容性包括2個方面，性能和功能，最終評價指標將由兩者按一定的規則評分綜合構成。

功能方面主要是對必需服務進行確認和評估，包括設置和控制遠程編解碼設備、云臺矩陣等參數。

性能方面包括H.264 標準語法檢驗、產品間互編互解和編解碼質量。語法檢驗判斷其是否滿足H.264標準，產品間互編互解體現其兼容能力，編解碼質量判斷其主/客觀視頻效果。

H.264標準語法檢驗是一種檢查編碼產品輸出的視頻碼流是否符合H.264 標準語法定義的方法[8]。為了確保編碼產品輸出的H.264 基本視頻流是標準的H.264 碼流，可以采取用H.264 標準組織的JM 測試和第三方評價軟件的方法來共同判斷。在產品開發周期中，產品間的互編互解是一種理想的工作方式，可以大大降低后續系統開發的復雜度和成本，同時也便于統一管理。通過互編互解，不同廠商開發的產品可以相互測試和驗證編解碼的正確性和兼容性，確保產品之間的互通性和互操作性，從而提高整個行業的標準化水平。然而，大部分廠商采用的技術和使用范圍各有不同，往往給互編互解造成麻煩。

目前大多數H.264 產品之間尚不能實現互編互解、無法兼容，其原因主要有3 個方面：一是編碼產品輸出盡管符合H.264 標準碼流，但由于其所采用的H.264標準的規范（Profile）和等級（Level）不同，其他解碼產品其所支持的H.264 規范（Profile）和等級（Level）有限造成不能夠正確解碼；二是編碼產品輸出符合H.264標準碼流，其數據封裝格式不兼容（如采用TCP/IP、UDP/IP、是否加有RTP/TS/PS 流等），造成無法實現互聯互通；三是編碼產品在H.264 基本碼流或傳送包中加有自己的私有信息。

因此，在通過了H.264 語法校驗后要進行互聯互通測試，編解碼器間的互通性測試通常可以采取以下兩種方式。（1）相同碼流和傳輸格式測試：將所有編解碼器配置成相同的碼流和傳輸格式，檢測其是否能夠實現互聯互通。這種方式可以驗證編解碼器的基本兼容性，但是無法檢測不同廠商的私有擴展功能是否兼容。（2）H.264 標準碼流測試，即清除數據封裝，輸出H.264標準碼流，測試是否可以被各種設備和軟件系統兼容。

除了完成編解碼硬件產品的互聯互通測試之外，編碼器與軟件解碼的兼容性測試也是一項非常重要的內容，軟件解碼可將視頻流送到PC桌面上，通過PC工作站直接觀看和訪問控制各個不同的遠端視頻監控點。該項測試需要各個編碼器廠商提供各相應的軟解碼SDK，從而用這些SDK 開發測試軟件來接收不同廠商的編碼器視頻流，判斷兼容性。為便于開發和應用，傳輸協議和傳輸方式最好能夠對用戶透明，用戶只需要指定數據封裝格式和傳輸方式SDK 就可以完成H.264解碼和顯示，并且應該具備編碼器、云臺、矩陣參數設置和控制等功能。這樣，視頻編解碼兼容性和功能兼容性都可以得到測試。

評判一個視頻產品，除了兼容性之外，其視頻質量也是一個非常重要的技術指標。視頻傳輸質量受編碼、傳輸和解碼等多種條件影響，但主要體現在編碼方面。視頻壓縮傳輸技術的實質是在不超過規定碼率的條件下，使壓縮傳輸后的圖像質量達到最好，且傳輸延時在允許的范圍以內[9]。雖然每個廠家所采用H.264標準算法是一致的，但其碼流控制技術的不同將導致最終視頻圖像的質量和傳輸結果有很大的差異。盡管碼率控制不是H.264 標準所規定的內容，但卻是每個廠家在視頻通信產品研發中必不可少并且充分體現其產品性能差異的關鍵技術之一。

為了保證編解碼測試的準確性和可比性，測試應該在相同的H.264 編碼條件下進行，并考慮不同碼率對測試結果的影響；同時，還需要對各個產品的主觀和客觀質量進行評估。除了視頻質量外，編解碼器的碼率控制性能也是測試中需要考慮的因素之一。碼率控制性能可以反映編解碼器在不同碼率下的表現和穩定性。主觀質量可以采用MOS多人打分評判，客觀質量可以采用有參考的視頻質量PSNR和無參考視頻質量PSNR來進行評判，同時應該考慮到主客觀質量吻合程度。例如可采取如下評價方法：在各組碼率條件下分別計算“客觀質量得分碼率控制得分”后得到平均得分，同時將主觀質量與客觀質量對比驗證并根據吻合性進行部分修正后綜合評價。

4 結語

本文分析了依托首制船的網絡化服務平臺系統組件兼容性，對船上網絡化服務平臺與設備組件進行重點分析，并提出了相關兼容性重點問題；介紹了首制船網絡化服務平臺、組件等集成時需要考慮的兼容性問題，包括軟件類兼容性、硬件類兼容性、網絡協議類兼容性等，為船上網絡化服務平臺相關設備及硬件的研發、集成提供理論基礎。