新一代遥测网络系统控制与联网协议研究
2015-01-02张芹芹李本亮
刘 丹 张芹芹 李本亮
中国飞行试验研究院
新一代的遥测网络系统在保留传统遥测系统功能的前提下，新增加了远程、宽带数据链，新增加的部分使得遥测网络系统具备了下行遥测传输能力，遥测网络系统因此可进行双向数据传输。网络数据的传输与控制需要在一定的规则下进行，因此，研究遥测网络系统的控制与联网协议，从而为飞行试验中遥测网络系统中的试飞数据传输提供统一规则。
在数据传输向网络化格局发展的前提下，飞行试验中的遥测系统也趋于网络化发展。在保留传统遥测传输的基础上，在机载测试系统网络化以及地面遥测系统站网络化的前提下，试飞测试对象与地面之间形成了一个大的网络系统，不同于传统的系统，新一代的遥测网络系统包括多个地面子系统和测试对象子系统，这些子系统处于遥测网络系统中进行数据交换。在网络中，不同的终端实体之间要进行通讯和数据传输，首先需要有个统一的规则和约定，这个规则即协议。因此，对遥测网络系统控制与联网协议的研究已是非常必要。本文重点阐述新一代遥测网络系统的结构，并在此基础之上，研究遥测网络系统的控制与联网协议。
遥测网络系统结构
遥测网络系统从物理结构上分为两大部分，分别是，遥测地面站端和试验对象端。其中，遥测地面站端和试验对象端通过各自的天线系统单元进行无线通讯，建立数据链接。从逻辑结构上，遥测网络系统就像一个大的网络系统，其中包括很多个遥测地面站端的网络子系统以及试验对象端的网络子系统。网络结构图如图1 所示。
图1 遥测网络框架结构
机载网络部分和地面网络部分的系统组成结构如下图所示。其中，机载网络部分利用收发天线，通过射频网络（rfNET），测试对象网络与地面网络进行数据传输交换，发送遥测数据给地面站，同时接收来自地面站的控制命令信息。rfNET 是在传统的IRIG106 串行遥测链路的基础上，另外增加了一条基于网络的上下行链路，使得机载网络系统和地面网络系统实现了双向连接。通过该rfNET空地链路形成一个大的遥测网络系统。
在地面网络部分中，天线系统将接收到的遥测数据集中汇总，通过网络交换机，其他需要遥测数据的地面处理网络系统对数据进行有选择的接收。按照试飞测试体系的特点，地面数据处理网主要包括：遥测监控系统，事后处理系统（预处理、二次处理等）。
网络协议
网络中的通信是指在不同系统中的实体之间的通信。所谓实体，是指能发送和接收信息的任何对象，包括终端、应用软件、通信进程等。系统可以包含一个或多个实体，两实体间要是能通信，就必须能够互相理解，共同遵守都能接受的规则和约定，如传送信息块采用何种编码和怎样的格式，如何识别收发者的名称和地址，传送过程中出现错误如何处理，发送和接收速率不一致如何处理。把这些规则的结合称为协议。因此，协议也可被称为两实体间控制数据交换规则的集合，它用来实现网络资源共享，信息交换。网络协议就是用来为完全不同的系统提供共同的用于通信的环境。没有协议，网络通信是不可能存在的，简单地讲，通信双方在通信时需要遵循的一些规则和约定就是协议。
通信协议的规则主要包括对通信的发送者和接收者完成的操作（语义）和交换信息的格式（语法）。协议有以下3 个要素。
语义：控制信息的内容，需要做出的动作及响应，即“讲什么”；
语法：数据与控制信息的格式、数据编码等，即“怎么讲”；
同步：事件先后顺序和速度匹配，即“序速度控制”。
遥测网络系统控制与联网协议
图2 遥测网络系统体系构成图
遥测网络系统控制与联网协议是指为保证遥测网络系统中通信双方能有效、可靠通信而规定的一系列约定，包括对数据格式、同步方式、传送速度、传送步骤、检验纠错方式以及控制信息定义等问题做出的统一规定，通信双方必须共同遵守。遥测网络系统作为一种特殊的远程无线网络系统，可以利用成熟的网络协议，在此基础之上，针对在实际飞行试验中的特殊情况，完善和优化相关的网络协议，从而实现遥测网络系统的控制与联网数据传输功能。
RF 网络控制消息协议
射频（RF）网络控制消息协议定义了RF 网络单元中多个功能组件中的消息及消息流到接口的规则。当在一个RF 网络中的不同物理部位，如一个在试验对象（TA）上，一个在地面上的两个节点需要连接时，就必需用到RF 网络控制消息协议。RF 网络控制消息协议是两个或多个相同功能节点支持分布式操作的逻辑连接，控制关系可以是主从式、对等、一对一、或一对多。
RF 网络控制消息协议包括以下三种：链路管控制消息协议，该协议主要用来规定无线链路的建立、释放和管理。RF 网络管理控制消息协议，该协议主要负责地面站网络管理到试验对象网络管理、地面站网络管理到本地地面站网络管理以及地面站网络管理到远程地面站网络管理。连接控制消息协议，主要针对地面站到试验对象以及地面站到地面站试验域之间的传输规则。
RF 网络协议
RF 网络协议遵照有关通用网络协议，包括三种，分别是：链路协议，网络协议和传输协议。
链路协议规定网络各节点均支持以太网数据链路协议，具体可以参照IEEE802.3 标准。IEEE8.02.3 是一个使用CSMA/CD 媒体访问控制方法的局域网的综合性标准。其体系结构包括MAC 子层和物理层。物理层包括物理信令子层（PLS）和物理媒体链接件（PMA）。MAC 支持数据链路功能，并为LLC 子层提供服务，MAC 子层还实现帧的封装、解封，帧的寻址和识别，实现和维护MAC 协议，完成帧检测序列的产生和检验等功能。
网络协议以IPv4 为基础，且兼容IPv6。IPv4 不能提供网络安全，也不能实施复杂的路由选项，如在QoS 的水平上创建子网等，所以不适用于安全级别要求相对严格的情况。IPv6 是在IPv4 基础上发展起来的，具有IPv4 的所有功能，并增加了一些更加优秀的功能，例如128 位编址能力、扩展地址和路由的能力以及内嵌式的授权和加密安全等。
传说协议即传输控制协议（TCP）和用户数据报 协 议（UDP）。TCP实现端到端的通信，提供面向连接的稳定可靠的服务。UDP 采取无连接方式提供高层协议的信息数据处理，允许互相发送数据报。
网络时间同步协议
iNET 标准（V 0.7 版）中的试验对象（TA）标准第5 条详细要求5.1 款，明确机载测试网络系统时间同步遵照IEEE1588 网络精确时钟同步协议。RF 网络单元标准中的第10 条通用网络协议和服务中的10.3 款，明确RF 网络时间同步遵照RFC 1305 网络时间协议（NTP：Network Time Protocol Version 3）。
NTP 是网络授时同步协议，可用于遥测网络数据传输的时间同步，其缺点是NTP 协议假设 NTP 请求和回复包传送时延相等，无法克服报文单向时延所造成的影响，同时NTP 在应用层需要用软件方式打时间戳，同步精度较低。其时间服务器选择GPS 或北斗作为系统的时间源进行授时。
鉴于网络时间协议（NTP）主要采用软件时间同步方法，适用于大型通用网络，时间同步精度在毫秒级，而网络精确时钟同步协议（IEEE 1588）采用软、硬件相结合的时间同步方法，时间同步精度可达微秒级，适用于时间同步精度要求高的测控网络，且已在测控网络中广泛应用。为了把遥测网络系统的时间同步从毫秒级提高到微秒级，满足多机试飞中的遥测网络高精度时间同步要求，在遥测网络系统中用网络精确时钟同步协议（IEEE 1588）替代传统的网络时间协议（NTP）。
结语
遥测网络系统（TmNS）是iNET（增强遥测综合网络系统）的核心，其优于传统遥测系统的地方在于具备了上下行的双向链路数据交换，使得测试对象网络与地面网络处于同一个逻辑网络。遥测网络系统中，地面端和测试对象端通过网络链路访问各个网络部分且根据需求进行数据运输交换。对遥测网络系统控制与联网协议的研究，对网络系统统一通信协议的管理、支持各通信实体之间的数据交换等方面具有重要意义。
