一種戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈協(xié)議網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)關(guān)是實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)鏈互聯(lián)互通的有效途徑。本文設(shè)計(jì)了一種多數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)協(xié)議網(wǎng)關(guān)功能結(jié)構(gòu)模型;采用基于中性公用數(shù)據(jù)體的消息格式轉(zhuǎn)換方法，使得協(xié)議網(wǎng)關(guān)在接入新的格式化消息時(shí)，格式轉(zhuǎn)換功能易于升級(jí);提出了不同種類(lèi)格式化消息之間相互轉(zhuǎn)換的協(xié)議，以及消息轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)的鏈路選擇準(zhǔn)則;通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了消息格式轉(zhuǎn)換方法、轉(zhuǎn)換協(xié)議以及鏈路選擇準(zhǔn)則的有效性和可行性。

Abstract： Data link gateway is an effective way to realize interconnection of multi-data links. A protocol gateway functional model of multi-data link system is established， and it adopts the message format conversion method of neutral common data entity， which makes it easy to upgrade the format conversion function when the protocol gateway accesses a new format message. Protocols for converting different types of formatted messages are proposed， as well as the link selection criterion for message forwarding. Both the message format conversion method and protocols and link selection criterion are proved to be effective and feasible by experiments.

關(guān)鍵詞：協(xié)議網(wǎng)關(guān);消息格式轉(zhuǎn)換;鏈路選擇

Key words： protocol gateway;message format conversion;link selection

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393.0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）17-0235-03

1? 數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)關(guān)的發(fā)展現(xiàn)狀

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)且环N按照統(tǒng)一的通信協(xié)議和消息標(biāo)準(zhǔn)，近實(shí)時(shí)地處理和分發(fā)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)、指揮控制、戰(zhàn)術(shù)協(xié)同和武器控制等格式化消息的數(shù)字通信鏈路[1][2]。不同時(shí)期發(fā)展出來(lái)的各種數(shù)據(jù)鏈滿(mǎn)足特定的戰(zhàn)術(shù)需求[1][3][4]，各個(gè)數(shù)據(jù)鏈有各自的功能特性，難以彼此相互取代。數(shù)據(jù)鏈和整個(gè)指揮控制系統(tǒng)高度融合，短期內(nèi)更換一種全新統(tǒng)一的指控信息系統(tǒng)難度巨大。新型數(shù)據(jù)鏈的發(fā)展趨勢(shì)也是在兼容現(xiàn)有數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，整合新的頻譜資源，提高傳輸速率，改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增大系統(tǒng)容量，提升數(shù)據(jù)分發(fā)和抗干擾抗截獲能力，從戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈終端向聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息系統(tǒng)發(fā)展?？梢?jiàn)，多數(shù)據(jù)鏈長(zhǎng)期并存的局面成為必然[5]。在多鏈并存的局面下，打造互聯(lián)互通互操作的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)是提升軍用網(wǎng)絡(luò)信息體系單元互聯(lián)、信息共享、能力互補(bǔ)以及行動(dòng)協(xié)同的聯(lián)合作戰(zhàn)和全域作戰(zhàn)能力的有效途徑。

研究表明，數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)戰(zhàn)術(shù)信息多鏈共享、指控和協(xié)同跨鏈實(shí)施，有效提升戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的互聯(lián)互通互操作能力。數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)關(guān)的概念最早形成于1999年美國(guó)空軍研究的一份報(bào)告[6]中，是指將具有不同作戰(zhàn)用途、傳輸性質(zhì)及消息格式的數(shù)據(jù)鏈連接起來(lái)實(shí)現(xiàn)互連互通互操作的軟件或軟硬件的組合，使得不同的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)彼此通信。數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)關(guān)如同一個(gè)翻譯，將一種鏈路的格式化消息翻譯成另一種鏈路的格式化消息，讓彼網(wǎng)絡(luò)的作戰(zhàn)單元認(rèn)知到此網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì);強(qiáng)化場(chǎng)景統(tǒng)一，使得作戰(zhàn)單元與上級(jí)之間的交互更加便捷。一個(gè)網(wǎng)關(guān)應(yīng)用場(chǎng)景示例如圖1所示，圖中的預(yù)警機(jī)和指揮所是具有網(wǎng)關(guān)職責(zé)的作戰(zhàn)單元。

典型的網(wǎng)關(guān)有聯(lián)合信息分發(fā)系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備（FJU）[7]，實(shí)現(xiàn)了Link16和Link11之間相互轉(zhuǎn)發(fā)J序列報(bào)文和M序列報(bào)文的功能;防空系統(tǒng)集成器（ADSI）[1]是一個(gè)用來(lái)提供空中態(tài)勢(shì)圖的多輸入通信系統(tǒng)，能夠接入多種數(shù)據(jù)鏈，如Link11、Link16、ATDL-1和綜合廣播業(yè)務(wù)（IBS）等;多戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)處理器（MTP）[1]是美軍用以取代原來(lái)的指揮控制處理器的新型處理器，除支持Link-4A、Link11/1IB和Linkl6外，還支持Link22、JRE、S-TADIL-J等新型數(shù)鏈。

2? 數(shù)據(jù)鏈協(xié)議網(wǎng)關(guān)功能結(jié)構(gòu)模型

文獻(xiàn)[1][8][9]等對(duì)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)關(guān)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)計(jì)難點(diǎn)做了論述，但對(duì)功能結(jié)構(gòu)沒(méi)有較為系統(tǒng)明確地說(shuō)明。本文從多數(shù)據(jù)鏈信息互通共享的應(yīng)用需求出發(fā)，設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)據(jù)鏈協(xié)議網(wǎng)關(guān)（Data Link Protocol Gateway， DLPG），其功能結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

DLPG集成了多數(shù)據(jù)鏈信息處理的軟硬件設(shè)施，可以接入并轉(zhuǎn)發(fā)多種鏈路的不同格式消息。鏈路消息解析封裝引擎完成格式化消息的解析或封裝。轉(zhuǎn)換協(xié)議明確了消息數(shù)據(jù)元素同中性公用數(shù)據(jù)體（NPDE）相互轉(zhuǎn)換的方式和規(guī)則。DLPG按消息的功能域分別創(chuàng)建數(shù)據(jù)隊(duì)列，隊(duì)列對(duì)象被隊(duì)列管理器按消息時(shí)間或優(yōu)先級(jí)排序，按時(shí)效性刪除或更新。鏈路選擇功能使得消息能被傳輸質(zhì)量高的鏈路發(fā)送出去。消息傳輸頻率匹配是指源消息從高頻率傳輸鏈路向低頻率傳輸鏈路轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，需要丟棄一些消息以降低轉(zhuǎn)換頻率，從而適應(yīng)低頻率傳輸鏈路的消息收發(fā)規(guī)則。反之，需要將消息所含的狀態(tài)值推算到特定時(shí)間點(diǎn)上再轉(zhuǎn)發(fā)出去。戰(zhàn)術(shù)消息中的一些狀態(tài)量是基于源發(fā)者的時(shí)間和空間坐標(biāo)系的，這些狀態(tài)信息經(jīng)過(guò)無(wú)線傳輸、隊(duì)列駐留和轉(zhuǎn)發(fā)的過(guò)程，已經(jīng)過(guò)期，不能反映目標(biāo)當(dāng)前的狀態(tài)，因此轉(zhuǎn)發(fā)信息要經(jīng)過(guò)時(shí)間或空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換處理后才能被使用。

3? 采用中性公用數(shù)據(jù)體的消息格式轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的一對(duì)一方式的消息轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)存在N2復(fù)雜度的格式轉(zhuǎn)換問(wèn)題，當(dāng)新的數(shù)據(jù)鏈集成進(jìn)來(lái)的時(shí)候，新數(shù)據(jù)鏈要與舊系統(tǒng)中的每一種數(shù)據(jù)鏈建立消息格式轉(zhuǎn)換關(guān)系，轉(zhuǎn)換系統(tǒng)改動(dòng)量大，可擴(kuò)展性差，維護(hù)升級(jí)成本較高。

本文的DLPG采用了中性公用數(shù)據(jù)體NPDE作為轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)中間體來(lái)進(jìn)行不同鏈路間相似功能域消息的格式轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)。格式轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)如圖3所示，DLPG收到某種格式的消息或指令后，先調(diào)用相應(yīng)的消息解析封裝引擎將其所含戰(zhàn)術(shù)信息解析出來(lái)，然后根據(jù)信息項(xiàng)映射關(guān)系，將信息元素值轉(zhuǎn)換傳遞到NPDE中，以供封裝發(fā)送階段或其它用戶(hù)按需取用。NPDE，以及消息元素同NPDE的信息項(xiàng)之間的映射表以配置文件的形式存在，在網(wǎng)關(guān)運(yùn)行時(shí)被加載讀取。當(dāng)有新的數(shù)據(jù)鏈及格式化消息需要集成進(jìn)來(lái)時(shí)，更新NPDE和信息項(xiàng)映射關(guān)系表，并修改該格式化消息向NPDE轉(zhuǎn)換的程序代碼即可。NPDE的引入打破了一對(duì)一的轉(zhuǎn)換綁定關(guān)系，使消息格式轉(zhuǎn)換功能易于擴(kuò)展和維護(hù)。

NPDE按照兩兩綜合的方式被提升擴(kuò)充，即先用CMC中的兩種消息按照轉(zhuǎn)換協(xié)議構(gòu)建一級(jí)NPDE，然后用集合中的第三種消息同一級(jí)NPDE按協(xié)議構(gòu)建二級(jí)NPDE，以此類(lèi)推，構(gòu)建出CMC的終級(jí)NPDE。創(chuàng)建好NPDE之后，還要建立維護(hù)好CMC中每種消息的數(shù)據(jù)元素同NPDE元素的映射關(guān)系表，以供轉(zhuǎn)換代碼讀取查詢(xún)。

4? 轉(zhuǎn)換協(xié)議

轉(zhuǎn)換協(xié)議是指由功能域相似的不同格式的消息經(jīng)由中性公用數(shù)據(jù)體相互轉(zhuǎn)換時(shí)應(yīng)遵循的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)定和約束。

不同協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的某些消息具有相似的功能域，比如Link16中的目標(biāo)監(jiān)視消息和VMF協(xié)議中定義的戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)信息消息，兩者都用于描述目標(biāo)的狀態(tài)和屬性，各自的大部分?jǐn)?shù)據(jù)元素表示著相同的信息，兩者在信息層面上存在大量交集，具有相似的功能域，因此它們適合承載彼此的信息。功能域相似的不同協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的消息組成一個(gè)可轉(zhuǎn)消息集（Conveying Message Collection， CMC）。

CMC中的各個(gè)消息表達(dá)相同信息的數(shù)據(jù)元素的表示形式不盡相同，比如目標(biāo)監(jiān)視消息中的地理位置用經(jīng)度和緯度（單位度）兩個(gè)元素表示，而戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)信息消息中用度、分、秒（毫秒）至少6個(gè)元素來(lái)表示;目標(biāo)監(jiān)視消息中用東和北兩個(gè)方向上的距離分量來(lái)表示目標(biāo)-觀測(cè)者相對(duì)位置，而戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)信息消息用距離和方位來(lái)表示。可見(jiàn)，消息中的可轉(zhuǎn)遞元素的映射關(guān)系是多對(duì)多的。

多對(duì)多的映射關(guān)系需要拆成兩對(duì)一對(duì)多的關(guān)系來(lái)描述。據(jù)此，引入一個(gè)綜合信息中間體來(lái)解決多對(duì)多的映射關(guān)系描述。綜合信息中間體即就是中性公用數(shù)據(jù)體（NPDE），它不以傳輸為目的，其結(jié)構(gòu)同各種消息格式保持獨(dú)立，是中性的，適宜公用的。它所含的元素在信息層面上相互獨(dú)立，沒(méi)有重復(fù)語(yǔ)義，涵蓋某功能域的所有信息項(xiàng)。NPDE按照以下轉(zhuǎn)換協(xié)議生成：

①描述消息結(jié)構(gòu)而不攜帶戰(zhàn)術(shù)信息的元素不收納;

②各自獨(dú)有的且攜帶戰(zhàn)術(shù)信息的元素原樣納入;

③表示相同信息的元素?fù)駜?yōu)收納，擇優(yōu)準(zhǔn)則如下：

1）取值精度高的元素納入;

2）定義域?qū)拸V的元素納入;

3）語(yǔ)義通用性強(qiáng)的元素納入;

4）脫離原有消息格式而語(yǔ)義無(wú)重復(fù)無(wú)歧義的元素納入;

5）當(dāng)上述四條準(zhǔn)則出現(xiàn)沖突時(shí)，按4）-3）-2）-1）的優(yōu)先級(jí)順序?qū)嵤?/p>

5? 鏈路選擇

協(xié)議網(wǎng)關(guān)（DLPG）接入了多種數(shù)據(jù)鏈，同時(shí)處在多個(gè)數(shù)據(jù)鏈構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)中。因此DLPG在轉(zhuǎn)發(fā)消息時(shí)需要依據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則選定一條鏈路質(zhì)量可靠的數(shù)據(jù)鏈。被選鏈路應(yīng)遵循QoS良好、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載低的原則。如在圖1所示的數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)關(guān)應(yīng)用場(chǎng)景中，艦艇編隊(duì)探測(cè)得到的目標(biāo)信息原本是通過(guò)Link11發(fā)送給指揮所的，但因Link11鏈路質(zhì)量不佳，不能保證消息的可靠傳達(dá)。作為網(wǎng)關(guān)的預(yù)警機(jī)在判得Link16鏈路質(zhì)量更加可靠時(shí)，便將目標(biāo)信息報(bào)文經(jīng)過(guò)格式轉(zhuǎn)換后通過(guò)Link16發(fā)給指揮所。

多數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)對(duì)信息共享的要求是轉(zhuǎn)發(fā)速率和質(zhì)量[10]，因此多數(shù)據(jù)鏈綜合運(yùn)用一方面要求信息在鏈間實(shí)時(shí)快速傳遞，盡量減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間;另一方面要求信息以較少的減損量轉(zhuǎn)遞到目的鏈路。端到端時(shí)延是影響消息轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)時(shí)性的重要因素;傳輸信道上的信噪比決定著到達(dá)對(duì)端的消息信號(hào)能否被檢波解碼，是衡量鏈路質(zhì)量的另一個(gè)重要指標(biāo);消息格式轉(zhuǎn)換時(shí)信息轉(zhuǎn)換傳遞的效率直接影響信息轉(zhuǎn)發(fā)共享的質(zhì)量。

因此，建立時(shí)延、信噪比和信息轉(zhuǎn)遞效率的鏈路質(zhì)量評(píng)價(jià)準(zhǔn)則來(lái)衡量鏈路的轉(zhuǎn)發(fā)性能，評(píng)價(jià)準(zhǔn)則函數(shù)如下：

其中Di表示第i條鏈路端到端的時(shí)延，SNRi表示第i條鏈路端到端的信噪比，ICEi表示消息經(jīng)由第i條鏈路轉(zhuǎn)換發(fā)送時(shí)的信息轉(zhuǎn)遞效率，？琢、？茁和？酌為權(quán)系數(shù)，其和為1。時(shí)延包括傳輸時(shí)延Dt和傳播時(shí)延Dp，即：

Dti是數(shù)據(jù)在當(dāng)前數(shù)據(jù)鏈節(jié)點(diǎn)中的排隊(duì)時(shí)間，Dpi是數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)間傳播的時(shí)間，計(jì)算公式如下：

其中LEN為數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度，Si為發(fā)射速率。

其中D為節(jié)點(diǎn)間距離，C為光速。信噪比SNRi計(jì)算公式如下[11]：

其中Pr表示接收功率，Pamb表示環(huán)境噪聲功率，Pte表示熱噪聲功率。信息轉(zhuǎn)遞效率ICEi計(jì)算公式如下：

其中N表示源消息中含有的信息項(xiàng)總數(shù)，no表示該消息向目的格式消息轉(zhuǎn)換時(shí)無(wú)信息損失的項(xiàng)數(shù)，nl表示轉(zhuǎn)換時(shí)有信息損失的項(xiàng)數(shù)，當(dāng)消息在本鏈路終端之間傳遞時(shí)，信息轉(zhuǎn)遞效率為1。

時(shí)延和信噪比經(jīng)計(jì)算后可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層上的路由請(qǐng)求和應(yīng)答過(guò)程上傳，然后計(jì)算鏈路質(zhì)量Q，Q值越大，表示該鏈路的傳輸質(zhì)量越高，消息通過(guò)該鏈路來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)，可以保證轉(zhuǎn)發(fā)的實(shí)時(shí)性和可達(dá)性最高。

6? 實(shí)驗(yàn)和結(jié)論

基于數(shù)據(jù)鏈協(xié)議網(wǎng)關(guān)（DLPG）的功能結(jié)構(gòu)模型，用C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了DLPG的原型，其中的NPDE由XML描述的配置文件來(lái)定義，用XMLSpy工具進(jìn)行編輯和執(zhí)行規(guī)范性合法性檢驗(yàn)，用成熟開(kāi)源的XML處理引擎TinyXML對(duì)其進(jìn)行解析。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了Link16中態(tài)勢(shì)類(lèi)消息和VMF協(xié)議中相應(yīng)消息之間的轉(zhuǎn)換，將目的鏈路上所得的戰(zhàn)術(shù)信息同源信息對(duì)比發(fā)現(xiàn)，一些信息被無(wú)損傳遞，但一些信息產(chǎn)生了損失，原因是這些信息所表征的物理量是經(jīng)采樣量化編碼后寫(xiě)入格式化消息中的，而不同消息協(xié)議中定義的物理量的采樣間隔不同，因此帶來(lái)了轉(zhuǎn)換后數(shù)值精度的降低或偏差;或者是數(shù)據(jù)元素的定義域不同，交集部分的值可以轉(zhuǎn)遞，補(bǔ)集部分的值做特殊映射，造成了信息丟失;還有一些源信息無(wú)法在目的消息中找到承載項(xiàng)，自然無(wú)法被目的鏈路傳遞，但這部分信息都被原樣存儲(chǔ)到了中性公用數(shù)據(jù)體中，以備某種方式取用。消息協(xié)議的不同造成格式轉(zhuǎn)換過(guò)程產(chǎn)生信息減損無(wú)法避免，但按本文的轉(zhuǎn)換協(xié)議保證了消息轉(zhuǎn)換時(shí)信息的減損最小。

實(shí)驗(yàn)表明，采用中性公用數(shù)據(jù)體的消息格式轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)，使得DLPG對(duì)新鏈路的持續(xù)集成和其功能擴(kuò)展變得容易，降低了系統(tǒng)升級(jí)和改造的工作量。隨著DLPG持續(xù)接入更多的鏈路，中性公用數(shù)據(jù)體不斷擴(kuò)充和完善，所含戰(zhàn)術(shù)信息不斷豐富，這為戰(zhàn)術(shù)信息“按需獲取”、“關(guān)聯(lián)式調(diào)用”等深層次綜合運(yùn)用奠定了基礎(chǔ)。鏈路選擇實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)VMF的鏈路信噪比設(shè)置較低時(shí)，DLPG自動(dòng)選擇Link16將目標(biāo)信息轉(zhuǎn)發(fā)到目的地址，表明使用時(shí)延、信噪比和信息轉(zhuǎn)遞效率的鏈路質(zhì)量評(píng)價(jià)方法作為轉(zhuǎn)發(fā)選鏈規(guī)則是有效的。

本文的DLPG沒(méi)有研究與轉(zhuǎn)發(fā)隊(duì)列的輸入或輸出競(jìng)爭(zhēng)相關(guān)的問(wèn)題，鏈路選擇規(guī)則缺少對(duì)鏈路負(fù)載因素的考慮，下一步將加以研究。

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作者簡(jiǎn)介：馬驍（1990-），男，陜西漢中人，助理工程師，主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)鏈信息處理。