PTN技术在舰艇综合通信平台中的应用探讨

沙先武，倪美强

(中国电子科技集团公司第36研究所，浙江 嘉兴 314033)

0 引言

舰艇内部综合信息网是海军一体化网络的重要节点，世界各国海军均在积极建设满足一体化网络发展要求的舰艇内部综合通信平台，实现内部指挥通信、勤务通信、外部话音和数据通信的融合互通，从而为“网络中心战”的实施提供全方位的支持。

通过对几种主流网络技术的分析，提出了基于新一代PTN(Packet Transport Network)分组传送网技术来构建舰艇内部综合通信平台的构想。

1 外军舰艇内部网络现状

美军航母“里根号”_CVN 76采用ATM骨干网，构成一个系统间、设备间高速大容量通信网路，能同时传输各种业务，该系统采用现成的商用产品。法国Thales公司研制的基于ATM/IP的FICS系统，实现了语音、数据和视频业务的接入、传输与交换。另外，以色列也在开展以1000 M以太网为核心的舰载网络平台技术的验证、试验。

尽管西方发达国家海军的舰载网络平台受建造时的技术水平限制及技术装备的惯性，尚未反映近几年来的通信技术发展成果，但是具有综合化、宽带化、智能化和商用化特点，给舰艇内部网络建设指明了方向。

2 技术体制比较

2.1 候选技术体制分析

从世界各发达国家的舰艇通信装备发展现状来看，直接使用商用成熟技术，即货架化产品的趋势越来越明显，所以下一代舰艇内部网络的选型也应借鉴商用综合通信网技术来进行。

a)以太网(Ethernet)技术

传统的Ethernet是一种工作在物理层和链路层的分组传输协议，适合于突发性数据业务。为提高可靠性，一般采用链路冗余和生成树协议实施网络保护，保护切换时间在秒级，无法满足关键业务要求。Ethernet提供的是一种“尽力而为”的服务，对于连续性的音频流、视频流的传输QoS不能保证。

所以，以太网只适合各子网内部非实时数据的承载，不适合对可靠性、实时性要求高的通信需求，无法作为公共传输平台候选技术。

b)弹性分组环(RPR)技术

RPR是一种专为IP分组而优化的传输技术，通过多种带宽复用技术，成倍提高了带宽利用率;通过针对环状拓扑优化的保护机制，实现了毫秒级的电信级保护;通过带宽公平和业务分类处理机制，实现了分级QoS保证。RPR技术集成了IP的智能、光环网的高带宽效率和可靠性，能很好满足新业务的需求。但是RPR难于支持环状拓扑以外的其他网络形式，扩展性和组网灵活性缺陷明显。

所以，RPR是应对IP分组进行优化传送的一种暂时性过渡技术，无法满足较长时期内网络先进性、扩展性方面的要求。

c)多业务传输平台(MSTP)技术

多业务传送平台(MSTP)基于SDH技术，实现TDM、以太网等业务的接入、处理和传送，特别是对TDM业务实现最佳的传送质量。并且实现了以太网的二层交换，支持以太网业务的带宽共享、业务汇聚等功能，显著提高带宽利用率。部分设备通过引入RPR和MPLS机制，可以实现带宽复用、公平带宽分配和更加严格的业务分级，对数据业务具有更好的支持能力。

MSTP在骨干网和城域网得到成功应用，但随着商用领域MSTP技术逐渐衰落和淡出，在未来的舰艇中引入MSTP，后续的升级维护无法保障。

d)分组传送网(PTN)技术

PTN是一种面向连接的传送技术，吸收了SDH技术的保护倒换、OAM和同步等优异特性，又融合了MPLS的灵活带宽调度和QoS管理。PTN以分组交换为内核、以分组作为传送单位，提供严格的QoS保证，较高的安全性，兼容话音、IP数据等业务的综合传送［1］。作为新一代传送网技术，PTN的综合性能已经达到或超过上一代的MSTP传送网技术。

PTN网络在国内外已经得到大规模部署应用，它代表了技术的发展趋势，具有较强的扩展性、演进性，保证网络技术具有更长的生命力［2，3］。

2.2 技术体制选择

综上所述，认为近几年迅猛发展并进入成熟应用的分组传送网(PTN)无论是技术先进性、成熟性，还是对IP业务和TDM业务的传输QoS、安全性和可靠性方面，均是构建舰艇内部综合通信平台(下简称“综合通信平台”)的最佳选择。通过PTN网络实现传送网的融合，为实现IP承载层及应用层最终融合打下坚实基础。

3 技术方案

3.1 网络层次

综合通信平台以10GE接口的PTN技术为基础，采用层次化、开放式体系结构设计。系统的总体逻辑层次如图1所示，分为传送层、承载层、控制/服务层和应用层。

传送层采用PTN，通过面向连接的T-MPLS技术，可以实现网络路径规划、层次化服务质量保证，对IP业务和TDM业务均能达到电信级要求;通过多种形态的二层VPN机制，满足各专业系统内部的灵活组网要求和安全隔离;通过环网保护或线性保护实现50 ms保护倒换;支持多种方式的时间和时钟同步传递，满足对时间精度苛刻的高速传感器设备(系统)的同步要求。

承载层实现IP数据的接入、路由交换和网络安全控制等。承载层主要由位于网络边缘的接入交换设备和各专业网络的L2/L3层接入汇聚交换机组成。

控制/服务层提供公共的会话控制、信令转换和目录服务等功能，为各系统的多媒体通信提供服务。控制/服务层设备包括位于网络外围的软交换控制设备、应用服务器等。这些设备随着将来公共计算能力和控制处理能力的进一步融合逐步进行规划配置。

应用层利用其下面各层提供的服务，实现各系统专有功能(如通信、指控和平台管理等)。应用层的设备包括内通指挥设备、武指显控台和平台管理终端等。

3.2 综合通信平台组成

综合通信平台由核心网络节点和位于网络边缘的接入节点及外围的应用设备组成。总体结构如图2所示。其中，核心网提供全舰艇公用传输能力，实现传输资源共建、共享。

核心网由多台核心网元以环状、网状、链形或混合拓扑方式互连构成。核心网元的数量、拓扑结构和布置位置视目标舰艇的网络规模、舱室布局、数据业务流量和分布模式、可靠容灾、安全防护要求等具体情况进行规划。考虑到一般舰艇前后细长的结构特点，一般将核心网元从舰艇前段到后段均匀分布，重点区段需要配置两台核心网元，保证接入设备能以双归方式就近接入。

接入汇聚层设备由各专业系统原有的接入设备组成，包括以太网交换机、接入交换设备等。这些设备完成系统内部各设备的接口转换、接入控制、路由交换和安全控制等。这些设备的用户侧接口可兼容现役应用设备以保护设备投资，同时剪减掉内部的专用传输模块，网络侧接口为以太网接口。接入汇聚层设备以双归和链路聚合方式与核心网互连，避免单点故障，提高接入层面可靠性。

应用层设备为各系统完成各自特定的专属处理功能。这些设备原则上移用现役同类装备，并可随着作战需求的提高和技术的发展不断增配新型应用设备。

除此而外，综合通信平台还配备多种公用设备，包括网管设备、时统设备等。完成网络管理、网络同步等支撑功能。

综合通信平台可通过各种有线接口、无线接口与岸基通信网进行连接，实现与岸基通信系统间的信息交换。

3.3 核心网业务传送方式

核心网基于T-MPLS架构，采用分层化概念，自上而下分为伪线(PW)层，标记交换路径(LSP)层，而链路层是IEEE 802.3以太网［4］，层间关系如图3所示。

图3 分组传送业务处理分层方式

核心网的业务接口包括E1、GE和FE等，无论TDM业务还是以太网业务，均通过端到端伪线仿真(PW3，pseudo wire edge to edge emulation)服务实现一条跨越整个核心网的虚拟线专用通道进行传送。通过业务分类和优先级调度机机制;对TDM实时业务按固定带宽加速转发，确保TDM业务的传送性能。

对GE和FE业务的传送，支持虚拟专线、虚拟专网等模式，可根据业务网的各种组网形态、流量模式和安全性要求，灵活选择相应的传送模式。

3.4 网络安全保障

在核心传送层面:采用T-MPLS的虚拟专线或虚拟专网机制来保证内部各专业系统间数据的隔离保护。由于T-MPLS本身为面向连接的技术，需要隔离的数据包在不同虚拟管道(即PW伪线)中传送，提供灵活的业务安全隔离。

在接入交换层面:通过VLAN进行基本的子网隔离，对需要通过三层路由互通的VLAN，通过ACL访问控制列表进一步进行跨VLAN数据访问进行控制。在接入交换设备的以太网接口上通过802.1X接入认证策略进行用户鉴权。

在外部无线网络连接层面:为减少无线信道的开放性所带来的IP网络入侵攻击，在外通接入交换设备中配置安全网关，通过对接入的外部数据进行深度智能分析，检测过滤非法或恶意数据包，保护信息的安全。

3.5 网络同步保证

高精度的网络同步是综合通信平台高质量运行的基石。系统配置时统设备，输出不同频点的频标、1 pps脉冲+TOD、IEEE1588V2时钟信号到核心网元，由核心网元处理后在网络中进行传递和分配。实现整个网络的时间、频率同步［5］。

通过高质量的网络同步作保证，确保窄带数据交换不因滑码而丢包，而一些新型系统(设备)，特别是分布式传感器类系统，其中心节点和各采集节点需要在高精度时间驱动下同步采集、同步处理，否则系统功能无法实现。

3.6 核心网元设计原理

核心网元基于MPLS-TP技术，以分组交换为内核，分组交叉容量大于40 G，完成多种业务间的无阻塞交叉。接入10 GE、GE和FE数据业务，并采用PWE3技术实现TDM等业务的接入，具备完善的分级服务质量机制，可灵活支持各种拓扑及丰富的保护倒换特性。

核心网元主要由业务处理模块、管理模块、时钟控制模块和电源模块组成，各功能模块如图4所示。具体包括10 GE以太网板、FE/GE以太网板、主控板、交叉/时钟板和背板等，各板卡通过高速背板连接起来。

核心网元内部关键单元设计成1+1热备份。单板硬件具有热插拔过欠压告警保护，软件具有多级多重数据备份存放、自校检/自恢复能力。这种网络级和设备级的层次化可靠性、安全性设计，保证网络健壮性满足各系统业务需求。

图4 核心网元功能框图

4 关键技术

4.1 多业务综合接入、传送技术

核心网需要处理高速通信接口、多种链路层数据包、T-MPLS协议、伪线(PW)协议和高速数据包交换，同时还要解决保护倒换控制、时钟和频率同步及分层的服务质量控制，涉及大量复杂协议，需要通过软件工程化方法进行开发和管理。

4.2 热设计技术

舰艇中安装空间狭小，核心网元需进行小型化设计，其板卡密度高，大部分板卡进行高速处理，单机总功耗数百瓦以上，特别是交叉和时钟板、10 GE接口板等单板的功耗均为数十瓦，且功率密度分布不均匀，因此核心网元的热设计直接关系到传送平台能否正常工作。

4.3 电磁兼容设计技术

核心网元中高速信号可达10 GHz以上，在密封机箱环境中，高速信号产生较大的电磁辐射和交叉干扰，也更容易通过泄漏和传导向机箱外辐射，特别是在舰艇上电子设备密集区域更容易导致系统性兼容问题，必须进行核心网元的电磁兼容设计。

5 结语

PTN技术作为一种新型的以分组为核心的传送技术，全球标准化和商用水平已经相对成熟，是一种处于上升阶段的传送技术。采用PTN来构建下一代舰艇内部综合信息平台，可确保平台具有强大的功能、灵活的扩展能力，满足技术的发展趋势和舰艇的全寿命期使用维护需求。

［1］唐剑峰，徐荣.PTN-IP化分组传送［M］.北京:北京邮电大学出版社，2009.

［2］何岩，张傲.下一代分组传送网的新技术发展走向［J］.工程电信技术和标准化，2007，1:1-7.

［3］陈运清，毛东峰，徐向辉，等.城域网组网技术与业务运营［M］.北京:人民邮电出版社，2009.

［4］ITU-T G.8112/Y1731，Interfaces for the Transport MPLS(T-MPLS)Hierarchy［S］.

［5］ITU-T G.8261，Timing and Synchronization Aspects in Packet Network［S］.