基于TCP/IP組網(wǎng)技術(shù)的衛(wèi)星應(yīng)急通信網(wǎng)管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王興偉

（新疆庫(kù)爾勒市塔里木油田公司信息與通信技術(shù)中心，新疆 庫(kù)爾勒 841000）

0 引 言

近年來(lái)，全球性突發(fā)事件和自然災(zāi)害問(wèn)題頻發(fā)。在對(duì)各類應(yīng)急事件進(jìn)行處置時(shí)，若能夠采用有效的應(yīng)急手段，并通過(guò)通信實(shí)現(xiàn)對(duì)事件發(fā)生具體情況的匯報(bào)和指揮，就能將事件造成的危害降到最低。當(dāng)前，我國(guó)網(wǎng)絡(luò)使用人數(shù)較多，在應(yīng)對(duì)各類突發(fā)事件時(shí)，通信網(wǎng)絡(luò)會(huì)受到更大的沖擊與挑戰(zhàn)[1]。為了解決這一問(wèn)題，相關(guān)領(lǐng)域研究人員對(duì)通信保障進(jìn)行了深入研究，并實(shí)現(xiàn)了有線與無(wú)線的結(jié)合、基礎(chǔ)電信網(wǎng)絡(luò)與機(jī)動(dòng)通信的結(jié)合，形成了相對(duì)完善的衛(wèi)星應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)[2]。當(dāng)前，應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)主要?jiǎng)澐譃楣姂?yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)和專用應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)不同的類型，其對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)種類也不相同。當(dāng)?shù)孛嫔系耐ㄐ旁O(shè)備遭到破壞時(shí)，常常會(huì)造成通信孤島現(xiàn)象，而衛(wèi)星通信則成為了少數(shù)具備高可靠性的通信方式，其使用頻率相對(duì)較高[3]。在實(shí)際應(yīng)用中，衛(wèi)星應(yīng)急通信具備可遠(yuǎn)距離通信、費(fèi)用與通信距離無(wú)關(guān)、覆蓋面積廣等優(yōu)勢(shì)[4]。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大，衛(wèi)星傳輸?shù)脑O(shè)備類型在逐漸增多，相應(yīng)的數(shù)量也逐漸增加，針對(duì)衛(wèi)星應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的管控難度也進(jìn)一步提升。由于以往管控模式已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)前對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)管控的需要，因此嘗試引入傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議 （Transmission Control Protocol / Internet Protocol，TCP/IP）組網(wǎng)技術(shù)開(kāi)展衛(wèi)星應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 TCP/IP組網(wǎng)技術(shù)研究

TCP/IP組網(wǎng)是指包含傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP）和網(wǎng)間互連協(xié)議（Internet Protocol，IP）的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，圖1為TCP/IP組網(wǎng)技術(shù)模型基本結(jié)構(gòu)。

圖1 TCP/IP組網(wǎng)技術(shù)模型基本結(jié)構(gòu)

TCP/IP模型中包含了網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層以及應(yīng)用層，同時(shí)在應(yīng)用層又涵蓋了開(kāi)放式系統(tǒng)互聯(lián)（Open System Interconnection，OSI）參考模型中的應(yīng)用層、表示層以及會(huì)話層。在TCP協(xié)議棧中，除了包含必須具備的TCP協(xié)議層和IP協(xié)議層外，還包含了其他普通的應(yīng)用規(guī)范層，并且其中部分應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上的通信傳輸，如路由器與交換機(jī)之間的通信傳輸。在TCP/IP中，傳輸層的主要功能是通過(guò)滑動(dòng)窗口實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的實(shí)時(shí)控制[5]。同時(shí)，在通信的過(guò)程中應(yīng)用TCP/IP能夠進(jìn)一步提高通信的可靠性。在應(yīng)用TCP/IP組網(wǎng)技術(shù)時(shí)，TCP連接實(shí)質(zhì)是一個(gè)實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)倪^(guò)程，通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的平衡式通信，通信過(guò)程中無(wú)論是接收方還是發(fā)送方都能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)通信鏈路的連接或中斷[6]。在網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，一個(gè)數(shù)據(jù)分組從某一位置向另一位置傳輸數(shù)據(jù)時(shí)需要選擇一條傳送路徑，而這一過(guò)程需要在TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)層中完成。在路由表中，并不是每一個(gè)具體的目標(biāo)IP地址都明確指明一條通信路徑，只有目標(biāo)IP地址所在的網(wǎng)絡(luò)能夠指明，以此能夠?qū)⒙酚纱笮】刂圃诳煽胤秶鷥?nèi)。在對(duì)路由表進(jìn)行查找時(shí)，目標(biāo)主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)IP地址即為其查找的重要依據(jù)。

根據(jù)不同應(yīng)用功能，TCP/IP組網(wǎng)在應(yīng)用中可分為局域網(wǎng)組網(wǎng)和廣域網(wǎng)組網(wǎng)。其中，局域網(wǎng)組網(wǎng)是指在一個(gè)范圍相對(duì)較小的區(qū)域內(nèi)完成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)搭建，通常在園區(qū)和企業(yè)中應(yīng)用。廣域網(wǎng)組網(wǎng)通常應(yīng)用在更大范圍中[7]。從兩種組網(wǎng)形式的層次結(jié)構(gòu)上看，兩者的區(qū)別在于OSI參考模型的物理層和鏈路層。在組建局域網(wǎng)時(shí)，通?？蓱?yīng)用藍(lán)牙技術(shù)、紅外線技術(shù)以及擴(kuò)展頻譜技術(shù)等實(shí)現(xiàn)。在無(wú)線局域網(wǎng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，包含無(wú)線網(wǎng)卡、無(wú)線接入點(diǎn)等接口[8]。在組網(wǎng)的過(guò)程中，應(yīng)用虛擬專用網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)快速構(gòu)建，并縮短部署周期，但存在帶寬不可控和網(wǎng)管不可控等問(wèn)題。

2 衛(wèi)星應(yīng)急通信網(wǎng)管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)

衛(wèi)星應(yīng)急通信網(wǎng)管控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于TCP/IP組網(wǎng)技術(shù)的管控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

該管控系統(tǒng)共分為3層，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)客戶端的同時(shí)操作[9]。在服務(wù)器與客戶端之間引入TCP/IP協(xié)議，服務(wù)器采用串口通信的方式實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星通信設(shè)備的匹配。在管控系統(tǒng)的客戶端中，主要為用戶提供可以人機(jī)交互的圖形操作界面，通過(guò)日常監(jiān)控、管理以及配置實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星應(yīng)急通信網(wǎng)的管控。同時(shí)，在客戶端當(dāng)中還增加了監(jiān)控、配置、安全以及故障這4個(gè)方面的管理模塊[10]。管控系統(tǒng)的服務(wù)器端主要對(duì)用戶在客戶端上執(zhí)行的各項(xiàng)操作、配置等進(jìn)行傳輸，將其傳至各個(gè)具體的通信設(shè)備上，并將設(shè)備接收指令后產(chǎn)生的反饋信息傳輸回客戶端，呈現(xiàn)給用戶。同時(shí)，在這一模塊中還需要完成對(duì)通信網(wǎng)在運(yùn)行中各類重要參數(shù)、告警參數(shù)的輪詢，并實(shí)現(xiàn)對(duì)通信接口的直接管理[11]。衛(wèi)星子模塊主要包含管控系統(tǒng)中原有的應(yīng)急通信網(wǎng)架構(gòu)，屬于被系統(tǒng)管控的對(duì)象。在實(shí)際應(yīng)用中需要對(duì)衛(wèi)星子模塊通信接口進(jìn)行添加或定義，在完成對(duì)管控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的接入后實(shí)現(xiàn)管理和控制。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

在完成管控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)后，針對(duì)其硬件部分進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。管控系統(tǒng)的硬件包含數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI）、以太網(wǎng)交換機(jī)等。其中數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器選用2488H V5-687型2U4路機(jī)架服務(wù)器，硬盤容量為1000 GB，接口為SATA類型，集成BMC管理模塊，支持遠(yuǎn)程管理等，能夠?yàn)楣芸叵到y(tǒng)中TCP/IP組網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用提供便利條件。GUI用于實(shí)現(xiàn)對(duì)管控情況的可視化展現(xiàn)，進(jìn)一步提高管控系統(tǒng)的人機(jī)交互能力。除此之外，管控系統(tǒng)中還包含串口服務(wù)器設(shè)備，采用CDM-5944系列調(diào)制解調(diào)器和AWM-2500系列的125 W功放。設(shè)備通信采用串口通信方式，通過(guò)串口服務(wù)器與交換機(jī)的連接實(shí)現(xiàn)。調(diào)制解調(diào)器通過(guò)RS485接口與串口通信服務(wù)器進(jìn)行連接。此外，管控系統(tǒng)中交換機(jī)的應(yīng)用主要實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部各硬件設(shè)備的交互連接。選用S5024PV5-EI-HPWR型號(hào)交換機(jī)，包含28個(gè)端口，可實(shí)現(xiàn)更多通信設(shè)備與輔助設(shè)備的連接。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的可行性，將其應(yīng)用到某衛(wèi)星應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)其進(jìn)行合理管控。為了確保應(yīng)用結(jié)果具有可對(duì)比性，將基于TCP/IP組網(wǎng)技術(shù)的管控系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)組，以基于縱向融合框架（Vertical Converged Framework，VCF）技術(shù)的管控系統(tǒng)作為對(duì)照組，確保兩種系統(tǒng)在相同的運(yùn)行環(huán)境當(dāng)中運(yùn)行。為了確保實(shí)驗(yàn)的客觀性，兩種管控系統(tǒng)均在Proliant DL380G6數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、Ws-c3560-24TS以太網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)成的環(huán)境中完成測(cè)試。其中Proliant DL380G6數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的內(nèi)存為4 GB，Ws-c3560-24TS以太網(wǎng)交換機(jī)支持虛擬局域網(wǎng)（Virtual Local Area Network，VLAN）劃分。為了驗(yàn)證兩種管控系統(tǒng)的應(yīng)用效果，選擇通信網(wǎng)絡(luò)的衛(wèi)星通信傳輸與地面通信傳輸?shù)淖詣?dòng)切換管控作為評(píng)價(jià)內(nèi)容。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先控制通信設(shè)備進(jìn)行地面?zhèn)鬏?，在傳輸一段時(shí)間后人為中斷，此時(shí)分析兩種管控系統(tǒng)能否通過(guò)有效的管理和控制實(shí)現(xiàn)從地面?zhèn)鬏數(shù)叫l(wèi)星傳輸?shù)霓D(zhuǎn)換，并在這一過(guò)程中記錄兩種管控系統(tǒng)應(yīng)用下地面?zhèn)鬏數(shù)叫l(wèi)星傳輸過(guò)程消耗的時(shí)間以及切換時(shí)是否存在通信數(shù)據(jù)丟失的問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄

根據(jù)表1，實(shí)驗(yàn)組管控系統(tǒng)在進(jìn)行地面?zhèn)鬏數(shù)叫l(wèi)星傳輸?shù)那袚Q時(shí)，切換時(shí)間均在12～30 ms，而對(duì)照組切換時(shí)間均超過(guò)了150 ms，表明實(shí)驗(yàn)組在管控系統(tǒng)控制下能夠?qū)崿F(xiàn)更快速的通信傳輸切換。再對(duì)兩組通信網(wǎng)切換中數(shù)據(jù)丟失量進(jìn)行對(duì)比，表明實(shí)驗(yàn)組在管控系統(tǒng)5次切換中并沒(méi)有出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題，而對(duì)照組管控系統(tǒng)在5次切換中均出現(xiàn)了數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題，并且數(shù)據(jù)丟失量均超過(guò)了100 bit，已經(jīng)對(duì)通信內(nèi)容造成了一定影響。綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，基于TCP/IP組網(wǎng)技術(shù)的管控系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)衛(wèi)星應(yīng)急通信網(wǎng)的有效控制，確保在進(jìn)行衛(wèi)星傳輸和地面?zhèn)鬏斍袚Q時(shí)不會(huì)影響到通信傳輸質(zhì)量，促進(jìn)衛(wèi)星應(yīng)急通信網(wǎng)通信服務(wù)水平的進(jìn)一步提升。

4 結(jié) 論

通過(guò)引入TCP/IP組網(wǎng)技術(shù)提出了一種全新的管控系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該管控系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星應(yīng)急通信網(wǎng)的管控效果。本文在研究過(guò)程中重點(diǎn)針對(duì)管控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)與硬件進(jìn)行了深入研究，針對(duì)軟件部分的研究較少。在后續(xù)研究中，將從軟件方面對(duì)該管控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)應(yīng)用效果，提升其實(shí)際應(yīng)用的適應(yīng)性。