新一代遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制與聯(lián)網(wǎng)協(xié)議研究

劉 丹 張芹芹 李本亮

中國飛行試驗研究院

新一代的遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在保留傳統(tǒng)遙測系統(tǒng)功能的前提下，新增加了遠(yuǎn)程、寬帶數(shù)據(jù)鏈，新增加的部分使得遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具備了下行遙測傳輸能力，遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)因此可進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸與控制需要在一定的規(guī)則下進(jìn)行，因此，研究遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的控制與聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，從而為飛行試驗中遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的試飛數(shù)據(jù)傳輸提供統(tǒng)一規(guī)則。

在數(shù)據(jù)傳輸向網(wǎng)絡(luò)化格局發(fā)展的前提下，飛行試驗中的遙測系統(tǒng)也趨于網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。在保留傳統(tǒng)遙測傳輸?shù)幕A(chǔ)上，在機(jī)載測試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化以及地面遙測系統(tǒng)站網(wǎng)絡(luò)化的前提下，試飛測試對象與地面之間形成了一個大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，不同于傳統(tǒng)的系統(tǒng)，新一代的遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括多個地面子系統(tǒng)和測試對象子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)處于遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在網(wǎng)絡(luò)中，不同的終端實體之間要進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)傳輸，首先需要有個統(tǒng)一的規(guī)則和約定，這個規(guī)則即協(xié)議。因此，對遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制與聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的研究已是非常必要。本文重點闡述新一代遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)之上，研究遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的控制與聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。

遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)從物理結(jié)構(gòu)上分為兩大部分，分別是，遙測地面站端和試驗對象端。其中，遙測地面站端和試驗對象端通過各自的天線系統(tǒng)單元進(jìn)行無線通訊，建立數(shù)據(jù)鏈接。從邏輯結(jié)構(gòu)上，遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)就像一個大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其中包括很多個遙測地面站端的網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)以及試驗對象端的網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 遙測網(wǎng)絡(luò)框架結(jié)構(gòu)

機(jī)載網(wǎng)絡(luò)部分和地面網(wǎng)絡(luò)部分的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如下圖所示。其中，機(jī)載網(wǎng)絡(luò)部分利用收發(fā)天線，通過射頻網(wǎng)絡(luò)（rfNET），測試對象網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸交換，發(fā)送遙測數(shù)據(jù)給地面站，同時接收來自地面站的控制命令信息。rfNET 是在傳統(tǒng)的IRIG106 串行遙測鏈路的基礎(chǔ)上，另外增加了一條基于網(wǎng)絡(luò)的上下行鏈路，使得機(jī)載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和地面網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實現(xiàn)了雙向連接。通過該rfNET空地鏈路形成一個大的遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

在地面網(wǎng)絡(luò)部分中，天線系統(tǒng)將接收到的遙測數(shù)據(jù)集中匯總，通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，其他需要遙測數(shù)據(jù)的地面處理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行有選擇的接收。按照試飛測試體系的特點，地面數(shù)據(jù)處理網(wǎng)主要包括：遙測監(jiān)控系統(tǒng)，事后處理系統(tǒng)（預(yù)處理、二次處理等）。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

網(wǎng)絡(luò)中的通信是指在不同系統(tǒng)中的實體之間的通信。所謂實體，是指能發(fā)送和接收信息的任何對象，包括終端、應(yīng)用軟件、通信進(jìn)程等。系統(tǒng)可以包含一個或多個實體，兩實體間要是能通信，就必須能夠互相理解，共同遵守都能接受的規(guī)則和約定，如傳送信息塊采用何種編碼和怎樣的格式，如何識別收發(fā)者的名稱和地址，傳送過程中出現(xiàn)錯誤如何處理，發(fā)送和接收速率不一致如何處理。把這些規(guī)則的結(jié)合稱為協(xié)議。因此，協(xié)議也可被稱為兩實體間控制數(shù)據(jù)交換規(guī)則的集合，它用來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享，信息交換。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議就是用來為完全不同的系統(tǒng)提供共同的用于通信的環(huán)境。沒有協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)通信是不可能存在的，簡單地講，通信雙方在通信時需要遵循的一些規(guī)則和約定就是協(xié)議。

通信協(xié)議的規(guī)則主要包括對通信的發(fā)送者和接收者完成的操作（語義）和交換信息的格式（語法）。協(xié)議有以下3 個要素。

語義：控制信息的內(nèi)容，需要做出的動作及響應(yīng)，即“講什么”；

語法：數(shù)據(jù)與控制信息的格式、數(shù)據(jù)編碼等，即“怎么講”；

同步：事件先后順序和速度匹配，即“序速度控制”。

遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制與聯(lián)網(wǎng)協(xié)議

圖2 遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)體系構(gòu)成圖

遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制與聯(lián)網(wǎng)協(xié)議是指為保證遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中通信雙方能有效、可靠通信而規(guī)定的一系列約定，包括對數(shù)據(jù)格式、同步方式、傳送速度、傳送步驟、檢驗糾錯方式以及控制信息定義等問題做出的統(tǒng)一規(guī)定，通信雙方必須共同遵守。遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)作為一種特殊的遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以利用成熟的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在此基礎(chǔ)之上，針對在實際飛行試驗中的特殊情況，完善和優(yōu)化相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，從而實現(xiàn)遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的控制與聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸功能。

RF 網(wǎng)絡(luò)控制消息協(xié)議

射頻（RF）網(wǎng)絡(luò)控制消息協(xié)議定義了RF 網(wǎng)絡(luò)單元中多個功能組件中的消息及消息流到接口的規(guī)則。當(dāng)在一個RF 網(wǎng)絡(luò)中的不同物理部位，如一個在試驗對象（TA）上，一個在地面上的兩個節(jié)點需要連接時，就必需用到RF 網(wǎng)絡(luò)控制消息協(xié)議。RF 網(wǎng)絡(luò)控制消息協(xié)議是兩個或多個相同功能節(jié)點支持分布式操作的邏輯連接，控制關(guān)系可以是主從式、對等、一對一、或一對多。

RF 網(wǎng)絡(luò)控制消息協(xié)議包括以下三種：鏈路管控制消息協(xié)議，該協(xié)議主要用來規(guī)定無線鏈路的建立、釋放和管理。RF 網(wǎng)絡(luò)管理控制消息協(xié)議，該協(xié)議主要負(fù)責(zé)地面站網(wǎng)絡(luò)管理到試驗對象網(wǎng)絡(luò)管理、地面站網(wǎng)絡(luò)管理到本地地面站網(wǎng)絡(luò)管理以及地面站網(wǎng)絡(luò)管理到遠(yuǎn)程地面站網(wǎng)絡(luò)管理。連接控制消息協(xié)議，主要針對地面站到試驗對象以及地面站到地面站試驗域之間的傳輸規(guī)則。

RF 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

RF 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議遵照有關(guān)通用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，包括三種，分別是：鏈路協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和傳輸協(xié)議。

鏈路協(xié)議規(guī)定網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點均支持以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議，具體可以參照IEEE802.3 標(biāo)準(zhǔn)。IEEE8.02.3 是一個使用CSMA/CD 媒體訪問控制方法的局域網(wǎng)的綜合性標(biāo)準(zhǔn)。其體系結(jié)構(gòu)包括MAC 子層和物理層。物理層包括物理信令子層（PLS）和物理媒體鏈接件（PMA）。MAC 支持?jǐn)?shù)據(jù)鏈路功能，并為LLC 子層提供服務(wù)，MAC 子層還實現(xiàn)幀的封裝、解封，幀的尋址和識別，實現(xiàn)和維護(hù)MAC 協(xié)議，完成幀檢測序列的產(chǎn)生和檢驗等功能。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以IPv4 為基礎(chǔ)，且兼容IPv6。IPv4 不能提供網(wǎng)絡(luò)安全，也不能實施復(fù)雜的路由選項，如在QoS 的水平上創(chuàng)建子網(wǎng)等，所以不適用于安全級別要求相對嚴(yán)格的情況。IPv6 是在IPv4 基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，具有IPv4 的所有功能，并增加了一些更加優(yōu)秀的功能，例如128 位編址能力、擴(kuò)展地址和路由的能力以及內(nèi)嵌式的授權(quán)和加密安全等。

傳說協(xié)議即傳輸控制協(xié)議（TCP）和用戶數(shù)據(jù)報 協(xié) 議（UDP）。TCP實現(xiàn)端到端的通信，提供面向連接的穩(wěn)定可靠的服務(wù)。UDP 采取無連接方式提供高層協(xié)議的信息數(shù)據(jù)處理，允許互相發(fā)送數(shù)據(jù)報。

網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議

iNET 標(biāo)準(zhǔn)（V 0.7 版）中的試驗對象（TA）標(biāo)準(zhǔn)第5 條詳細(xì)要求5.1 款，明確機(jī)載測試網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時間同步遵照IEEE1588 網(wǎng)絡(luò)精確時鐘同步協(xié)議。RF 網(wǎng)絡(luò)單元標(biāo)準(zhǔn)中的第10 條通用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和服務(wù)中的10.3 款，明確RF 網(wǎng)絡(luò)時間同步遵照RFC 1305 網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（NTP：Network Time Protocol Version 3）。

NTP 是網(wǎng)絡(luò)授時同步協(xié)議，可用于遙測網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間同步，其缺點是NTP 協(xié)議假設(shè) NTP 請求和回復(fù)包傳送時延相等，無法克服報文單向時延所造成的影響，同時NTP 在應(yīng)用層需要用軟件方式打時間戳，同步精度較低。其時間服務(wù)器選擇GPS 或北斗作為系統(tǒng)的時間源進(jìn)行授時。

鑒于網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（NTP）主要采用軟件時間同步方法，適用于大型通用網(wǎng)絡(luò)，時間同步精度在毫秒級，而網(wǎng)絡(luò)精確時鐘同步協(xié)議（IEEE 1588）采用軟、硬件相結(jié)合的時間同步方法，時間同步精度可達(dá)微秒級，適用于時間同步精度要求高的測控網(wǎng)絡(luò)，且已在測控網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用。為了把遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的時間同步從毫秒級提高到微秒級，滿足多機(jī)試飛中的遙測網(wǎng)絡(luò)高精度時間同步要求，在遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中用網(wǎng)絡(luò)精確時鐘同步協(xié)議（IEEE 1588）替代傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（NTP）。

結(jié)語

遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（TmNS）是iNET（增強(qiáng)遙測綜合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)）的核心，其優(yōu)于傳統(tǒng)遙測系統(tǒng)的地方在于具備了上下行的雙向鏈路數(shù)據(jù)交換，使得測試對象網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)處于同一個邏輯網(wǎng)絡(luò)。遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，地面端和測試對象端通過網(wǎng)絡(luò)鏈路訪問各個網(wǎng)絡(luò)部分且根據(jù)需求進(jìn)行數(shù)據(jù)運輸交換。對遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制與聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的研究，對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)統(tǒng)一通信協(xié)議的管理、支持各通信實體之間的數(shù)據(jù)交換等方面具有重要意義。