基于overlay架構(gòu)的通信訓(xùn)練模擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)﹡

蒲長春， 謝 宇

(中國電子科技集團(tuán)公司第30研究所，四川 成都 610041)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)日益復(fù)雜，裝備類型多、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、服務(wù)要求高、技術(shù)更新快、電磁環(huán)境惡劣，對指揮人員和作戰(zhàn)人員快速掌握和應(yīng)用通信裝備形成了極大挑戰(zhàn)。建立戰(zhàn)術(shù)通信模擬網(wǎng)絡(luò)、開展模擬訓(xùn)練是解決這一挑戰(zhàn)的有效途徑之一，由于模擬訓(xùn)練具有經(jīng)濟(jì)、安全、可控、靈活、不受自然條件限制、便于管理與考核等突出優(yōu)點(diǎn)，可迅速提高指揮人員指揮水平、增強(qiáng)專業(yè)人員專業(yè)技能，已在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用[1]。

根據(jù)通信模擬訓(xùn)練需求，戰(zhàn)術(shù)通信模擬網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備以下特點(diǎn)：

1）能夠模擬實(shí)裝網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境（設(shè)備、接口、協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹㈦姶怒h(huán)境、組網(wǎng)方式等），為應(yīng)用系統(tǒng)提供與實(shí)裝一致的通信特性[2]。

2）能夠模擬實(shí)裝網(wǎng)絡(luò)操作環(huán)境，支持裝備操作技能訓(xùn)練。

3）能夠傳輸各類實(shí)裝業(yè)務(wù)，使用方式與實(shí)際環(huán)境一致，支持專業(yè)人員開展戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練。

4）支持異地分布式訓(xùn)練和多級聯(lián)合訓(xùn)練。

5）支持導(dǎo)調(diào)控制、訓(xùn)練管理、考核評估，支持隨機(jī)實(shí)施作業(yè)指導(dǎo)，支持訓(xùn)練過程回放和重演。

就構(gòu)建模擬網(wǎng)絡(luò)而言，通常實(shí)現(xiàn)方式包括計(jì)算機(jī)仿真、物理仿真、半實(shí)物仿真等，主要是通過數(shù)學(xué)建模和統(tǒng)計(jì)分析的方法，為通信系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、評估等方面的工作提供定量分析，為降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)、提高產(chǎn)品性能、縮短建設(shè)周期等提供科學(xué)決策依據(jù)[3]。受計(jì)算機(jī)仿真可信度較差、HLA體系結(jié)構(gòu)在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)仿真時(shí)效率較低[4]以及物理仿真成本較高等因素影響，這兩種方式不宜作為構(gòu)建訓(xùn)練用模擬網(wǎng)絡(luò)的主要方式。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，出現(xiàn)了一種新的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法，即 overlay網(wǎng)絡(luò)（又譯為重疊網(wǎng)或覆蓋網(wǎng)），該方法與特定技術(shù)、特定層次無關(guān)，是在已有的承載網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上，通過增加額外的、間接的、虛擬的層，能在不改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的條件下支持特殊網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求[5]。

作者根據(jù)通信訓(xùn)練的特點(diǎn)，提出基于 overlay網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的模擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法。該方法利用半實(shí)物的模擬通信設(shè)備，在通用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成的承載網(wǎng)絡(luò)之上，增加一層基于全 IP的、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可軟件重構(gòu)的重疊網(wǎng)絡(luò)，該重疊網(wǎng)絡(luò)能夠有效融合通信網(wǎng)絡(luò)模擬、裝備操作技能訓(xùn)練、專業(yè)人員戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練、導(dǎo)調(diào)控制、考核評估等訓(xùn)練環(huán)節(jié)，為受訓(xùn)人員提供與實(shí)裝系統(tǒng)一致的訓(xùn)練環(huán)境，且不受地域限制、部署靈活、通用性和擴(kuò)展性好。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于overlay架構(gòu)的模擬網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)與一般overlay網(wǎng)絡(luò)類似，如圖1所示。圖1中模擬通信節(jié)點(diǎn)由模擬路由設(shè)備和模擬傳輸設(shè)備構(gòu)成，其數(shù)量和互連關(guān)系與實(shí)裝的通信節(jié)點(diǎn)一致；承載網(wǎng)絡(luò)是由以太網(wǎng)交換機(jī)、路由器構(gòu)成，無論這些交換機(jī)、路由器部署在何地，只要承載網(wǎng)絡(luò)可達(dá)，總可以利用該網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建重疊的模擬網(wǎng)絡(luò)，且模擬網(wǎng)絡(luò)的部署不會改變原承載網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，從而能夠很好支持異地分布式訓(xùn)練和多級聯(lián)合訓(xùn)練。

圖1 模擬網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

模擬網(wǎng)絡(luò)通過以太網(wǎng)接口與承載網(wǎng)絡(luò)互連，利用承載網(wǎng)絡(luò)作為傳輸通道，構(gòu)建一個(gè)模擬網(wǎng)絡(luò)空間，在該空間內(nèi)，通信要素、拓?fù)潢P(guān)系、路由協(xié)議、編號編址、支持的業(yè)務(wù)類型等與實(shí)裝系統(tǒng)完全一致，且可根據(jù)導(dǎo)調(diào)系統(tǒng)的要求進(jìn)行自動(dòng)控制，從而為受訓(xùn)人員提供與實(shí)戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境幾乎完全一致的通信與指揮訓(xùn)練平臺。

從圖1可以看出，模擬網(wǎng)絡(luò)與承載網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不是一一對應(yīng)的，存在各自獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)空間，這可能在路由、QoS方面帶來一定的負(fù)面作用，模擬網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可能不會恰好位于承載網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)傳輸路徑上，這方面的分析和優(yōu)化研究已有較多成果。如果考慮到承載網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬和交換能力遠(yuǎn)大于模擬網(wǎng)絡(luò)本身的情況下，這一因素可以忽略。

2 系統(tǒng)組成

用于戰(zhàn)術(shù)通信訓(xùn)練的模擬網(wǎng)絡(luò)通常包括以下六個(gè)部分：

1）模擬通信設(shè)備：包括各類模擬路由設(shè)備、模擬傳輸設(shè)備，用于模擬實(shí)裝設(shè)備的人機(jī)接口和通信特性，支持裝備操作訓(xùn)練和戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練。

2）網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)模擬網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和監(jiān)控，控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、通信特性和電磁環(huán)境。

3）導(dǎo)調(diào)控制系統(tǒng)：是模擬訓(xùn)練的控制與管理中心，實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練組織、指導(dǎo)、管理、控制、考核、評估等功能。

4）實(shí)裝互連系統(tǒng)：支持模擬網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)裝業(yè)務(wù)，并與實(shí)裝網(wǎng)絡(luò)互連互通。

5）仿真互連系統(tǒng)：支持模擬訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境互連。

6）承載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：由各類通用路由器、交換機(jī)構(gòu)成，用于承載模擬網(wǎng)絡(luò)，可以是局域網(wǎng)，也可以是跨地域的廣域網(wǎng)。

3 設(shè)計(jì)思路

（1）模擬通信設(shè)備

主要功能如下：

1）模擬通信設(shè)備應(yīng)具備與實(shí)裝設(shè)備基本一致的外部結(jié)構(gòu)特征和人機(jī)接口。

2）模擬通信設(shè)備采用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)管理與控制協(xié)議，支持參數(shù)加載、接受導(dǎo)調(diào)控制。

3）受訓(xùn)人員通過模擬通信設(shè)備人機(jī)界面執(zhí)行的有效操作能夠自動(dòng)上報(bào)到導(dǎo)調(diào)控制系統(tǒng)。

4）模擬路由設(shè)備采用實(shí)裝路由協(xié)議，用于構(gòu)建模擬的路由節(jié)點(diǎn)。

5）模擬傳輸設(shè)備采用實(shí)裝鏈路協(xié)議和專用控制協(xié)議，用于構(gòu)建模擬的通信鏈路。

（2）網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

主要功能如下：

1）支持分級分布式部署方式。

2）能夠根據(jù)實(shí)裝網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用方式，規(guī)劃出與實(shí)裝一致的模擬網(wǎng)絡(luò)。

3）能夠監(jiān)控各個(gè)模擬設(shè)備的工作狀態(tài)。

4）能夠根據(jù)導(dǎo)調(diào)指令，控制模擬網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和通信特性。

5）能夠控制模擬傳輸設(shè)備的建鏈方式，使之工作方式與實(shí)裝一致。

6）能夠根據(jù)導(dǎo)調(diào)指令，控制模擬網(wǎng)絡(luò)所處復(fù)雜電磁環(huán)境。

（3）導(dǎo)調(diào)控制系統(tǒng)

主要功能如下：

1）支持分級分布式部署方式。

2）支持訓(xùn)練管理功能，能夠各類訓(xùn)練基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

3）支持導(dǎo)調(diào)控制功能，對訓(xùn)練過程進(jìn)行隨機(jī)干預(yù)。

4）支持訓(xùn)練監(jiān)控功能，實(shí)時(shí)掌握訓(xùn)練過程，并支持回放和重演。

5）支持考核評估功能。

（4）實(shí)裝互連系統(tǒng)

主要功能如下：

1）業(yè)務(wù)控制系統(tǒng)采用基于IP的信令協(xié)議，實(shí)現(xiàn)模擬網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各類話音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸。

2）實(shí)裝互連網(wǎng)關(guān)通過以太網(wǎng)接口與模擬網(wǎng)絡(luò)連接，通過實(shí)裝物理接口與實(shí)裝網(wǎng)絡(luò)互連，在模擬網(wǎng)絡(luò)與實(shí)裝網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)接口、協(xié)議、信令轉(zhuǎn)換，支持實(shí)裝業(yè)務(wù)在模擬網(wǎng)絡(luò)與實(shí)裝網(wǎng)絡(luò)之間互通。

（5）仿真互連系統(tǒng)

模擬網(wǎng)絡(luò)通過仿真接口設(shè)備與計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)互連，采用專用高效接口協(xié)議，支持訓(xùn)練科目初始化、綜合戰(zhàn)場環(huán)境初始化、導(dǎo)調(diào)干預(yù)等功能，擴(kuò)展訓(xùn)練要素和訓(xùn)練科目，增強(qiáng)訓(xùn)練效果。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)典型應(yīng)用方式如圖2所示。

圖2 模擬訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)典型部署示意

各個(gè)模擬通信節(jié)點(diǎn)、導(dǎo)調(diào)控制系統(tǒng)、戰(zhàn)場環(huán)境仿真系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、實(shí)裝互連系統(tǒng)均可部署于不同位置或地域，支持異地分布式訓(xùn)練和多級聯(lián)合訓(xùn)練。

5 結(jié)語

與傳統(tǒng)的基于局域網(wǎng)以及單裝操作的訓(xùn)練系統(tǒng)相比，基于overlay架構(gòu)的模擬訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)具有以下突出特點(diǎn)[6]：

1）模擬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及通信特性可軟件重構(gòu)，采用實(shí)裝鏈路協(xié)議和路由協(xié)議，能夠逼真模擬實(shí)裝網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，支持導(dǎo)調(diào)系統(tǒng)實(shí)施隨機(jī)干預(yù)。

2）采用統(tǒng)一的基于IP的通信技術(shù)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性，部署時(shí)不必改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且隨著系統(tǒng)的發(fā)展可以很容易地增加新的功能，適應(yīng)新的訓(xùn)練需求。

3）采用分級分布式的網(wǎng)絡(luò)管理和導(dǎo)調(diào)控制結(jié)構(gòu)，能夠高效、靈活的組織異地分布式訓(xùn)練和多級聯(lián)合訓(xùn)練。

4）支持與實(shí)裝網(wǎng)絡(luò)和仿真環(huán)境互連，擴(kuò)展了訓(xùn)練規(guī)模和訓(xùn)練要素，增強(qiáng)訓(xùn)練效果。

由于 overlay網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)固有的開放性和靈活性，文中所論述的模擬訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)亦可很容易擴(kuò)展到其它應(yīng)用領(lǐng)域[7]，如可應(yīng)用于模擬訓(xùn)練裝備/系統(tǒng)的研制和部署；可作為通信網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)床，開展路由、服務(wù)質(zhì)量、尋址、安全、組播、應(yīng)用系統(tǒng)等測試[8]；也可作為軍用實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)施，支撐裝備發(fā)展規(guī)劃、體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化和技術(shù)體制論證。

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