基于網關轉換與分域控制的數據傳輸技術

陳可揚，郭愛紅

（1.中北大學，太原 030006；2.北方自動控制技術研究所，太原 030006）

0 引言

目前，戰術機動通信網絡存在戰術互聯網［1］、數據鏈［2］等多種組網體制，網系互聯不暢，“網”和“鏈”分離，“網”和“鏈”之間無法直接互通，數據需要落地轉發，無法高效支撐跨網系異構傳輸協議的自動鉸鏈，同時不同的戰術子網間呈現上下行信道不對稱特點［3］，數據無法針對網絡帶寬進行自適應調整，易造成網絡堵塞。另外，網絡與上層應用系統的信息需求、信息類別、優先等級等QoS 要求脫節，如何合理分配、動態調整使用通信資源，緩解網絡擁塞，提高網絡資源利用率和服務質量是亟待解決的問題，尤其在子網間進行相同數據信息共享時，不考慮底層實際的網絡拓撲，存在子網間多次發送，帶寬消耗大的問題。

針對機動戰術通信網絡環境，有作者提出戰術級一體化戰場信息傳輸系統［4］，但是該系統未有效解決存在的多種通信技術體制轉換難、有限網絡資源高效運用調度弱等問題，研究基于網關轉換與分域控制的數據傳輸技術，一方面向應用屏蔽異構戰術子網鏈路的傳輸差異性，進行自動化的網關數據轉換，支持傳輸協議層數據的不落地轉換；另一方面將實際的網絡拓撲結構與實際的作戰應用相結合，設計雙層傳輸管控機制，對上邏輯化作戰編組等信息為傳輸邏輯域，對下匹配實際的物理網絡，支持單子網多域以及多子網單域，數據在域內共享、域間定制，完成跨戰術子網的數據包自適應拆包，同時提供戰術子網間的傳輸路徑優選，在大數據量傳輸時有效降低戰術子網間的帶寬消耗；最后，針對用戶的業務傳輸需求，提供數據優先級自適應調整，提高數據的傳輸效率。

1 基于網關轉換與分域控制的數據傳輸技術

1.1 概述

現階段，機動戰術通信網絡存在短波、超短波、微波、散射、衛星等多種通信手段，以及戰術互聯網、數據鏈等多網系，存在不同通信鏈路下傳輸協議各異、各信息系統信息無法直通的問題，需要互通的系統往往需要加載各專用傳輸服務，系統臃腫，資源消耗大，并且數據傳輸與實際網絡拓撲分離，無法適應通信帶寬的變化，存在數據泛洪或信道堵塞、數據堆積的問題，影響了節點間信息傳輸效果，制約了信息系統的系統互聯與整體互動。針對該問題，研究基于網關轉換與分域控制的數據傳輸技術，為上層應用提供底層自適應傳輸支撐，提供網關數據轉換、雙層傳輸管控以及優先級自適調整三大能力。

基于網關轉換與分域控制的數據傳輸技術，能夠完成節點內網鏈一體傳輸，減少應用干預，對本節點通過戰術互聯網、數據鏈、衛星等通信網絡手段接收的數據，進行統一傳輸格式轉換，支持數據的不落地轉發，精簡數據流程；同時，匹配應用的傳輸需求，根據網絡帶寬等因素進行傳輸優先級以及傳輸QOS 的自適應調整，并與實際的物理網絡拓撲緊密結合，完成不同子網間的數據快速代理轉換，在大數據量傳輸時，能夠有效降低子網間的數據傳輸次數，提高數據的傳輸效率。

1.2 典型傳輸流程設計

設計跨異構戰術子網間進行應用數據傳輸的應用場景，描述基于網關轉換與分域控制的數據傳輸技術的典型傳輸流程，具體如圖1 所示。網絡1內的指揮節點1 需要向網絡2 內的指揮節點2，以及兩個火力打擊節點發送戰場目標情報信息，改變了原來指揮節點1 依次發送3 次的方式，僅向指揮節點2 發送1 次，指揮節點2 接收到數據后，向子網內的兩個火力打擊節點轉發，實現子網差異傳輸。指揮節點1 向指揮節點2 發送時，在數據傳輸控制方面，考慮用戶的實際傳輸需求，根據網絡鏈路狀態進行判斷，映射成網絡傳輸的控制QOS，同時對戰術子網進行狀態分析，結合實際網絡拓撲狀態、傳輸信道類型，完成子網傳輸數據的轉換；在轉換完成后，根據實際帶寬條件，進行子網轉換控制，完成最后的網關數據轉換。在業務數據傳輸方面，首先在指揮節點1 內完成網絡1 向網絡2 的傳輸協議轉換；然后，考慮兩種子網的帶寬差異、丟包率等狀態特性，將戰場目標情報信息進行拆包緩存，存入發送隊列，對拆包數據發送進行擁塞控制、流量調整以及隊列調度完成拆包數據的發送，在發送拆包數據時，添加全域對象標識，使數據可以正確到達指揮節點2；最后，指揮節點2 接收到完整的戰場目標情報信息，去掉全域對象標識，減少整體的數據包大小，在網絡2 內進行數據轉發，保證兩個火力打擊節點對數據的正常接收。

圖1 網關數據轉發流程設計圖

2 典型能力設計

2.1 網關數據轉換設計

網關數據轉換主要解決戰術子網間異構傳輸協議之間的自動轉換問題。網關轉換提供網鏈綜合控制轉換能力，能夠對服務部署本級接收的戰互網傳輸協議、數據鏈I 傳輸協議、數據鏈II 傳輸協議、北斗傳輸協議等數據，進行統一傳輸格式轉換，支持數據的不落地轉發，精簡數據流程，對應用系統屏蔽戰術互聯網、數據鏈I、數據鏈II 的差異，主要包括主控、綜合消息處理、戰互網接入控制、數據鏈I 接入控制、數據鏈II 接入控制、北斗傳輸接入控制等功能，如圖2 所示。

圖2 網鏈綜合控制轉換功能組成示意圖

其中，主控功能完成各接入、控制功能之間進行信息交互，統一對外進行業務和管理信息交互；戰互網、數據鏈I、數據鏈II、北斗接入控制功能主要完成戰術互聯網、數據鏈I、數據鏈II、北斗等傳輸設備的信息接入；綜合消息處理功能主要完成各網、鏈傳輸消息編解碼和轉換處理。

網關數據轉換支持將異構的傳輸協議映射為統一的數據傳輸格式，也支持統一的數據傳輸格式映射轉換為現役的傳輸協議，簡化流程如圖3 所示。

圖3 網關數據轉換流程示意圖

2.2 雙層傳輸管控設計

雙層傳輸管控機制針對作戰任務多變，網絡拓撲多樣的特點，對上提供針對作戰編組等邏輯域的劃分支持，對下映射實際的網絡拓撲，支持單子網多域以及多子網單域，實現傳輸域內的數據共享與域間數據隔離，主要包括跨域主控、代理控制、數據緩存以及拆包組包等功能，如下頁圖4 所示。其中，跨域主控主要完成子網內和子網間數據的接收以及子網內的數據共享，代理控制主要完成子網間的傳輸路徑優選，傳輸路徑首先選擇簇首節點，由簇首節點完成子網間的數據發送與接收，再由簇首節點完成子網內的數據按需共享；數據緩存主要完成發送端與接收端大量數據的臨時緩存，保障數據的有序可靠到達；拆包組包完成跨帶寬子網間的自適應拆包處理，避免數據過大造成網絡堵塞。

圖4 拓撲隔離代理轉發功能組成示意圖

在實際的作戰應用中，底層的戰術子網可以為戰術互聯網、數據鏈、北斗等不同網絡帶寬以及不同傳輸協議的子網，雙層傳輸管控在網關數據轉換基礎上，支持同種類型帶寬差異大的子網數據代理轉換、同種類型帶寬相近子網的數據代理轉換、異構子網帶寬差異大的類型間子網數據代理轉換、異構子網帶寬相近的類型間子網數據代理轉換；提供跨戰術子網帶寬自適應能力、長短對象標識轉換能力以及子網差異傳輸能力。其中，跨戰術子網帶寬自適應能力能夠根據各子網的帶寬等狀態信息，在從寬帶向窄帶網絡進行數據傳輸時，按需自適應將數據包進行拆包緩存，同時控制拆包數據的斷點續傳，避免數據包過大形成網絡堵塞，造成大量數據堆積問題；長短對象標識轉換能力提供子網內傳輸僅包含子網內對象標識的短標識傳輸，在進行跨子網傳輸時，添加全域對象標識保證數據的有效傳輸，減少數據包大小，提高傳輸效率；子網差異傳輸能力能夠考慮實際網絡拓撲關系，跨子網多節點間傳輸相同數據信息時，子網間僅進行一次傳遞，子網內完成節點間數據共享。

數據的自適應拆包發送機制借鑒大數據包可靠重傳機制［5］，主要包括3 個部分，一是在考慮網絡維護帶寬消耗［6］的前提下，明確當前網絡進行數據分包的大小，其中數據分包的大小需要在網絡的最大傳輸單元（MTU，maximum transmission unit）之內；二是根據當前數據分包的大小完成數據拆包；三是進行數據拆包的發送與確認。

設網絡維護帶寬消耗為X，當前的網絡帶寬為Wbps，以50 ms 的總傳輸量為單包數據的總長，單包數據的總長包括傳輸頭大小與業務數據內容的大小，設傳輸頭大小為C，則對業務數據進行拆包的數據大小LenC（單位為Byte）為：

LenC 為后面公式計算的數據向下取整的整數，業務數據長度為L，則總的數據拆包數N 為：

N 為后面公式計算的數據的向上取整整數。

拆包完成后，將業務數據包拆成N 個數據子包，數據子包的發送邏輯如圖5 所示。

圖5 數據發送機制示意圖

數據子包在發送過程中可以拆分為n 個發送模塊，其中：n=N/10。

單個發送模塊的發送過程包括發送模塊內10個數據子包的發送過程F1、數據子包發送完成后的回執確認過程F2、根據回執進行丟包補發的過程F3。單個發送模塊發送完成后，再依此完成后續n-1個發送模塊的發送。

2.3 傳輸優先級自適應調整

優先級策略的基本要求是將大數據包、數據重要程度低、實時性低的數據延后，而盡量將要求小數據包、數據重要程度高、實時性高的數據先分發出去，使得信息系統間信息交互在惡劣的網絡帶寬下也能維持運轉。

優先級策略是把數據分發問題看成是一個數據包大小、數據重要程度、網絡帶寬、實時性等的多維空間，以性能和其他多種特殊要求為約束條件的組合規劃問題，其實質就是解決各因素之間的沖突。

當收到一個需要分發的數據時，首先將對數據的重要程度參數進行解讀，其后分別讀取數據的大小、實時性、當前的網絡帶寬等參數，經過優先級度量換算成優先級數值，按照優先級數值而插入到數據分發的隊列中，數據分發線程一個接一個地將數據選擇合適的分發模型分發到需要的節點。

目前，分發算法主要采用的算法有先入先服務（first come first service，FCFS）算法，水桶調度算法，短消息優先調度算法以及情報種類優先級等算法［7］，但是這些算法中信息的優先權不是動態變化的，不能體現實際的信息傳輸具體需求。

通過挖掘信息本身的屬性，對各節點信息進行分析，同時考慮戰術移動通信環境下帶寬相對較?。?］，本文采用多優先級排隊策略［9］，結合信息需求和分配的網絡資源，對數據傳輸的優先級進行自適應調整，優先級度量的要素包括數據的重要性、實時性、信息大小以及網絡狀態，如圖6 所示。優先級權重的計算公式為∑Y=D1+D2+D3+D4。

圖6 戰場數據優先級要素分析

其中∑Y 為優先級度量的權重值和，根據工作和項目運行中的經驗定義優先級度量因素的權重值。

D1為數據重要性權重。數據信息的重要性主要體現在節點的重要性，主要指結合當前的作戰階段以及作戰單元承擔的作戰任務，來確立當前數據的重要性，考慮的具體因素包括當前作戰單元的作戰階段、作戰位置以及承擔的作戰任務。將數據的重要程度分為4 級：不重要、普通、重要、非常重要，不重要數據的權重確定為0，普通數據的權重確定為0.2，重要數據的權重確定為0.4，非常重要數據的權重確定為0.6。

D2為數據實時性的權重值。數據的實時性要求反應的是對應數據的有效價值期長短，實時性越強，表明數據的有效價值期越短，需要優先保障其傳輸；實時性越弱，表明數據的有效價值期越長，對傳輸則不具備較強的需求，實時性高的數據優先進行傳輸［10］。按此分析，實時性高的數據權重確定為0.15，實時性低的數據確定為0。

D3為網絡帶寬的權重。網絡帶寬會影響實際數據傳輸的傳輸耗時，在網絡帶寬窄或網絡狀態擁堵導致可用網絡帶寬小的情況下，數據往往需進行拆包組包操作，數據傳輸耗時長，此時若數據的有效價值時間短，極有可能造成數據在發送時即已失效，此時的傳輸將毫無意義，對于高價值數據會產生較為嚴重的后果，因此，在同時面對多條網絡通道時，若都有數據傳輸需求，則經過網絡帶寬窄的數據需要優先傳輸保證數據的有效價值，當網絡帶寬狀況惡劣時確定其權重為0.1，當網絡帶寬狀況良好確定其權重為0。

D4為數據大小的權重。數據大小會影響對網絡帶寬的傳輸消耗，此時多考慮文件傳輸需求。在戰術機動作戰通信環境下，戰場環境復雜，單個文件的傳輸可能造成很長時間內通信帶寬被占，其他數據無法傳輸的情況，對文件進行傳輸多集中在通信狀態良好且網絡空閑的情況下，不會造成其他數據的有效傳輸。因此，大小在10 K 以內的文件數據權重確定為0.15，大小在100 K 以內的文件數據權重確定為0.1，大小超過100 K 的時間權重確定為0。

3 試驗結果

在實驗室搭建試驗環境，模擬兩種試驗場景。第1 種試驗場景是傳輸協議異構的兩個戰術子網間進行信息分發；第2 種試驗場景是傳輸協議相同但是網絡帶寬不同的兩個戰術子網間進行信息分發，此文中提及的數據傳輸技術在試驗場景為數據傳輸控制軟件，包括4 個模塊，分別是網鏈傳輸協議自動轉換模塊、子網傳輸控制模塊、自主拆包組包模塊與傳輸優先級調控模塊，其中，網鏈傳輸協議自動轉換模塊，主要實現異構傳輸協議之間的不落地轉換，子網傳輸控制模塊主要實現雙層傳輸管控，子網間多點傳輸改為子網間單點傳輸，子網內再次轉發的方式；自主拆包組包模塊主要完成窄帶寬網絡數據傳輸的拆包組網；傳輸優先級調控模塊主要完成適應業務需求與網絡需求的數據優先級排序與優先級傳輸。試驗環境如下頁圖7 所示。

圖7 戰場數據優先級要素分析

在第1 種試驗場景里面，子網A 模擬戰互網環境，節點A4 為子網A 的傳輸控制節點，子網B 模擬數據鏈I 環境，節點B1 為子網B 的傳輸控制節點，子網A 與子網B 之間通過交換機相連。

此時，子網A 的節點A1 要向子網B 的節點B2發送信息，在節點A4 部署數據傳輸控制軟件的情況下，信息可以正常發送與接收；在節點A4 沒有部署數據傳輸控制軟件的情況下，需要用戶介入完成信息的傳輸協議轉換與發送，說明本文的數據傳輸技術研究可以打破異構鏈路傳輸的壁壘。

在第2 種試驗場景里面，子網A 與子網B 均模擬戰互網環境，節點A4 為子網A 的傳輸控制節點，節點B1 為子網B 的傳輸控制節點，MTU 為1 472 Byte。模擬3 種傳輸試驗。第1 種是雙層傳輸管控試驗，簡稱R2S1 試驗，第2 種是網絡適應下的自主拆包試驗，簡稱R2S2 試驗，第3 種是數據優先級試驗，簡稱R2S3 試驗。

在R2S1 試驗中，子網A 與子網B 內部均為百兆傳輸帶寬，子網A 與子網B 的之間的模擬帶寬相同，均為19.2 kb/s，模擬帶寬消耗為15 %，節點A1要向子網B 的節點B2、節點B3、節點B4 發送信息M1，M1 信息長度為254 字節，在節點A4、節點B1上分別部署數據傳輸控制軟件。

首先在節點B1 上分別關閉與打開數據傳輸控制軟件的子網傳輸控制模塊，在節點A1 上發送M1信息20 次，以開始發送計時，以節點B2、節點B3、節點B4 3 個節點均接收到數據截止計時，得到的傳輸時間對比效果圖如圖8 所示。

圖8 雙層傳輸管控影響分析試驗數據結果圖

R2S1 試驗結果表明，在沒有雙層傳輸管控機制時，完成單點對3 點的數據發送消耗的時長大約為雙層傳輸管控機制下的3 倍左右，雙層傳輸管控機制可以提高戰術子網間的傳輸效率。

在R2S2 試驗中，在節點A4、節點B1 上分別部署數據傳輸控制軟件。子網A 與子網內部均為百兆傳輸帶寬，子網A 對外模擬2 048 kb/s，子網B 對外模擬19.2 kb/s、38.4 kb/s、1 024 kb/s 與2 048 kb/s，模擬帶寬消耗均為15%，節點A4 向節點B1 傳輸發送信息M2，M2 信息長度為4 M，在節點A4 觀察到的數據拆包效果如圖9 所示。

圖9 自適應拆包組包分析試驗數據結果圖

R2S2 試驗結果表明，數據傳輸可以針對網絡傳輸帶寬進行自適應的數據拆包。

在R2S3 試驗中，在節點A4、節點B1 上分別部署數據傳輸控制軟件。子網A 與子網B 內部均為百兆傳輸帶寬，子網A 與子網B 的之間的模擬帶寬相同，均為19.2 kb/s，模擬帶寬消耗為15%。節點A2向節點B4 的傳輸隊列中加入10 包不重要數據信息M3，M3 信息長度為254 字節，再加入1 包實時性要求為500 ms 的數據信息M4，M4 信息長度為124 Byte。在節點A4 上分別關閉與打開數據傳輸控制軟件的傳輸優先級調控模塊，從數據開始發送開始計時，在節點B1 上接收到數據信息M4 截止計時，記錄10 次試驗下的M4 接收耗時，試驗結果如圖10 所示。

圖10 數據優先級分析試驗數據結果圖

R2S3 試驗結果表明，在進行傳輸優先級調控時，實時數據優先發送，可以保證數據的優先到達。數據傳輸可以根據應用的數據傳輸需求提高實時性數據的傳輸效率。

4 結論

移動戰術通信環境下基于分域控制與網關數據轉換的數據傳輸技術針對實際的移動通信網絡環境，結合用戶的實際需求進行設計，面向異構鏈路傳輸自成體系、傳輸與網絡拓撲分離等難點，整合了跨域傳輸控制功能，打破網鏈之間的技術與應用壁壘，支持對信道的全方位優化調度，突破異構傳輸協議轉換、數據自適應拆包、傳輸優先級自適應調整等技術，提升數據的流轉效率，滿足信息系統互聯、信息共享能力需求。