余锦超

摘 要：详细讨论VDES应用终端访问E航海服务的通信交互过程，并提出IALA G1139导则的VDES报文增加独立Service ID以支持E航海服务寻址访问模式。

关键词：E航海 VDES 寻址

在E航海时代中，丰富海事服务和互联网应用构建在IP网络中。当船端具备互联网接入能力，那将可顺利获得所需应用服务。考虑到移动基站运行在4G/5G的高通信频率，覆盖范围比较有限，实际上在海上可靠的互联网通信只有卫星通信手段。

VDES的出现为海上互联互通提供一种新的可能性，VDES在实验室中的传输速率达到了384bps/s，理论上可满足船端的E航海和互联网应用。由于应用服务主要部署在IP网络中，而VDES运行在VHF网络之中，因此船端是不能直接使用VDES访问到在IP网络中的服务。在VDES中船端使用MMSI进行标识，在互联网中目的服务地址使用域名或者IP地址进行标识，要实现船端和服务端的双向通信，需要VDES服务网关桥接IP网络和VDES网络进行数据转换。VDES服务网关需要根据船端请求的服务目的地址进行路由指向，所以需要在VDES报文中指明服务目的地的信息。

1.VDES寻址通信报文需要服务标识

船端VDES请求服务的报文，首先需要进入岸基系统进行处理。根据VDES“点到点”的通信机制，VDES报文应该首先发往附近的VDES基站，实现VDES数据的“上岸”。VDES通过VDE公告板信息或者ASM区域广播信息，告知附近船舶该基站的MMSI。在IALA G1139的导则中，VDE和ASM的报文设置了目的MMSI字段，该字段需要用于指向附近基站MMSI，所以该字段是不能用于承载服务目的地址。

当VDES数据进入岸基系统后，服务请求需要进一步送往目的服务端。服务端可能是在E航海数据中心，也可能在互联网中。因此在船端和服务端交互的VDES数据，需要设计一个参数用于标识服务，称之为Service ID。通过追踪Service ID服务标识 ，VDES服务网关可以实现IP网络和VDES网络之间的数据路由转换。

2.VDES寻址通信报文中增加服务标识

由于目前IALA G1139导则中并无Service ID字段，下文将围绕Service ID具体设计进行讨论。

2.1非独立字段可变长Service ID

不设置獨立Service ID字段，且不固定Service ID长度，Service ID只能放在VDES报文的Payload中，Payload的数据空间可以最大程度地利用。由于VDES服务网关事前不知道Service ID实际长度，为了获取Service ID，Payload需要采用结构化语言，并将Service ID和有效数据独立标记，虽不可对Payload数据进行整体加密，但可支持对标记里包含的数据进行加密，如表1所示。

2.2非独立字段固定长度Service ID

Service ID放在VDES报文的Payload中，但是事先定义Service ID在Payload的有效长度，当Service ID长度不足固定长度时，使用特殊字符进行填充，VDES服务网关不需要解释整个Payload，只需截取固定长度的Service ID部分就可以获取路由信息，因此可以对除去固定长度Service ID以外的Payload数据部分进行加密，如表2所示。

2.3独立字段可变长（或固定长度）Service ID

该方案是在IALA G1139导则中关于VDE和ASM的寻址报文中，增设独立的Service ID字段。VDES服务网关可以独立解释Service ID获得服务目的地址，而无需解释Payload的具体内容，因此payload可以对数据进行加密，如表3所示。

2.4三种服务标识方案的讨论

非独立字段服务标识方案：该模式不改动现有的VDES报文结构，将服务标识和有效数据共同放在Payload中，通过结构化数据或预定义数据结构来界定Service ID。VDES服务网关需要对Payload中服务标识进行提取，并将剩余的Payload数据进行重新封装和路由。

独立字段的服务标识方案：该模式是最接近当前主流路由交换模式的VDES通信应用解决方案，通过VDES服务网关可以优雅地解决VDES网络和IP网络的双向交互问题。该方案需要较小程度地修改IALA G1139的VDES报文结构，对于VDES的终端设备只涉及到点到点通信报文解码程序的小修改，并不影响设备硬件的修造，而且目前国际上VDES终端仍未量产，因此修改VDES报文方案是可以接受的。

3.服务标识在VDES服务网关起到的作用

可选用MRN、虚拟MMSI、域名、IP：Port等作为候选服务标识Service ID，但实际最终请求和服务响应均为TCP/IP数据。若Service ID以MRN、虚拟MMSI、域名等方式取值，本质上均需转换为IP：Port进行处理，且VDES服务网关需要增加对应参数与IP：Port的映射关系，因此下文以IP：Port作为Service ID，说明Service ID在VDES服务网关中所起作用，在图2中显示以Service ID为服务标识串联起各个通信主体。

3.1船端主动发起的通信请求

在有人驾驶的传统船舶中，船岸通信主要源于船端发起的服务请求，服务端响应船端的请求，并反馈响应数据。由于请求总会自我标识源地址，服务端由此可知请求端地址，服务端向船端反馈响应数据的过程如下文所述和图1所示。

第一步、船端发出Service ID字段值为IP_Service：Prot的VDES报文，该报文进入VDES岸基系统，Service ID数值不为空则将报文交给VDES服务网关处理。

第二步、V DES服务网关提取Service ID和Payload的有效数据负荷，根据有关参数将原数据封装为服务请求TCP/IP数据包，其中服务请求TCP/IP报文的IP和TCP报头参数来源如表4。

第三步、为了实现数据双向互联通信，VDES服务网关需要创建如下映射表， MMSI_Ship——IP_VSG：Port_ VSG——IP_Service：Port_Service，用于追溯服务请求和服务响应的数据反馈结果。

第四步、经过上述数据转换和重新封装，VDES服务网关代理VDES船端将向目的服务端发起服务请求。

第五步、服务端响应请求产生TCP/IP的数据包，服务端将向直接服务请求端，也就是VDES服务网关返回响应数据。其中服务响应TCP/IP报文的IP和TCP报头参数来源如表5。

第六步、VDES服务网关获得服务端响应的TCP/IP报文，并从中提取目的地址即是本VDES服务网关地址和端口IP_VSG：Port_VSG，源地址即是服务端的IP_Service：Port_ Service。根据之前建立的MMSI_ Ship——IP_VSG：Port_VSG——IP_ Service：Port_Service映射表，可以唯一确定服务原请求端的地址MMSI_ Ship，也就是船端MMSI。由于每次VDES请求通过临时分配的Port_VSG进行了区分，因此可以VDES服务网关可以支持同一个VDES船端向不同的服务端同时发起多个请求。

第七步、VDES服务网关可以根据服务响应返回的目的船舶MMSI_ Ship，向VDES岸基系统发出控制指令，并将IP_Service：Port_Service作为VDES报文的的Service ID字段值，发送给服务请求的船舶VDES终端。VDES船端可以根据Service ID，按照谁请求返回给谁的策略，将服务反馈数据交给船端對应的应用终端。因此，VDES船端可以支持多个船载应用终端同时向不同服务发出请求，并且每个船载应用终端均能准确地接收到所请求服务的响应回复。

3.2服务端主动发起的通信请求

在无人船时代，服务端将会频繁向船端发起主动通信，例如：动力控制、调度指挥，业务信息，船载设备状态监控、导航信息服务等。服务端向船端发起通信时，需要在任何时刻均可便捷高效地与船端建立通信。由于VDES网络中船端使用MMSI来标识，因此服务端需要向船端MMIS地址发送信息来建立通信。IP网络中的服务端不能直接向船端发送VDES报文，这时需要VDES服务网关进行代理。服务端发出的TCP/IP报文使用服务端IP地址和服务端口作为源地址IP_ Service和源端口Port_Service，并使用船端MMSI作为目的地址（需要规则进行转换TCP/IP模式）。VDES服务网关从TCP/IP报文中提取IP_Service和Port_Service信息作为 Service ID，提取目的地址转换为标准的船端MMSI地址，并以参数此生成VDES报文发送至船端。由于VDES报文中包含了Service ID，船端可以较方便地的识别Service ID属于什么业务，可由此判断从服务端发来的数据应该由哪一种船端应用进行处理。该过程基本与服务端响应船端请求部分的返回过程类似，同见图1中服务端向船端返回数据的部分内容。

通过以上的分析，在VDES寻址报文中增加服务标识可以有效地解决船端VDES与服务端双向通信的问题。

4.小结

本文作为IALA ENAV23 次会议提案（ENAV23-3.1.17 Addition of IPPort to VDES Messages To support VDES service gateway addressing mode application （G1139）），ENAV委员会的数字通信工作组WG3和数字信息系统工作组WG1联合对本提案进行了审议，普遍认为E航海应用服务访问确实需要解决信息路由的存在的问题，而本提案是一个良好的开端。

IALA倡议的E航海的MCP海上互联互通架构，由MSR、MIR、MMS三个核心部分组成，其中MSR负责注册、管理和发现E航海服务，MMS负责响应用户服务请求和路由用户数据。VDES服务网关是MMS底层桥接异构网络具体实现形式，实现MSR中服务注册标识MRN与服务路由交换标识Service ID的转换。通过服务标识Service ID的设计，IALA G1139导则设计的VDES通信体系可以较好地融入到E航海MCP整体架构中。