空海空间一体化网络技术研究*

黄成玉

(广州海格通信研究院,广东广州510663)

空海空间一体化网络技术研究*

黄成玉

(广州海格通信研究院,广东广州510663)

空海空间一体化网络是军事信息化基础平台,是当今国内外重点发展的军事战略平台之一。针对当今国外空海空间一体化军事信息网络系统发展动向,首先研究空海空间一体化网络系统架构,分析其技术架构特点,其次结合其面临的复杂多异构的挑战性网络环境等问题,进行针对性分析研究,最后提出采用无线链路自适应组网关键技术和机动网随遇接入组网关键技术相结合,解决空海空间一体化网络组网中的问题,为空海空间一体化网络军事技术发展提供技术支撑。

空海空间一体化网络 无线链路自适应组网技术 机动网随遇接入组网技术

0 引 言

空海空间一体化网络是实施联合作战和各种军事行动战斗力的关键要素,为夺取战争的信息优势提供了基础平台,通过信息技术把各军兵种的作战平台、武器系统、情报侦察、指挥控制、后勤保障系统融合形成一体化的作战体系,让信息化战争不是各个作战单元之间的独立对抗,而是各军兵种力量可依托的空海空间一体化网络的信息系统,在空间多维战场实施体系与体系间的综合对抗。

在空海空间一体化组网技术相关的研究中,美军一直处在世界的前列,其中以美国防部的“新一代军事卫星通信系统”和美国海军的“海军全球综合通信系统”最为典型。

美军的“新一代军事卫星通信系统”集成了新一代美军宽带卫星通信系统(AWS)、美军新一代窄带卫星通信系统(MUOS)、美军安全卫星通信系统(AEHF/APS),确保美军未来的空间优势,目前并已取得多项重要研究成果[1]。

美军的“海军全球综合通信系统”集成了联合战术无线电通信系统(JTRS)、数据链系统(linkx)、以及4G技术(LTE)等技术,并将卫星通信系统融合起来,让美国海军的信息化处于世界的前列。

从国外关于空海空间组网技术演进,空海空间一体化组网技术具有重要的战略发展空间,通过对其网络架构以及关键技术的研究,对于空海空间一体化网络的军事发展,具有重要的意义。

1 空海空间一体化网络系统架构

空海空间一体化网络系统架构总体分为卫星空间网络、岸基固定网络和海域机动网络这3个子网络,如图1所示。卫星空间网络为天际卫星网络和空中移动站,其为空间通信枢纽网,所执行的军事任务包括侦察、预警、气象预报、导航、指挥、控制与通信以及目标的精确定位。岸基地面固定网络为岸基通信网络,其包括岸基中央站,地方站,地面固定承载网等,连接地面各作战单元,实现各作战单元间的信息互通。海域机动网络是海域机动作战单元,如舰艇编队、潜艇、海上移动站等的综合通信网,实现海域机动部队多兵种的协同通信,以及通过多种通信手段实现与卫星空间网络、岸基固定网络的信息畅通。

图1 空海空间一体化网络系统架构示意Fig.1 Integration of air-sea network

在空海空间一体化网络中,由于卫星无线链路组网延时长,以及与机动网络、固定网络的组网方式、运行环境存在很大差异,为实现一体化组网以及业务的传输,因此针对这些情况,研究空海空间一体化组网的关键技术,具有重要的实际意义。

2 空海空间一体化组网关键技术研究

在军事网络的组网路由协议中,路由寻址技术大多是基于完整的在线端对端路径[2],但在作战环境中,此种路由寻址方式将面临着“挑战性”网络环境[3]。即由于存在网络节点稀疏、高速移动性、交替活跃、网络分割频繁、或出于安全考虑实施无线电静默、或遭受恶意攻击以及战争毁伤,造成网络的间歇性连接和网络链路状态的“时变性”,无法直接采用传统的路由方式实现信息的可靠传输。

在空海空间一体化组网中,涉及到岸基固定网络、海域机动网络、星际网络的一体化的组网,在这种空间三维立体复杂的异构性网络中[4],面对复杂的信息战时,上述的问题将更加突出,网络将面临更为复杂的“挑战性”网络作战环境,链路将出现长延时、低数据率,或者不存在稳定的端到端的连接,使得空海空间一体化网络的链路连接、传输速率、网络延时等网络传输性能出现“时变性”。

因此,在空海空间一体化组网技术研究中,针对这种复杂的“挑战性”网络情况,跟踪国外的研究成果与发展趋势,采用空海空间无线链路自适应组网技术和海域机动网随遇接入技术结合综合运用,研究解决这种具有复杂异构性的空海空间一体化网络组网问题。

2.1 空海空间无线链路自适应组网关键技术

空海空间无线链路自适应组网技术主要是针对卫星网络与海域机动网络之间的多异构复杂无线组网问题,以及前文介绍的“挑战性”网络环境中所面临的问题。该技术使用先存储后转发的传输机制,其技术原理类似于电子邮件的传输方式传输信息,即不需要空海空间一体化网络中的所有节点同时在线[5-6],在出现卫星无线网络或海域机动无线网络拓扑分割,或者网络节点时变性中断的情况下,数据从源节点转发到中间节点,再从中间节点转发到目的节点,通过中间节点将数据以逐跳方式传送到目的节点,不需要同时在线存在从源节点到目的节点的端到端的完整路径,网络中的节点依然能够接收到的数据。

空海空间无线链路自适应组网技术的体系结构是基于网络中的信息存储与交换架构[7],其体系结构如图2所示。

图2 空海空间无线链路自适应组网体系结构Fig.2 Radio link adaptive network

在空海空间一体化网络中,将空间卫星网络或海域机动网络的传输数据单元聚合在一起进行传递称为“束”;处理此类“束”的路由与交换设备称为空海空间无线链路自适应组网控制器。

如果在空海空间一体化网络中的两个节点不通过无线链路自适应组网控制器进行数据“束”交换,认为此两个节点处在同一区域中,反之就表示不在同一区域中。区域边界上的节点表示不同网络协议和地址族之间的互联节点。如图2所示的无线链路自适应组网体系结构中有4个区域,分别为A、B、C、D,每个域内组网协议都不尽相同,域之间的互通是通过域边缘的无线链路自适应跨域组网控制器进行路由和策略控制,完成数据的交换传递。区域D为一个联接的近地旋转的卫星链路(LEO),A、B、C区域表示为海域舰队机动网络,以及岸基的固定接入网络。

空海空间无线链路自适应组网技术的协议栈如图3所示。其主要特点就是不需要在线存在端到端的传输路径,而是采用束存储再转发的方式;另外该协议栈引入了束层作为连接受约束的网络覆盖层,依靠该层实现束的异步消息进行通信。

图3 空海空间链路自适应组网技术(DTN)协议栈Fig.3 DTN protocol architecture

在空海空间无线链路自适应组网路由策略选取上,通常按照是否对消息进行复制,分为单拷贝路由和多拷贝路由。单拷贝路由是在网络中只存在信息的一份拷贝,多拷贝路由是网络中存在同一信息的多份拷贝,从空海空间一体化网络所面临的实际复杂网络环境综合分析,根据网络实时环境,空海空间一体化组网采用多拷贝路由和单拷贝路由结合路由策略,保证网络的数据传输的高效与高可靠性。

通过利用空海空间无线链路自适应组网技术的特点,在卫星网络与海域机动网络组网所面临的“挑战性”网络环境下,解决端到端联接和节点资源都有限的网络体系结构,如超长的延时(长达几天)、网络频繁分割、链路随机中断、传输速率时变等问题,以满足异步复杂网络信息的可靠传输。

2.2 海域机动网随遇接入组网关键技术

在空海空间一体化网络中,为了保证海域机动网在移动过程中遇到可接入岸基固定网络的接入点时,通过技术手段实现快速入网,而不需要根据该接入点的参数规划进行配置更新,并且不会对接入后的整体网络性能造成巨大影响。因此,海域机动网随遇接入实现的关键在于如何不改变机动网内部配置的前提下实现与岸基固定网的随遇对接。

海域机动网作为一个子网,内部节点数目、链路种类也非常多,同时为了实现路由表汇聚,其内部IP地址分配通常会结合网络的分层树状结构进行规划配置,由于节点分散,参数众多,不便于频繁更改。而机动网络在更改接入点时,如果IP地址保持不变,就会带来全网路由表更新,并可能破坏全网的IP地址树状结构,增加核心网节点IP路由表规模。为了解决此问题,提出在空海空间一体化网络中采用基于LISP的海域机动网随遇接入技术。

LISP(Locator/ID Separation Protocol)技术的优点是不需要修改网络节点设备,只需要增强边缘网络的边缘路由控制设备的功能即可。LISP通过动态封装。进入核心路由控制设备的每一个数据包都会得到一个新的IP封装,这个IP封装携带有关目的地服务节点的网络信息,而不是最终用户的IP地址。当这个数据包到达目的地服务节点的时候,这个封装将从数据包中删除。

LISP方案对现有IP协议的改动主要集中在边缘路由控制设备和终端上,符合机动通信网随遇接入功能所要求的对岸基固定网不进行改动,随遇接入,因此,在空间空海一体化网络中,研究基于LISP技术的海域机动网随遇接入方案。

LISP方案针对的是终端移动问题,而空间空海一体化网络中,要解决的是一个机动子网的移动和随遇接入,因此在设计时首先需要将机动子网进行抽象,每个子网内部的IP地址规划不变,而机固接入点机动侧的组网控制设备将进行LISP方式的IP封装。

在LISP中,原有的网络IP地址被分成EID (End-identifier)和RLOC(Routing Locator)。其中, EID用于标志主机,不具备全局路由功能;RLOC用于全网路由。LISP网络自然会引入名与址的映射,即LISP中EID-to-RLOC的映射。名址映射服务的实现可分为全局服务器实现、边缘路由控制设备分布式实现、终端实现的多种形式。因此,在空海空间一体化网络中,为了提高名址映射的可靠性,采用核心网全局映射服务器和机动子网局部映射服务器协同工作的方式。在机动子网部署一个名址映射服务器,提供本网终端与IP地址的映射关系查询、存储功能;在核心网部署全局名址映射关系服务器,主要存储全网的名址映射关系查询、存储,并存储各机动子网名址映射服务器IP地址与子网名址列表的映射关系。

机固网络接入点的机动网侧组网控制设备还需要起到网关的作用,就是收到IP包时,要提取相应的终端IP地址,并进行子网内转发。而终端发送IP包时,组网控制设备要将目标IP为终端IP的包进行封装,封装后的包目标IP为目的子网的组网路由控制设备。

海域机动网的接入、退网及典型业务流程如图4所示。

图4 子网接入、业务传输、子网退网流程示意Fig.4 Network random access flow charts

在图4流程的基础上,还需要设计一些提升业务性能的优化措施,包括:子网的名址映射服务器可暂存已发生(已查询到)的其他子网名址映射信息,简化后续业务的发送流程,子网退网时要清除这些映射信息;在某个子网退网时,全局映射服务器在收到退网请求后,要向其他在线的子网名址映射服务器组播该退网信息,收到消息的子网名址映射服务器可将相应的暂存映射信息清除。

机固网络接入点机动网侧的组网控制设备要做网间隔离,不能将子网内部的IP地址表向全网扩散,而只需要将网关与固网的接口IP及子网映射服务器的IP向全网扩散。而为了避免影响全网路由表,在实际应用时,只需要更改网关和子网映射服务器的对外接口IP地址(使之匹配接入点IP地址规划),即可避免全网路由表更新。

3 结 语

通过跟踪国内外空海空间一体化网络组网技术的相关发展情况,总结并分析空海空间一体化网络特点,以及在信息化作战环境中面临的空间网络与海域网络不同的异构复杂环境,空间网络高速频繁分割,网络“时变性”复杂,海域网络需要随遇快速接入入网等问题,鉴于如此,提出采用空海空间无线链路自适应组网技术和海域机动网随遇接入技术相结合来解决组网中面临的一些问题,实现网络性能的提高,为卫星组网、空海一体化组网、信息化对抗、网络毁伤等方面,提供有力的技术保障,推进未来军事网络的智能化、泛在化、融合化的发展。

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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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[7] FALL K.A Delay-Tolerant Network Architecture for Challenged Internets[J].Intel Research Berkeley. 2003,2(01):1-14.

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

国防科技预先研究项目(No.1100101024)

Foundation Item：Advance Research Project in Defense(No.1100101024)

黄成玉(1984—),男,硕士研究生,工程师,主要研究方向军事网络通信系统、信息网络体系架构、路由交换技术等。

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