JTIDS仿真訓(xùn)練系統(tǒng)組網(wǎng)模式研究

陶 晶，馮永浩

（空軍工程大學(xué) 電訊工程學(xué)院，陜西 西安 710077）

1 引言

以JTIDS為終端的Link16網(wǎng)絡(luò)是美軍的主要戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈，具有通信、導(dǎo)航、識別等多種功能。同時具有組網(wǎng)靈活，抗干擾能力強(qiáng)，保密性好的特點(diǎn)，使得JTIDS系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用價值。JITDS 1類終端多為大型設(shè)備，是Link16，Link11組網(wǎng)的核心端機(jī)，設(shè)備功能復(fù)雜，平時主要擔(dān)任戰(zhàn)術(shù)值班任務(wù)。2類終端構(gòu)成了Link16網(wǎng)絡(luò)的主要端機(jī)部分，與1類端機(jī)組網(wǎng)可以形成較為完整的Link16網(wǎng)絡(luò)功能[1-2]。但是實(shí)際設(shè)備數(shù)量較少、精密度較高、易損壞，而且組網(wǎng)條件較為復(fù)雜。

為了克服使用實(shí)際裝備進(jìn)行訓(xùn)練的難度，必須設(shè)計出能夠?qū)崿F(xiàn)JTIDS系統(tǒng)功能，同時結(jié)構(gòu)相對簡單，成本相對低廉的JTIDS仿真訓(xùn)練系統(tǒng)。JTIDS系統(tǒng)采用TDMA的工作方式進(jìn)行組網(wǎng)，但是，存在時隙分配、任務(wù)組劃分等策略。因此，實(shí)現(xiàn)JTIDS仿真訓(xùn)練系統(tǒng)必須著力解決系統(tǒng)組網(wǎng)模式的問題。

2 JTIDS仿真訓(xùn)練系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)功能

JTIDS仿真訓(xùn)練系統(tǒng)是JTIDS端機(jī)組成的Link16網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)仿真，因此，系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)端機(jī)具備的角色分配、入網(wǎng)、通信、導(dǎo)航、監(jiān)視、電子戰(zhàn)、空中控制等一系列功能。同時系統(tǒng)的實(shí)時性和安全性要求必須得到滿足。

系統(tǒng)功能包括：1）控制臺對仿真訓(xùn)練進(jìn)行統(tǒng)一控制，提供角色分配、任務(wù)劃分、入/退網(wǎng)控制。2）端機(jī)通過發(fā)送、接收PPL信息、狀態(tài)信息、電子戰(zhàn)信息實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、監(jiān)視、識別、電子戰(zhàn)、空中控制等功能。

端機(jī)功能包括：1）端機(jī)產(chǎn)生并發(fā)送自身信息，獲得其他端機(jī)的信息。2）端機(jī)在本地數(shù)據(jù)庫建立所有其他端機(jī)的數(shù)據(jù)信息，并以此進(jìn)行端機(jī)本地化操作。3）端機(jī)通過向控制臺發(fā)送入、退網(wǎng)請求，建立與控制臺的連接，完成隨時入、退網(wǎng)的功能。4）主控端機(jī)通過發(fā)送指令實(shí)現(xiàn)對指定端機(jī)的控制。

非功能需求包括：1）實(shí)時性要求，即端機(jī)進(jìn)行的操作，能夠?qū)崿F(xiàn)即時響應(yīng)，端機(jī)對端機(jī)的控制能夠?qū)崿F(xiàn)即時控制。2）記憶性要求，即在需要端機(jī)航跡的情況下，各端機(jī)能夠顯示出其他端機(jī)的航跡線，以及進(jìn)行航跡相關(guān)。3）安全性要求，即系統(tǒng)工作中需要采用加密手段，防止信息、數(shù)據(jù)泄露，網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)谋仨毷墙?jīng)過加密的數(shù)據(jù)包。

2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是利用現(xiàn)有通信技術(shù)及協(xié)議方法制定的符合功能需求的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。同時結(jié)構(gòu)的設(shè)計要盡量簡單，以減少成本。

JTIDS仿真訓(xùn)練系統(tǒng)采用C/S體系結(jié)構(gòu)。如圖1所示。服務(wù)器端由控制臺和服務(wù)器數(shù)據(jù)庫組成。實(shí)現(xiàn)角色的分配、端機(jī)入/退網(wǎng)控制、任務(wù)分配和端機(jī)數(shù)據(jù)的存儲和轉(zhuǎn)發(fā)?？蛻舳擞啥藱C(jī)及其數(shù)據(jù)庫組成。實(shí)現(xiàn)自身數(shù)據(jù)的生成和其他端機(jī)數(shù)據(jù)的存儲。網(wǎng)絡(luò)模型采用OSI的7層模型設(shè)計。使用成熟的TCP/UDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。各端機(jī)采用總線模式與服務(wù)器端相連，端機(jī)數(shù)據(jù)需要經(jīng)過數(shù)據(jù)加密和防火墻控制實(shí)現(xiàn)安全通信，其邏輯圖如圖2所示。

圖1 JTIDS仿真訓(xùn)練系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖2 JTIDS仿真訓(xùn)練系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)邏輯圖

3 JTIDS仿真訓(xùn)練系統(tǒng)組網(wǎng)模式設(shè)計

系統(tǒng)組網(wǎng)的模式，由系統(tǒng)中各模塊通信的方式和通信鏈路條件決定。由于JTIDS仿真訓(xùn)練系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)PPL、狀態(tài)、電子戰(zhàn)等信息的端機(jī)獲取和廣播發(fā)送，需要滿足端機(jī)入網(wǎng)、端機(jī)控制指令的發(fā)送和響應(yīng)，而且端機(jī)需要實(shí)現(xiàn)控制臺對其進(jìn)行的角色分配和控制退網(wǎng)的操作。因此，對JTIDS仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的組網(wǎng)模式設(shè)計分為順序輪循模式和指令訪問模式兩種。

仿真訓(xùn)練系統(tǒng)中根據(jù)角色的劃分，端機(jī)分為主控端機(jī)和一般端機(jī)兩大類。

3.1 順序輪循模式

順序輪循模式主要完成系統(tǒng)工作期間的PPL、狀態(tài)和電子戰(zhàn)等數(shù)據(jù)信息的獲取和發(fā)送。

各端機(jī)在入網(wǎng)的情況下，控制臺按照端機(jī)擔(dān)任角色，確定輪循的順序。即按照先主控端機(jī)、再一般端機(jī)的順序，控制臺進(jìn)行輪循操作。

同時各端機(jī)因端機(jī)角色不同，發(fā)送的消息類型也不相同。一般端機(jī)發(fā)送PPL信息和狀態(tài)信息，而主控端機(jī)還需要發(fā)送電子戰(zhàn)消息和控制指令。因此，數(shù)據(jù)信息劃分為3種數(shù)據(jù)格式進(jìn)行傳輸。數(shù)據(jù)格式定義為數(shù)據(jù)類型、端機(jī)優(yōu)先級、信息優(yōu)先級、上傳/下載、原目標(biāo)地址、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址、數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)。其中，端機(jī)優(yōu)先級由端機(jī)角色決定。而信息優(yōu)先級決定了控制臺首先獲取優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)。其順序為PPL信息、電子戰(zhàn)信息和狀態(tài)信息。

在JTIDS仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計中,主控端機(jī)只有1臺。因此在順序輪循模式下，控制臺對端機(jī)的輪循順序為先主控端機(jī)，再一般端機(jī)；先編號低的一般端機(jī)，再編號高的一般端機(jī)；先優(yōu)先級高的信息，再優(yōu)先級低的信息。

系統(tǒng)工作時，控制臺向端機(jī)廣播，需要主控端機(jī)的PPL信息，各端機(jī)在收到消息后，確定消息目標(biāo)是否為自身端機(jī)，主控端機(jī)這時就將控制臺需要的端機(jī)信息發(fā)送到控制臺?？刂婆_將獲得的主控端機(jī)的PPL信息存入控制臺數(shù)據(jù)庫中，并將信息以廣播的形式發(fā)送到各端機(jī)。各端機(jī)在收到信息后，存儲到本機(jī)數(shù)據(jù)庫中，以備后期操作使用。這一操作結(jié)束后，控制臺發(fā)送需要主控端機(jī)電子戰(zhàn)信息的廣播，操作同上。在這樣一輪結(jié)束后，控制臺再向各端機(jī)發(fā)送需要主控端機(jī)的狀態(tài)信息的廣播，操作同上。之后，控制臺再發(fā)送對一般端機(jī)PPL信息、狀態(tài)信息的廣播。當(dāng)控制臺在向各端機(jī)廣播發(fā)送消息，沒有端機(jī)應(yīng)答，則控制臺將再次發(fā)送相同的消息，如此3次，若沒有端機(jī)應(yīng)答，則控制臺判定此端機(jī)已退網(wǎng)，此后，不再發(fā)送對此端機(jī)的信息需求廣播。其工作流程圖如圖3所示。

圖3 順序輪循模式工作流程圖

在這種輪詢方式下，所有的網(wǎng)絡(luò)成員共同組成了一個時分半雙工的網(wǎng)狀網(wǎng)。每個單元要么處于接收狀態(tài)，要么處于發(fā)射狀態(tài)。端機(jī)一般是處于接收狀態(tài)，當(dāng)收到控制臺發(fā)來的信息時，端機(jī)才能發(fā)送自己的數(shù)據(jù)信息或者應(yīng)答信息[3]。

3.2 指令訪問模式

順序輪循模式主要實(shí)現(xiàn)端機(jī)正常工作期間的端機(jī)工作，但不能實(shí)現(xiàn)端機(jī)與控制臺之間控制指令的及時傳輸和實(shí)時響應(yīng)，因此提出指令訪問模式。

指令訪問模式為控制臺、主控端機(jī)、一般端機(jī)之間需要直接通信或間接通信，而在順序輪循模式之外發(fā)送控制指令。而指令訪問模式就是使這種控制指令能夠準(zhǔn)確傳遞、實(shí)時響應(yīng)的方法。

指令按照終端類型和功能分為兩類。終端類型指令分為控制臺指令、主控端機(jī)指令和一般端機(jī)指令。而功能指令分為角色分配指令、入網(wǎng)指令、退網(wǎng)指令和端機(jī)控制指令。其中，控制臺發(fā)送角色分配指令、控制臺控制端機(jī)退網(wǎng)指令。主控端機(jī)發(fā)送入網(wǎng)指令、端機(jī)控制指令和自主退網(wǎng)指令。一般端機(jī)發(fā)送入網(wǎng)指令和自主退網(wǎng)指令。

在端機(jī)入網(wǎng)時，各端機(jī)向控制臺發(fā)送入網(wǎng)請求，控制臺向各端機(jī)發(fā)送網(wǎng)內(nèi)同步時間，實(shí)現(xiàn)同步入網(wǎng)?？刂婆_根據(jù)訓(xùn)練指導(dǎo)者設(shè)定的要求，向各端機(jī)發(fā)送角色分配指令。

端機(jī)的退網(wǎng)一般有主動退網(wǎng)、控制臺控制退網(wǎng)和異常情況退網(wǎng)。異常情況退網(wǎng)為端機(jī)在斷電和程序錯誤的情況下，端機(jī)未發(fā)送指令而退網(wǎng)的情形，這種情況由順序循環(huán)模式處理。主動退網(wǎng)為端機(jī)向控制臺提出退網(wǎng)申請，控制臺根據(jù)端機(jī)角色，決定退網(wǎng)。如果是主控端機(jī)，選定接替端機(jī)，進(jìn)行角色重新分配。控制臺控制端機(jī)退網(wǎng)，為控制臺指定一個或多個端機(jī)退網(wǎng)，其操作同主動退網(wǎng)。

指令按照數(shù)據(jù)格式的設(shè)定，存在端機(jī)優(yōu)先級和功能優(yōu)先級兩種。端機(jī)優(yōu)先級決定了端機(jī)指令的處理順序，而功能優(yōu)先級決定了相同級別端機(jī)控制指令處理的順序。但是，這種簡單優(yōu)先級的控制，對于需要退網(wǎng)、入網(wǎng)、和角色分配的端機(jī)，仍會出現(xiàn)響應(yīng)不及時的問題。因此，優(yōu)先級的設(shè)定將主要采用功能優(yōu)先為主、端機(jī)優(yōu)先為輔的原則。指令優(yōu)先級順序為入網(wǎng)、退網(wǎng)、角色分配、端機(jī)控制。即在指令隊列中，指令按照入網(wǎng)、控制臺控制端機(jī)退網(wǎng)、自主退網(wǎng)、角色分配、端機(jī)控制的順序進(jìn)行處理。

但是，不排除由于指令量很大，導(dǎo)致控制指令不斷累積，造成的時間延誤和實(shí)時性變差。因此，設(shè)置指令有效期標(biāo)識符，當(dāng)指令時延超過門限，指令做拋棄處理。指令訪問模式流程如圖4所示。

圖4 指令訪問模式流程圖

3.3 模式關(guān)系及處理方法設(shè)計

順序輪循模式能夠很好解決系統(tǒng)的PPL信息、狀態(tài)信息、電子戰(zhàn)信息等信息的傳送，實(shí)現(xiàn)通信、導(dǎo)航、識別、電子戰(zhàn)等功能。

但系統(tǒng)工作中，主控端機(jī)需要完成對端機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)對端機(jī)的任務(wù)指示、空中引導(dǎo)等功能。而且，系統(tǒng)允許端機(jī)的隨時入網(wǎng)和退網(wǎng)，這就使端機(jī)與控制臺之間的控制指令必須得以及時傳輸，這時順序輪循模式將不能滿足系統(tǒng)需要。

而指令訪問模式，主要處理端機(jī)入網(wǎng)、退網(wǎng)、角色分配以及主控端機(jī)對端機(jī)控制的指令。兩種模式的功能比較圖如表1所示。

表1 系統(tǒng)功能與模式分配表

為了實(shí)現(xiàn)順序輪循模式和指令訪問模式的并行工作，在處理上加入雙線程的方法，一條線程實(shí)現(xiàn)對端機(jī)的順序輪詢的操作，按照先從優(yōu)先級高的主控端機(jī)獲得優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)信息，再按照端機(jī)優(yōu)先級由高到低，數(shù)據(jù)優(yōu)先級由高到低的順序獲取。指令訪問模式線程時刻監(jiān)聽指令隊列。在有多條控制指令到達(dá)控制臺時，首先處理優(yōu)先級高的控制指令，再處理優(yōu)先級低的控制指令。當(dāng)沒有控制指令時，則處于監(jiān)聽狀態(tài)。

4 JTIDS仿真訓(xùn)練系統(tǒng)組網(wǎng)建模仿真

4.1 仿真模塊架構(gòu)

JTIDS仿真訓(xùn)練系統(tǒng)組網(wǎng)屬于應(yīng)用層的范疇，因此仿真模塊是基于NS2[4]的Application層開發(fā)，下層采用NS2提供的已有組件,同時新增了應(yīng)用層模型和數(shù)據(jù)采集模塊，應(yīng)用層模塊又分為控制臺節(jié)點(diǎn)模塊、鏈路分配模塊、初始分配模塊、文件存儲模塊和接口訪問模塊[5-7]。平臺各模塊如圖5所示。

圖5 JTIDS仿真訓(xùn)練系統(tǒng)仿真模塊圖

接口訪問模塊通過Socket接口實(shí)現(xiàn)與NS2的直接通信，實(shí)現(xiàn)上層模塊向下層的消息傳遞。

控制臺節(jié)點(diǎn)模塊確定參與端機(jī)數(shù)量、確定通信目標(biāo)和通信方式，通過鏈路分配模塊實(shí)現(xiàn)邏輯鏈路的搭建和拆除，實(shí)現(xiàn)入網(wǎng)和信息發(fā)送。

鏈路分配模塊主要實(shí)現(xiàn)雙線程的操作，負(fù)責(zé)在與控制臺節(jié)點(diǎn)配合下的數(shù)據(jù)信息獲取和處理，同時與接口訪問模塊配合實(shí)現(xiàn)對上傳控制指令的監(jiān)聽和處理。初始分配模塊為靜態(tài)初始化模塊，主要完成對入網(wǎng)端機(jī)的權(quán)限授予、功能分配等功能。文件存儲模塊為動態(tài)信息轉(zhuǎn)存模塊，不管是數(shù)據(jù)信息還是控制指令信息，都在與接口模塊的通信中進(jìn)行庫操作。數(shù)據(jù)采集模塊集合了NS2中的狀態(tài)記錄文件*.tr的主要功能，將網(wǎng)路運(yùn)行時間內(nèi)，從控制臺節(jié)點(diǎn)模塊、鏈路分配模塊、初始分配模塊和文件存儲模塊所進(jìn)行的數(shù)據(jù)操作全部記錄下來。

4.2 仿真場景設(shè)置

4.2.1 數(shù)據(jù)格式設(shè)置

J T IDS仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)長度、工作方式都有所不同，其格式定義如圖6所示。

圖6 JIDS數(shù)據(jù)格式

J T IDS_TYPE指傳送消息的類型，主要包括數(shù)據(jù)信息J_Data、控制信息J_Control和廣播信息J_Broadcast。OR_Flag指傳送消息的方向，主要包括J_UP和J_DOWN。Level_Flag指信息的優(yōu)先級。Src_addr指源目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址。Dst_addr指目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址。DATA_Length指數(shù)據(jù)長度，端機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息有4種長度，分別是PPL信息、電子戰(zhàn)信息、狀態(tài)信息、控制信息。DATA為數(shù)據(jù)信息，NS2仿真為網(wǎng)絡(luò)性能仿真，因此數(shù)據(jù)格式中包頭為各種協(xié)議要求的內(nèi)容，而數(shù)據(jù)字段都為空，只是標(biāo)定數(shù)據(jù)字段長度。

4.2.2 仿真內(nèi)容設(shè)置

根據(jù)仿真模塊圖，主要實(shí)現(xiàn)控制臺輪循對各端機(jī)信息訪問的順序輪循模式，以及端機(jī)控制指令的發(fā)送和控制臺的處理過程。因此，在順序輪循模式下實(shí)現(xiàn)端機(jī)數(shù)量與順序輪循周期的關(guān)系仿真。在有控制指令傳輸?shù)那闆r下，仿真多指令發(fā)送延遲、終端數(shù)量、線程的關(guān)系以及單線程和雙線程處理模式下，多指令發(fā)送延時抖動的關(guān)系。

4.2.3 仿真設(shè)置與分析

網(wǎng)絡(luò)帶寬100 Mbit/s，網(wǎng)絡(luò)時延10 ms，路由器隊列長度為10，使用Droptail模式，廣播包大小為40 bit，指令包大小為200 bit，數(shù)據(jù)包大小為1 000 bit，假設(shè)端機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)信息為PPL信息和狀態(tài)信息，端機(jī)按照序號由低到高先后發(fā)送PPL信息和狀態(tài)信息，端機(jī)數(shù)量為1～40。

圖7為對順序輪詢模式端機(jī)數(shù)量與輪循周期的比較圖，在端機(jī)數(shù)量一定，端機(jī)發(fā)送消息類型相同的情況下，輪循周期隨著端機(jī)數(shù)量的增加成線性增長。同時可以得到推論，在端機(jī)數(shù)量一定、端機(jī)分配角色已知的情況下，端機(jī)輪循時間為定值。

圖7 順序輪循模式周期、端機(jī)數(shù)關(guān)系

圖8為在有控制指令的情況下，端機(jī)指令到控制臺的延時情況對比圖。從圖中可以看出，單線程處理指令，時延較長且不穩(wěn)定，使用雙線程處理指令延時很小，可忽略不計。

圖9為端機(jī)數(shù)量為5的情況下，單線程與雙線程指令延時抖動特性。從圖中可以看出，單線程的指令延時抖動很明顯。而在雙線程模式下，時延抖動很小，基本可以認(rèn)為沒有抖動，保證了指令傳輸?shù)膶?shí)時性和穩(wěn)定性要求。

5 小結(jié)

筆者設(shè)計了JTIDS仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的組網(wǎng)模式，并依據(jù)NS2仿真軟件設(shè)計了JTIDS仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的組網(wǎng)仿真模塊，通過在該模塊下的仿真，驗證了該組網(wǎng)模式能夠滿足JTIDS仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時性要求。

圖8 單、雙線程端機(jī)到控制臺指令時延

圖9 單、雙線程端機(jī)到控制臺延時抖動

[1]梅文華，蔡善法.JTIDS/Link16數(shù)據(jù)鏈[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[2]LESLIE C，GOLLIDAY J.DataLink communications in tactical air command and control system[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2005，3（5）：779-791.

[3]李林，毛玉泉，李連寶，等.陸航數(shù)據(jù)鏈輪循組網(wǎng)模式應(yīng)用研究[J].通信技術(shù)，2009（1）：143-145.

[4]于斌.NS2與網(wǎng)絡(luò)建模[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[5]吳堃，戴菡，葉保留，等.基于NS2的P2P網(wǎng)絡(luò)模擬平臺研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2006（8）：2152-2157.

[6]任浩，王勁林，魯逸峰，等.基于NS2的P2P流媒體系統(tǒng)仿真平臺的設(shè)計[J].微計算機(jī)應(yīng)用，2008（10）：26-30.

[7]PORTMANN M，SENEVIRATNE A.Cost-effective broadcast for fully decentralized peer-to-peer networks[J].Computer Communications Journal Special Issue on Ubiquitous Computing，2002，26（11）：1159-1167.