ATN/IPS通信網絡設計研究

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

關鍵詞：ATN/IPS；IPV6；通信網絡；NEMO；仿真網絡

隨著現代通訊技術的快速發展，航空電信網絡由基于電報交換技術的AFTN網發展到基于計算機網絡通信技術的ATN網，ATN網絡是以開放式系統互連為基礎的數據通信網絡，將地面的數據通信和地空的數據通信融合，將飛行器通過衛星、甚高頻、S模式雷達間的地空數據鏈路與空管地面通信系統通信，實現地面間各空管和航空公司等節點之間的高速數據交換，它采用的開放式系統互聯結構，實現了機載系統和地面管制系統、地面管制系統和地面管制系統無縫數據連接，是全球地空一體化的航空專用通信網絡。現在計算機網絡系統采用的IPv4技術，由于其初期對IP地址規劃的不合理，使得網絡變得非常復雜，路由表條目繁多。在發展過程中，雖然通過劃分子網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協議出現后，IP網絡技術具備的安全性能和QOS安全機制可以滿足航空電信網絡。因此，在ATN通信網中應用成熟的IPv6技術，成為民航業界的共識。

1ATN/IPS的發展

新航空電信網是由空中交通管理系統、導航系統、通信系統、監視系統四個部分組成，因為導航系統和監控系統所產生的各類數據都需要通信系統來傳輸，因此通信系統是其基礎，其主要涉及數據鏈通信、航空移動衛星業務和航空電信網（ATN）。航空電信網（ATN）是一個由通信衛星子網、無縫移動子網和地面子網等多種網絡組成的全球互聯的復雜網絡，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間的通信，包括空中交通管理計算機系統與航空公司飛行運行管理計算機系統間、航空公司飛行運行管理計算機系統與飛機計算機系統間、空中交通管理計算機系統與飛機計算機系統間等各計算機系統間的通信。航空電信網網絡結構體系是基于的OSI7層協議模型設計，由于實現復雜、成本較高，各個國家之間網絡特性，在應對各成員國的ATN互聯中，顯現出不足。將ATN/OSI協議標準與IP協議體制相結合網絡，可以充分利用成熟的IP技術和設備，來滿足ATN通信需求，因此ATN/IPS通信網絡作為下一代航空電信網是大勢所趨。ATN/IPS通信網絡具有成熟的IP技術和設備及網絡資源，可以兼容支持目前ATN網絡的各種服務，基于IP的QoS協議和安全協議能提供可靠的安全通信保障，易于組網，有利于各異構網絡融合，支持采用IPv6協議的移動管理方案。

2IPv6移動管理技術

ATN/IPS采用IP技術（IPv4或者IPv6），由于飛機的全球移動性，因此需要移動IP來對飛機進行動態管理。飛行器是通信節點，當其移動時，移動位置改變會造成網絡接入點改變，網絡拓撲位置是動態變化的。由于各個接入點的IP地址不同，當通信節點在獲得新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網絡中路由協議是基于其網絡前綴的，如果通信節點移動，是無法保障通信連續穩定的。隨著互聯網規模的急劇膨脹，IPv4技術暴露出許多嚴重的問題，已難以適應現代社會對網絡的需求。由于IPv6具有更高效和可持續發展的網絡，支持聚類原則和分層規劃，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網商業解決方案。2017年底開始，我國加速IPv6商用網絡部署，從2019年10月3日的APNIC的統計數據中可看到，全球IPv6支持率已占比24.48%，而優先使用IPv6協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網絡用戶共11.29億，固定網絡用戶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的產品和技術已經相當成熟，通信網絡的設計將采用IPv6的基礎設計。隨著IPv6技術的發展，層次移動IPv6移動管理協議（HMIPv6）提出，解決了在IPv6中移動信令的頻繁交互的問題，是IPv6協議的擴展和改進。對于移動通信終端來說，將通信網絡劃分為家鄉網絡和外地網絡。首先我們通過家鄉網絡點，為所管理的移動通信終端配置唯一且固定的IP地址，稱為家鄉地址。它的原理是當移動通信終端在家鄉網絡中時，網絡通信采用傳統的路由機制；當移動通信終端接入外地網絡時，接入路由器獲得本地鏈路的轉交地址，再通過家鄉節點注冊新地址，來確保通信連接的連續通暢。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備如果都要進行移動信令交互，會造成航空無線網帶寬資源浪費，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技術的進一步發展是NEMO技術，支持子網移動通信，適用ATN/IPS結構的網絡環境。HMIPv6技術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技術結合可以進一步改進IPv6網絡移動管理工作。

3ATN/IPS網絡結構

ATN/IPS網絡是基于TCP/IP協議的航空電信網，在IOS模型中，協議體系結構如圖1。圖1ATN/IPS通信網絡協議體系結構在ATN/IPS網絡中，移動網絡服務商采用IPv6移動標準對移動終端管理。因此網絡可以由許多互聯網的管理域組成，管理域范圍可以大到國家，小到地區。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地址之間的系統交互路由信息。

4ATN/IPS服務類型

由于航空領域存在多個空地通信網絡并存的情況，需要提供不同類型的信息服務。從經濟成本上考慮以及無線通信頻率分配上考慮，建設統一、綜合性的基礎通信網絡是ATN/IPS航空通信網的發展趨勢。根據ICAO規定，需要由支持IP協議的節點和網絡組成ATN/IPS網絡，專用于為空管服務提供商和航線運營商提供數據通信服務，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絡的移動終端來提供，也可以由機載移動子網中的本地終端來提供。

5ATN/IPS網絡類型及優化

ATN/IPS網絡類型可分為空-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，進而產生通信鏈路中信道延遲增大、拓撲結構頻繁變化、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，采用HMIPv6的分層和移動管理機制；二是通過應用移動網絡技術，即NEMO技術，將飛行器內部局域網整體作為一個移動子網管理，移動子網再通過移動路由器接入地面網絡，提高空-地無線通信鏈路利用率；三是對空地通信網絡的路由進一步優化，提高通信效率和質量。

6ATN/IPS移動節點接入地址配置

DHCP（動態主機配置協議）是局域網的網絡協議，是服務器控制部分IP地址，通信節點登錄服務器后自動分配IP地址和子網掩碼。在IPv6中，我們同樣是通過DHCP協議來實現地址自動配置。由于ATN/IPS通信網絡全球化應用，當移動終端節點新接入網絡時，采用手動為其配置網絡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，根據設定地址的有效生存時間，及時為節點更新IP地址。但是在ATN/IPS網絡結構中，由于飛機的高速飛行造成機載子網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地址使用狀態不進行管理，采用無狀態自動配置機制，這種機制不需要專用服務器，終端節點自行進行地址的配置。

7ATN/IPS通信網絡仿真實驗與結構優化

7.1構建基礎的仿真通信網絡OMNeT++（ObjectiveModularNetworkTestbedinC++）是一款可擴展的、模塊化的、基于c++模擬庫組件的網絡仿真器。可以實現無線電通信網絡信道模擬、協議模擬、模擬隊列網絡、模擬多處理器和其他分布式硬件系統，并可以確認硬件體系結構。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++語言執行簡單模塊。NED是OMNeT++的網絡描述語言，主要用來描述網絡模塊模型，接口，簡單模塊，復合模塊，網絡模型，信道定義，網絡參數定義，網絡拓撲定義等。目前開源的INET語言構建的仿真包中，有TCP/IP五層協議的基本簡單模塊。在這些簡單模塊中，基于IPv6協議的網絡層模塊主要有六個，即核心模塊、支持移動IPv6協議模塊、網絡控制管理模塊、錯誤處理模塊、鄰居發現模塊以及隧道模塊，這些模塊是仿真網絡的基本功能執行模塊，主要負責實現各相關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系見圖2。核心模塊是網絡層模塊的中心調度模塊，負責對網絡中的數據包進行解封裝處理，負責接收來自上層模塊的數據，并將數據封裝后發送到對應的接口模塊；或者從接口模塊接收IP數據包，將數據包解封裝后發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，模塊數據結構見圖3：一條隧道需要包括入口地址、出口地址以及觸發地址等信息因，具體數據結構見圖4一個路由器節點是由接口模塊、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、以太網接口、PPP協議接口以及擴展接口模塊四種，仿真網絡可以根據通信要求選擇合適的接口模塊來實現鏈路層和物理層功能。通信節點是為了實現數據的生成和應用，是在路由器節點基礎上增加了應用層和傳輸層模塊，結構關系如圖6：接入節點功能是無線和有線信號的互換、無線信號的接入、保證傳輸數據的完成性，作為空地網絡中的中繼節點，結構關系如圖7：集線器節點是復合模塊，由集線器模塊與移動模塊組成。移動模塊功能是實現通信節點在仿真網絡中的自由移動。進行必要的配置后，可以根據仿真的需求，隨意選擇移動類型。網絡層交互模塊是展示實時事件的接口。在OMNet++中，仿真內核統一管理通告信息的，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地址以及家鄉網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點的移動管理功能，不能支持網絡移動通信。因此下面我們將設計基于NEMO基本支持協議的ATN/IPS仿真網絡。這是因為機載子網中會同時包含移動通信節點和子網的本地通信節點，所以，單個固定節點和移動節點的路由優化應該同時在一個仿真環境中實現。7.2支持移動網絡（NEMO）協議的網絡仿真由于OMNeT++仿真平臺中，只提供了支持MIPv6協議的仿真基本模塊，對于支持NEMO技術仿真了網絡，需要在網絡層進行重新設計。首先使用圖形用戶界面構建出ATN/IPS結構的仿真通信網絡，具體拓撲圖如圖8：圖8支持支持移動網絡（NEMO）協議的ATN/IPS仿真網絡結構拓撲圖如圖8所示，我們構建了一個簡單的機載移動網，采用ATN/IPS結構，其中地面通信網絡由無線接入點、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絡。上圖中主干網絡路由器是路由器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網終端1向子網中的本地通信終端周期性的連續發送Ping數據包，而IP網終端2則向接入子網的移動通信終端周期性的連續發送Ping數據包。在本次實驗中，無線通信部分均采用802.11b協議模塊，無線信號頻率采用2.4GHz，無線發射功率2.0mW，在網絡中加入熱噪聲-110dBm，信噪比4DB來模擬真實的無線通信環境。為保證網絡通信質量，我們將PING數據包的參數設置如下：負載數據大小1200B，發送間隔為0.2秒，最大路由跳轉數32，開始時間終端1為2秒，終端2為2.1秒。當第一次發送數據包時，發送終端以及轉發路由器的緩存中均沒記錄下一節點IP地址所對應的MAC地址，因此在數據包發送和轉發前，終端以及路由器采用鄰居發現協議進行地址解析，所以第一個數據包的通信時延較大；當機載子網處于家鄉網絡時，發送的數據包通信時延較小。機載子網在接入外地網絡后，子網中各終端節點的數據包通過家鄉移動路由器、普通移動路由器雙向通道來轉發，因而數據包的往返時延變大，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，通信網絡中出現丟包情況。7.3ATN/IPS仿真網絡的層次結構優化上面仿真網絡中，雖然實現了支持IPv6協議和NEMO技術的仿真通信網絡，但是網絡時延較大，為了減小通信時延，將ATN/IPS網絡結構進行層次劃分，將移動通信終端和機載通信終端統一至空中網絡中，地面網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組成局域網絡，該網絡作為機載移動子網。在地面網絡增加了移動錨點MAP，其具有區域移動管理功能的，網絡基本參數的設置同7.2，網絡拓撲結構如下7.4仿真性能分析在仿真網絡實現后，經測試，在7.2所建成的ATN/IPS仿真通信網絡中，機載子網接入外地網絡時，子網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仿真網絡進行7.3的層次網絡結構優化設計后，機載子網接入外地網絡時，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結語

本文以ATN/IPS通信網絡中IPv6技術為基礎，針對民用航空通信環境中，由于飛行器高速移動造成空地網絡拓撲頻繁變化，設計了ATN/IPS通信網絡中空-地通信鏈路的路由優化方案。通過減少ATN/IPS通信網絡中移動管理信令交互數量，優化空-地通信間的路由，減少IP數據包流量，來提高空-地無線鏈路的帶寬利用率。在本文的仿真實驗中，通過層化的網絡結構優化，網絡傳輸的時延性能雖有提高，但是仍不理想，下一步將考慮進一步簡化路由機制，通過增加機載網絡數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境。

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作者：李玲 單位：民航大連空管站