基于网关转换与分域控制的数据传输技术

陈可扬，郭爱红

（1.中北大学，太原 030006；2.北方自动控制技术研究所，太原 030006）

0 引言

目前，战术机动通信网络存在战术互联网［1］、数据链［2］等多种组网体制，网系互联不畅，“网”和“链”分离，“网”和“链”之间无法直接互通，数据需要落地转发，无法高效支撑跨网系异构传输协议的自动铰链，同时不同的战术子网间呈现上下行信道不对称特点［3］，数据无法针对网络带宽进行自适应调整，易造成网络堵塞。另外，网络与上层应用系统的信息需求、信息类别、优先等级等QoS 要求脱节，如何合理分配、动态调整使用通信资源，缓解网络拥塞，提高网络资源利用率和服务质量是亟待解决的问题，尤其在子网间进行相同数据信息共享时，不考虑底层实际的网络拓扑，存在子网间多次发送，带宽消耗大的问题。

针对机动战术通信网络环境，有作者提出战术级一体化战场信息传输系统［4］，但是该系统未有效解决存在的多种通信技术体制转换难、有限网络资源高效运用调度弱等问题，研究基于网关转换与分域控制的数据传输技术，一方面向应用屏蔽异构战术子网链路的传输差异性，进行自动化的网关数据转换，支持传输协议层数据的不落地转换；另一方面将实际的网络拓扑结构与实际的作战应用相结合，设计双层传输管控机制，对上逻辑化作战编组等信息为传输逻辑域，对下匹配实际的物理网络，支持单子网多域以及多子网单域，数据在域内共享、域间定制，完成跨战术子网的数据包自适应拆包，同时提供战术子网间的传输路径优选，在大数据量传输时有效降低战术子网间的带宽消耗；最后，针对用户的业务传输需求，提供数据优先级自适应调整，提高数据的传输效率。

1 基于网关转换与分域控制的数据传输技术

1.1 概述

现阶段，机动战术通信网络存在短波、超短波、微波、散射、卫星等多种通信手段，以及战术互联网、数据链等多网系，存在不同通信链路下传输协议各异、各信息系统信息无法直通的问题，需要互通的系统往往需要加载各专用传输服务，系统臃肿，资源消耗大，并且数据传输与实际网络拓扑分离，无法适应通信带宽的变化，存在数据泛洪或信道堵塞、数据堆积的问题，影响了节点间信息传输效果，制约了信息系统的系统互联与整体互动。针对该问题，研究基于网关转换与分域控制的数据传输技术，为上层应用提供底层自适应传输支撑，提供网关数据转换、双层传输管控以及优先级自适调整三大能力。

基于网关转换与分域控制的数据传输技术，能够完成节点内网链一体传输，减少应用干预，对本节点通过战术互联网、数据链、卫星等通信网络手段接收的数据，进行统一传输格式转换，支持数据的不落地转发，精简数据流程；同时，匹配应用的传输需求，根据网络带宽等因素进行传输优先级以及传输QOS 的自适应调整，并与实际的物理网络拓扑紧密结合，完成不同子网间的数据快速代理转换，在大数据量传输时，能够有效降低子网间的数据传输次数，提高数据的传输效率。

1.2 典型传输流程设计

设计跨异构战术子网间进行应用数据传输的应用场景，描述基于网关转换与分域控制的数据传输技术的典型传输流程，具体如图1 所示。网络1内的指挥节点1 需要向网络2 内的指挥节点2，以及两个火力打击节点发送战场目标情报信息，改变了原来指挥节点1 依次发送3 次的方式，仅向指挥节点2 发送1 次，指挥节点2 接收到数据后，向子网内的两个火力打击节点转发，实现子网差异传输。指挥节点1 向指挥节点2 发送时，在数据传输控制方面，考虑用户的实际传输需求，根据网络链路状态进行判断，映射成网络传输的控制QOS，同时对战术子网进行状态分析，结合实际网络拓扑状态、传输信道类型，完成子网传输数据的转换；在转换完成后，根据实际带宽条件，进行子网转换控制，完成最后的网关数据转换。在业务数据传输方面，首先在指挥节点1 内完成网络1 向网络2 的传输协议转换；然后，考虑两种子网的带宽差异、丢包率等状态特性，将战场目标情报信息进行拆包缓存，存入发送队列，对拆包数据发送进行拥塞控制、流量调整以及队列调度完成拆包数据的发送，在发送拆包数据时，添加全域对象标识，使数据可以正确到达指挥节点2；最后，指挥节点2 接收到完整的战场目标情报信息，去掉全域对象标识，减少整体的数据包大小，在网络2 内进行数据转发，保证两个火力打击节点对数据的正常接收。

图1 网关数据转发流程设计图

2 典型能力设计

2.1 网关数据转换设计

网关数据转换主要解决战术子网间异构传输协议之间的自动转换问题。网关转换提供网链综合控制转换能力，能够对服务部署本级接收的战互网传输协议、数据链I 传输协议、数据链II 传输协议、北斗传输协议等数据，进行统一传输格式转换，支持数据的不落地转发，精简数据流程，对应用系统屏蔽战术互联网、数据链I、数据链II 的差异，主要包括主控、综合消息处理、战互网接入控制、数据链I 接入控制、数据链II 接入控制、北斗传输接入控制等功能，如图2 所示。

图2 网链综合控制转换功能组成示意图

其中，主控功能完成各接入、控制功能之间进行信息交互，统一对外进行业务和管理信息交互；战互网、数据链I、数据链II、北斗接入控制功能主要完成战术互联网、数据链I、数据链II、北斗等传输设备的信息接入；综合消息处理功能主要完成各网、链传输消息编解码和转换处理。

网关数据转换支持将异构的传输协议映射为统一的数据传输格式，也支持统一的数据传输格式映射转换为现役的传输协议，简化流程如图3 所示。

图3 网关数据转换流程示意图

2.2 双层传输管控设计

双层传输管控机制针对作战任务多变，网络拓扑多样的特点，对上提供针对作战编组等逻辑域的划分支持，对下映射实际的网络拓扑，支持单子网多域以及多子网单域，实现传输域内的数据共享与域间数据隔离，主要包括跨域主控、代理控制、数据缓存以及拆包组包等功能，如下页图4 所示。其中，跨域主控主要完成子网内和子网间数据的接收以及子网内的数据共享，代理控制主要完成子网间的传输路径优选，传输路径首先选择簇首节点，由簇首节点完成子网间的数据发送与接收，再由簇首节点完成子网内的数据按需共享；数据缓存主要完成发送端与接收端大量数据的临时缓存，保障数据的有序可靠到达；拆包组包完成跨带宽子网间的自适应拆包处理，避免数据过大造成网络堵塞。

图4 拓扑隔离代理转发功能组成示意图

在实际的作战应用中，底层的战术子网可以为战术互联网、数据链、北斗等不同网络带宽以及不同传输协议的子网，双层传输管控在网关数据转换基础上，支持同种类型带宽差异大的子网数据代理转换、同种类型带宽相近子网的数据代理转换、异构子网带宽差异大的类型间子网数据代理转换、异构子网带宽相近的类型间子网数据代理转换；提供跨战术子网带宽自适应能力、长短对象标识转换能力以及子网差异传输能力。其中，跨战术子网带宽自适应能力能够根据各子网的带宽等状态信息，在从宽带向窄带网络进行数据传输时，按需自适应将数据包进行拆包缓存，同时控制拆包数据的断点续传，避免数据包过大形成网络堵塞，造成大量数据堆积问题；长短对象标识转换能力提供子网内传输仅包含子网内对象标识的短标识传输，在进行跨子网传输时，添加全域对象标识保证数据的有效传输，减少数据包大小，提高传输效率；子网差异传输能力能够考虑实际网络拓扑关系，跨子网多节点间传输相同数据信息时，子网间仅进行一次传递，子网内完成节点间数据共享。

数据的自适应拆包发送机制借鉴大数据包可靠重传机制［5］，主要包括3 个部分，一是在考虑网络维护带宽消耗［6］的前提下，明确当前网络进行数据分包的大小，其中数据分包的大小需要在网络的最大传输单元（MTU，maximum transmission unit）之内；二是根据当前数据分包的大小完成数据拆包；三是进行数据拆包的发送与确认。

设网络维护带宽消耗为X，当前的网络带宽为Wbps，以50 ms 的总传输量为单包数据的总长，单包数据的总长包括传输头大小与业务数据内容的大小，设传输头大小为C，则对业务数据进行拆包的数据大小LenC（单位为Byte）为：

LenC 为后面公式计算的数据向下取整的整数，业务数据长度为L，则总的数据拆包数N 为：

N 为后面公式计算的数据的向上取整整数。

拆包完成后，将业务数据包拆成N 个数据子包，数据子包的发送逻辑如图5 所示。

图5 数据发送机制示意图

数据子包在发送过程中可以拆分为n 个发送模块，其中：n=N/10。

单个发送模块的发送过程包括发送模块内10个数据子包的发送过程F1、数据子包发送完成后的回执确认过程F2、根据回执进行丢包补发的过程F3。单个发送模块发送完成后，再依此完成后续n-1个发送模块的发送。

2.3 传输优先级自适应调整

优先级策略的基本要求是将大数据包、数据重要程度低、实时性低的数据延后，而尽量将要求小数据包、数据重要程度高、实时性高的数据先分发出去，使得信息系统间信息交互在恶劣的网络带宽下也能维持运转。

优先级策略是把数据分发问题看成是一个数据包大小、数据重要程度、网络带宽、实时性等的多维空间，以性能和其他多种特殊要求为约束条件的组合规划问题，其实质就是解决各因素之间的冲突。

当收到一个需要分发的数据时，首先将对数据的重要程度参数进行解读，其后分别读取数据的大小、实时性、当前的网络带宽等参数，经过优先级度量换算成优先级数值，按照优先级数值而插入到数据分发的队列中，数据分发线程一个接一个地将数据选择合适的分发模型分发到需要的节点。

目前，分发算法主要采用的算法有先入先服务（first come first service，FCFS）算法，水桶调度算法，短消息优先调度算法以及情报种类优先级等算法［7］，但是这些算法中信息的优先权不是动态变化的，不能体现实际的信息传输具体需求。

通过挖掘信息本身的属性，对各节点信息进行分析，同时考虑战术移动通信环境下带宽相对较小［8］，本文采用多优先级排队策略［9］，结合信息需求和分配的网络资源，对数据传输的优先级进行自适应调整，优先级度量的要素包括数据的重要性、实时性、信息大小以及网络状态，如图6 所示。优先级权重的计算公式为∑Y=D1+D2+D3+D4。

图6 战场数据优先级要素分析

其中∑Y 为优先级度量的权重值和，根据工作和项目运行中的经验定义优先级度量因素的权重值。

D1为数据重要性权重。数据信息的重要性主要体现在节点的重要性，主要指结合当前的作战阶段以及作战单元承担的作战任务，来确立当前数据的重要性，考虑的具体因素包括当前作战单元的作战阶段、作战位置以及承担的作战任务。将数据的重要程度分为4 级：不重要、普通、重要、非常重要，不重要数据的权重确定为0，普通数据的权重确定为0.2，重要数据的权重确定为0.4，非常重要数据的权重确定为0.6。

D2为数据实时性的权重值。数据的实时性要求反应的是对应数据的有效价值期长短，实时性越强，表明数据的有效价值期越短，需要优先保障其传输；实时性越弱，表明数据的有效价值期越长，对传输则不具备较强的需求，实时性高的数据优先进行传输［10］。按此分析，实时性高的数据权重确定为0.15，实时性低的数据确定为0。

D3为网络带宽的权重。网络带宽会影响实际数据传输的传输耗时，在网络带宽窄或网络状态拥堵导致可用网络带宽小的情况下，数据往往需进行拆包组包操作，数据传输耗时长，此时若数据的有效价值时间短，极有可能造成数据在发送时即已失效，此时的传输将毫无意义，对于高价值数据会产生较为严重的后果，因此，在同时面对多条网络通道时，若都有数据传输需求，则经过网络带宽窄的数据需要优先传输保证数据的有效价值，当网络带宽状况恶劣时确定其权重为0.1，当网络带宽状况良好确定其权重为0。

D4为数据大小的权重。数据大小会影响对网络带宽的传输消耗，此时多考虑文件传输需求。在战术机动作战通信环境下，战场环境复杂，单个文件的传输可能造成很长时间内通信带宽被占，其他数据无法传输的情况，对文件进行传输多集中在通信状态良好且网络空闲的情况下，不会造成其他数据的有效传输。因此，大小在10 K 以内的文件数据权重确定为0.15，大小在100 K 以内的文件数据权重确定为0.1，大小超过100 K 的时间权重确定为0。

3 试验结果

在实验室搭建试验环境，模拟两种试验场景。第1 种试验场景是传输协议异构的两个战术子网间进行信息分发；第2 种试验场景是传输协议相同但是网络带宽不同的两个战术子网间进行信息分发，此文中提及的数据传输技术在试验场景为数据传输控制软件，包括4 个模块，分别是网链传输协议自动转换模块、子网传输控制模块、自主拆包组包模块与传输优先级调控模块，其中，网链传输协议自动转换模块，主要实现异构传输协议之间的不落地转换，子网传输控制模块主要实现双层传输管控，子网间多点传输改为子网间单点传输，子网内再次转发的方式；自主拆包组包模块主要完成窄带宽网络数据传输的拆包组网；传输优先级调控模块主要完成适应业务需求与网络需求的数据优先级排序与优先级传输。试验环境如下页图7 所示。

图7 战场数据优先级要素分析

在第1 种试验场景里面，子网A 模拟战互网环境，节点A4 为子网A 的传输控制节点，子网B 模拟数据链I 环境，节点B1 为子网B 的传输控制节点，子网A 与子网B 之间通过交换机相连。

此时，子网A 的节点A1 要向子网B 的节点B2发送信息，在节点A4 部署数据传输控制软件的情况下，信息可以正常发送与接收；在节点A4 没有部署数据传输控制软件的情况下，需要用户介入完成信息的传输协议转换与发送，说明本文的数据传输技术研究可以打破异构链路传输的壁垒。

在第2 种试验场景里面，子网A 与子网B 均模拟战互网环境，节点A4 为子网A 的传输控制节点，节点B1 为子网B 的传输控制节点，MTU 为1 472 Byte。模拟3 种传输试验。第1 种是双层传输管控试验，简称R2S1 试验，第2 种是网络适应下的自主拆包试验，简称R2S2 试验，第3 种是数据优先级试验，简称R2S3 试验。

在R2S1 试验中，子网A 与子网B 内部均为百兆传输带宽，子网A 与子网B 的之间的模拟带宽相同，均为19.2 kb/s，模拟带宽消耗为15 %，节点A1要向子网B 的节点B2、节点B3、节点B4 发送信息M1，M1 信息长度为254 字节，在节点A4、节点B1上分别部署数据传输控制软件。

首先在节点B1 上分别关闭与打开数据传输控制软件的子网传输控制模块，在节点A1 上发送M1信息20 次，以开始发送计时，以节点B2、节点B3、节点B4 3 个节点均接收到数据截止计时，得到的传输时间对比效果图如图8 所示。

图8 双层传输管控影响分析试验数据结果图

R2S1 试验结果表明，在没有双层传输管控机制时，完成单点对3 点的数据发送消耗的时长大约为双层传输管控机制下的3 倍左右，双层传输管控机制可以提高战术子网间的传输效率。

在R2S2 试验中，在节点A4、节点B1 上分别部署数据传输控制软件。子网A 与子网内部均为百兆传输带宽，子网A 对外模拟2 048 kb/s，子网B 对外模拟19.2 kb/s、38.4 kb/s、1 024 kb/s 与2 048 kb/s，模拟带宽消耗均为15%，节点A4 向节点B1 传输发送信息M2，M2 信息长度为4 M，在节点A4 观察到的数据拆包效果如图9 所示。

图9 自适应拆包组包分析试验数据结果图

R2S2 试验结果表明，数据传输可以针对网络传输带宽进行自适应的数据拆包。

在R2S3 试验中，在节点A4、节点B1 上分别部署数据传输控制软件。子网A 与子网B 内部均为百兆传输带宽，子网A 与子网B 的之间的模拟带宽相同，均为19.2 kb/s，模拟带宽消耗为15%。节点A2向节点B4 的传输队列中加入10 包不重要数据信息M3，M3 信息长度为254 字节，再加入1 包实时性要求为500 ms 的数据信息M4，M4 信息长度为124 Byte。在节点A4 上分别关闭与打开数据传输控制软件的传输优先级调控模块，从数据开始发送开始计时，在节点B1 上接收到数据信息M4 截止计时，记录10 次试验下的M4 接收耗时，试验结果如图10 所示。

图10 数据优先级分析试验数据结果图

R2S3 试验结果表明，在进行传输优先级调控时，实时数据优先发送，可以保证数据的优先到达。数据传输可以根据应用的数据传输需求提高实时性数据的传输效率。

4 结论

移动战术通信环境下基于分域控制与网关数据转换的数据传输技术针对实际的移动通信网络环境，结合用户的实际需求进行设计，面向异构链路传输自成体系、传输与网络拓扑分离等难点，整合了跨域传输控制功能，打破网链之间的技术与应用壁垒，支持对信道的全方位优化调度，突破异构传输协议转换、数据自适应拆包、传输优先级自适应调整等技术，提升数据的流转效率，满足信息系统互联、信息共享能力需求。