舰船一体化网络应用研究

杨楚平，赵 刚，马 超

(中国船舶工业系统工程研究院，北京 100094)

0 引 言

现代海战瞬息万变、错综复杂，已进入信息化的发展阶段。随着信息技术的飞速发展，战斗力生成模式发生变化，在提高舰载电子武备设备性能的同时，各国海军愈发重视通过提升信息集成技术水平提高舰船整体作战能力，美军自20 世纪90 年代起就一直致力于推动舰船信息集成，采用开放式体系结构策略，最新研制的DDG1000 驱逐舰通过构建全舰计算环境（TSCE）基础设施，解决了各分系统独立运行、互操作困难、资源无法共享等问题，将全舰各应用系统集成为全舰一体化系统协同执行各项作战任务。当前，以DDG1000 为代表的新一代水面战舰，以更快响应为最终目标，以减员增效为衡量手段，以智能应用为核心特征，以全舰计算环境为技术推动，开启了全舰任务一体化的舰船单平台应用新模式。为了提高舰船的信息化和智能化水平，目前国内舰船也充分借鉴国外先进技术经验，推动全舰计算环境技术的应用，舰船一体化网络作为信息传输的载体，是全舰计算环境基础设施的重要组成部分，也是实现全舰应用集成的物质基础，全舰一体化网络已成为推动舰船信息化发展首先要解决的问题。

1 国内舰载网络应用现状

国内舰船计算机、网络技术是从20 世纪90 年代初期开始，随着计算机在舰船上的使用而发展起来的，已在各型舰船中广泛应用。但是由于缺乏顶层设计、同时受当时技术水平的制约，国内舰船网络建设一开始往往是从系统内部开始，各应用系统的网络各自独立发展分开设计，采用不同的技术体制和网络体系结构，各个系统各自组网，各自布线，拥有各自不同的运行、业务支撑、管理和维护保障体系。这样造成了舰船各系统相互间信息互连、互通不便，业务间、应用间的互操作性差，且管理、维护烦琐，业务开发技术复杂，标准化程度受限。随着舰船装备信息化的发展，越来越多的设备开始联网共享信息，舰船网络传输的信息量越来越大，信息交互越来越复杂，信息共享程度越来越高，如果舰船各个应用系统仍然各自组网，采用不同的技术体制，将会阻碍舰船信息化水平的提高。要改变目前舰船各应用系统网络彼此孤立发展的现状，实现舰船各系统的资源共享，提高信息化水平，需要开展舰船一体化网络的应用研究，从顶层对网络进行总体规划，消除业务网络之间的差异，使之能够更加高效的支持系统间的互连、互通、互操作。同时强调系统顶层设计、综合集成、统筹规划、协调发展，把各类信息系统集成一个大系统，从而实现装备的高度集成、统一指挥和综合控制，形成整体优势和较强的综合作战能力。随着舰船装备发展日趋信息化与集成化，舰船一体化网络也将成为今后舰船网络装备发展的趋势。

2 国外舰船网络应用现状和发展趋势

2.1 国外舰船网络应用现状

为了提升舰船的信息化水平，以美、英、法、德等为代表的发达国家海军较早就开展了全舰网络系统的研究、开发和实装检验工作。下面为各个国家海军在推进舰船网络化方面的一些应用成果：

1）美国海军专门成立了 “海军综合信息网推进组（NIIN IPT）”，开展海军舰载网络的体系结构研究，开始推进舰载网络的综合化进程。美国海军CG-47 Ticonderoga 级和DDG-51 Arleigh.Burke 级等新型宙斯盾舰，依照NIIN 体系结构构建了支持智能化舰船的综合网络平台。

2 ） 美国海军舰船网络早先使用标准以太网（10 Mbps）和FDDI，1997 年后开始采用ATM/SDH，并安装在当时设计的航母、两栖战舰船、提康德诺加级宙斯盾巡洋舰、洛杉矶级潜艇等舰船上。随着以太网技术的发展，主要采用快速以太网、千兆以太网的分层结构作为海军标准船用网络架构（ISNS，综合舰船网络系统）。

3）英国海军的45 型驱逐舰和法国海军 “地平线” 级驱逐舰已经装备了基于ATM/IP 体制的FICS 系统。该系统综合了舰上内通、外通、时统、LAN、会议电视、视频监视等多种网络、实现了话音、数据、视频、IP 业务的综合接入、传输、交换和管理。

2.2 国外舰船网络发展趋势

1995 年12 月，美国海军开始 “智能舰工程”，“智能舰工程” 的第1 阶段工作是信息基础平台的建设，形成全舰一体化网络，在此基础上将作战系统、平台管理系统、通信分系统等进行融合。根据作战应用需求，在信息平台的基础上对作战应用进行自顶向下的分解、分析，确定系统的功能、性能、信息、接口等方面需要达到的要求，再运用各种专业技术手段开展各专业设计，从而满足作战任务，即实现全舰计算环境。美国海军最新成果是在DDG - 1000（朱姆沃尔特级驱逐舰）上的 “全舰计算环境” 系统中采用2 套10 G 以太网构成全舰骨干网络，支持所有作战和平时业务。

从国外海军舰船网络发展应用情况来看，主要具有以下特点：

1）舰船的网络化首先通过舰船各个系统、各个作战单元的网络化来实现。国外海军进行了舰船一网化、分开式网络发展和尝试，并随着商用网络技术的发展，逐步向着舰船一体化网络的方向发展，并稳步推进。

2）为了推进舰载网络的综合化进程，国外海军成立专门的组织机构开展舰载网络的体系结构研究，制定舰载网络综合一体化方面的标准和规范，并遵照实施。

3）国外海军舰船网络系统采用的技术与商用网络技术的发展密切相关，早期采用FDDI、ATM 和以太网，目前由多网并存逐渐向以太网技术体制转变。

4）国外海军舰船网络普遍采用层次化的网络体系结构，配备主干网以及接入网，支持系统内的互联互通互操作，实现设备间的信息共享与协同工作。

3 舰船一体化网络技术适用性分析

舰载网络技术的应用与商用网络技术的发展密切相关，舰载网络正越来越多的采用IP 互联网技术体制，特别是在网络层，出现了明显的向IP 体制汇聚的趋势，宽带化也由于支持大信息量的传输成为现代网络发展的一个重要趋势，而对多业务（数据、语音、视频）传输的需求使综合化成舰载网络发展的基本方向。目前适合构建舰船一体化网络的主流先进网络技术主要包括：基于SDH 的多业务传送平台—MSTP（Multi-Service Transfer Platform），分组传送网（Packet Transport Network），电信级以太网（Carrier Ethernet）等技术。

1）传统的面向TDM 业务设计的SDH 传输网技术已难以满足数据IP 业务的传送需求，基于SDH 的多业务传送平台-MSTP 技术虽然在一定程度上提供电信级分组业务的传送功能，体现了光传送网向支持分组传送演进的趋势，但MSTP 仍然是以TDM 为内核，仅是实现端口级的IP 化。不支持带宽复用，利用率低；管道刚性，不支持流量突发能力，灵活性差，带宽低且持续升级困难，难以满足以分组业务为主的应用需求。目前舰舰网络承载的信息，85% 以上的流量是分组数据业务，因此，舰船一体化网络不适合采用MSTP 技术。

2）PTN 技术是目前商用网络发展的前沿技术，主要用于城域网的建设，具有面向连接的数据转发机制、多业务承载、较强的网络扩展性、丰富的OAM、严格的QoS 机制以及50 ms 的网络保护等技术特征，可以用来构建舰船一体化信息网络，但是由于该技术类型分为2 个技术路线，而且现在的PTN 技术标准还不成熟，需要增加3 层的技术才能承载应用多业务，其国际标准还在不断的完善过程中，同时，考虑到舰船网络系统是确定范围内的局域网络，从技术成熟度和未来发展角度来看，不适合目前进行装备和大规模应用。

3）以太网是以保障计算机系统互连、解决数据传输和交换的局域网技术。由于具有数据业务承载效率高、技术简单易用，应用普遍，经济性好，配置维护简单、费效比高的特点，以太网技术得到不断完善和广泛应用，已经成为局域网的事实标准。当前以太网技术由于具有良好的兼容性和扩展性，已经广泛应用到商业的城域网络中、工业控制网络中（智能电网、智能交通）以及船舶行业的各种系统中，并且随着电信级以太网技术的发展，已经可以很好地解决了实时性、冗余、安全性、可靠性、时钟等关键的技术问题，以太网已经被业界所公认，而且未来发展的过程中还将处于快速增长的趋势。

考虑到未来网络技术的发展方向，兼顾国内舰船网络已有基础和技术成果，保证技术平稳发展，全舰一体化网络适合采用以太网技术体制来构建。

4 舰船一体化网络应用方案

4.1 舰船一体化网络主要功能

舰船一体化网络应为全舰各部门和应用系统提供一个全面联网、高度综合、系统强效、结构优化、体系开放的公共信息传输平台，满足全舰各类业务的传输需求，实现信息充分共享，物理分布合理，资源配置优化，管理维护简单。根据舰船各系统/设备的信息传输需求，舰船一体化网络应具备业务接入功能、多业务承载功能、服务质量保证功能、网络保护功能、故障诊断和定位分析功能、时间同步功能以及管理维护功能。

1）业务接入功能

舰船一体化网络提供标准的10 M/10 0M 以及10/100/1 000 M 等各种速率的以太网接口，为计算、存储等信息服务设施及其之上的支撑服务和应用提供开放、标准的IP 传输服务，支持用户终端及服务器等直接接入，也可支持VLAN、VPN 等网络接入方式。

2）多业务承载功能

舰船一体化网络提供多业务承载功能，实现分组数据的二层交换、三层路由和MPLS 多协议标签交换，支持全舰各业务应用系统的一体化承载。

3）服务质量保证功能

舰船一体化网络支持标准区分服务机制，实现流分类、流标记、流量监管、拥塞管理、队列调度、流量整形等功能，通过对接入业务流进行不同的QoS 配置，能够对其提供区分服务。

4）网络保护功能

舰船一体化网络具备3 层（物理层、链路层、网络层）和5 级（全网故障、网络内部、网络之间、双归保护、设备级）保护能力。

5）故障诊断和定位分析功能

舰船一体化网络具备设备层、网络层和业务应用层的故障诊断和定位分析功能，能实现端口、链路以及数据流级别的故障诊断和定位。

6）时间同步功能

舰船一体化网络具备同步以太网功能以及PTP 精密时间同步功能，并提供标准的PTP 以太网接口为各应用系统提供统一的、精确的时间基准。

7）管理维护功能

舰船一体化网络提供图形化的网络管理平台软件实现对网络的拓扑管理、故障管理、性能管理、配置管理和安全管理。

4.2 舰船一体化网络体系结构

4.2.1 功能体系结构

舰船一体化网络采用分层的功能体系结构，该结构分为4 个功能层：接入层、交换/传输层、控制层和网络服务层，并最终共同为网络应用层提供支撑，其系统功能体系结构视图如图1 所示。

图 1 舰船一体化网络功能体系图Fig.1 Function system of the integrated network of warships

边缘接入层：主要通过接入设备实现全舰各类电子装备、信息设施、智能终端和控制系统的接入功能；不同类型通信手段的接入（如串/并口通信、电话程控交换、工业以太网、现场控制网络等）；多种业务的接入（如语音、文本、图形、图像、视频、多媒体等）。

多业务分组传输/交换层：主要是网络交换机和路由器等设备，以核心主干层和分支接入层两级拓扑的分层组网结构形式，提供一个高可靠、具有服务质量保证、宽带的、协议统一的分组交换平台，实现数据、语音、视频等业务的综合传输。

业务控制层：是多业务传输/交换设施的控制核心。它负责完成整个网络的控制、管理、连接、安全认证、业务支撑等功能，并具备开放接口的能力。

网络服务层：主要为服务器、网络多媒体设备、系统软件等，是开放、综合的服务提供和应用平台，提供基本网络服务、网络时间服务、网络安全服务、多媒体服务（视频会议、语音信箱等）、信息处理和存储服务等。

网络应用层：主要是舰船上各类网络应用系统。

以上功能体系中，由前4 个功能层协同工作，形成舰船一体化网络基础设施，可互连各类舰载设备，并最终支持网络应用层各类信息系统的信息交换。

4.2.2 技术体系结构

根据国内外舰船网络现状和发展趋势的分析，以太网技术已经成为构建舰船网络的主流技术。舰船一体化网络应采用以太网技术体制，对全舰各应用系统网络进行整合，建立一个高效、安全、可兼顾网络技术未来发展的舰船一体化网络。与功能体系结构协调一致，舰船一体化网络采用IP 网络技术体系，如图2所示。

图 2 舰船一体化网络技术体系图Fig.2 Technology system of the integrated network of warships

4.3 舰船一体化网络应用建议

通过对全舰各应用系统的信息交互需求进行分析，并充分考虑承载数据、视频、语音等多种业务，实现信息充分共享，减少重复建设，网络资源配置整合优化，上网设备地理分布合理优化等因素，建议舰船一体化网络采用分层的网络结构，通过核心层和接入层两级拓扑组网结构形式，提供一个高宽带、高可靠、具有服务质量保证、协议统一的业务承载平台，实现数据、语音、视频等业务的综合传输。分层体系结构可以灵活支持各层面技术的独立发展，大大提高了系统分层升级更新的灵活性。舰船一体化网络方案如图3 所示。

图 3 舰船一体化网络方案示意图Fig.3 Schematic diagram of the integrated network of warships

核心层主要承担各类跨区域/系统信息业务的传送，实现不同区域接入层交换机的互联，也可直接接入各应用系统的相关设备，是整个一体化网络的枢纽。核心层采用高性能网络设备，多台核心层网络设备互联，并分别与接入层多台接入层交换机级联，以提高抗毁性，接入层延展网络覆盖范围，主要实现全舰各应用系统相关上网设备、网关等的接入，支持数据、话音和视频等各类业务的综合传输，各上网节点按地理分布就近接入交换机。舰船一体化网络可以通过虚拟网技术，为不同信息类型以及不同业务应用划分虚拟网，实现业务隔离和功能逻辑隔离。

1）核心层网络建议

核心层网络采用电信级以太网技术体制，支持电信级以太网业务、兼容传统的TDM 电路交换业务，能够实现分组数据的2 层交换、3 层路由和MPLS 多协议标签交换。核心层网络设备多台设置，形成一个高度可靠的网状拓扑核心结构，并分别与多台冗余热备的接入层网络设备连接，以提高抗毁性。核心层网络设备是接入层网络设备互连的高速主干，为接入层网络设备间提供万兆互连带宽以保证其速率和可靠性，为了提高设备利用率，核心层网络设备配置千兆业务模块也可提供终端设备的接入。

2）接入层网络建议

接入层负责全舰各应用系统上网设备的接入，应具有足够的端口数量和丰富的接入手段，接入层网络可根据接入需求（包括节点数量和分布、流量大小、业务种类等），同时结合总体区域划分进行灵活配置和部署。为了保证良好的抗毁能力，每个区域的接入层网络设备应冗余设置，并双冗余接入核心层网络。

5 结 语

本文分析了国内外舰船网络的应用现状和发展趋势，提出舰船装备信息化发展对一体化网络的要求，通过比较MSTP、PTN 和CE 等商用主流网络技术的优缺点，提出适合构建舰船一体化网络的网络技术，并基于统一的以太网技术体制提出了舰船一体化网络的体系结构和初步应用方案，对舰船一体化网络设计和实施有支撑作用。