机动式信息系统组网通信设计技术探讨

2017-12-25许桂明

网络安全技术与应用 2017年12期

关键词：机动以太网路由器

◆陈泽许桂明

（中国电子科技集团公司第二十八研究所江苏 210007）

机动式信息系统组网通信设计技术探讨

◆陈泽许桂明

（中国电子科技集团公司第二十八研究所江苏 210007）

组网通信是构建信息系统的主要环节，而光通信是组网通信应用的主要手段。本文针对机动式信息系统的组网通信特点，提出了一种基于信道状态和信道优先级的通信集成框架，实现了以载车为节点的通信网络调度接入，该方案开设简单、高稳定性、高抗毁性，有一定的推广意义。

机动式信息系统；车载通信；组网通信

0 引言

机动式信息系统主要指由车辆、舰船、飞机等各种移动环境构成承载平台的信息系统，组网通信是实现机动式信息系统功能运行的基础。组网通信是指将各个孤立的设备进行物理连接、实现人与人、人与计算机、计算机与计算机之间进行信息交换的链路，从而达到资源共享和通信的目的。根据网络数据链路的类型组网通信可分为有线组网通信和无线组网通信、有无线混合组网通信等类。本文主要描述车载机动式信息系统的组网通信。

车载信息系统主要由多辆不同类型的车载平台组成，其组网通信包括系统内部通信和外联通信两部分。内部通信由各车舱平台通过有线/无线路由的连接实现信息系统内部的数据、话音、视频等业务的传输和交换通信；外联通信系统通信节点与外部通信网络之间的互联，由此达成系统与外部其它系统或平台之间的资源共享和通信。

近年来，随着机动式信息系统功能的日益完善，车载平台各车载平台之间的通信业务量也大幅增加，对通信应用的需求及要求越来越高，这大大提高了车载信息系统的开设难度。因此，需要构建功能完善、扩充和接入通信手段能力强的通信解决方案，既解决系统内部、系统与外部之间的通信问题，又能够确保快速开设系统及所开设系统的运行可靠。

1 系统设计特点

从用途上，机动式系统是主要作为固定式系统的备份，机动信息系统的组网通信设计应重点体现机动式系统的机动性、抗毁性、安全可靠性以及环境适应能力等方面。

2 系统网络通信构建

车载机动式信息系统的组网通信包括系统内部、系统与外部互联两部分。系统的主要运行平台为功能载车平台，系统内部通信网络主要指实现系统各功能载车平台之间及载车平台内部各用户之间的通信。

通常载车平台之间的通信构建一个光纤环网为主、辅以有线电缆连接、超短波/微波作为备份手段，根据信道状态和优先级自动切换信道，构建稳定可靠的系统互联通信网络。其中光传输通信是系统的主要组成部分，在光纤组网层面采用环网的组网方式，在网络架构上采用基于VRRP(Virtual Router Redundancy Protocol，虚拟路由器冗余协议）热备协议的双网结构，当单根线路受损、甚至单舱受损时，仍然可以有效地保障其它车舱之间的数据业务的传输，这为大容量数据的稳定传输和交换奠定了基础［1］。

组建光环网主要有安全性高、速度快、维护方便、易于扩展等优点。其中最显著的特点在于改进传统光端机对业务数据传输过程中的保护方式。本系统对以太网数据业务和视频业务在传送通道上的保护方式主要是利用SDH环网保护和RPR环网保护双重保护机制，一是对语音和低速数据的业务级保护。对语音、低速数据等窄带业务的保护分为设备级、网络级和业务级三个层次。二是对以太网数据业务和视频的业务级保护。对以太网数据（如无线、广播、电源网管、信号、AFC、PIS、CNIS等）和视频（CCTV、ISCS等）等宽带业务进行了最完备的保护考虑和设计。

构建的机动式信息系统应充分考虑通信手段的备份，一是考虑通信指挥网络的备份，以无线网络作为专用的有线网络的备份，二是应有不同有线通信手段之间的备份以及不同无线通信手段之间的备份，有线通信通常包括光缆、被覆线等电缆，无线通信包括卫星“动中通”、短波、超短波、无线自组网等，三是充分设计好控制措施和接入方式之间的备份。其典型组成结构如图1：

图1 机动信息系统典型组成结构

2.1 有线组网通信系统实现

有线组网通信系统由SDH光传输设备、以太网交换机、PCM设备及路由器组成，如图2所示，SDH光传输设备通过车载平台车载平台之间的室外光缆的连接组成有线光环网，为以太网交换机提供以太网传输业务，为PCM及路由器设备提供2M 155M、622M等通信信道。以太网交换机间采用三层冗余技术，PCM设备通过2M信道向各车载平台提供话音业务的通道。

（1）SDH光传输设备

本系统选取的SDH设备是华为OSN系列产品，支持以太网二层交换功能，即在一个或多个用户侧以太网物理接口与一个或多个独立的系统侧的VC通道之间，实现基于以太网链路层的数据包交换，其功能块如图3所示：

图2 光组网构成

图3 光传输设备以太网交换功能基本模型图

OSN系列MSTP设备具备以下以太网二层交换功能：

①传输链路带宽可配置；

②保证以太网业务的透明性，包括以太网MAC帧，VLAN标记的透明传送；

③以太网数据帧封装采用LAPS或PPP协议或GFP协议。

④支持IEEE802.1d生成树协议(STP)；

⑤支持多链路聚合以实现灵活的高带宽和链路冗余；

⑥支持以太网端口流量控制；

⑦具有对10/100M/1000M数据业务的QoS支持能力；

⑧支持组播功能；

⑨支持业务分类(CoS)，具体实现可基于端口、MAC地址、数据帧类型、VLAN标签等不同特征的流量分类。

本系统在各车载平台内的光传输设备OptiX OSN 1500和OptiX OSN 550上配置有一定数量的符合G.703协议标准的2.048Mb/s接口。2M业务电信号在发端通过2.048Mb/s接口接入OSN传输设备，经映射、复用、电光转换等进入STM-16（2.5Gb/s）群路光口，经传输系统连接到收端OSN光传输设备的STM-16（2.5Gb/s）群路光口，再经光电转换、解复用、解映射等进入相应的2.048Mb/s接口，从而建立起了一个透明的传输通道，用于路由器的2M接口互联、PCM话音业务的互传或是专用电话数字中继的信号传输。

（2）网络设备

如图4所示，系统内部网络业务路由主要分为两条，业务1为主要业务，对应Vtrunk绑定了3个VC4，提供了465M的带宽，业务2为次要业务，对应Vtrunk绑定了2个VC4，提供了310M的带宽，车载平台车载平台1和车载平台车载平台2上多为客户端，因此配备二层交换机；车载平台车载平台3和车载平台车载平台4上主要配备了服务器等信息处理设备，配备的交换机均为三层交换机。在车载平台车载平台3和车载平台车载平台4中，业务1交换机、业务2交换机及路由器通过区域型OSPF协议互联，而相同业务的交换机通过Trunk方式进行互联，并配置了虚拟路由冗余协议（VRRP），达到冗余备份网关的目的。VRRP是一种选择协议，把一个虚拟路由器的责任动态分配到局域网上的VRRP路由器中的一台。控制虚拟路由器IP地址的VRRP路由器称为主路由器，负责转发数据包到这些虚拟IP地址，一旦主路由器不可用，这种选择过程就提供了动态的故障转移机制，使虚拟路由器的IP地址可以作为终端主机默认的第一跳路由器。协议将两台汇聚交换机组成备份组，针对网络中每一个虚网接口，备份组都拥有一个虚拟缺省网关地址(这个地址可以作为主交换机的虚网接口的IP地址)，每台主机通过这个虚拟IP访问其它网络资源，但实际的数据处理由备份组内主交换机执行。如果主交换机发生了故障，通过VRRP协议，3个时间间隔（默认时间间隔为1秒）探测不到主交换机，备份交换机自动替代主交换机。由于网络内的终端配置了VRRP虚拟网关地址，发生故障时，虚拟交换机没有改变，主机仍然保持连接，网络将不会受到单点故障的影响，解决了网络中汇聚交换机切换的问题，实现网关的冗余。任一信道故障，冗余信道自动完成接替，实现与外部系统的互连不中断。

而路由器配备2M板卡一块，POS板卡一块，可通过光传输设备与阵地端的路由器进行互联。

图4 系统网络框图

（3）PCM设备

车载平台内配备多台话机。为保障话音业务，配备PCM端机用于话音通信和录音功能的实现。

图5 PCM设备框图

如图5所示，虚线表示由光传输设备提供的2M链路通道，实线表示二线口话路，PCM1至PCM6为通用功能PCM端机，用于实现固定场地某接入节点程控向车载平台内话机进行放号，完成正常话音功能。 PCM7设备为“监控录音局端设备”。PCM1和PCM2分别各自通过1路2M口与同在阵地的PCM7相连，将需要录音的通道的话音信号和信令，传输给PCM7设备。PCM7设备对话音信号和信令进行综合处理；PCM8设备为“监控录音远端设备”，其为录音卡送出30路二线话音信号。PCM7设备通过2M口与B站点的PCM8连接，其将处理后的话音信号和信令发送给PCM8，并对PCM8设备进行控制，实现录音功能。其中，在PCM8与录音卡的连接中。录音卡通过检测2线口上的电压，来决定开始和结束录音的时间，满足压控录音的要求。

上述PCM传输方案架设简单，实现话音通信的基础上，方便地实现了在车载平台4内对各车载平台话机的录音功能。

2.2 无线组网系统实现

机动式无线组网通信系统由卫星“动中通”、短波电台系统、超短波电台系统和无线自组网系统组成。机动式系统内部功能车之间通过无线自组织网络进行网络互联，无线自组网采用的是一种不需要基站的“对等机构”移动通讯模式，系统内各功能车支持在移动过程中动态组网，完成传达数据、话音、图像视频等战场信息。

机动式系统可通过卫星“动中通”的方式实现无线通信网络接入，保证与指挥机构及单兵系统之间的组网通信；通过短波电台、超短波电台等方式与远方的作战兵力保持话音通信。

2.3 组网通信的构建特点

（1）抗毁性

评价机动式系统的一个关键指标就是系统的抗毁性，本文所涉及抗毁性主要体现在以下几个方面：

①系统冗余设计。组网通信的冗余设计主要体现在对外互联和内部互联两个方面。对外互联通信也采用冗余路由，可保证单个路由故障时，对外网络通信的不中断；对内互联，一是有线、无线之间的冗余备份，二是多个有线手段之间或多个无线手段之间的备份。

②有线通信组网冗余抗毁。通常各车载平台的光传输设备支持SNCP以及光纤共享虚拟路径保护的网络保护，在SDH环网保护的基础上进一步又支持RPR弹性分组环保护。光传输设备支持ITU-T RPR弹性分组环保护的Wrapping保护、Steering保护以及Wrapping+Steering保护功能。构成的通信网络从网络级层保证了安全稳定可靠运行；另外，通常各车载平台的网络设备之间采用三层网关冗余技术，当单个车载平台网络出现中断等故障时，其它车载平台的功能不受影响。

③无线通信组网抗毁。各车载平台之间采用无线自组网方式进行网络互联，不需要固定设备支持，各节点即各车载平台自行组网，单点故障不会影响其他节点间的网络通信，保证了机动式组网通信系统的抗毁能力。

④话音通信的冗余备份。各车载平台的话音通信相互独立，不依赖于某个车载平台的后台设备。

（2）可靠性

可靠性是衡量机动信息系统的重要指标之一，是构建组网通信可靠性主要依赖于通信传输设备的可靠性。

通常传输设备采用的内嵌RPR（弹性分组环）两纤复用段保护环的工作方式，环网的传输速率高，其中RPR环网组网依照业务的实际需求，结构组成了RPR逻辑环网，提高了承载业务的可靠性。当RPR处理提供的业务板发生故障时，RPR会自动启动保护倒换，保证RPR通道内的各种业务不受影响。

当通信链路发生故障中断时，MSTP设备首先进行链路层的保护倒换，对各种业务没有影响，若此时MSTP设备的保护失效，则RPR业务设备会启动保护支持，保护RPR层面内提供的以太网业务，从而实现对专用通信系统中各种业务的双重保护，实现比一般MSTP方案更高级别的保护特性。

（3）便捷性

便捷性也是构建机动式信息系统的主要要求，通常选用的传输设备，要求安装方式简单、使用维护及管理方便，一般有比较全面、便捷的监控操作界面。网络设备、PCM等终端设备均通过传输设备实现相应功能。车载平台通过有线通信手段互通时，一般在距离、场地等合适的情况下仅需用车载平台间的野战光缆连接，这样可大大缩短系统的开设和撤收时间；通过无线手段进行车载平台间组网通信时，通常以车载平台为节点自行组网，由其它节点进行数据的转发，这样解决了传统无线蜂窝网络的地理局限性，能够更加快速、便捷、高效地部署。