基于N可靠的智能自愈网络体系结构研究

张贤军，李 鹤，卢 玲

（1.中国人民解放军31006部队，北京 100840；2.中国人民解放军91917部队，北京 100841；3.中国人民解放军61623部队，北京 100840）

1 应急指挥网络体系结构技术应用特点

（1）星型组网结构。各个终端使用各自的线缆连接到网络中，点到点的链路与中心节点相连。优点是一个节点故障，不会影响整个网络的运行，较为容易增加新的节点，整体结构简单、容易实现、便于管理，缺点是中心节点是全网络的可靠瓶颈，一旦中心节点故障会引起整个网络瘫痪。

（2）环型组网结构。各节点通过线路连成一个封闭的环形，组成闭合回路。优点是结构简单、容易实现，传输延迟确定，缺点是每个节点均为网络可靠性的瓶颈，任意节点出现故障都会造成网络瘫痪。

（3）总线型组网结构。所有的节点共享一条数据通道，所有设备均连接到公共总线上。优点是结构简单、布线容易、可靠性较高，易于扩充，是局域网常采用的拓扑结构，缺点是所有的数据都需经过总线传送，总线是整个网络的瓶颈，出现故障判断难。

（4）树型组网结构。节点按层次连接，在上下节点之间进行信息交互。优点是连接简单，维护方便，适用于汇集信息的应用要求，缺点是资源共享能力较低，可靠性不高，某个节点或链路故障会影响下连整个网络运行。

（5）网状组网结构。节点之间连接是任意的，没有规律。优点是系统可靠性高，比较容易扩展，缺点是结构复杂，任一节点都与多点进行连接，必须采用路由算法和流量控制方法。

（6）混合组网结构。由两种以上单一网络结构混合起来构成的一种网络拓扑。优点是更能满足较大网络的拓展，利用各自优点，规避缺点。

2 N可靠的网络结构

2.1 网络结构可靠性计算方法

网络可靠性是指从它开始运行（t=0）到某时刻t这段时间内能正常运行的概率，用R（t）表示。所谓失效率，是指单位时间内失效的网络原器件数与原器件总数的比例，用λ表示，当λ为常数时，可靠性与失效率的关系为。可靠性计算主要涉及三种网络结构，即串联网络结构、并联网络结构和冗余网络结构。

在多子节点网络设备串联网络结构中，假设一个网络由n个子节点网络组成，当且仅当所有的子节点网络都能正常工作时，系统才能正常工作，这种称为串联网络，如图1所示。

图1 串联子节点网络示意图

设网络的各个子节点网络可靠性分别用R1，R2，…，Rn表示，则整个网络的可靠性R=R1×R2×…×Rn；如果网络的各个子节点网络失效率分别用λ1，λ2，…，λn来表示，则整个网络的失效率λ=λ1+λ2+…+λn。不难看出这种网络结构子节点网络越多可靠性越差，失效率越大。

在多子节点网络设备并联网络结构中，假如一个网络由n个子节点网络组成，只要一个子节点网络能够正常工作，系统就能正常工作，如图2所示。

图2 并联子节点网络示意图

设网络的各个子节点网络可靠性分别用R1，R2，…，Rn表示，则整个网络的可靠性R=1-（1-R1）×（1-R2）×…×（1-Rn）；如果网络的各个子节点网络失效率分别用λ1，λ2，…，λn来表示，则整个网络的失效率。不难看出在多子节点网络并联网络中只有一个子节点网络是真正需要的，其余n-1个子节点网络都被称为冗余子节点网络，并且该网络随着冗余子节点网络数量的增加，其平均无故障时间也会增加。串联网络结构就是一个有问题就会瘫痪，并联网络结构就是只要有一个能用就能正常工作。

2.2 网络结构组织应用

2.2.1 多节点互联

应急指挥通信网络结构设计，可把一个自治域边界节点作为中心节点，域内节点分别与其相连，相邻节点互联，组成星环网络结构，为了确保节点可靠性，每个节点采用两台以上核心设备，所有节点核心设备1组成平面1星环网络、核心设备2组成平面2星环网络，各节点核心设备1和核心设备2互联，平面间网络互通；各自治域边界节点核心设备1和核心设备2分别互联，组成双平面的自治域间星环网络。依此随各节点核心设备增加，可构设多个平面网络结构。

2.2.2 多路由备份

应急指挥通信网络为满足应急需要而建设，为确保链路可靠，在网络结构设计时采用多路由备份保障，从承载网络层面每个节点至少要设置三条以上不同信道出口路由，分别链接其他不同节点；为了确保节点设备可靠，每个节点布设两台以上核心设备同时在线工作，每台设备配置不同路由策略，达到不同路由的目的。在传输链路层面同级节点间和上下级节点间链路，采用不同物理路由的光传输链路，确保链路可靠；部分易毁易断的重要链路和节点间，利用基于ASON和OTN光保护网络技术，实现网络传输层的智能保护。

2.2.3 大带宽传输

应急指挥通信网络为确保传输质量和效率，采用大带宽互联链路，大带宽代表单位时间内能传输的数据量，在应急指挥信息急剧增长的情况下，信息化指挥对应急信息传递速率要求越来越高，对网络带宽需求越来越迫切，为避免网络拥塞，保持网络业务轻载，达到信息高效可靠传输的目的，必须预置大带宽互联链路。根据应急指挥通信网络的特殊作用和要求，网络结构设计应确保每一条链路带宽平均利用率不超30%，峰值不超过60%。网络结构设计的迂回路由或备份链路应与主用使用同等带宽，确保主用路由中断，备份链路能够承载起主用链路的业务。

2.2.4 多平面组网

应急指挥通信网络为确保抗毁抗扰能力，可采用多平面组网，在传输层为承载层各链路构设ASON或OTN自保护平面，实现光网络保护层；在承载层采用多核心设备、多物理路由、大带宽链路建设2个以上平面，形成平面内部迂回路由备份，平面间互联互通备份，实现承载网络自我保护的可靠结构；将天基网络与地面承载网络全时冗余互连，形成星地一体化的组网结构，可选取各自治域边界节点，通过传输链路，分别接入卫星地面收发设备，形成星地链路实时交换网络，当有线全部中断时，通过卫星链路接替有线链路进行保障；利用短波通信手段，组织建立应急备份网，收发设备与承载网络互连，作为有线链路、卫星毁瘫受扰不可通信的极端条件下，确保指挥可靠通联。

3 智能自愈网络构设

3.1 网络自愈控制

网络自愈控制是通过设备、链路、网络多层面分类保护，确保信息有效传递，建设智能管控层，对网络进行监管和控制、分析，达到信息通信传递自愈。当网络发生局部故障时，接受管控对象的故障报文，进行故障等级和影响范围判断分析，寻找最佳匹配空余网络对象替代故障对象提供临时网络服务保障，当网络性能下降时，通过网络管控的诊断性测试分析，找出已发生或潜在的瓶颈，报告网络性能变化趋势，自动调配优质的网络传输服务。

3.2 路由策略设置

空地一体化多业务多手段综合组网，按需设置可靠的路由策略是关键，按照主用、备用和带宽、传输时延，为各类业务自动匹配优选设置路由策略。从网络整体可靠性和业务传递质量、时延等方面考虑，路由策略一般设置为主用链路、同一平面迂回链路、另一平面网络路由、卫星链路，最后选择短波等通信手段。智能自愈网络路由策略设置主要是通过技术或行为手段对网络设备参数或运行策略进行周期性的控制和管理，实时监控和自动分析网络，通过控制器或行为对网络设备自动下发指令，按照预想策略规则对网络资源再分配，满足应急指挥通信网络的保障需要。

4 结束语

随着通信网络技术的快速发展，针对应急指挥通信网络快速部署、灵活机动、安全抗毁等能力需求，下一代应急指挥通信网络将采用智能光传输、IP多媒体系统、软交换、软件无线电、智能编码和高效多载波调制、天基信息传输与分发等技术，不断提高信息传递的有效性和可靠性，设计基于软件定义的高可靠智能自愈应急指挥通信网络结构，探讨全网资源动态调配、基于态势感知的网络重构、高可靠网络控制、自适应抗干扰转发等相关技术，不断提高网络的可靠性，增强应急指挥通信网络的抗毁顽存能力，更好地满足未来信息化指挥需要。