艦船一體化網絡應用研究

楊楚平，趙 剛，馬 超

(中國船舶工業系統工程研究院，北京 100094)

0 引 言

現代海戰瞬息萬變、錯綜復雜，已進入信息化的發展階段。隨著信息技術的飛速發展，戰斗力生成模式發生變化，在提高艦載電子武備設備性能的同時，各國海軍愈發重視通過提升信息集成技術水平提高艦船整體作戰能力，美軍自20 世紀90 年代起就一直致力于推動艦船信息集成，采用開放式體系結構策略，最新研制的DDG1000 驅逐艦通過構建全艦計算環境（TSCE）基礎設施，解決了各分系統獨立運行、互操作困難、資源無法共享等問題，將全艦各應用系統集成為全艦一體化系統協同執行各項作戰任務。當前，以DDG1000 為代表的新一代水面戰艦，以更快響應為最終目標，以減員增效為衡量手段，以智能應用為核心特征，以全艦計算環境為技術推動，開啟了全艦任務一體化的艦船單平臺應用新模式。為了提高艦船的信息化和智能化水平，目前國內艦船也充分借鑒國外先進技術經驗，推動全艦計算環境技術的應用，艦船一體化網絡作為信息傳輸的載體，是全艦計算環境基礎設施的重要組成部分，也是實現全艦應用集成的物質基礎，全艦一體化網絡已成為推動艦船信息化發展首先要解決的問題。

1 國內艦載網絡應用現狀

國內艦船計算機、網絡技術是從20 世紀90 年代初期開始，隨著計算機在艦船上的使用而發展起來的，已在各型艦船中廣泛應用。但是由于缺乏頂層設計、同時受當時技術水平的制約，國內艦船網絡建設一開始往往是從系統內部開始，各應用系統的網絡各自獨立發展分開設計，采用不同的技術體制和網絡體系結構，各個系統各自組網，各自布線，擁有各自不同的運行、業務支撐、管理和維護保障體系。這樣造成了艦船各系統相互間信息互連、互通不便，業務間、應用間的互操作性差，且管理、維護煩瑣，業務開發技術復雜，標準化程度受限。隨著艦船裝備信息化的發展，越來越多的設備開始聯網共享信息，艦船網絡傳輸的信息量越來越大，信息交互越來越復雜，信息共享程度越來越高，如果艦船各個應用系統仍然各自組網，采用不同的技術體制，將會阻礙艦船信息化水平的提高。要改變目前艦船各應用系統網絡彼此孤立發展的現狀，實現艦船各系統的資源共享，提高信息化水平，需要開展艦船一體化網絡的應用研究，從頂層對網絡進行總體規劃，消除業務網絡之間的差異，使之能夠更加高效的支持系統間的互連、互通、互操作。同時強調系統頂層設計、綜合集成、統籌規劃、協調發展，把各類信息系統集成一個大系統，從而實現裝備的高度集成、統一指揮和綜合控制，形成整體優勢和較強的綜合作戰能力。隨著艦船裝備發展日趨信息化與集成化，艦船一體化網絡也將成為今后艦船網絡裝備發展的趨勢。

2 國外艦船網絡應用現狀和發展趨勢

2.1 國外艦船網絡應用現狀

為了提升艦船的信息化水平，以美、英、法、德等為代表的發達國家海軍較早就開展了全艦網絡系統的研究、開發和實裝檢驗工作。下面為各個國家海軍在推進艦船網絡化方面的一些應用成果：

1）美國海軍專門成立了 “海軍綜合信息網推進組（NIIN IPT）”，開展海軍艦載網絡的體系結構研究，開始推進艦載網絡的綜合化進程。美國海軍CG-47 Ticonderoga 級和DDG-51 Arleigh.Burke 級等新型宙斯盾艦，依照NIIN 體系結構構建了支持智能化艦船的綜合網絡平臺。

2 ） 美國海軍艦船網絡早先使用標準以太網（10 Mbps）和FDDI，1997 年后開始采用ATM/SDH，并安裝在當時設計的航母、兩棲戰艦船、提康德諾加級宙斯盾巡洋艦、洛杉磯級潛艇等艦船上。隨著以太網技術的發展，主要采用快速以太網、千兆以太網的分層結構作為海軍標準船用網絡架構（ISNS，綜合艦船網絡系統）。

3）英國海軍的45 型驅逐艦和法國海軍 “地平線” 級驅逐艦已經裝備了基于ATM/IP 體制的FICS 系統。該系統綜合了艦上內通、外通、時統、LAN、會議電視、視頻監視等多種網絡、實現了話音、數據、視頻、IP 業務的綜合接入、傳輸、交換和管理。

2.2 國外艦船網絡發展趨勢

1995 年12 月，美國海軍開始 “智能艦工程”，“智能艦工程” 的第1 階段工作是信息基礎平臺的建設，形成全艦一體化網絡，在此基礎上將作戰系統、平臺管理系統、通信分系統等進行融合。根據作戰應用需求，在信息平臺的基礎上對作戰應用進行自頂向下的分解、分析，確定系統的功能、性能、信息、接口等方面需要達到的要求，再運用各種專業技術手段開展各專業設計，從而滿足作戰任務，即實現全艦計算環境。美國海軍最新成果是在DDG - 1000（朱姆沃爾特級驅逐艦）上的 “全艦計算環境” 系統中采用2 套10 G 以太網構成全艦骨干網絡，支持所有作戰和平時業務。

從國外海軍艦船網絡發展應用情況來看，主要具有以下特點：

1）艦船的網絡化首先通過艦船各個系統、各個作戰單元的網絡化來實現。國外海軍進行了艦船一網化、分開式網絡發展和嘗試，并隨著商用網絡技術的發展，逐步向著艦船一體化網絡的方向發展，并穩步推進。

2）為了推進艦載網絡的綜合化進程，國外海軍成立專門的組織機構開展艦載網絡的體系結構研究，制定艦載網絡綜合一體化方面的標準和規范，并遵照實施。

3）國外海軍艦船網絡系統采用的技術與商用網絡技術的發展密切相關，早期采用FDDI、ATM 和以太網，目前由多網并存逐漸向以太網技術體制轉變。

4）國外海軍艦船網絡普遍采用層次化的網絡體系結構，配備主干網以及接入網，支持系統內的互聯互通互操作，實現設備間的信息共享與協同工作。

3 艦船一體化網絡技術適用性分析

艦載網絡技術的應用與商用網絡技術的發展密切相關，艦載網絡正越來越多的采用IP 互聯網技術體制，特別是在網絡層，出現了明顯的向IP 體制匯聚的趨勢，寬帶化也由于支持大信息量的傳輸成為現代網絡發展的一個重要趨勢，而對多業務（數據、語音、視頻）傳輸的需求使綜合化成艦載網絡發展的基本方向。目前適合構建艦船一體化網絡的主流先進網絡技術主要包括：基于SDH 的多業務傳送平臺—MSTP（Multi-Service Transfer Platform），分組傳送網（Packet Transport Network），電信級以太網（Carrier Ethernet）等技術。

1）傳統的面向TDM 業務設計的SDH 傳輸網技術已難以滿足數據IP 業務的傳送需求，基于SDH 的多業務傳送平臺-MSTP 技術雖然在一定程度上提供電信級分組業務的傳送功能，體現了光傳送網向支持分組傳送演進的趨勢，但MSTP 仍然是以TDM 為內核，僅是實現端口級的IP 化。不支持帶寬復用，利用率低；管道剛性，不支持流量突發能力，靈活性差，帶寬低且持續升級困難，難以滿足以分組業務為主的應用需求。目前艦艦網絡承載的信息，85% 以上的流量是分組數據業務，因此，艦船一體化網絡不適合采用MSTP 技術。

2）PTN 技術是目前商用網絡發展的前沿技術，主要用于城域網的建設，具有面向連接的數據轉發機制、多業務承載、較強的網絡擴展性、豐富的OAM、嚴格的QoS 機制以及50 ms 的網絡保護等技術特征，可以用來構建艦船一體化信息網絡，但是由于該技術類型分為2 個技術路線，而且現在的PTN 技術標準還不成熟，需要增加3 層的技術才能承載應用多業務，其國際標準還在不斷的完善過程中，同時，考慮到艦船網絡系統是確定范圍內的局域網絡，從技術成熟度和未來發展角度來看，不適合目前進行裝備和大規模應用。

3）以太網是以保障計算機系統互連、解決數據傳輸和交換的局域網技術。由于具有數據業務承載效率高、技術簡單易用，應用普遍，經濟性好，配置維護簡單、費效比高的特點，以太網技術得到不斷完善和廣泛應用，已經成為局域網的事實標準。當前以太網技術由于具有良好的兼容性和擴展性，已經廣泛應用到商業的城域網絡中、工業控制網絡中（智能電網、智能交通）以及船舶行業的各種系統中，并且隨著電信級以太網技術的發展，已經可以很好地解決了實時性、冗余、安全性、可靠性、時鐘等關鍵的技術問題，以太網已經被業界所公認，而且未來發展的過程中還將處于快速增長的趨勢。

考慮到未來網絡技術的發展方向，兼顧國內艦船網絡已有基礎和技術成果，保證技術平穩發展，全艦一體化網絡適合采用以太網技術體制來構建。

4 艦船一體化網絡應用方案

4.1 艦船一體化網絡主要功能

艦船一體化網絡應為全艦各部門和應用系統提供一個全面聯網、高度綜合、系統強效、結構優化、體系開放的公共信息傳輸平臺，滿足全艦各類業務的傳輸需求，實現信息充分共享，物理分布合理，資源配置優化，管理維護簡單。根據艦船各系統/設備的信息傳輸需求，艦船一體化網絡應具備業務接入功能、多業務承載功能、服務質量保證功能、網絡保護功能、故障診斷和定位分析功能、時間同步功能以及管理維護功能。

1）業務接入功能

艦船一體化網絡提供標準的10 M/10 0M 以及10/100/1 000 M 等各種速率的以太網接口，為計算、存儲等信息服務設施及其之上的支撐服務和應用提供開放、標準的IP 傳輸服務，支持用戶終端及服務器等直接接入，也可支持VLAN、VPN 等網絡接入方式。

2）多業務承載功能

艦船一體化網絡提供多業務承載功能，實現分組數據的二層交換、三層路由和MPLS 多協議標簽交換，支持全艦各業務應用系統的一體化承載。

3）服務質量保證功能

艦船一體化網絡支持標準區分服務機制，實現流分類、流標記、流量監管、擁塞管理、隊列調度、流量整形等功能，通過對接入業務流進行不同的QoS 配置，能夠對其提供區分服務。

4）網絡保護功能

艦船一體化網絡具備3 層（物理層、鏈路層、網絡層）和5 級（全網故障、網絡內部、網絡之間、雙歸保護、設備級）保護能力。

5）故障診斷和定位分析功能

艦船一體化網絡具備設備層、網絡層和業務應用層的故障診斷和定位分析功能，能實現端口、鏈路以及數據流級別的故障診斷和定位。

6）時間同步功能

艦船一體化網絡具備同步以太網功能以及PTP 精密時間同步功能，并提供標準的PTP 以太網接口為各應用系統提供統一的、精確的時間基準。

7）管理維護功能

艦船一體化網絡提供圖形化的網絡管理平臺軟件實現對網絡的拓撲管理、故障管理、性能管理、配置管理和安全管理。

4.2 艦船一體化網絡體系結構

4.2.1 功能體系結構

艦船一體化網絡采用分層的功能體系結構，該結構分為4 個功能層：接入層、交換/傳輸層、控制層和網絡服務層，并最終共同為網絡應用層提供支撐，其系統功能體系結構視圖如圖1 所示。

圖 1 艦船一體化網絡功能體系圖Fig.1 Function system of the integrated network of warships

邊緣接入層：主要通過接入設備實現全艦各類電子裝備、信息設施、智能終端和控制系統的接入功能；不同類型通信手段的接入（如串/并口通信、電話程控交換、工業以太網、現場控制網絡等）；多種業務的接入（如語音、文本、圖形、圖像、視頻、多媒體等）。

多業務分組傳輸/交換層：主要是網絡交換機和路由器等設備，以核心主干層和分支接入層兩級拓撲的分層組網結構形式，提供一個高可靠、具有服務質量保證、寬帶的、協議統一的分組交換平臺，實現數據、語音、視頻等業務的綜合傳輸。

業務控制層：是多業務傳輸/交換設施的控制核心。它負責完成整個網絡的控制、管理、連接、安全認證、業務支撐等功能，并具備開放接口的能力。

網絡服務層：主要為服務器、網絡多媒體設備、系統軟件等，是開放、綜合的服務提供和應用平臺，提供基本網絡服務、網絡時間服務、網絡安全服務、多媒體服務（視頻會議、語音信箱等）、信息處理和存儲服務等。

網絡應用層：主要是艦船上各類網絡應用系統。

以上功能體系中，由前4 個功能層協同工作，形成艦船一體化網絡基礎設施，可互連各類艦載設備，并最終支持網絡應用層各類信息系統的信息交換。

4.2.2 技術體系結構

根據國內外艦船網絡現狀和發展趨勢的分析，以太網技術已經成為構建艦船網絡的主流技術。艦船一體化網絡應采用以太網技術體制，對全艦各應用系統網絡進行整合，建立一個高效、安全、可兼顧網絡技術未來發展的艦船一體化網絡。與功能體系結構協調一致，艦船一體化網絡采用IP 網絡技術體系，如圖2所示。

圖 2 艦船一體化網絡技術體系圖Fig.2 Technology system of the integrated network of warships

4.3 艦船一體化網絡應用建議

通過對全艦各應用系統的信息交互需求進行分析，并充分考慮承載數據、視頻、語音等多種業務，實現信息充分共享，減少重復建設，網絡資源配置整合優化，上網設備地理分布合理優化等因素，建議艦船一體化網絡采用分層的網絡結構，通過核心層和接入層兩級拓撲組網結構形式，提供一個高寬帶、高可靠、具有服務質量保證、協議統一的業務承載平臺，實現數據、語音、視頻等業務的綜合傳輸。分層體系結構可以靈活支持各層面技術的獨立發展，大大提高了系統分層升級更新的靈活性。艦船一體化網絡方案如圖3 所示。

圖 3 艦船一體化網絡方案示意圖Fig.3 Schematic diagram of the integrated network of warships

核心層主要承擔各類跨區域/系統信息業務的傳送，實現不同區域接入層交換機的互聯，也可直接接入各應用系統的相關設備，是整個一體化網絡的樞紐。核心層采用高性能網絡設備，多臺核心層網絡設備互聯，并分別與接入層多臺接入層交換機級聯，以提高抗毀性，接入層延展網絡覆蓋范圍，主要實現全艦各應用系統相關上網設備、網關等的接入，支持數據、話音和視頻等各類業務的綜合傳輸，各上網節點按地理分布就近接入交換機。艦船一體化網絡可以通過虛擬網技術，為不同信息類型以及不同業務應用劃分虛擬網，實現業務隔離和功能邏輯隔離。

1）核心層網絡建議

核心層網絡采用電信級以太網技術體制，支持電信級以太網業務、兼容傳統的TDM 電路交換業務，能夠實現分組數據的2 層交換、3 層路由和MPLS 多協議標簽交換。核心層網絡設備多臺設置，形成一個高度可靠的網狀拓撲核心結構，并分別與多臺冗余熱備的接入層網絡設備連接，以提高抗毀性。核心層網絡設備是接入層網絡設備互連的高速主干，為接入層網絡設備間提供萬兆互連帶寬以保證其速率和可靠性，為了提高設備利用率，核心層網絡設備配置千兆業務模塊也可提供終端設備的接入。

2）接入層網絡建議

接入層負責全艦各應用系統上網設備的接入，應具有足夠的端口數量和豐富的接入手段，接入層網絡可根據接入需求（包括節點數量和分布、流量大小、業務種類等），同時結合總體區域劃分進行靈活配置和部署。為了保證良好的抗毀能力，每個區域的接入層網絡設備應冗余設置，并雙冗余接入核心層網絡。

5 結 語

本文分析了國內外艦船網絡的應用現狀和發展趨勢，提出艦船裝備信息化發展對一體化網絡的要求，通過比較MSTP、PTN 和CE 等商用主流網絡技術的優缺點，提出適合構建艦船一體化網絡的網絡技術，并基于統一的以太網技術體制提出了艦船一體化網絡的體系結構和初步應用方案，對艦船一體化網絡設計和實施有支撐作用。