一种战术数据链协议网关的设计与实现

摘要：数据链网关是实现多数据链互联互通的有效途径。本文设计了一种多数据链系统协议网关功能结构模型;采用基于中性公用数据体的消息格式转换方法，使得协议网关在接入新的格式化消息时，格式转换功能易于升级;提出了不同种类格式化消息之间相互转换的协议，以及消息转发时的链路选择准则;通过实验验证了消息格式转换方法、转换协议以及链路选择准则的有效性和可行性。

Abstract： Data link gateway is an effective way to realize interconnection of multi-data links. A protocol gateway functional model of multi-data link system is established， and it adopts the message format conversion method of neutral common data entity， which makes it easy to upgrade the format conversion function when the protocol gateway accesses a new format message. Protocols for converting different types of formatted messages are proposed， as well as the link selection criterion for message forwarding. Both the message format conversion method and protocols and link selection criterion are proved to be effective and feasible by experiments.

关键词：协议网关;消息格式转换;链路选择

Key words： protocol gateway;message format conversion;link selection

中图分类号：TP393.0                                     文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）17-0235-03

1  数据链网关的发展现状

战术数据链是一种按照统一的通信协议和消息标准，近实时地处理和分发战场态势、指挥控制、战术协同和武器控制等格式化消息的数字通信链路[1][2]。不同时期发展出来的各种数据链满足特定的战术需求[1][3][4]，各个数据链有各自的功能特性，难以彼此相互取代。数据链和整个指挥控制系统高度融合，短期内更换一种全新统一的指控信息系统难度巨大。新型数据链的发展趋势也是在兼容现有数据链系统的基础上，整合新的频谱资源，提高传输速率，改进网络结构，增大系统容量，提升数据分发和抗干扰抗截获能力，从战术数据链终端向联合战术信息系统发展。可见，多数据链长期并存的局面成为必然[5]。在多链并存的局面下，打造互联互通互操作的数据链系统是提升军用网络信息体系单元互联、信息共享、能力互补以及行动协同的联合作战和全域作战能力的有效途径。

研究表明，数据链网关能够实现战术信息多链共享、指控和协同跨链实施，有效提升战术数据链系统的互联互通互操作能力。数据链网关的概念最早形成于1999年美国空军研究的一份报告[6]中，是指将具有不同作战用途、传输性质及消息格式的数据链连接起来实现互连互通互操作的软件或软硬件的组合，使得不同的数据链系统彼此通信。数据链网关如同一个翻译，将一种链路的格式化消息翻译成另一种链路的格式化消息，让彼网络的作战单元认知到此网络的战场态势;强化场景统一，使得作战单元与上级之间的交互更加便捷。一个网关应用场景示例如图1所示，图中的预警机和指挥所是具有网关职责的作战单元。

典型的网关有联合信息分发系统转发设备（FJU）[7]，实现了Link16和Link11之间相互转发J序列报文和M序列报文的功能;防空系统集成器（ADSI）[1]是一个用来提供空中态势图的多输入通信系统，能够接入多种数据链，如Link11、Link16、ATDL-1和综合广播业务（IBS）等;多战术数据處理器（MTP）[1]是美军用以取代原来的指挥控制处理器的新型处理器，除支持Link-4A、Link11/1IB和Linkl6外，还支持Link22、JRE、S-TADIL-J等新型数链。

2  数据链协议网关功能结构模型

文献[1][8][9]等对数据链网关所涉及的关键技术和设计难点做了论述，但对功能结构没有较为系统明确地说明。本文从多数据链信息互通共享的应用需求出发，设计了一个数据链协议网关（Data Link Protocol Gateway， DLPG），其功能结构模型如图2所示。

DLPG集成了多数据链信息处理的软硬件设施，可以接入并转发多种链路的不同格式消息。链路消息解析封装引擎完成格式化消息的解析或封装。转换协议明确了消息数据元素同中性公用数据体（NPDE）相互转换的方式和规则。DLPG按消息的功能域分别创建数据队列，队列对象被队列管理器按消息时间或优先级排序，按时效性删除或更新。链路选择功能使得消息能被传输质量高的链路发送出去。消息传输频率匹配是指源消息从高频率传输链路向低频率传输链路转发时，需要丢弃一些消息以降低转换频率，从而适应低频率传输链路的消息收发规则。反之，需要将消息所含的状态值推算到特定时间点上再转发出去。战术消息中的一些状态量是基于源发者的时间和空间坐标系的，这些状态信息经过无线传输、队列驻留和转发的过程，已经过期，不能反映目标当前的状态，因此转发信息要经过时间或空间坐标系转换处理后才能被使用。

3  采用中性公用数据体的消息格式转换设计

传统的一对一方式的消息转发节点或网关设计存在N2复杂度的格式转换问题，当新的数据链集成进来的时候，新数据链要与旧系统中的每一种数据链建立消息格式转换关系，转换系统改动量大，可扩展性差，维护升级成本较高。

本文的DLPG采用了中性公用数据体NPDE作为转换的数据中间体来进行不同链路间相似功能域消息的格式转换和存储。格式转换设计如图3所示，DLPG收到某种格式的消息或指令后，先调用相应的消息解析封装引擎将其所含战术信息解析出来，然后根据信息项映射关系，将信息元素值转换传递到NPDE中，以供封装发送阶段或其它用户按需取用。NPDE，以及消息元素同NPDE的信息项之间的映射表以配置文件的形式存在，在网关运行时被加载读取。当有新的数据链及格式化消息需要集成进来时，更新NPDE和信息项映射关系表，并修改该格式化消息向NPDE转换的程序代码即可。NPDE的引入打破了一对一的转换绑定关系，使消息格式转换功能易于扩展和维护。

NPDE按照两两综合的方式被提升扩充，即先用CMC中的两种消息按照转换协议构建一级NPDE，然后用集合中的第三种消息同一级NPDE按协议构建二级NPDE，以此类推，构建出CMC的终级NPDE。创建好NPDE之后，还要建立维护好CMC中每种消息的数据元素同NPDE元素的映射关系表，以供转换代码读取查询。

4  转换协议

转换协议是指由功能域相似的不同格式的消息经由中性公用数据体相互转换时应遵循的标准、规定和约束。

不同协议标准的某些消息具有相似的功能域，比如Link16中的目标监视消息和VMF协议中定义的战场目标信息消息，两者都用于描述目标的状态和属性，各自的大部分数据元素表示着相同的信息，两者在信息层面上存在大量交集，具有相似的功能域，因此它们适合承载彼此的信息。功能域相似的不同协议标准的消息组成一个可转消息集（Conveying Message Collection， CMC）。

CMC中的各个消息表达相同信息的数据元素的表示形式不尽相同，比如目标监视消息中的地理位置用经度和纬度（单位度）两个元素表示，而战场目标信息消息中用度、分、秒（毫秒）至少6个元素来表示;目标监视消息中用东和北两个方向上的距离分量来表示目标-观测者相对位置，而战场目标信息消息用距离和方位来表示。可见，消息中的可转递元素的映射关系是多对多的。

多对多的映射关系需要拆成两对一对多的关系来描述。据此，引入一个综合信息中间体来解决多对多的映射关系描述。综合信息中间体即就是中性公用数据体（NPDE），它不以传输为目的，其结构同各种消息格式保持独立，是中性的，适宜公用的。它所含的元素在信息层面上相互独立，没有重复语义，涵盖某功能域的所有信息项。NPDE按照以下转换协议生成：

①描述消息结构而不携带战术信息的元素不收纳;

②各自独有的且携带战术信息的元素原样纳入;

③表示相同信息的元素择优收纳，择优准则如下：

1）取值精度高的元素纳入;

2）定义域宽广的元素纳入;

3）语义通用性强的元素纳入;

4）脱离原有消息格式而语义无重复无歧义的元素纳入;

5）当上述四条准则出现冲突时，按4）-3）-2）-1）的优先级顺序实施。

5  链路选择

协议网关（DLPG）接入了多种数据链，同时处在多个数据链构成的网络中。因此DLPG在转发消息时需要依据转发规则选定一条链路质量可靠的数据链。被选链路应遵循QoS良好、网络负载低的原则。如在图1所示的数据链网关应用场景中，舰艇编队探测得到的目标信息原本是通过Link11发送给指挥所的，但因Link11链路质量不佳，不能保证消息的可靠传达。作为网关的预警机在判得Link16链路质量更加可靠时，便将目标信息报文经过格式转换后通过Link16发给指挥所。

多数据链系统对信息共享的要求是转发速率和质量[10]，因此多数据链综合运用一方面要求信息在链间实时快速传递，尽量减少数据转换时间;另一方面要求信息以较少的减损量转递到目的链路。端到端时延是影响消息转发实时性的重要因素;传输信道上的信噪比决定着到达对端的消息信号能否被检波解码，是衡量链路质量的另一个重要指标;消息格式转换时信息转换传递的效率直接影响信息转发共享的质量。

因此，建立时延、信噪比和信息转递效率的链路质量评价准则来衡量链路的转发性能，评价准则函数如下：

其中Di表示第i条链路端到端的时延，SNRi表示第i条链路端到端的信噪比，ICEi表示消息经由第i条链路转换发送时的信息转递效率，？琢、？茁和？酌为权系数，其和为1。时延包括传输时延Dt和传播时延Dp，即：

Dti是数据在当前数据链节点中的排队时间，Dpi是数据在节点间传播的时间，计算公式如下：

其中LEN为数据包长度，Si为发射速率。

其中D为节点间距离，C为光速。信噪比SNRi计算公式如下[11]：

其中Pr表示接收功率，Pamb表示環境噪声功率，Pte表示热噪声功率。信息转递效率ICEi计算公式如下：

其中N表示源消息中含有的信息项总数，no表示该消息向目的格式消息转换时无信息损失的项数，nl表示转换时有信息损失的项数，当消息在本链路终端之间传递时，信息转递效率为1。

时延和信噪比经计算后可以通过网络层上的路由请求和应答过程上传，然后计算链路质量Q，Q值越大，表示该链路的传输质量越高，消息通过该链路来转发，可以保证转发的实时性和可达性最高。

6  实验和结论

基于数据链协议网关（DLPG）的功能结构模型，用C++语言开发了DLPG的原型，其中的NPDE由XML描述的配置文件来定义，用XMLSpy工具进行编辑和执行规范性合法性检验，用成熟开源的XML处理引擎TinyXML对其进行解析。实验测试了Link16中态势类消息和VMF协议中相应消息之间的转换，将目的链路上所得的战术信息同源信息对比发现，一些信息被无损传递，但一些信息产生了损失，原因是这些信息所表征的物理量是经采样量化编码后写入格式化消息中的，而不同消息协议中定义的物理量的采样间隔不同，因此带来了转换后数值精度的降低或偏差;或者是数据元素的定义域不同，交集部分的值可以转递，补集部分的值做特殊映射，造成了信息丢失;还有一些源信息无法在目的消息中找到承载项，自然无法被目的链路传递，但这部分信息都被原样存储到了中性公用数据体中，以备某种方式取用。消息协议的不同造成格式转换过程产生信息减损无法避免，但按本文的转换协议保证了消息转换时信息的减损最小。

实验表明，采用中性公用数据体的消息格式转换设计，使得DLPG对新链路的持续集成和其功能扩展变得容易，降低了系统升级和改造的工作量。随着DLPG持续接入更多的链路，中性公用数据体不断扩充和完善，所含战术信息不断丰富，这为战术信息“按需获取”、“关联式调用”等深层次综合运用奠定了基础。链路选择实验中，当VMF的链路信噪比设置较低时，DLPG自动选择Link16将目标信息转发到目的地址，表明使用时延、信噪比和信息转递效率的链路质量评价方法作为转发选链规则是有效的。

本文的DLPG没有研究与转发队列的输入或输出竞争相关的问题，链路选择规则缺少对链路负载因素的考虑，下一步将加以研究。

参考文献：

[1]孙义明，杨丽萍.信息化战争中的战术数据链[M].北京：邮电大学出版社，2005.

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[4]Rockwell Collins. Tactical Targeting Network Technology and Connectivity [EB/OL].（2009-11-15）[2010-11-05].http：//www.sldinfo.com/wp_content/uploads/2009/11/TTNTWhitePaper1.pdf.

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[10]李富强，许锐.国外多种数据链综合应用研究[J].现代电子技术，2010，16：94-100.

[11]陈敏.OPNET网络仿真[M].北京：清华大学出版社，2004：205-212.

作者简介：马骁（1990-），男，陕西汉中人，助理工程师，主要研究方向为数据链信息处理。