基于TCP/IP组网技术的卫星应急通信网管控系统设计

2022-07-08王兴伟

通信电源技术 2022年4期

王兴伟

（新疆库尔勒市塔里木油田公司信息与通信技术中心，新疆库尔勒 841000）

0 引言

近年来，全球性突发事件和自然灾害问题频发。在对各类应急事件进行处置时，若能够采用有效的应急手段，并通过通信实现对事件发生具体情况的汇报和指挥，就能将事件造成的危害降到最低。当前，我国网络使用人数较多，在应对各类突发事件时，通信网络会受到更大的冲击与挑战[1]。为了解决这一问题，相关领域研究人员对通信保障进行了深入研究，并实现了有线与无线的结合、基础电信网络与机动通信的结合，形成了相对完善的卫星应急通信网络[2]。当前，应急通信网络主要划分为公众应急通信网络和专用应急通信网络。根据不同的类型，其对应的网络种类也不相同。当地面上的通信设备遭到破坏时，常常会造成通信孤岛现象，而卫星通信则成为了少数具备高可靠性的通信方式，其使用频率相对较高[3]。在实际应用中，卫星应急通信具备可远距离通信、费用与通信距离无关、覆盖面积广等优势[4]。随着网络规模的进一步扩大，卫星传输的设备类型在逐渐增多，相应的数量也逐渐增加，针对卫星应急通信网络的管控难度也进一步提升。由于以往管控模式已经无法满足当前对网络结构管控的需要，因此尝试引入传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol / Internet Protocol，TCP/IP）组网技术开展卫星应急通信网络管控系统设计。

1 TCP/IP组网技术研究

TCP/IP组网是指包含传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）和网间互连协议（Internet Protocol，IP）的组网结构，图1为TCP/IP组网技术模型基本结构。

图1 TCP/IP组网技术模型基本结构

TCP/IP模型中包含了网络层、传输层以及应用层，同时在应用层又涵盖了开放式系统互联（Open System Interconnection，OSI）参考模型中的应用层、表示层以及会话层。在TCP协议栈中，除了包含必须具备的TCP协议层和IP协议层外，还包含了其他普通的应用规范层，并且其中部分应用能够实现在网络设备上的通信传输，如路由器与交换机之间的通信传输。在TCP/IP中，传输层的主要功能是通过滑动窗口实现对流量的实时控制[5]。同时，在通信的过程中应用TCP/IP能够进一步提高通信的可靠性。在应用TCP/IP组网技术时，TCP连接实质是一个实现通信数据同步传输的过程，通过点对点的平衡式通信，通信过程中无论是接收方还是发送方都能够实现对通信链路的连接或中断[6]。在网络当中，一个数据分组从某一位置向另一位置传输数据时需要选择一条传送路径，而这一过程需要在TCP/IP的网络层中完成。在路由表中，并不是每一个具体的目标IP地址都明确指明一条通信路径，只有目标IP地址所在的网络能够指明，以此能够将路由大小控制在可控范围内。在对路由表进行查找时，目标主机的网络IP地址即为其查找的重要依据。

根据不同应用功能，TCP/IP组网在应用中可分为局域网组网和广域网组网。其中，局域网组网是指在一个范围相对较小的区域内完成网络结构搭建，通常在园区和企业中应用。广域网组网通常应用在更大范围中[7]。从两种组网形式的层次结构上看，两者的区别在于OSI参考模型的物理层和链路层。在组建局域网时，通常可应用蓝牙技术、红外线技术以及扩展频谱技术等实现。在无线局域网组网结构中，包含无线网卡、无线接入点等接口[8]。在组网的过程中，应用虚拟专用网络能够实现网络快速构建，并缩短部署周期，但存在带宽不可控和网管不可控等问题。

2 卫星应急通信网管控系统设计

2.1 整体结构

卫星应急通信网管控系统整体结构如图2所示。

图2 基于TCP/IP组网技术的管控系统整体结构

该管控系统共分为3层，可以实现多个客户端的同时操作[9]。在服务器与客户端之间引入TCP/IP协议，服务器采用串口通信的方式实现与卫星通信设备的匹配。在管控系统的客户端中，主要为用户提供可以人机交互的图形操作界面，通过日常监控、管理以及配置实现对卫星应急通信网的管控。同时，在客户端当中还增加了监控、配置、安全以及故障这4个方面的管理模块[10]。管控系统的服务器端主要对用户在客户端上执行的各项操作、配置等进行传输，将其传至各个具体的通信设备上，并将设备接收指令后产生的反馈信息传输回客户端，呈现给用户。同时，在这一模块中还需要完成对通信网在运行中各类重要参数、告警参数的轮询，并实现对通信接口的直接管理[11]。卫星子模块主要包含管控系统中原有的应急通信网架构，属于被系统管控的对象。在实际应用中需要对卫星子模块通信接口进行添加或定义，在完成对管控系统网络的接入后实现管理和控制。

2.2 硬件设计

在完成管控系统整体结构的设计后，针对其硬件部分进行详细说明。管控系统的硬件包含数据库服务器、图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）、以太网交换机等。其中数据库服务器选用2488H V5-687型2U4路机架服务器，硬盘容量为1000 GB，接口为SATA类型，集成BMC管理模块，支持远程管理等，能够为管控系统中TCP/IP组网技术的应用提供便利条件。GUI用于实现对管控情况的可视化展现，进一步提高管控系统的人机交互能力。除此之外，管控系统中还包含串口服务器设备，采用CDM-5944系列调制解调器和AWM-2500系列的125 W功放。设备通信采用串口通信方式，通过串口服务器与交换机的连接实现。调制解调器通过RS485接口与串口通信服务器进行连接。此外，管控系统中交换机的应用主要实现对系统内部各硬件设备的交互连接。选用S5024PV5-EI-HPWR型号交换机，包含28个端口，可实现更多通信设备与辅助设备的连接。

3 实验结果验证

为了验证该系统在实际应用中的可行性，将其应用到某卫星应急通信网络中，对其进行合理管控。为了确保应用结果具有可对比性，将基于TCP/IP组网技术的管控系统作为实验组，以基于纵向融合框架（Vertical Converged Framework，VCF）技术的管控系统作为对照组，确保两种系统在相同的运行环境当中运行。为了确保实验的客观性，两种管控系统均在Proliant DL380G6数据库服务器、Ws-c3560-24TS以太网交换机构成的环境中完成测试。其中Proliant DL380G6数据库服务器的内存为4 GB，Ws-c3560-24TS以太网交换机支持虚拟局域网（Virtual Local Area Network，VLAN）划分。为了验证两种管控系统的应用效果，选择通信网络的卫星通信传输与地面通信传输的自动切换管控作为评价内容。

在实验过程中，首先控制通信设备进行地面传输，在传输一段时间后人为中断，此时分析两种管控系统能否通过有效的管理和控制实现从地面传输到卫星传输的转换，并在这一过程中记录两种管控系统应用下地面传输到卫星传输过程消耗的时间以及切换时是否存在通信数据丢失的问题，实验结果如表1所示。

表1 实验组与对照组实验结果记录

根据表1，实验组管控系统在进行地面传输到卫星传输的切换时，切换时间均在12～30 ms，而对照组切换时间均超过了150 ms，表明实验组在管控系统控制下能够实现更快速的通信传输切换。再对两组通信网切换中数据丢失量进行对比，表明实验组在管控系统5次切换中并没有出现数据丢失问题，而对照组管控系统在5次切换中均出现了数据丢失问题，并且数据丢失量均超过了100 bit，已经对通信内容造成了一定影响。综合上述实验结果，基于TCP/IP组网技术的管控系统在实际应用中能够实现对卫星应急通信网的有效控制，确保在进行卫星传输和地面传输切换时不会影响到通信传输质量，促进卫星应急通信网通信服务水平的进一步提升。