E航海服務(wù)交互的VDES尋址通信解決方案

余錦超

摘 要：詳細(xì)討論VDES應(yīng)用終端訪問E航海服務(wù)的通信交互過程，并提出IALA G1139導(dǎo)則的VDES報文增加獨(dú)立Service ID以支持E航海服務(wù)尋址訪問模式。

關(guān)鍵詞：E航海 VDES 尋址

在E航海時代中，豐富海事服務(wù)和互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用構(gòu)建在IP網(wǎng)絡(luò)中。當(dāng)船端具備互聯(lián)網(wǎng)接入能力，那將可順利獲得所需應(yīng)用服務(wù)?？紤]到移動基站運(yùn)行在4G/5G的高通信頻率，覆蓋范圍比較有限，實(shí)際上在海上可靠的互聯(lián)網(wǎng)通信只有衛(wèi)星通信手段。

VDES的出現(xiàn)為海上互聯(lián)互通提供一種新的可能性，VDES在實(shí)驗(yàn)室中的傳輸速率達(dá)到了384bps/s，理論上可滿足船端的E航海和互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。由于應(yīng)用服務(wù)主要部署在IP網(wǎng)絡(luò)中，而VDES運(yùn)行在VHF網(wǎng)絡(luò)之中，因此船端是不能直接使用VDES訪問到在IP網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)。在VDES中船端使用MMSI進(jìn)行標(biāo)識，在互聯(lián)網(wǎng)中目的服務(wù)地址使用域名或者IP地址進(jìn)行標(biāo)識，要實(shí)現(xiàn)船端和服務(wù)端的雙向通信，需要VDES服務(wù)網(wǎng)關(guān)橋接IP網(wǎng)絡(luò)和VDES網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。VDES服務(wù)網(wǎng)關(guān)需要根據(jù)船端請求的服務(wù)目的地址進(jìn)行路由指向，所以需要在VDES報文中指明服務(wù)目的地的信息。

1.VDES尋址通信報文需要服務(wù)標(biāo)識

船端VDES請求服務(wù)的報文，首先需要進(jìn)入岸基系統(tǒng)進(jìn)行處理。根據(jù)VDES“點(diǎn)到點(diǎn)”的通信機(jī)制，VDES報文應(yīng)該首先發(fā)往附近的VDES基站，實(shí)現(xiàn)VDES數(shù)據(jù)的“上岸”。VDES通過VDE公告板信息或者ASM區(qū)域廣播信息，告知附近船舶該基站的MMSI。在IALA G1139的導(dǎo)則中，VDE和ASM的報文設(shè)置了目的MMSI字段，該字段需要用于指向附近基站MMSI，所以該字段是不能用于承載服務(wù)目的地址。

當(dāng)VDES數(shù)據(jù)進(jìn)入岸基系統(tǒng)后，服務(wù)請求需要進(jìn)一步送往目的服務(wù)端。服務(wù)端可能是在E航海數(shù)據(jù)中心，也可能在互聯(lián)網(wǎng)中。因此在船端和服務(wù)端交互的VDES數(shù)據(jù)，需要設(shè)計一個參數(shù)用于標(biāo)識服務(wù)，稱之為Service ID。通過追蹤Service ID服務(wù)標(biāo)識 ，VDES服務(wù)網(wǎng)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)IP網(wǎng)絡(luò)和VDES網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)路由轉(zhuǎn)換。

2.VDES尋址通信報文中增加服務(wù)標(biāo)識

由于目前IALA G1139導(dǎo)則中并無Service ID字段，下文將圍繞Service ID具體設(shè)計進(jìn)行討論。

2.1非獨(dú)立字段可變長Service ID

不設(shè)置獨(dú)立Service ID字段，且不固定Service ID長度，Service ID只能放在VDES報文的Payload中，Payload的數(shù)據(jù)空間可以最大程度地利用。由于VDES服務(wù)網(wǎng)關(guān)事前不知道Service ID實(shí)際長度，為了獲取Service ID，Payload需要采用結(jié)構(gòu)化語言，并將Service ID和有效數(shù)據(jù)獨(dú)立標(biāo)記，雖不可對Payload數(shù)據(jù)進(jìn)行整體加密，但可支持對標(biāo)記里包含的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，如表1所示。

2.2非獨(dú)立字段固定長度Service ID

Service ID放在VDES報文的Payload中，但是事先定義Service ID在Payload的有效長度，當(dāng)Service ID長度不足固定長度時，使用特殊字符進(jìn)行填充，VDES服務(wù)網(wǎng)關(guān)不需要解釋整個Payload，只需截取固定長度的Service ID部分就可以獲取路由信息，因此可以對除去固定長度Service ID以外的Payload數(shù)據(jù)部分進(jìn)行加密，如表2所示。

2.3獨(dú)立字段可變長（或固定長度）Service ID

該方案是在IALA G1139導(dǎo)則中關(guān)于VDE和ASM的尋址報文中，增設(shè)獨(dú)立的Service ID字段。VDES服務(wù)網(wǎng)關(guān)可以獨(dú)立解釋Service ID獲得服務(wù)目的地址，而無需解釋Payload的具體內(nèi)容，因此payload可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，如表3所示。

2.4三種服務(wù)標(biāo)識方案的討論

非獨(dú)立字段服務(wù)標(biāo)識方案：該模式不改動現(xiàn)有的VDES報文結(jié)構(gòu)，將服務(wù)標(biāo)識和有效數(shù)據(jù)共同放在Payload中，通過結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)或預(yù)定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來界定Service ID。VDES服務(wù)網(wǎng)關(guān)需要對Payload中服務(wù)標(biāo)識進(jìn)行提取，并將剩余的Payload數(shù)據(jù)進(jìn)行重新封裝和路由。

獨(dú)立字段的服務(wù)標(biāo)識方案：該模式是最接近當(dāng)前主流路由交換模式的VDES通信應(yīng)用解決方案，通過VDES服務(wù)網(wǎng)關(guān)可以優(yōu)雅地解決VDES網(wǎng)絡(luò)和IP網(wǎng)絡(luò)的雙向交互問題。該方案需要較小程度地修改IALA G1139的VDES報文結(jié)構(gòu)，對于VDES的終端設(shè)備只涉及到點(diǎn)到點(diǎn)通信報文解碼程序的小修改，并不影響設(shè)備硬件的修造，而且目前國際上VDES終端仍未量產(chǎn)，因此修改VDES報文方案是可以接受的。

3.服務(wù)標(biāo)識在VDES服務(wù)網(wǎng)關(guān)起到的作用

可選用MRN、虛擬MMSI、域名、IP：Port等作為候選服務(wù)標(biāo)識Service ID，但實(shí)際最終請求和服務(wù)響應(yīng)均為TCP/IP數(shù)據(jù)。若Service ID以MRN、虛擬MMSI、域名等方式取值，本質(zhì)上均需轉(zhuǎn)換為IP：Port進(jìn)行處理，且VDES服務(wù)網(wǎng)關(guān)需要增加對應(yīng)參數(shù)與IP：Port的映射關(guān)系，因此下文以IP：Port作為Service ID，說明Service ID在VDES服務(wù)網(wǎng)關(guān)中所起作用，在圖2中顯示以Service ID為服務(wù)標(biāo)識串聯(lián)起各個通信主體。

3.1船端主動發(fā)起的通信請求

在有人駕駛的傳統(tǒng)船舶中，船岸通信主要源于船端發(fā)起的服務(wù)請求，服務(wù)端響應(yīng)船端的請求，并反饋響應(yīng)數(shù)據(jù)。由于請求總會自我標(biāo)識源地址，服務(wù)端由此可知請求端地址，服務(wù)端向船端反饋響應(yīng)數(shù)據(jù)的過程如下文所述和圖1所示。

第一步、船端發(fā)出Service ID字段值為IP_Service：Prot的VDES報文，該報文進(jìn)入VDES岸基系統(tǒng)，Service ID數(shù)值不為空則將報文交給VDES服務(wù)網(wǎng)關(guān)處理。

第二步、V DES服務(wù)網(wǎng)關(guān)提取Service ID和Payload的有效數(shù)據(jù)負(fù)荷，根據(jù)有關(guān)參數(shù)將原數(shù)據(jù)封裝為服務(wù)請求TCP/IP數(shù)據(jù)包，其中服務(wù)請求TCP/IP報文的IP和TCP報頭參數(shù)來源如表4。

第三步、為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向互聯(lián)通信，VDES服務(wù)網(wǎng)關(guān)需要創(chuàng)建如下映射表， MMSI_Ship——IP_VSG：Port_ VSG——IP_Service：Port_Service，用于追溯服務(wù)請求和服務(wù)響應(yīng)的數(shù)據(jù)反饋結(jié)果。

第四步、經(jīng)過上述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和重新封裝，VDES服務(wù)網(wǎng)關(guān)代理VDES船端將向目的服務(wù)端發(fā)起服務(wù)請求。

第五步、服務(wù)端響應(yīng)請求產(chǎn)生TCP/IP的數(shù)據(jù)包，服務(wù)端將向直接服務(wù)請求端，也就是VDES服務(wù)網(wǎng)關(guān)返回響應(yīng)數(shù)據(jù)。其中服務(wù)響應(yīng)TCP/IP報文的IP和TCP報頭參數(shù)來源如表5。

第六步、VDES服務(wù)網(wǎng)關(guān)獲得服務(wù)端響應(yīng)的TCP/IP報文，并從中提取目的地址即是本VDES服務(wù)網(wǎng)關(guān)地址和端口IP_VSG：Port_VSG，源地址即是服務(wù)端的IP_Service：Port_ Service。根據(jù)之前建立的MMSI_ Ship——IP_VSG：Port_VSG——IP_ Service：Port_Service映射表，可以唯一確定服務(wù)原請求端的地址MMSI_ Ship，也就是船端MMSI。由于每次VDES請求通過臨時分配的Port_VSG進(jìn)行了區(qū)分，因此可以VDES服務(wù)網(wǎng)關(guān)可以支持同一個VDES船端向不同的服務(wù)端同時發(fā)起多個請求。

第七步、VDES服務(wù)網(wǎng)關(guān)可以根據(jù)服務(wù)響應(yīng)返回的目的船舶MMSI_ Ship，向VDES岸基系統(tǒng)發(fā)出控制指令，并將IP_Service：Port_Service作為VDES報文的的Service ID字段值，發(fā)送給服務(wù)請求的船舶VDES終端。VDES船端可以根據(jù)Service ID，按照誰請求返回給誰的策略，將服務(wù)反饋數(shù)據(jù)交給船端對應(yīng)的應(yīng)用終端。因此，VDES船端可以支持多個船載應(yīng)用終端同時向不同服務(wù)發(fā)出請求，并且每個船載應(yīng)用終端均能準(zhǔn)確地接收到所請求服務(wù)的響應(yīng)回復(fù)。

3.2服務(wù)端主動發(fā)起的通信請求

在無人船時代，服務(wù)端將會頻繁向船端發(fā)起主動通信，例如：動力控制、調(diào)度指揮，業(yè)務(wù)信息，船載設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、導(dǎo)航信息服務(wù)等。服務(wù)端向船端發(fā)起通信時，需要在任何時刻均可便捷高效地與船端建立通信。由于VDES網(wǎng)絡(luò)中船端使用MMSI來標(biāo)識，因此服務(wù)端需要向船端MMIS地址發(fā)送信息來建立通信。IP網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)端不能直接向船端發(fā)送VDES報文，這時需要VDES服務(wù)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行代理。服務(wù)端發(fā)出的TCP/IP報文使用服務(wù)端IP地址和服務(wù)端口作為源地址IP_ Service和源端口Port_Service，并使用船端MMSI作為目的地址（需要規(guī)則進(jìn)行轉(zhuǎn)換TCP/IP模式）。VDES服務(wù)網(wǎng)關(guān)從TCP/IP報文中提取IP_Service和Port_Service信息作為 Service ID，提取目的地址轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的船端MMSI地址，并以參數(shù)此生成VDES報文發(fā)送至船端。由于VDES報文中包含了Service ID，船端可以較方便地的識別Service ID屬于什么業(yè)務(wù)，可由此判斷從服務(wù)端發(fā)來的數(shù)據(jù)應(yīng)該由哪一種船端應(yīng)用進(jìn)行處理。該過程基本與服務(wù)端響應(yīng)船端請求部分的返回過程類似，同見圖1中服務(wù)端向船端返回數(shù)據(jù)的部分內(nèi)容。

通過以上的分析，在VDES尋址報文中增加服務(wù)標(biāo)識可以有效地解決船端VDES與服務(wù)端雙向通信的問題。

4.小結(jié)

本文作為IALA ENAV23 次會議提案（ENAV23-3.1.17 Addition of IPPort to VDES Messages To support VDES service gateway addressing mode application （G1139）），ENAV委員會的數(shù)字通信工作組WG3和數(shù)字信息系統(tǒng)工作組WG1聯(lián)合對本提案進(jìn)行了審議，普遍認(rèn)為E航海應(yīng)用服務(wù)訪問確實(shí)需要解決信息路由的存在的問題，而本提案是一個良好的開端。

IALA倡議的E航海的MCP海上互聯(lián)互通架構(gòu)，由MSR、MIR、MMS三個核心部分組成，其中MSR負(fù)責(zé)注冊、管理和發(fā)現(xiàn)E航海服務(wù)，MMS負(fù)責(zé)響應(yīng)用戶服務(wù)請求和路由用戶數(shù)據(jù)。VDES服務(wù)網(wǎng)關(guān)是MMS底層橋接異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)具體實(shí)現(xiàn)形式，實(shí)現(xiàn)MSR中服務(wù)注冊標(biāo)識MRN與服務(wù)路由交換標(biāo)識Service ID的轉(zhuǎn)換。通過服務(wù)標(biāo)識Service ID的設(shè)計，IALA G1139導(dǎo)則設(shè)計的VDES通信體系可以較好地融入到E航海MCP整體架構(gòu)中。