蔡全旺，黃治華（中國船舶重工集團公司 第七二二研究所，湖北　武漢 430079）

海上戰(zhàn)術通信網絡服務架構研究

蔡全旺，黃治華
（中國船舶重工集團公司 第七二二研究所，湖北武漢 430079）

通信網絡服務化已成為傳統(tǒng)通信向信息網絡演進的重要規(guī)范和基本途徑。本文針對海上戰(zhàn)術通信網絡服務化問題，分析海上戰(zhàn)術通信網絡的網絡特點及服務需求，提出一種海上戰(zhàn)術通信網絡的功能結構和服務架構，并對其關鍵技術進行初步研究。

戰(zhàn)術通信；SOA；統(tǒng)一通信；QoS

0　引　言

隨著面向服務、云計算［1］、大數據［2］等信息技術在軍事領域的逐步應用，軍事信息系統(tǒng)正在由網絡中心向數據中心、信息中心轉變。美國國防部早在 2011 年9 月發(fā)布的《信息技術企業(yè)戰(zhàn)略與路線圖》中就明確提出構建聯(lián)合信息環(huán)境（Joint Information Environment，JIE）［3］，以實現(xiàn)各層次、各領域的信息系統(tǒng)、網絡和服務等資源的全面整合，為美軍在全球范圍內的軍事行動提供無縫、可互操作的信息服務。JIE 將逐步替代全球信息柵格（Global Inforamtion Grid，GIG），其各類資源和能力以服務的方式進行呈現(xiàn)和提供，各類用戶的能力來源于 JIE 的通信、計算和存儲、業(yè)務應用、應用和數據等各類服務［4］，其中，通信服務主要是提供一個穩(wěn)定的、動態(tài)的、邏輯的通信基礎設施，用于將所有需要的信息和服務傳輸給所有授權的用戶。

由于海上作戰(zhàn)任務越來越多樣化、傳輸需求越來越差異化、業(yè)務類型越來越綜合化，海上戰(zhàn)術通信網絡如何支撐各類用戶和上層服務，實現(xiàn)“網絡即服務”，成為構建海上聯(lián)合信息環(huán)境的關鍵。本文針對海上戰(zhàn)術通信網絡服務化問題，分析海上戰(zhàn)術通信網絡的網絡特點和服務需求，提出一種海上戰(zhàn)術通信網絡的功能結構和服務架構，并對服務化的關鍵技術進行初步研究。

1　網絡特點

海上戰(zhàn)術通信網絡以各類艦艇、飛機為通信節(jié)點，通過綜合運用衛(wèi)星、短波、超短波、數據鏈等多種無線通信手段，組成具有移動和自組織特點的海上網絡，用于保障作戰(zhàn)平臺履行聯(lián)合作戰(zhàn)及非戰(zhàn)爭軍事任務時指揮控制、情報態(tài)勢、戰(zhàn)勤保障等信息的高效傳輸。海上戰(zhàn)術通信網絡典型拓撲結構如圖 1 所示。

按照信息精度和信息實時性等要求的不同，傳統(tǒng)海上戰(zhàn)術通信網絡可分為武器控制、兵力控制和計劃協(xié)調 3 類層次［5］。其中，武器控制類網絡主要傳輸精確傳感器數據、武器控制等信息，節(jié)點數量較少，信息精度高，傳輸時延為亞秒級，業(yè)務類型為數據；兵力控制類網絡主要傳輸情報態(tài)勢、目標航跡和指揮命令等信息，節(jié)點數量較多，信息精度中等，傳輸時延為秒級，業(yè)務類型主要為數據；計劃協(xié)調類網絡主要傳輸作戰(zhàn)方案、兵力協(xié)調、行政管理和后勤支援保障等信息，節(jié)點數量大，信息精度較低，傳輸時延為分鐘級，業(yè)務類型包括數據、話音、視頻和圖形等。

圖 1　海上戰(zhàn)術通信網絡拓撲結構示意圖Fig. 1　Topology structure of maritime tactical communication network

一般海上戰(zhàn)術通信網絡主要由各類無線通信手段組成，具有通信手段差異大、網絡拓撲變化復雜、傳輸帶寬有限、容量可變、鏈路質量穩(wěn)定性差等特點。

1）通信手段差異大

由于傳播方式、信道特性、使用條件各不相同，各無線通信手段在覆蓋范圍、傳輸性能、承載能力等方面存在較大差異。例如，衛(wèi)星通信依托天基中繼，覆蓋范圍廣、傳輸速率高，可承擔大容量業(yè)務信息的傳輸；短波通信主要通過海面波傳輸，可提供超視距的基本連通性保障；而超短波通信只能視距傳播，可承載中高流量信息的傳輸。

2）網絡拓撲變化復雜

海上作戰(zhàn)平臺具有高度機動性和能力綜合性的特征，各作戰(zhàn)平臺可根據任務類別、編組隊形、協(xié)同動作等需要隨時加入或退出網絡。此外，由于無線傳播條件隨時間和空間不斷變化，作戰(zhàn)平臺也將隨著無線傳播條件的變化動態(tài)加入或退出網絡，這都使得海上戰(zhàn)術通信網絡的拓撲變化非常復雜。

3）傳輸帶寬有限、容量可變

不同頻段無線鏈路傳輸帶寬不一，且受信道固有容量限制，傳輸帶寬相對有線傳輸非常有限。同時，考慮到無線信道的信號衰減、噪聲干擾、組網協(xié)議開銷等因素，海上戰(zhàn)術通信網絡實際的吞吐量可變，且遠遠低于它的最大傳輸速率。

4）鏈路質量穩(wěn)定性差

無線信道一般處于開放空間，除了自然環(huán)境影響外，還容易受到平臺機動過程中的路徑遮擋、平臺內及平臺間電磁干擾甚至敵對干擾等影響，造成信號誤碼、時延、抖動和信號中斷，鏈路質量穩(wěn)定性較差，非有線信道可以比擬。

2　服務需求

盡管可通過采取無線寬帶傳輸、自適應組網、異構網絡互連、自動路由控制等技術措施不斷提高無線網絡的傳輸能力，實現(xiàn)通信網絡向靈活的、開放的 IP統(tǒng)一承載過渡，但是隨著作戰(zhàn)使用需求的日益增長以及綜合電子信息系統(tǒng)的技術發(fā)展，海上戰(zhàn)術通信網絡服務化技術尤其是服務質量保障能力仍然面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。

1）作戰(zhàn)樣式對通信網絡的服務需求

海上編隊以多平臺機動、協(xié)同作戰(zhàn)為主要作戰(zhàn)樣式，隨著作戰(zhàn)任務不同、作戰(zhàn)階段轉換，對通信網絡的服務需求有著較大的差異。例如，一般巡航編隊對通信網絡的需求是以計劃協(xié)調類網絡為主、兵力控制類網絡為輔；編隊履行反艦作戰(zhàn)任務時，則需要同時開通計劃協(xié)調類網絡和兵力控制類網絡；而執(zhí)行防空作戰(zhàn)的編隊，除了同時開通計劃協(xié)調類、兵力控制類網絡外，還需要快速組織武器控制類網絡如編隊多平臺協(xié)同防空網絡，以最大化發(fā)揮不同平臺不同傳感器及打擊武器效能，贏得作戰(zhàn)優(yōu)勢。由于戰(zhàn)場態(tài)勢瞬息萬變，各類網絡的開通和各種信息的分發(fā)必須滿足及時、準確和不間斷的基本要求。

2）業(yè)務特性對通信網絡的服務需求

作戰(zhàn)使用中的業(yè)務類型一般包括數據、話音和視頻等，不同的業(yè)務類型對通信網絡的傳輸帶寬、時延及抖動、丟包率、誤碼率等方面的需求不同。例如，視頻業(yè)務對傳輸帶寬和時延抖動要求較高，話音業(yè)務對丟包率、誤碼率要求較高。即使是同一類業(yè)務，業(yè)務的服務需求也可能存在差異，如同屬數據業(yè)務，目標位置、航向、航速等信息對時效性要求較高，但允許一定的丟包；而兵力協(xié)調信息對可靠性要求較高，但允許一定的時延。海上戰(zhàn)術環(huán)境下綜合的業(yè)務特性與有限的承載能力矛盾突出，通信網絡應采用業(yè)務控制和傳輸控制機制，合理調度資源，以提供差異化、按需的服務質量保障。

3）信息體系發(fā)展對通信網絡的服務需求

隨著面向服務、云計算等信息技術在軍事領域的應用，軍事信息系統(tǒng)將逐步采用云計算的體系架構和面向服務的技術體制，以滿足業(yè)務及服務動態(tài)擴展、彈性部署的要求，提供高可靠性的按需服務。在云計算體系架構中，從底層的信息基礎設施到上層的業(yè)務應用，服務可分為基礎設施即服務 Iaas、平臺即服務Paas 和軟件即服務 Saas 三種形式。無論是 JIE 中的通信服務還是美海軍統(tǒng)一漂浮網絡和企業(yè)服務（Consolidated Afloat Network and Enterprise Service，CANES）［6］的公共計算環(huán)境（Common Computing Environment，CCE）組件，其功能都相當于 Iaas。通信網絡作為信息基礎設施的重要組成部分，必將由傳統(tǒng)的分離、煙囪式網絡向一張網演進，其所采用的服務架構必須與此演進相適應，通過實現(xiàn)網絡即服務，為上層應用提供面向服務、無縫交聯(lián)和安全可靠的信息傳輸環(huán)境。

3　服務體系

3.1功能結構

圖 2　海上戰(zhàn)術通信網絡功能結構Fig. 2　Function structure of maritime tactical communication network

其中，通信網絡按照功能可劃分為通信傳輸層、網絡交換層和通信服務層。其中，通信傳輸層主要包括短波、超短波、衛(wèi)星、數據鏈等通信手段，對上為網絡交換層提供可靠、保密的數據傳輸信道；網絡交換層采用 IP 統(tǒng)一承載、路由交換、傳輸 Qos 保障等技術，對上屏蔽通信傳輸層的差異性，對下實現(xiàn)對多種手段、異構網絡的綜合運用和融合；通信服務層定位于網絡交換層與通信應用層（包含面向作戰(zhàn)應用的各類應用系統(tǒng)和面向用戶的各類用戶界面）之間，基于網絡交換層提供的 IP 統(tǒng)一承載、路由交換控制能力，采用業(yè)務控制和傳輸控制技術，為各類通信應用提供通信服務。

3.2服務架構

根據通信網絡的功能結構，其相應的服務架構如圖 3 所示。其中通信服務層是綜合的核心控制平臺和開放的應用支撐平臺，可提供通信基礎服務、信息傳輸服務和統(tǒng)一通信服務。

圖 3　通信網絡服務架構Fig. 3　Service architecture of communication network

1）通信基礎服務

通信基礎服務主要面向通信網絡，實現(xiàn)通信態(tài)勢、資源計算與調度、通信目錄服務等功能，對上提供標準化、可重用的網絡基礎服務能力。其中，通信態(tài)勢功能主要通過采集網絡拓撲、安全防護、業(yè)務流量和頻率使用等信息，融合形成集網絡態(tài)勢、安全態(tài)勢、業(yè)務態(tài)勢和電磁頻譜態(tài)勢于一體的通信態(tài)勢；資源計算與調度功能主要實現(xiàn)傳輸資源的虛擬化，將不同鏈路的傳輸能力封裝成不同帶寬、不同時延和誤碼率的傳輸資源，支持資源的統(tǒng)一分配、動態(tài)組合和數據的轉發(fā)控制，以適應各類業(yè)務的傳輸需求；目錄服務功能主要實現(xiàn)用戶信息管理、域名管理和目錄資源管理。

通信基礎服務對上通過資源訪問接口，為應用系統(tǒng)、信息傳輸服務和統(tǒng)一通信服務提供對網絡的統(tǒng)一訪問能力，對下通過數據傳輸接口、網絡控制接口實現(xiàn)業(yè)務數據的傳輸以及對網絡資源的調度和轉發(fā)控制。

燃燒爐內生成的有機硫是硫磺回收裝置有機硫的主要來源，而常用控制方案是將其在一級克勞斯反應器內最大限度地水解生成H 2 S，殘余有機硫在尾氣處理單元加氫水解反應器中進行轉化。在硫磺回收單元各級反應器中，通常一級反應器床層溫度為280～360℃，后續(xù)各級反應器床層溫度略低于此值，而現(xiàn)有工業(yè)催化劑性能存在局限性，在較低的反應溫度下對有機硫的水解催化性能均較差。尾氣處理單元加氫水解反應器床層溫度往往在240～330℃，可實現(xiàn)一定的末級催化加氫水解作用，現(xiàn)有主流尾氣處理工藝對加氫反應器后的殘余有機硫幾乎不再進行更深度的轉化，將直接被帶入灼燒爐燃燒轉化為SO2后，通過煙囪排入大氣。

2）信息傳輸服務

信息傳輸服務主要面向應用系統(tǒng)，實現(xiàn)信息感知和傳輸優(yōu)化等功能，為不同類型、不同優(yōu)先級的應用提供不同等級的端到端傳輸服務，提升網絡資源的傳輸效率和利用率。其中，信息感知功能主要指通過分析協(xié)議報頭識別協(xié)議類型、業(yè)務類型，并通過分析報頭的服務類型（Type Of Service，TOS）字段，感知業(yè)務的優(yōu)先級信息和用戶屬性信息。傳輸優(yōu)化功能主要指根據各類業(yè)務屬性與傳輸需求，采用不同的控制機制，實現(xiàn)業(yè)務的傳輸優(yōu)化。例如，情報態(tài)勢信息的特點是對時效性要求較高，但由于周期性更新的原因允許一定程度的丟包，因此，對于情報態(tài)勢信息的傳輸可采用在應用系統(tǒng)和數據鏈間搭建虛擬通道的方式實現(xiàn)，減少傳輸中間環(huán)節(jié)，以保證傳輸的時效性；作戰(zhàn)方案信息的特點是對可靠性要求較高，且所需帶寬較大，但允許一定的時效延遲，因此，對于作戰(zhàn)方案信息的傳輸可采用多路并發(fā)傳輸、斷點續(xù)傳和應答確認等機制，以保證傳輸的可靠性。

信息傳輸服務對上通過信息傳輸接口為應用系統(tǒng)、統(tǒng)一通信服務提供差異化、按需的數據傳輸服務，對下通過資源訪問接口調用通信基礎服務。

3）統(tǒng)一通信服務

統(tǒng)一通信服務主要面向用戶（人），實現(xiàn)話音、視頻、消息、會議和用戶狀態(tài)呈現(xiàn)等功能，為用戶提供豐富的融合通信能力，提升用戶體驗。其中，話音、視頻功能主要指話音、視頻業(yè)務的會話控制、媒體資源管理功能，為用戶提供語音和視頻體驗；消息服務主要指電子郵件、即時消息、傳真等業(yè)務的處理功能，提供用戶消息離線存儲和用戶在線推送功能；會議功能主要指會議的呼叫控制、媒體協(xié)商和會議管理功能，提供文件共享、應用共享、白板等業(yè)務，支撐遠程信息共享和作戰(zhàn)研討；用戶狀態(tài)呈現(xiàn)功能主要指用戶狀態(tài)通告、用戶狀態(tài)訂閱以及用戶狀態(tài)推送功能，提供用戶狀態(tài)、位置等信息的訪問。

統(tǒng)一通信服務對上通過用戶接口為用戶提供統(tǒng)一的訪問服務，對下通過資源訪問接口調用通信基礎服務，通過信息傳輸接口調用信息傳輸服務。

4　關鍵技術

4.1統(tǒng)一通信服務關鍵技術

統(tǒng)一通信服務，也可稱融合通信服務［7］，其主要目標是通過對傳統(tǒng)電信業(yè)務與 IT 信息應用的整合，充分發(fā)揮電信網與互聯(lián)網融合的優(yōu)勢，在安全和高可用性的 IP 基礎上為作戰(zhàn)人員或要素提供融合語音、視頻和數據等應用的泛在通信服務，以提高作戰(zhàn)效能。統(tǒng)一通信服務的關鍵技術主要包括業(yè)務交付平臺技術、ESB 服務總線技術和服務組合技術等。

1）業(yè)務交付平臺技術

業(yè)務交付平臺技術通過軟件基礎設施平臺來快速開發(fā)并交付話音、視頻、數據和移動內容提交等新型服務，并以SOA架構將新服務與現(xiàn)有服務系統(tǒng)整合，實現(xiàn)向開放標準架構的轉移。業(yè)務交付平臺技術能夠很好地支持不同系統(tǒng)之間多媒體業(yè)務的互通和相互滲透，并可引入更多的業(yè)務應用，實現(xiàn)電信業(yè)務和互聯(lián)網業(yè)務的靈活組合、打包、深度集成等，可大大豐富通信系統(tǒng)為用戶提供的電信及多媒體業(yè)務。

2）ESB 服務總線技術

ESB 服務總線技術改變了傳統(tǒng)的軟件架構，可以提供比傳統(tǒng)中間件產品更為廉價的解決方案，同時它還可以消除不同應用之間的技術差異，讓不同的應用服務器協(xié)調運作，實現(xiàn)了不同服務間的通信和整合。通過 ESB 服務總線技術可以將話音、視頻、數據等通信基礎能力以服務的形式開放給終端，從而實現(xiàn)各類業(yè)務的融合，以適應業(yè)務的靈活部署、業(yè)務互通和業(yè)務擴展性的需要。

3）服務組合技術

服務組合技術可以利用較小的、較簡單的、且易于執(zhí)行的輕量級服務來創(chuàng)建功能更為豐富、更易于用戶定制的復雜服務，從而能夠將松散耦合的、分散的各類相關服務有機地組織成一個更為可用的系統(tǒng)，支持系統(tǒng)內、外部的應用集成和網絡應用等。

4.2信息傳輸服務關鍵技術

信息傳輸服務主要實現(xiàn)信息感知和傳輸優(yōu)化功能，其關鍵技術主要包括數據優(yōu)化技術、TCP 優(yōu)化技術［8］和基于服務的 Qos 調度技術等。

1）數據優(yōu)化技術

數據優(yōu)化技術主要實現(xiàn)數據優(yōu)化傳輸功能，通過數據緩存、文件壓縮和數據塊壓縮等方法，從源頭上減少業(yè)務對帶寬的占用，在提升業(yè)務傳輸效率的同時提高通信資源的利用效率。

2）TCP 優(yōu)化技術

TCP 優(yōu)化技術主要對無線信道上的 TCP 業(yè)務進行連接控制、擁塞控制改進和連接復用。通過采用 TCP代理機制，建立 3 段連接的方式，實現(xiàn)在長時延和低速鏈路上的 TCP 業(yè)務傳輸能力。對于不是因擁塞丟包的無線鏈路，采用改進的擁塞控制機制和選擇重傳確認提高數據吞吐量。

3）基于服務的 Qos 調度技術

基于服務的 Qos 調度技術主要實現(xiàn)不同等級業(yè)務的優(yōu)先級排隊、流量整形、擁塞管理，保證業(yè)務的按需傳輸。此外，為保證業(yè)務傳輸的高效性和可靠性，可采用多路徑轉發(fā)技術，實現(xiàn)業(yè)務的并發(fā)傳輸和負載均衡，以提高網絡資源的利用率。

4.3通信基礎服務關鍵技術

通信基礎服務主要實現(xiàn)通信基礎服務封裝以及對網絡控制功能，其關鍵技術主要包括數據分析、融合技術，資源虛擬化與調度技術等。

1）數據分析、融合技術

無論是通信態(tài)勢還是網絡狀態(tài)，都需要采用數據分析、融合技術對來自不同信息源的數據進行處理后才能形成。數據分析、融合技術是指應用計算機對按時序獲取的若干觀測信息，在一定的準則下加以自動分析、綜合，以完成決策和評估任務而進行的信息處理技術。它包括對各種信息源提供的有用信息的采集、傳輸、過濾、相關及合成，以輔助人們進行態(tài)勢/環(huán)境判定、規(guī)劃、探測、驗證及診斷。

2）資源虛擬化與調度技術

海上戰(zhàn)術通信網絡由多種無線通信手段組成，各無線通信手段的傳輸特性各不相同，為滿足不同作戰(zhàn)應用的傳輸需求，需實現(xiàn)傳輸資源的虛擬化，將不同鏈路的傳輸能力封裝成不同帶寬、不同時延和誤碼率的傳輸資源，根據業(yè)務傳輸需求，計算、維護滿足業(yè)務需求的端到端可行路徑，實現(xiàn)對網絡進行有效控制，達成資源的統(tǒng)一分配和動態(tài)組合。

5　結　語

隨著海軍作戰(zhàn)模式由“網絡中心戰(zhàn)”向“數據中心戰(zhàn)”的轉變，作戰(zhàn)應用對通信網絡提出了更高的服務需求。同時，隨著通信網絡技術的發(fā)展，其可支撐的服務質量也有了更大的提高。本文在分析海上戰(zhàn)術通信網絡的網絡特點和服務需求的基礎上，提出了一種海上戰(zhàn)術通信網絡的功能結構和服務架構，并對其關鍵技術進行了初步研究，旨在為我海軍通信網絡的發(fā)展提供一定參考。

［1］田全才，苑征. 基于云計算的綜合電子信息系統(tǒng)［J］. 兵工自動化，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，陳志輝，田永春. 統(tǒng)一通信技術在戰(zhàn)術通信網中的應用研究［J］. 通信技術，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］高靜. 衛(wèi)星網絡中TCP協(xié)議的研究及改進［D］. 西安：西安科技大學，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，研究員，從事艦艇通信和網絡通信總體設計。