海上战术通信网络服务架构研究

蔡全旺，黄治华（中国船舶重工集团公司 第七二二研究所，湖北　武汉 430079）

海上战术通信网络服务架构研究

蔡全旺，黄治华
（中国船舶重工集团公司 第七二二研究所，湖北武汉 430079）

通信网络服务化已成为传统通信向信息网络演进的重要规范和基本途径。本文针对海上战术通信网络服务化问题，分析海上战术通信网络的网络特点及服务需求，提出一种海上战术通信网络的功能结构和服务架构，并对其关键技术进行初步研究。

战术通信；SOA；统一通信；QoS

0　引　言

随着面向服务、云计算［1］、大数据［2］等信息技术在军事领域的逐步应用，军事信息系统正在由网络中心向数据中心、信息中心转变。美国国防部早在 2011 年9 月发布的《信息技术企业战略与路线图》中就明确提出构建联合信息环境（Joint Information Environment，JIE）［3］，以实现各层次、各领域的信息系统、网络和服务等资源的全面整合，为美军在全球范围内的军事行动提供无缝、可互操作的信息服务。JIE 将逐步替代全球信息栅格（Global Inforamtion Grid，GIG），其各类资源和能力以服务的方式进行呈现和提供，各类用户的能力来源于 JIE 的通信、计算和存储、业务应用、应用和数据等各类服务［4］，其中，通信服务主要是提供一个稳定的、动态的、逻辑的通信基础设施，用于将所有需要的信息和服务传输给所有授权的用户。

由于海上作战任务越来越多样化、传输需求越来越差异化、业务类型越来越综合化，海上战术通信网络如何支撑各类用户和上层服务，实现“网络即服务”，成为构建海上联合信息环境的关键。本文针对海上战术通信网络服务化问题，分析海上战术通信网络的网络特点和服务需求，提出一种海上战术通信网络的功能结构和服务架构，并对服务化的关键技术进行初步研究。

1　网络特点

海上战术通信网络以各类舰艇、飞机为通信节点，通过综合运用卫星、短波、超短波、数据链等多种无线通信手段，组成具有移动和自组织特点的海上网络，用于保障作战平台履行联合作战及非战争军事任务时指挥控制、情报态势、战勤保障等信息的高效传输。海上战术通信网络典型拓扑结构如图 1 所示。

按照信息精度和信息实时性等要求的不同，传统海上战术通信网络可分为武器控制、兵力控制和计划协调 3 类层次［5］。其中，武器控制类网络主要传输精确传感器数据、武器控制等信息，节点数量较少，信息精度高，传输时延为亚秒级，业务类型为数据；兵力控制类网络主要传输情报态势、目标航迹和指挥命令等信息，节点数量较多，信息精度中等，传输时延为秒级，业务类型主要为数据；计划协调类网络主要传输作战方案、兵力协调、行政管理和后勤支援保障等信息，节点数量大，信息精度较低，传输时延为分钟级，业务类型包括数据、话音、视频和图形等。

图 1　海上战术通信网络拓扑结构示意图Fig. 1　Topology structure of maritime tactical communication network

一般海上战术通信网络主要由各类无线通信手段组成，具有通信手段差异大、网络拓扑变化复杂、传输带宽有限、容量可变、链路质量稳定性差等特点。

1）通信手段差异大

由于传播方式、信道特性、使用条件各不相同，各无线通信手段在覆盖范围、传输性能、承载能力等方面存在较大差异。例如，卫星通信依托天基中继，覆盖范围广、传输速率高，可承担大容量业务信息的传输；短波通信主要通过海面波传输，可提供超视距的基本连通性保障；而超短波通信只能视距传播，可承载中高流量信息的传输。

2）网络拓扑变化复杂

海上作战平台具有高度机动性和能力综合性的特征，各作战平台可根据任务类别、编组队形、协同动作等需要随时加入或退出网络。此外，由于无线传播条件随时间和空间不断变化，作战平台也将随着无线传播条件的变化动态加入或退出网络，这都使得海上战术通信网络的拓扑变化非常复杂。

3）传输带宽有限、容量可变

不同频段无线链路传输带宽不一，且受信道固有容量限制，传输带宽相对有线传输非常有限。同时，考虑到无线信道的信号衰减、噪声干扰、组网协议开销等因素，海上战术通信网络实际的吞吐量可变，且远远低于它的最大传输速率。

4）链路质量稳定性差

无线信道一般处于开放空间，除了自然环境影响外，还容易受到平台机动过程中的路径遮挡、平台内及平台间电磁干扰甚至敌对干扰等影响，造成信号误码、时延、抖动和信号中断，链路质量稳定性较差，非有线信道可以比拟。

2　服务需求

尽管可通过采取无线宽带传输、自适应组网、异构网络互连、自动路由控制等技术措施不断提高无线网络的传输能力，实现通信网络向灵活的、开放的 IP统一承载过渡，但是随着作战使用需求的日益增长以及综合电子信息系统的技术发展，海上战术通信网络服务化技术尤其是服务质量保障能力仍然面临严峻的挑战。

1）作战样式对通信网络的服务需求

海上编队以多平台机动、协同作战为主要作战样式，随着作战任务不同、作战阶段转换，对通信网络的服务需求有着较大的差异。例如，一般巡航编队对通信网络的需求是以计划协调类网络为主、兵力控制类网络为辅；编队履行反舰作战任务时，则需要同时开通计划协调类网络和兵力控制类网络；而执行防空作战的编队，除了同时开通计划协调类、兵力控制类网络外，还需要快速组织武器控制类网络如编队多平台协同防空网络，以最大化发挥不同平台不同传感器及打击武器效能，赢得作战优势。由于战场态势瞬息万变，各类网络的开通和各种信息的分发必须满足及时、准确和不间断的基本要求。

2）业务特性对通信网络的服务需求

作战使用中的业务类型一般包括数据、话音和视频等，不同的业务类型对通信网络的传输带宽、时延及抖动、丢包率、误码率等方面的需求不同。例如，视频业务对传输带宽和时延抖动要求较高，话音业务对丢包率、误码率要求较高。即使是同一类业务，业务的服务需求也可能存在差异，如同属数据业务，目标位置、航向、航速等信息对时效性要求较高，但允许一定的丢包；而兵力协调信息对可靠性要求较高，但允许一定的时延。海上战术环境下综合的业务特性与有限的承载能力矛盾突出，通信网络应采用业务控制和传输控制机制，合理调度资源，以提供差异化、按需的服务质量保障。

3）信息体系发展对通信网络的服务需求

随着面向服务、云计算等信息技术在军事领域的应用，军事信息系统将逐步采用云计算的体系架构和面向服务的技术体制，以满足业务及服务动态扩展、弹性部署的要求，提供高可靠性的按需服务。在云计算体系架构中，从底层的信息基础设施到上层的业务应用，服务可分为基础设施即服务 Iaas、平台即服务Paas 和软件即服务 Saas 三种形式。无论是 JIE 中的通信服务还是美海军统一漂浮网络和企业服务（Consolidated Afloat Network and Enterprise Service，CANES）［6］的公共计算环境（Common Computing Environment，CCE）组件，其功能都相当于 Iaas。通信网络作为信息基础设施的重要组成部分，必将由传统的分离、烟囱式网络向一张网演进，其所采用的服务架构必须与此演进相适应，通过实现网络即服务，为上层应用提供面向服务、无缝交联和安全可靠的信息传输环境。

3　服务体系

3.1功能结构

图 2　海上战术通信网络功能结构Fig. 2　Function structure of maritime tactical communication network

其中，通信网络按照功能可划分为通信传输层、网络交换层和通信服务层。其中，通信传输层主要包括短波、超短波、卫星、数据链等通信手段，对上为网络交换层提供可靠、保密的数据传输信道；网络交换层采用 IP 统一承载、路由交换、传输 Qos 保障等技术，对上屏蔽通信传输层的差异性，对下实现对多种手段、异构网络的综合运用和融合；通信服务层定位于网络交换层与通信应用层（包含面向作战应用的各类应用系统和面向用户的各类用户界面）之间，基于网络交换层提供的 IP 统一承载、路由交换控制能力，采用业务控制和传输控制技术，为各类通信应用提供通信服务。

3.2服务架构

根据通信网络的功能结构，其相应的服务架构如图 3 所示。其中通信服务层是综合的核心控制平台和开放的应用支撑平台，可提供通信基础服务、信息传输服务和统一通信服务。

图 3　通信网络服务架构Fig. 3　Service architecture of communication network

1）通信基础服务

通信基础服务主要面向通信网络，实现通信态势、资源计算与调度、通信目录服务等功能，对上提供标准化、可重用的网络基础服务能力。其中，通信态势功能主要通过采集网络拓扑、安全防护、业务流量和频率使用等信息，融合形成集网络态势、安全态势、业务态势和电磁频谱态势于一体的通信态势；资源计算与调度功能主要实现传输资源的虚拟化，将不同链路的传输能力封装成不同带宽、不同时延和误码率的传输资源，支持资源的统一分配、动态组合和数据的转发控制，以适应各类业务的传输需求；目录服务功能主要实现用户信息管理、域名管理和目录资源管理。

通信基础服务对上通过资源访问接口，为应用系统、信息传输服务和统一通信服务提供对网络的统一访问能力，对下通过数据传输接口、网络控制接口实现业务数据的传输以及对网络资源的调度和转发控制。

燃烧炉内生成的有机硫是硫磺回收装置有机硫的主要来源，而常用控制方案是将其在一级克劳斯反应器内最大限度地水解生成H 2 S，残余有机硫在尾气处理单元加氢水解反应器中进行转化。在硫磺回收单元各级反应器中，通常一级反应器床层温度为280～360℃，后续各级反应器床层温度略低于此值，而现有工业催化剂性能存在局限性，在较低的反应温度下对有机硫的水解催化性能均较差。尾气处理单元加氢水解反应器床层温度往往在240～330℃，可实现一定的末级催化加氢水解作用，现有主流尾气处理工艺对加氢反应器后的残余有机硫几乎不再进行更深度的转化，将直接被带入灼烧炉燃烧转化为SO2后，通过烟囱排入大气。

2）信息传输服务

信息传输服务主要面向应用系统，实现信息感知和传输优化等功能，为不同类型、不同优先级的应用提供不同等级的端到端传输服务，提升网络资源的传输效率和利用率。其中，信息感知功能主要指通过分析协议报头识别协议类型、业务类型，并通过分析报头的服务类型（Type Of Service，TOS）字段，感知业务的优先级信息和用户属性信息。传输优化功能主要指根据各类业务属性与传输需求，采用不同的控制机制，实现业务的传输优化。例如，情报态势信息的特点是对时效性要求较高，但由于周期性更新的原因允许一定程度的丢包，因此，对于情报态势信息的传输可采用在应用系统和数据链间搭建虚拟通道的方式实现，减少传输中间环节，以保证传输的时效性；作战方案信息的特点是对可靠性要求较高，且所需带宽较大，但允许一定的时效延迟，因此，对于作战方案信息的传输可采用多路并发传输、断点续传和应答确认等机制，以保证传输的可靠性。

信息传输服务对上通过信息传输接口为应用系统、统一通信服务提供差异化、按需的数据传输服务，对下通过资源访问接口调用通信基础服务。

3）统一通信服务

统一通信服务主要面向用户（人），实现话音、视频、消息、会议和用户状态呈现等功能，为用户提供丰富的融合通信能力，提升用户体验。其中，话音、视频功能主要指话音、视频业务的会话控制、媒体资源管理功能，为用户提供语音和视频体验；消息服务主要指电子邮件、即时消息、传真等业务的处理功能，提供用户消息离线存储和用户在线推送功能；会议功能主要指会议的呼叫控制、媒体协商和会议管理功能，提供文件共享、应用共享、白板等业务，支撑远程信息共享和作战研讨；用户状态呈现功能主要指用户状态通告、用户状态订阅以及用户状态推送功能，提供用户状态、位置等信息的访问。

统一通信服务对上通过用户接口为用户提供统一的访问服务，对下通过资源访问接口调用通信基础服务，通过信息传输接口调用信息传输服务。

4　关键技术

4.1统一通信服务关键技术

统一通信服务，也可称融合通信服务［7］，其主要目标是通过对传统电信业务与 IT 信息应用的整合，充分发挥电信网与互联网融合的优势，在安全和高可用性的 IP 基础上为作战人员或要素提供融合语音、视频和数据等应用的泛在通信服务，以提高作战效能。统一通信服务的关键技术主要包括业务交付平台技术、ESB 服务总线技术和服务组合技术等。

1）业务交付平台技术

业务交付平台技术通过软件基础设施平台来快速开发并交付话音、视频、数据和移动内容提交等新型服务，并以SOA架构将新服务与现有服务系统整合，实现向开放标准架构的转移。业务交付平台技术能够很好地支持不同系统之间多媒体业务的互通和相互渗透，并可引入更多的业务应用，实现电信业务和互联网业务的灵活组合、打包、深度集成等，可大大丰富通信系统为用户提供的电信及多媒体业务。

2）ESB 服务总线技术

ESB 服务总线技术改变了传统的软件架构，可以提供比传统中间件产品更为廉价的解决方案，同时它还可以消除不同应用之间的技术差异，让不同的应用服务器协调运作，实现了不同服务间的通信和整合。通过 ESB 服务总线技术可以将话音、视频、数据等通信基础能力以服务的形式开放给终端，从而实现各类业务的融合，以适应业务的灵活部署、业务互通和业务扩展性的需要。

3）服务组合技术

服务组合技术可以利用较小的、较简单的、且易于执行的轻量级服务来创建功能更为丰富、更易于用户定制的复杂服务，从而能够将松散耦合的、分散的各类相关服务有机地组织成一个更为可用的系统，支持系统内、外部的应用集成和网络应用等。

4.2信息传输服务关键技术

信息传输服务主要实现信息感知和传输优化功能，其关键技术主要包括数据优化技术、TCP 优化技术［8］和基于服务的 Qos 调度技术等。

1）数据优化技术

数据优化技术主要实现数据优化传输功能，通过数据缓存、文件压缩和数据块压缩等方法，从源头上减少业务对带宽的占用，在提升业务传输效率的同时提高通信资源的利用效率。

2）TCP 优化技术

TCP 优化技术主要对无线信道上的 TCP 业务进行连接控制、拥塞控制改进和连接复用。通过采用 TCP代理机制，建立 3 段连接的方式，实现在长时延和低速链路上的 TCP 业务传输能力。对于不是因拥塞丢包的无线链路，采用改进的拥塞控制机制和选择重传确认提高数据吞吐量。

3）基于服务的 Qos 调度技术

基于服务的 Qos 调度技术主要实现不同等级业务的优先级排队、流量整形、拥塞管理，保证业务的按需传输。此外，为保证业务传输的高效性和可靠性，可采用多路径转发技术，实现业务的并发传输和负载均衡，以提高网络资源的利用率。

4.3通信基础服务关键技术

通信基础服务主要实现通信基础服务封装以及对网络控制功能，其关键技术主要包括数据分析、融合技术，资源虚拟化与调度技术等。

1）数据分析、融合技术

无论是通信态势还是网络状态，都需要采用数据分析、融合技术对来自不同信息源的数据进行处理后才能形成。数据分析、融合技术是指应用计算机对按时序获取的若干观测信息，在一定的准则下加以自动分析、综合，以完成决策和评估任务而进行的信息处理技术。它包括对各种信息源提供的有用信息的采集、传输、过滤、相关及合成，以辅助人们进行态势/环境判定、规划、探测、验证及诊断。

2）资源虚拟化与调度技术

海上战术通信网络由多种无线通信手段组成，各无线通信手段的传输特性各不相同，为满足不同作战应用的传输需求，需实现传输资源的虚拟化，将不同链路的传输能力封装成不同带宽、不同时延和误码率的传输资源，根据业务传输需求，计算、维护满足业务需求的端到端可行路径，实现对网络进行有效控制，达成资源的统一分配和动态组合。

5　结　语

随着海军作战模式由“网络中心战”向“数据中心战”的转变，作战应用对通信网络提出了更高的服务需求。同时，随着通信网络技术的发展，其可支撑的服务质量也有了更大的提高。本文在分析海上战术通信网络的网络特点和服务需求的基础上，提出了一种海上战术通信网络的功能结构和服务架构，并对其关键技术进行了初步研究，旨在为我海军通信网络的发展提供一定参考。

［1］田全才，苑征. 基于云计算的综合电子信息系统［J］. 兵工自动化，2014（1）：43-46. TIAN Quan-cai，YUAN Zheng. Integrated information system based on cloud computing［J］. Ordnance Industry Automation，2014（1）：43-46.

［2］MCCANEY K. Navy wants to take big data into battle［R］. ［S.l.］：Defense Systems，2014.

［3］Mr. David DeVries. DoD joint information enterprise［EB/OL］. ［2014-03-18］. http：//dodcio.defense.gov/Initiative/JointInformationEnvironment.aspx.

［4］Department of Defense Office of the Chief Information Officer. Department of defense information enterprise architecture （DoD IEA） version 2.0 volume Ⅰ-management overview of the DoD IEA［EB/OL］. （2012-07-30）［2014-03-18］. http：// dodcio.defense.gov/Portals/0/Documents/DIEA/DoD%20IEA% 20v2.0_Volume%20I_Description%20Document_Final_201207 30.pdf.

［5］CCEB. Maritime tactical wide area networking-technical instructions［M］. Allied Communications Publications，2010：1-3.

［6］CAPT D，LEGOFF A. Consolidated afloat networks and enterprise services （CANES） and network as a platform［M］. AFCEA West，2013.

［7］王俊，陈志辉，田永春. 统一通信技术在战术通信网中的应用研究［J］. 通信技术，2014，47（2）：184-189. WANG Jun，CHEN Zhi-hui，TIAN Yong-chun. Application of unified communication technology in tactical communications network［J］. Communications Technology，2014，47（2）：184-189.

［8］高静. 卫星网络中TCP协议的研究及改进［D］. 西安：西安科技大学，2013.

Research on service architecture in maritime tactical communication network

CAI Quan-wang，HUANG Zhi-hua
（The 722 Research Institute of CSIC，Wuhan 430079，China）

Communication network service has been the important norm and basic way to make communication network evoluting from traditional communication to information network. In order to realize the service of maritime tactical communication network，the network feature and service demand of martime tactical communication network are analyzed. Then，the function structure and service framework of martime tactical communication network are proposed. Finally，the key techniques are studied preliminarily.

tactical communication；SOA；unified communication；Qos

TN97

A

1672 - 7619（2016）08 - 0095 - 05

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2016.08.020

2016 - 01 - 26；

2016 - 03 - 04

蔡全旺（1965 - ），男，研究员，从事舰艇通信和网络通信总体设计。