導語：ATN/IPS通信網(wǎng)絡設(shè)計研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：隨著國內(nèi)民航運輸業(yè)以每年20%的增長速度，空中交通流量成倍的增加，現(xiàn)有的空管電信傳輸網(wǎng)無法滿足需求。同時,由于網(wǎng)絡技術(shù)的飛速發(fā)展，航空通信網(wǎng)向著更快速、更準確以及更可靠方向發(fā)展。1983年，國際民航組織成立了新航行系統(tǒng)委員會，其提出了一種CNS/ATM的全新概念，其重要組成部分是atn網(wǎng)（AeronauticalTelecommunicationNet-work），又稱為新型航空電信網(wǎng)。作為新一代航空通信技術(shù)的全面解決方案，隨著IPv6技術(shù)日益成熟，采用IP網(wǎng)結(jié)構(gòu)的ATN通信網(wǎng)絡是下一代民用航空通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡的發(fā)展方向。文章主要根據(jù)OMNeT++平臺，搭建支持NEMO協(xié)議、基于IPv6的ATN/ips仿真網(wǎng)絡，并對ATN/IPS仿真網(wǎng)絡中空地通信路由進行層次優(yōu)化設(shè)計。

關(guān)鍵詞：ATN/IPS；IPV6；通信網(wǎng)絡；NEMO；仿真網(wǎng)絡

隨著現(xiàn)代通訊技術(shù)的快速發(fā)展，航空電信網(wǎng)絡由基于電報交換技術(shù)的AFTN網(wǎng)發(fā)展到基于計算機網(wǎng)絡通信技術(shù)的ATN網(wǎng)，ATN網(wǎng)絡是以開放式系統(tǒng)互連為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡，將地面的數(shù)據(jù)通信和地空的數(shù)據(jù)通信融合，將飛行器通過衛(wèi)星、甚高頻、S模式雷達間的地空數(shù)據(jù)鏈路與空管地面通信系統(tǒng)通信，實現(xiàn)地面間各空管和航空公司等節(jié)點之間的高速數(shù)據(jù)交換，它采用的開放式系統(tǒng)互聯(lián)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了機載系統(tǒng)和地面管制系統(tǒng)、地面管制系統(tǒng)和地面管制系統(tǒng)無縫數(shù)據(jù)連接，是全球地空一體化的航空專用通信網(wǎng)絡?，F(xiàn)在計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)采用的IPv4技術(shù)，由于其初期對IP地址規(guī)劃的不合理，使得網(wǎng)絡變得非常復雜，路由表條目繁多。在發(fā)展過程中，雖然通過劃分子網(wǎng)以及路由聚集一定程度上緩解了這個問題，但這個問題依舊存在。而在IPv6協(xié)議出現(xiàn)后，IP網(wǎng)絡技術(shù)具備的安全性能和QOS安全機制可以滿足航空電信網(wǎng)絡。因此，在ATN通信網(wǎng)中應用成熟的IPv6技術(shù)，成為民航業(yè)界的共識。

1ATN/IPS的發(fā)展

新航空電信網(wǎng)是由空中交通管理系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)四個部分組成，因為導航系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)所產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)都需要通信系統(tǒng)來傳輸，因此通信系統(tǒng)是其基礎(chǔ)，其主要涉及數(shù)據(jù)鏈通信、航空移動衛(wèi)星業(yè)務和航空電信網(wǎng)（ATN）。航空電信網(wǎng)（ATN）是一個由通信衛(wèi)星子網(wǎng)、無縫移動子網(wǎng)和地面子網(wǎng)等多種網(wǎng)絡組成的全球互聯(lián)的復雜網(wǎng)絡，可以為航空公司、管制部門和旅客提供服務。ATN支持所有民用航空飛行安全保證應用系統(tǒng)間的通信，包括空中交通管理計算機系統(tǒng)與航空公司飛行運行管理計算機系統(tǒng)間、航空公司飛行運行管理計算機系統(tǒng)與飛機計算機系統(tǒng)間、空中交通管理計算機系統(tǒng)與飛機計算機系統(tǒng)間等各計算機系統(tǒng)間的通信。航空電信網(wǎng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)體系是基于的OSI7層協(xié)議模型設(shè)計，由于實現(xiàn)復雜、成本較高，各個國家之間網(wǎng)絡特性，在應對各成員國的ATN互聯(lián)中，顯現(xiàn)出不足。將ATN/OSI協(xié)議標準與IP協(xié)議體制相結(jié)合網(wǎng)絡，可以充分利用成熟的IP技術(shù)和設(shè)備，來滿足ATN通信需求，因此ATN/IPS通信網(wǎng)絡作為下一代航空電信網(wǎng)是大勢所趨。ATN/IPS通信網(wǎng)絡具有成熟的IP技術(shù)和設(shè)備及網(wǎng)絡資源，可以兼容支持目前ATN網(wǎng)絡的各種服務，基于IP的QoS協(xié)議和安全協(xié)議能提供可靠的安全通信保障，易于組網(wǎng)，有利于各異構(gòu)網(wǎng)絡融合，支持采用IPv6協(xié)議的移動管理方案。

2IPv6移動管理技術(shù)

ATN/IPS采用IP技術(shù)（IPv4或者IPv6），由于飛機的全球移動性，因此需要移動IP來對飛機進行動態(tài)管理。飛行器是通信節(jié)點，當其移動時，移動位置改變會造成網(wǎng)絡接入點改變，網(wǎng)絡拓撲位置是動態(tài)變化的。由于各個接入點的IP地址不同，當通信節(jié)點在獲得新IP地址時，它原有IP地址所建立的通信鏈接，會因為路由的變化而中斷；同時我們要考慮在靜態(tài)網(wǎng)絡中路由協(xié)議是基于其網(wǎng)絡前綴的，如果通信節(jié)點移動，是無法保障通信連續(xù)穩(wěn)定的。隨著互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的急劇膨脹，IPv4技術(shù)暴露出許多嚴重的問題，已難以適應現(xiàn)代社會對網(wǎng)絡的需求。由于IPv6具有更高效和可持續(xù)發(fā)展的網(wǎng)絡，支持聚類原則和分層規(guī)劃，提供更高的安全性和移動性，是目前全球公認的下一代互聯(lián)網(wǎng)商業(yè)解決方案。2017年底開始，我國加速IPv6商用網(wǎng)絡部署，從2019年10月3日的APNIC的統(tǒng)計數(shù)據(jù)中可看到，全球IPv6支持率已占比24.48%，而優(yōu)先使用IPv6協(xié)議進行通信的比例為23.73%。截至2019年7月，全國已有12.78億用戶獲得IPv6地址，其中LTE網(wǎng)絡用戶共11.29億，固定網(wǎng)絡用戶1.49億，相比2018年初增長超過10倍。預計2020年全球IPv6用戶訪問率將達到50%。目前，IPv6的產(chǎn)品和技術(shù)已經(jīng)相當成熟，通信網(wǎng)絡的設(shè)計將采用IPv6的基礎(chǔ)設(shè)計。隨著IPv6技術(shù)的發(fā)展，層次移動IPv6移動管理協(xié)議（HMIPv6）提出，解決了在IPv6中移動信令的頻繁交互的問題，是IPv6協(xié)議的擴展和改進。對于移動通信終端來說，將通信網(wǎng)絡劃分為家鄉(xiāng)網(wǎng)絡和外地網(wǎng)絡。首先我們通過家鄉(xiāng)網(wǎng)絡點，為所管理的移動通信終端配置唯一且固定的IP地址，稱為家鄉(xiāng)地址。它的原理是當移動通信終端在家鄉(xiāng)網(wǎng)絡中時，網(wǎng)絡通信采用傳統(tǒng)的路由機制；當移動通信終端接入外地網(wǎng)絡時，接入路由器獲得本地鏈路的轉(zhuǎn)交地址，再通過家鄉(xiāng)節(jié)點注冊新地址，來確保通信連接的連續(xù)通暢。當飛行器進入某一地面基站范圍并需要切換的時候，飛行器上的每一個通信終端設(shè)備如果都要進行移動信令交互，會造成航空無線網(wǎng)帶寬資源浪費，進而增加移動管理的難度。因此，我們必須需要盡量減少移動信令的交互。MIPv6技術(shù)的進一步發(fā)展是NEMO技術(shù)，支持子網(wǎng)移動通信，適用ATN/IPS結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡環(huán)境。HMIPv6技術(shù)可以減少長距離傳時移動信令和通信連接中斷時間，將NEMO與HMIPv6技術(shù)結(jié)合可以進一步改進IPv6網(wǎng)絡移動管理工作。

3ATN/IPS網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

ATN/IPS網(wǎng)絡是基于TCP/IP協(xié)議的航空電信網(wǎng)，在IOS模型中，協(xié)議體系結(jié)構(gòu)如圖1。圖1ATN/IPS通信網(wǎng)絡協(xié)議體系結(jié)構(gòu)在ATN/IPS網(wǎng)絡中，移動網(wǎng)絡服務商采用IPv6移動標準對移動終端管理。因此網(wǎng)絡可以由許多互聯(lián)網(wǎng)的管理域組成，管理域范圍可以大到國家，小到地區(qū)。同時每個管理域擁有一個或者多個路由器來進行域間路由管理；也可以利用這些域間路由器對不同IP地址之間的系統(tǒng)交互路由信息。

4ATN/IPS服務類型

由于航空領(lǐng)域存在多個空地通信網(wǎng)絡并存的情況，需要提供不同類型的信息服務。從經(jīng)濟成本上考慮以及無線通信頻率分配上考慮，建設(shè)統(tǒng)一、綜合性的基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡是ATN/IPS航空通信網(wǎng)的發(fā)展趨勢。根據(jù)ICAO規(guī)定，需要由支持IP協(xié)議的節(jié)點和網(wǎng)絡組成ATN/IPS網(wǎng)絡，專用于為空管服務提供商和航線運營商提供數(shù)據(jù)通信服務，支持空中交通服務通信和航空服務通信。在ATN/IPS中，以上的通信服務既可以由接入機載網(wǎng)絡的移動終端來提供，也可以由機載移動子網(wǎng)中的本地終端來提供。

5ATN/IPS網(wǎng)絡類型及優(yōu)化

ATN/IPS網(wǎng)絡類型可分為空-地鏈路和地-地鏈路，考慮飛行器高速移動對空-地鏈路帶寬、時延影響較大，進而產(chǎn)生通信鏈路中信道延遲增大、拓撲結(jié)構(gòu)頻繁變化、高誤碼率等問題，所以一般我們通過分層路由的設(shè)計方案來解決：一是為了有效減少遠距離通信時移動信令互相交換次數(shù)，采用HMIPv6的分層和移動管理機制；二是通過應用移動網(wǎng)絡技術(shù)，即NEMO技術(shù)，將飛行器內(nèi)部局域網(wǎng)整體作為一個移動子網(wǎng)管理，移動子網(wǎng)再通過移動路由器接入地面網(wǎng)絡，提高空-地無線通信鏈路利用率；三是對空地通信網(wǎng)絡的路由進一步優(yōu)化，提高通信效率和質(zhì)量。

6ATN/IPS移動節(jié)點接入地址配置

DHCP（動態(tài)主機配置協(xié)議）是局域網(wǎng)的網(wǎng)絡協(xié)議，是服務器控制部分IP地址，通信節(jié)點登錄服務器后自動分配IP地址和子網(wǎng)掩碼。在IPv6中，我們同樣是通過DHCP協(xié)議來實現(xiàn)地址自動配置。由于ATN/IPS通信網(wǎng)絡全球化應用，當移動終端節(jié)點新接入網(wǎng)絡時，采用手動為其配置網(wǎng)絡IP地址是不可行的。因此，我們使用專用的DHCP服務器，采用IP地址自動分配方式，并由其來管理IP地址使用狀態(tài)，根據(jù)設(shè)定地址的有效生存時間，及時為節(jié)點更新IP地址。但是在ATN/IPS網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中，由于飛機的高速飛行造成機載子網(wǎng)會頻繁切入地面基站接入點，采用如此復雜的方式來為飛行器自動配置IP地址的話，會造成有效的通信時間減少。因此，我們對IP地址使用狀態(tài)不進行管理，采用無狀態(tài)自動配置機制，這種機制不需要專用服務器，終端節(jié)點自行進行地址的配置。

7ATN/IPS通信網(wǎng)絡仿真實驗與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

7.1構(gòu)建基礎(chǔ)的仿真通信網(wǎng)絡OMNeT++（ObjectiveModularNetworkTestbedinC++）是一款可擴展的、模塊化的、基于c++模擬庫組件的網(wǎng)絡仿真器?？梢詫崿F(xiàn)無線電通信網(wǎng)絡信道模擬、協(xié)議模擬、模擬隊列網(wǎng)絡、模擬多處理器和其他分布式硬件系統(tǒng)，并可以確認硬件體系結(jié)構(gòu)。在OMNet++平臺中，簡單模塊包括算法，使用OMNeT++的仿真類庫，用戶通過C++語言執(zhí)行簡單模塊。NED是OMNeT++的網(wǎng)絡描述語言，主要用來描述網(wǎng)絡模塊模型，接口，簡單模塊，復合模塊，網(wǎng)絡模型，信道定義，網(wǎng)絡參數(shù)定義，網(wǎng)絡拓撲定義等。目前開源的INET語言構(gòu)建的仿真包中，有TCP/IP五層協(xié)議的基本簡單模塊。在這些簡單模塊中，基于IPv6協(xié)議的網(wǎng)絡層模塊主要有六個，即核心模塊、支持移動IPv6協(xié)議模塊、網(wǎng)絡控制管理模塊、錯誤處理模塊、鄰居發(fā)現(xiàn)模塊以及隧道模塊，這些模塊是仿真網(wǎng)絡的基本功能執(zhí)行模塊，主要負責實現(xiàn)各相關(guān)模塊間的信息交互與處理。各模塊功能如下表1，各模塊之間的連接關(guān)系見圖2。核心模塊是網(wǎng)絡層模塊的中心調(diào)度模塊，負責對網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)包進行解封裝處理，負責接收來自上層模塊的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)封裝后發(fā)送到對應的接口模塊；或者從接口模塊接收IP數(shù)據(jù)包，將數(shù)據(jù)包解封裝后發(fā)送到對應的上層模塊。隧道模塊是負責建立隧道、選擇隧道和撤銷隧道，對某些標識特殊類型的隧道進行處理，模塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見圖3：一條隧道需要包括入口地址、出口地址以及觸發(fā)地址等信息因，具體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見圖4一個路由器節(jié)點是由接口模塊、路由表模塊、移動模塊以及接口表模塊、交互模塊組成，接口模塊又可以細分為無線接口、以太網(wǎng)接口、PPP協(xié)議接口以及擴展接口模塊四種，仿真網(wǎng)絡可以根據(jù)通信要求選擇合適的接口模塊來實現(xiàn)鏈路層和物理層功能。通信節(jié)點是為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的生成和應用，是在路由器節(jié)點基礎(chǔ)上增加了應用層和傳輸層模塊，結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖6：接入節(jié)點功能是無線和有線信號的互換、無線信號的接入、保證傳輸數(shù)據(jù)的完成性，作為空地網(wǎng)絡中的中繼節(jié)點，結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖7：集線器節(jié)點是復合模塊，由集線器模塊與移動模塊組成。移動模塊功能是實現(xiàn)通信節(jié)點在仿真網(wǎng)絡中的自由移動。進行必要的配置后，可以根據(jù)仿真的需求，隨意選擇移動類型。網(wǎng)絡層交互模塊是展示實時事件的接口。在OMNet++中，仿真內(nèi)核統(tǒng)一管理通告信息的，并在仿真界面中動畫顯示。路由表模塊負責路由的建立、管理、撤銷等路由信息的管理。接口表模塊負責管理IP地址、MAC地址以及家鄉(xiāng)網(wǎng)絡地址等地址對應的各類通信接口。在上述仿真平臺中，由于只能提供基本的單個節(jié)點的移動管理功能，不能支持網(wǎng)絡移動通信。因此下面我們將設(shè)計基于NEMO基本支持協(xié)議的ATN/IPS仿真網(wǎng)絡。這是因為機載子網(wǎng)中會同時包含移動通信節(jié)點和子網(wǎng)的本地通信節(jié)點，所以，單個固定節(jié)點和移動節(jié)點的路由優(yōu)化應該同時在一個仿真環(huán)境中實現(xiàn)。7.2支持移動網(wǎng)絡（NEMO）協(xié)議的網(wǎng)絡仿真由于OMNeT++仿真平臺中，只提供了支持MIPv6協(xié)議的仿真基本模塊，對于支持NEMO技術(shù)仿真了網(wǎng)絡，需要在網(wǎng)絡層進行重新設(shè)計。首先使用圖形用戶界面構(gòu)建出ATN/IPS結(jié)構(gòu)的仿真通信網(wǎng)絡，具體拓撲圖如圖8：圖8支持支持移動網(wǎng)絡（NEMO）協(xié)議的ATN/IPS仿真網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)拓撲圖如圖8所示，我們構(gòu)建了一個簡單的機載移動網(wǎng)，采用ATN/IPS結(jié)構(gòu)，其中地面通信網(wǎng)絡由無線接入點、移動通信終端、移動接入路由器、本地通信終端、集線器2和其他節(jié)點組成。移動接入路由器通過無線接口接入無線接入點，再通過無線接入點來接入地面網(wǎng)絡。上圖中主干網(wǎng)絡路由器是路由器1-3，組成的每條有線通信鏈路傳輸延遲是固定的。在無線通信鏈路中，地面基站切換方式為：移動終端離開前一個無線接入點的覆蓋范圍后，并進入下一個無線接入點覆蓋范圍后。圖中圓形區(qū)域代表無線信號有效覆蓋范圍，有效通信半徑為R。當信號傳輸開始時，IP網(wǎng)終端1向子網(wǎng)中的本地通信終端周期性的連續(xù)發(fā)送Ping數(shù)據(jù)包，而IP網(wǎng)終端2則向接入子網(wǎng)的移動通信終端周期性的連續(xù)發(fā)送Ping數(shù)據(jù)包。在本次實驗中，無線通信部分均采用802.11b協(xié)議模塊，無線信號頻率采用2.4GHz，無線發(fā)射功率2.0mW，在網(wǎng)絡中加入熱噪聲-110dBm，信噪比4DB來模擬真實的無線通信環(huán)境。為保證網(wǎng)絡通信質(zhì)量，我們將PING數(shù)據(jù)包的參數(shù)設(shè)置如下：負載數(shù)據(jù)大小1200B，發(fā)送間隔為0.2秒，最大路由跳轉(zhuǎn)數(shù)32，開始時間終端1為2秒，終端2為2.1秒。當?shù)谝淮伟l(fā)送數(shù)據(jù)包時，發(fā)送終端以及轉(zhuǎn)發(fā)路由器的緩存中均沒記錄下一節(jié)點IP地址所對應的MAC地址，因此在數(shù)據(jù)包發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)前，終端以及路由器采用鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議進行地址解析，所以第一個數(shù)據(jù)包的通信時延較大；當機載子網(wǎng)處于家鄉(xiāng)網(wǎng)絡時，發(fā)送的數(shù)據(jù)包通信時延較小。機載子網(wǎng)在接入外地網(wǎng)絡后，子網(wǎng)中各終端節(jié)點的數(shù)據(jù)包通過家鄉(xiāng)移動路由器、普通移動路由器雙向通道來轉(zhuǎn)發(fā)，因而數(shù)據(jù)包的往返時延變大，而且當機載移動路由器在不同的地面接入點間切換時，原有通信鏈接中斷，直到建立新的通信鏈接，此時，通信網(wǎng)絡中出現(xiàn)丟包情況。7.3ATN/IPS仿真網(wǎng)絡的層次結(jié)構(gòu)優(yōu)化上面仿真網(wǎng)絡中，雖然實現(xiàn)了支持IPv6協(xié)議和NEMO技術(shù)的仿真通信網(wǎng)絡，但是網(wǎng)絡時延較大，為了減小通信時延，將ATN/IPS網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)進行層次劃分，將移動通信終端和機載通信終端統(tǒng)一至空中網(wǎng)絡中，地面網(wǎng)絡中定義它的通信對端即移動錨點MAP：在下圖中將移動通信終端、機載通信終端、hub2組成局域網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡作為機載移動子網(wǎng)。在地面網(wǎng)絡增加了移動錨點MAP，其具有區(qū)域移動管理功能的，網(wǎng)絡基本參數(shù)的設(shè)置同7.2，網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如下7.4仿真性能分析在仿真網(wǎng)絡實現(xiàn)后，經(jīng)測試，在7.2所建成的ATN/IPS仿真通信網(wǎng)絡中，機載子網(wǎng)接入外地網(wǎng)絡時，子網(wǎng)中的通信終端平均通信時延為52.32ms，移動通信終端平均通信時延為52.57ms；而ATN/IPS仿真網(wǎng)絡進行7.3的層次網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后，機載子網(wǎng)接入外地網(wǎng)絡時，通信終端平均通信時延為39.62ms，移動通信終端平均通信時延為39.68ms，性能提升均在20%以上。

8結(jié)語

本文以ATN/IPS通信網(wǎng)絡中IPv6技術(shù)為基礎(chǔ)，針對民用航空通信環(huán)境中，由于飛行器高速移動造成空地網(wǎng)絡拓撲頻繁變化，設(shè)計了ATN/IPS通信網(wǎng)絡中空-地通信鏈路的路由優(yōu)化方案。通過減少ATN/IPS通信網(wǎng)絡中移動管理信令交互數(shù)量，優(yōu)化空-地通信間的路由，減少IP數(shù)據(jù)包流量，來提高空-地無線鏈路的帶寬利用率。在本文的仿真實驗中，通過層化的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)優(yōu)化，網(wǎng)絡傳輸?shù)臅r延性能雖有提高，但是仍不理想，下一步將考慮進一步簡化路由機制，通過增加機載網(wǎng)絡數(shù)量完善仿真實驗平臺，來進一步模擬出真實的空地無線通信鏈路環(huán)境。

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作者：李玲 單位：民航大連空管站