一種戰術數據鏈協議網關的設計與實現

摘要：數據鏈網關是實現多數據鏈互聯互通的有效途徑。本文設計了一種多數據鏈系統協議網關功能結構模型;采用基于中性公用數據體的消息格式轉換方法，使得協議網關在接入新的格式化消息時，格式轉換功能易于升級;提出了不同種類格式化消息之間相互轉換的協議，以及消息轉發時的鏈路選擇準則;通過實驗驗證了消息格式轉換方法、轉換協議以及鏈路選擇準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.

關鍵詞：協議網關;消息格式轉換;鏈路選擇

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

中圖分類號：TP393.0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）17-0235-03

1? 數據鏈網關的發展現狀

戰術數據鏈是一種按照統一的通信協議和消息標準，近實時地處理和分發戰場態勢、指揮控制、戰術協同和武器控制等格式化消息的數字通信鏈路[1][2]。不同時期發展出來的各種數據鏈滿足特定的戰術需求[1][3][4]，各個數據鏈有各自的功能特性，難以彼此相互取代。數據鏈和整個指揮控制系統高度融合，短期內更換一種全新統一的指控信息系統難度巨大。新型數據鏈的發展趨勢也是在兼容現有數據鏈系統的基礎上，整合新的頻譜資源，提高傳輸速率，改進網絡結構，增大系統容量，提升數據分發和抗干擾抗截獲能力，從戰術數據鏈終端向聯合戰術信息系統發展?？梢?，多數據鏈長期并存的局面成為必然[5]。在多鏈并存的局面下，打造互聯互通互操作的數據鏈系統是提升軍用網絡信息體系單元互聯、信息共享、能力互補以及行動協同的聯合作戰和全域作戰能力的有效途徑。

研究表明，數據鏈網關能夠實現戰術信息多鏈共享、指控和協同跨鏈實施，有效提升戰術數據鏈系統的互聯互通互操作能力。數據鏈網關的概念最早形成于1999年美國空軍研究的一份報告[6]中，是指將具有不同作戰用途、傳輸性質及消息格式的數據鏈連接起來實現互連互通互操作的軟件或軟硬件的組合，使得不同的數據鏈系統彼此通信。數據鏈網關如同一個翻譯，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，讓彼網絡的作戰單元認知到此網絡的戰場態勢;強化場景統一，使得作戰單元與上級之間的交互更加便捷。一個網關應用場景示例如圖1所示，圖中的預警機和指揮所是具有網關職責的作戰單元。

典型的網關有聯合信息分發系統轉發設備（FJU）[7]，實現了Link16和Link11之間相互轉發J序列報文和M序列報文的功能;防空系統集成器（ADSI）[1]是一個用來提供空中態勢圖的多輸入通信系統，能夠接入多種數據鏈，如Link11、Link16、ATDL-1和綜合廣播業務（IBS）等;多戰術數據處理器（MTP）[1]是美軍用以取代原來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等新型數鏈。

2? 數據鏈協議網關功能結構模型

文獻[1][8][9]等對數據鏈網關所涉及的關鍵技術和設計難點做了論述，但對功能結構沒有較為系統明確地說明。本文從多數據鏈信息互通共享的應用需求出發，設計了一個數據鏈協議網關（Data Link Protocol Gateway， DLPG），其功能結構模型如圖2所示。

DLPG集成了多數據鏈信息處理的軟硬件設施，可以接入并轉發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。轉換協議明確了消息數據元素同中性公用數據體（NPDE）相互轉換的方式和規則。DLPG按消息的功能域分別創建數據隊列，隊列對象被隊列管理器按消息時間或優先級排序，按時效性刪除或更新。鏈路選擇功能使得消息能被傳輸質量高的鏈路發送出去。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發時，需要丟棄一些消息以降低轉換頻率，從而適應低頻率傳輸鏈路的消息收發規則。反之，需要將消息所含的狀態值推算到特定時間點上再轉發出去。戰術消息中的一些狀態量是基于源發者的時間和空間坐標系的，這些狀態信息經過無線傳輸、隊列駐留和轉發的過程，已經過期，不能反映目標當前的狀態，因此轉發信息要經過時間或空間坐標系轉換處理后才能被使用。

3? 采用中性公用數據體的消息格式轉換設計

傳統的一對一方式的消息轉發節點或網關設計存在N2復雜度的格式轉換問題，當新的數據鏈集成進來的時候，新數據鏈要與舊系統中的每一種數據鏈建立消息格式轉換關系，轉換系統改動量大，可擴展性差，維護升級成本較高。

本文的DLPG采用了中性公用數據體NPDE作為轉換的數據中間體來進行不同鏈路間相似功能域消息的格式轉換和存儲。格式轉換設計如圖3所示，DLPG收到某種格式的消息或指令后，先調用相應的消息解析封裝引擎將其所含戰術信息解析出來，然后根據信息項映射關系，將信息元素值轉換傳遞到NPDE中，以供封裝發送階段或其它用戶按需取用。NPDE，以及消息元素同NPDE的信息項之間的映射表以配置文件的形式存在，在網關運行時被加載讀取。當有新的數據鏈及格式化消息需要集成進來時，更新NPDE和信息項映射關系表，并修改該格式化消息向NPDE轉換的程序代碼即可。NPDE的引入打破了一對一的轉換綁定關系，使消息格式轉換功能易于擴展和維護。

NPDE按照兩兩綜合的方式被提升擴充，即先用CMC中的兩種消息按照轉換協議構建一級NPDE，然后用集合中的第三種消息同一級NPDE按協議構建二級NPDE，以此類推，構建出CMC的終級NPDE。創建好NPDE之后，還要建立維護好CMC中每種消息的數據元素同NPDE元素的映射關系表，以供轉換代碼讀取查詢。

4? 轉換協議

轉換協議是指由功能域相似的不同格式的消息經由中性公用數據體相互轉換時應遵循的標準、規定和約束。

不同協議標準的某些消息具有相似的功能域，比如Link16中的目標監視消息和VMF協議中定義的戰場目標信息消息，兩者都用于描述目標的狀態和屬性，各自的大部分數據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議標準的消息組成一個可轉消息集（Conveying Message Collection， CMC）。

CMC中的各個消息表達相同信息的數據元素的表示形式不盡相同，比如目標監視消息中的地理位置用經度和緯度（單位度）兩個元素表示，而戰場目標信息消息中用度、分、秒（毫秒）至少6個元素來表示;目標監視消息中用東和北兩個方向上的距離分量來表示目標-觀測者相對位置，而戰場目標信息消息用距離和方位來表示?？梢?，消息中的可轉遞元素的映射關系是多對多的。

多對多的映射關系需要拆成兩對一對多的關系來描述。據此，引入一個綜合信息中間體來解決多對多的映射關系描述。綜合信息中間體即就是中性公用數據體（NPDE），它不以傳輸為目的，其結構同各種消息格式保持獨立，是中性的，適宜公用的。它所含的元素在信息層面上相互獨立，沒有重復語義，涵蓋某功能域的所有信息項。NPDE按照以下轉換協議生成：

①描述消息結構而不攜帶戰術信息的元素不收納;

②各自獨有的且攜帶戰術信息的元素原樣納入;

③表示相同信息的元素擇優收納，擇優準則如下：

1）取值精度高的元素納入;

2）定義域寬廣的元素納入;

3）語義通用性強的元素納入;

4）脫離原有消息格式而語義無重復無歧義的元素納入;

5）當上述四條準則出現沖突時，按4）-3）-2）-1）的優先級順序實施。

5? 鏈路選擇

協議網關（DLPG）接入了多種數據鏈，同時處在多個數據鏈構成的網絡中。因此DLPG在轉發消息時需要依據轉發規則選定一條鏈路質量可靠的數據鏈。被選鏈路應遵循QoS良好、網絡負載低的原則。如在圖1所示的數據鏈網關應用場景中，艦艇編隊探測得到的目標信息原本是通過Link11發送給指揮所的，但因Link11鏈路質量不佳，不能保證消息的可靠傳達。作為網關的預警機在判得Link16鏈路質量更加可靠時，便將目標信息報文經過格式轉換后通過Link16發給指揮所。

多數據鏈系統對信息共享的要求是轉發速率和質量[10]，因此多數據鏈綜合運用一方面要求信息在鏈間實時快速傳遞，盡量減少數據轉換時間;另一方面要求信息以較少的減損量轉遞到目的鏈路。端到端時延是影響消息轉發實時性的重要因素;傳輸信道上的信噪比決定著到達對端的消息信號能否被檢波解碼，是衡量鏈路質量的另一個重要指標;消息格式轉換時信息轉換傳遞的效率直接影響信息轉發共享的質量。

因此，建立時延、信噪比和信息轉遞效率的鏈路質量評價準則來衡量鏈路的轉發性能，評價準則函數如下：

其中Di表示第i條鏈路端到端的時延，SNRi表示第i條鏈路端到端的信噪比，ICEi表示消息經由第i條鏈路轉換發送時的信息轉遞效率，？琢、？茁和？酌為權系數，其和為1。時延包括傳輸時延Dt和傳播時延Dp，即：

Dti是數據在當前數據鏈節點中的排隊時間，Dpi是數據在節點間傳播的時間，計算公式如下：

其中LEN為數據包長度，Si為發射速率。

其中D為節點間距離，C為光速。信噪比SNRi計算公式如下[11]：

其中Pr表示接收功率，Pamb表示環境噪聲功率，Pte表示熱噪聲功率。信息轉遞效率ICEi計算公式如下：

其中N表示源消息中含有的信息項總數，no表示該消息向目的格式消息轉換時無信息損失的項數，nl表示轉換時有信息損失的項數，當消息在本鏈路終端之間傳遞時，信息轉遞效率為1。

時延和信噪比經計算后可以通過網絡層上的路由請求和應答過程上傳，然后計算鏈路質量Q，Q值越大，表示該鏈路的傳輸質量越高，消息通過該鏈路來轉發，可以保證轉發的實時性和可達性最高。

6? 實驗和結論

基于數據鏈協議網關（DLPG）的功能結構模型，用C++語言開發了DLPG的原型，其中的NPDE由XML描述的配置文件來定義，用XMLSpy工具進行編輯和執行規范性合法性檢驗，用成熟開源的XML處理引擎TinyXML對其進行解析。實驗測試了Link16中態勢類消息和VMF協議中相應消息之間的轉換，將目的鏈路上所得的戰術信息同源信息對比發現，一些信息被無損傳遞，但一些信息產生了損失，原因是這些信息所表征的物理量是經采樣量化編碼后寫入格式化消息中的，而不同消息協議中定義的物理量的采樣間隔不同，因此帶來了轉換后數值精度的降低或偏差;或者是數據元素的定義域不同，交集部分的值可以轉遞，補集部分的值做特殊映射，造成了信息丟失;還有一些源信息無法在目的消息中找到承載項，自然無法被目的鏈路傳遞，但這部分信息都被原樣存儲到了中性公用數據體中，以備某種方式取用。消息協議的不同造成格式轉換過程產生信息減損無法避免，但按本文的轉換協議保證了消息轉換時信息的減損最小。

實驗表明，采用中性公用數據體的消息格式轉換設計，使得DLPG對新鏈路的持續集成和其功能擴展變得容易，降低了系統升級和改造的工作量。隨著DLPG持續接入更多的鏈路，中性公用數據體不斷擴充和完善，所含戰術信息不斷豐富，這為戰術信息“按需獲取”、“關聯式調用”等深層次綜合運用奠定了基礎。鏈路選擇實驗中，當VMF的鏈路信噪比設置較低時，DLPG自動選擇Link16將目標信息轉發到目的地址，表明使用時延、信噪比和信息轉遞效率的鏈路質量評價方法作為轉發選鏈規則是有效的。

本文的DLPG沒有研究與轉發隊列的輸入或輸出競爭相關的問題，鏈路選擇規則缺少對鏈路負載因素的考慮，下一步將加以研究。

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作者簡介：馬驍（1990-），男，陜西漢中人，助理工程師，主要研究方向為數據鏈信息處理。