БЕРЕГОВОЙ УЗЕЛ СВЯЗИ ФЛОТА
COASTAL FLEET COMMUNICATION UNIT

Изобретение относится к области электрорадиотехники и связи, а именно к технике управления сетью адаптивной радиосвязи и может быть использовано для функционирования в составе сети декаметровой радиосвязи на береговых узлах связи флота.
Система связи флота представляет собой совокупность взаимоувязанных и согласованных по задачам, методу и времени действий узлов связи различного уровня. В свою очередь каждый узел связи состоит из узла связи пункта управления соответствующего уровня. Радиоцентров и центров связи, береговых радиостанций и каналов связи. В состав берегового узла связи флота входят приемные и передающие центры, связанные между собой межцентровыми каналами. Функционирование узла связи флота обеспечивается по каналам, образованным средствами проводной волоконно-оптической, радиорелейной, радио- и спутниковой связи [Катанович А.А., Тамодин Н.В. Системы связи ВМФ. - С-Пб.: Судостроение, 2012]. Структурированная кабельная система (СКС) берегового узла связи обеспечивает доступ в сеть большому количеству абонентов открытой и закрытой сети с возможностью организации открытого и защищенного сегмента локальной вычислительной сети. Для построения СКС применена физическая топология типа звезда [Адамский В.К. Радиоприемные центры. - М.: Связьиздат, 1949; Копытин Л.А. Передающие радиоцентры. - М.: Связьиздат, 1951; Берг А.И. Радиотехника и электроника и их техническое применение. - М.: Изд-во АН СССР, 1956].
Береговой узел связи флота, как правило, состоит из приемного и передающего центров, соединенных волоконно-оптическими линиями связи, системы электроснабжения, приемных и передающих антенно-аппаратных комплексов, опорных радиоцентров и оконечного оборудования данных [Катанович А.А., Маркосян Р.А. и Цыванюк В.А.Береговые комплексы и системы связи ВМФ. - С-Пб.: Морская энциклопедия, 2017, с. 16-17].
Целью изобретения является обеспечение информационного обмена в режиме пакетной передачи, в интересах интегрированной транспортной сети, различных пользователей в различных условиях.
Поставленная цель достигается тем, что береговой узел связи флота, состоящий из приемного и передающего центров, соединенных волоконно-оптическими линиями связи, системы электроснабжения, приемных и передающих антенно-аппаратных комплексов, опорных радиоцентров и оконечного оборудования данных, к нему подключен комплекс адаптивной радиосвязи, состоящий из приемного и передающего комплекта адаптивной радиосвязи соединенных между собой посредством радиорелейной или волоконно-оптической линией связи, в которые входят автоматизированное рабочее место, комплекты системы единого времени, блок сетевых функций, блок шифровальной аппаратуры связи, восемь блоков цифровой обработки и сопряжения с радиосредствами, блок питания, шлюзы и телекоммуникационное оборудование, причем автоматизированное рабочее место через шлюзы соединено с опорным радиоцентром, оконечным оборудованием данных и с блоком сетевых технологий, который в свою очередь соединен с восьмью блоками цифровой обработки и сопряжения с радиосредствами, которые через шлюз соединены с приемным и передающими антенно-аппаратными комплексами и комплектом системы единого времени, а блок питания соединен с системой электроснабжения и со всеми элементами комплекса.
Структурная схема заявляемого берегового узла связи флота приведена на фиг. 1. Она содержит:
- комплекс адаптивной радиосвязи 1; - приемный комплект 2; - передающий комплект 3; - автоматизированное рабочее место (АРМ) 4; - комплект системы единого времени 5; - блок сетевых функций (БСФ) 6; - блок ШАС 7;
- восемь блоков цифровой обработки и сопряжения с радиосредствами (БЦОиС) 8; - шлюзы 9; - блок питания 10; - опорный радиоцентр 11;
- оконечное оборудование данных 12; - систему электропитания 13;
- приемный антенно-аппаратный комплекс 14; - передающий антенно-аппаратный комплекс 15; - телекоммуникационное оборудование 16.
Назначение основных элементов узла связи.
Комплекс адаптивной радиосвязи (КАРС) 1 предназначен для функционирования в составе сетей ДКМ радиосвязи с целью обеспечения информационного обмена в режиме пакетной передачи, в интересах интегрированной транспортной сети, различных пользователей в различных условиях и предоставляет ресурсы в интересах оконечного оборудования данных перспективных абонентских систем. Он реализует децентрализованную адаптивную маршрутизацию, обеспечивает обмен служебной информацией, необходимой для функционирования и управления сетью адаптивной радиосвязи (САРС).
КАРС 1 обеспечивает работу четырех каналов ДКМ радиосвязи для взаимодействия с узлами опорной сети адаптивной радиосвязи (САРС), трех каналов ДКМ радиосвязи для взаимодействия с мобильными абонентскими радиотерминалами и одного широковещательного вызывного канала (ШРВК), для работы в линиях привязки глобально перемещающихся объектов. Каждый канал КАРС реализует полнодуплексную независимую адаптивную работу в ДКМВ диапазоне радиочастот со скоростями обмена от 4 до 4800 бит в секунду. КАРС состоит из двух комплектов - приемного и передающего, что обеспечивает возможность работы в территориально разнесенных радиоцентрах. Межцентровое взаимодействие комплектов КАРС обеспечивается по высокоскоростным проводным линиям связи - ВОЛС или с использованием радиорелейного оборудования комплекса средств каналообразования, кроссовой коммутации и вторичных систем. КАРС обеспечивает временную синхронизацию с использованием систем глобальной синхронизации ГЛОНАСС, GPS, механизмах предоставляемых опорной сетью САРС, а также сервисах синхронизации предоставляемых опорной автоматизированной цифровой системой связи (ОАЦСС) ВС РФ.
В составе КАРС 1 выделены приемный 2 и передающий комплекты 3. Взаимодействие приемного 2 и передающего 3 комплектов КАРС осуществляется с использованием каналообразующей аппаратуры КАРС.
Автоматизированное рабочее место (АРМ) 4 предназначено для ввода и отображения управляющей информации, взаимодействия с оператором и комплексом автоматизации опорного радиоцентра (ОпРЦ) 11.
АРМ 4 обеспечивает решение следующих основных групп задач:
- администрирование САРС, включая ввод исходных данных, необходимых для функционирования САРС;
- оперативное управление сетью адаптивной радиосвязи;
- мониторинг состояния САРС и ее элементов;
- конфигурирование КАРС;
- технологическое управление элементами КАРС;
- взаимодействие с комплексом автоматизации ОпРЦ 11;
- взаимодействие с блоком сетевых функций КАРС.
Комплекс системы единого времени 5 обеспечивает формирование временных меток для использования различными уровнями сети адаптивной радиосвязи:
- для синхронизации процессов приема/передачи радиосигналов на физическом уровне;
- для функционирования алгоритмов автоматического установления соединения и адаптации на канальном уровне;
- для корректного функционирования алгоритмов сетевого уровня.
Системный таймер обеспечивает взаимную синхронизацию КАРС с использованием данных системы единого времени навигационных систем.
Блок сетевых функций 6 реализует верхние уровни - вплоть до сетевого включительно - эталонной модели взаимодействия открытых систем протоколов обмена САРС, включая протоколы управления САРС и протоколы маршрутизации.
Блок сетевых функций 6 обеспечивает взаимодействие с АРМ (задачи связанные с конфигурированием КАРС, администрированием и управлением САРС) и оконечным оборудованием данных с одной стороны и блоками цифровой обработки и сопряжения с радиосредствами (задача передачи данных по радиоканалу, обеспечение мониторинга и управления оборудованием приемного и передающего антенно-аппаратурного комплекса) с другой стороны.
Взаимодействие блока сетевых функций 6 с блоками цифровой обработки и сопряжения с радиосредствами 8 осуществляется через блок шифровальной аппаратуры связи (ШАС) 7.
Блок ШАС 7 реализует специальный уровень для обеспечения шифрования и имитозащиты информации управления САРС.
В соответствии с эталонной моделью взаимодействия открытых систем (ГОСТ 28906-91) к информации управления сетью относится информация сетевого уровня.
Блок цифровой обработки и сопряжения с радиосредствами (БЦОиС) 8 обеспечивает реализацию нижних уровней протоколов обмена САРС, включая модуляцию и демодуляцию сигналов физического уровня, канальную синхронизацию, реализацию алгоритмов помехоустойчивого кодирования на канальном уровне, алгоритмы анализа качества канала связи, алгоритмы автоматической адаптации по скорости и частоте, а также алгоритмы процедуры автоматического установления соединения (АУС).
Исходными данными для работы процедуры АУС являются позывной адаптивной радиолинии, а также от 2 до 30 пар частот приема/передачу. Процедура АУС способна функционировать как при наличии меток времени, получаемых от системного таймера, так и в условиях отсутствия меток времени - в асинхронном режиме.
БЦОиС 8 обеспечивает физическое взаимодействие с оборудованием приемного и передающего антенно-аппаратурного комплекса. Информационное взаимодействие - потоки цифровых квадратурных отсчетов с приемников приемного антенно-аппаратурного комплекса и на возбудители передающего антенно-аппаратурного комплекса - осуществляется по протоколам семейства RTP. Для управления и мониторинга антенно-аппаратным комплексом (ААК) используется протокол SNMP.
Один БЦОиС 8 обеспечивает работу одного канала ДКМ радиосвязи САРС - магистрального, связи с абонентским радио терминалом или линии привязки глобально перемещающихся объектов. Все блоки цифровой обработки и сопряжения с радиосредствами идентичны. Вариант использования БЦОиС 8 определяется при конфигурировании КАРС.
Шлюз 9 осуществляет сопряжение с источниками/получателями информации, не поддерживающими базовый протокол.
Блок питания 10 обеспечивает оборудование КАРС необходимыми питающими напряжениями. Внешнее питание блока питания 10 осуществляется от системы электроснабжения 13 в соответствии с требованиями ГОСТа от сети переменного тока напряжением 220 В (+10; -15%), или постоянного тока напряжением 27 В (21-31 В).
Опорные радиоцентры 11 и абонентские радиотерминалы выступают в качестве точек входа и выхода (источника/получателя) информации в сети адаптивной радиосвязи.
С оконечным оборудованием данных (ООД) 12 осуществляется по интерфейсу Ethernet внешнее сопряжение КАРС.
Система электропитания 13 является совокупностью блоков питания и систем преобразования, передачи и распределения электрической энергии оборудования берегового узла связи флота.
Приемный 14 и предающий антенно-аппаратные комплексы 15 представляют собой организационно-техническое объединение радиоприемных, радиопередающих средств, антенных коммутаторов, антенн и вспомогательных технических устройств, обеспечивающих их функционирование.
Телекоммуникационное оборудование 16 обеспечивает физическое информационное взаимодействие узлов КАРС между собой на основе протоколов информационного обмена стека TCP/IP - технология IEEE802.3 (Ethernet). В качестве телекоммуникационного оборудования применяются серийно выпускаемые промышленные Ethernet коммутаторы.
С логической точки зрения, информационное взаимодействие элементов КАРС между собой реализовано в двух непересекающихся контурах локальной вычислительной сети (ЛВС), взаимодействие между которыми разделено блоком ШАС. Разделение ЛВС на два контура позволяет выделить в структуре КАРС группы функциональных блоков работающих с информацией разной группы секретности.
Взаимодействие КАРС 1 с ООД 12 обеспечивает базовый протокол, определяющий правила взаимодействия источников/получателей информации и сети адаптивной радиосвязи.
Задача базового протокола - обеспечение двухстороннего взаимодействия с источниками/получателями информации, позволяющего обеспечить информированность об ожидаемом времени доставки сообщений с учетом его атрибутов и уведомлении о фактической доставке сообщения получателю.
Базовый протокол обмена информацией САРС описывает процедуру передачи несекретной информации и ее атрибутов от источника, находящегося за пределами САРС в САРС для передачи средствами САРС в пункт назначения. Данный протокол используется для стыка САРС и перспективных средств ООД 12, в том числе ОАЦСС ВС РФ. Идентификация источников/получателей информации в САРС осуществляется по двухуровневой схеме.
Первый уровень адресации - адреса внутри САРС. Адреса внутри САРС образуются сквозной нумерацией ОпРЦ 11 и абонентскими радиотерминалами, входящих в САРС и жестко фиксируются на этапе планирования и развертывания сети. Адреса внутри САРС используются на сетевом уровне протоколов передачи данных по радиоканалам, применяемым в САРС.
Второй уровень адресации - идентификаторы источников/получателей информации - ООД 12. Идентификаторы источников/получателей являются уникальными внутри САРС и назначаются каждому источнику/получателю при его подключении к сети. В качестве идентификаторов источников/получателей в САРС используются их IP адреса.
Сопоставление адресов и идентификаторов источников/получателей информации осуществляется комплексом автоматизации радиоцентра на основе информации о топологии САРС с использованием АРМ 4 ОпРЦ 11.
Протоколы информационного обмена КАРС 1 обеспечивают информационно-техническое сопряжения с транспортными системами, построенными на основе технологий TCP/IP.
В КАРС входят:
- модуль ввода и отображения управляющей информации взаимодействия с оператором и комплексом автоматизации РЦ - автоматизированное рабочее место АРМ 4 обеспечивает:
- ввод разрешенных радиоданных, параметров режимов, скоростей передачи и другой управляющей информации с учетом типов сопрягаемого ООД 12, способов и конфигурации трактов информационного обмена, отображение состояния и параметров КАРС;
- передачу и отображение вводимой оператором информации (в том числе со съемных накопителей), а также прием и отображение аналогичной информации, передаваемой от других КАРС;
- автоматизированное управление оборудованием КАРС (приемный и передающий комплекты);
- технологическое управление оборудованием, сопрягаемым с КАРС -приемный ААК 14 и передающий ААК 15;
- энергонезависимое хранение конфигурации сформированных радиотрактов и их режимов работы при пропадании сетевого питания;
- блок сетевых функций (совмещающий функции многоканального сетевого модуля и модуля сопряжения с оконечной аппаратурой) обеспечивает:
- административное управление сетью адаптивной радиосвязи (сетевое администрирование);
- управление конфигурацией и именами в сети КАРС;
- управление эффективностью функционирования САРС;
- управление при отказах КАРС;
- сопряжение с комплексом автоматизации РЦ через АРМ 4;
- транспортный уровень;
- сетевой уровень;
- внутрисетевой протокол САРС, регламентирующий взаимодействие КАРС-КАРС в сети;
- пакетный коммутатор на основе абонентского сетевого протокола САРС (через АРМ 4 КАРС), регламентирующего взаимодействие ООД 12 между собой посредством КАРС обеспечивает:
- управление сетевыми службами, адресованием пакетов, качеством обслуживания;
- интерфейс с канальным уровнем САРС (через специальный уровень);
- сопряжение с ООД 12 объектов применения;
- сопряжение с каналообразующей аппаратурой для связи разнесенных элементов КАРС;
- блок ШАС 7, реализующий специальный уровень для обеспечения шифрования и имитозащиты информации управления сетью;
- модуль сопряжения с радиосредствами, обеспечивающий сопряжение с радиосредствами объектов применения - антенно-аппаратурными комплексами;
- реализующий канальный уровень:
- процедуры управления информационным каналом;
- алгоритм надежного доведения кадров в информационном канале;
- интерфейс с сетевым уровнем САРС (через специальный уровень);
- алгоритмы автоматического установления соединения и адаптации на канальном уровне.
КАРС 1 обеспечивает предоставление ресурсов в интересах:
- обмена ООД 12 перспективных абонентских систем;
- обмена служебной информацией управления сетью КАРС.
Обмен данными между КАРС осуществляется в режиме пакетной передачи. В КАРС разработаны и функционируют:
- алгоритмы автоматического установления и поддержания радиосвязи;
- алгоритмы и протоколы пакетной передачи данных;
- алгоритмы и параметры помехоустойчивого кодирования;
- алгоритмы многостанционного доступа КАРС к широковещательного вызывного канала (ШВРК);
- алгоритмы синхронизации сети КАРС;
- алгоритмы маршрутизации;
- алгоритмы пространственно-поляризационной компенсации помех.
КАРС 1 обеспечивает автоматическое алгоритмическое и физическое сопряжение с ООД 12 абонентских систем.
КАРС 1 обеспечивает управление радиоэлектронными средствами, размещенными как вблизи КАРС, так и территориально удаленными по стыкам Ethernet и ИРПС (RS-232, 485).
Внутреннее информационное взаимодействие составных частей КАРС 1 построено на единой унифицированной информационно-управляющей шине Ethernet.
КАРС реализует функции и обеспечивает работу алгоритмов сети адаптивной радиосвязи.
Система адресования сетей КАРС обеспечивает функционирование в составе транспортной сети ОАЦСС ВС РФ. В качестве сетевой адресации применяется IP адресация.
Протоколы САРС обеспечивают возможность передачи пакетов в соединениях типа точка-точка и точка-многоточка, а также реализован метод волновой маршрутизации.
В сетях КАРС реализована процедура децентрализованной адаптивной маршрутизации. Протокол маршрутизации обеспечивает выбор маршрута доведения пакета на основе адресных признаков, указанных в заголовке пакета, информации о связанности КАРС, состоянии загрузок КАРС на транзитных участках. Протоколы сетевого уровня производят автоматический контроль связности САРС и информационную загрузку магистральных радиолиний, а также периодическую рассылку данной информации при помощи служебных пакетов управления сетью.
Реализованные алгоритмы маршрутизации устойчивы в условиях изменения структуры сети и обеспечивают равные условия по доведению информации пользователям одинакового приоритета, а также обеспечивают защиту от зацикливания пакетов между смежными узлами.
Протокол передачи данных позволяет осуществлять передачу сообщений как в режиме виртуального соединения (с подтверждением о доставке), а одиночных пакетов и без установления предварительного соединения - в дейтаграмном режиме.
В режиме виртуальных соединений, протокол передачи данных производит обнаружение и исправление ошибок в логическом канале, производит обнаружение дублирования и потери пакетов.
Алгоритм построения виртуальных соединений, с резервированием ресурсов задействуемых магистральных радиолиний, обеспечивает защиту от перегрузок, управление доступом и потоком, а также квитирование доставки сообщений потребителю.
КАРС 1 реализует средства администрирования и управления САРС.
Административное управление САРС осуществляется оператором автоматизированного рабочего места 4, или оператором комплекса автоматизации радиоцентра (РЦ) с АРМ 4 комплекса автоматизации РЦ (в случае делегирования функций оперативного управления КАРС оператору комплекса автоматизации РЦ).
Реализованные алгоритмы КАРС обеспечивают скрытие реального трафика обмена информацией (выравнивание трафика и его интенсивности) путем передачи случайной информации случайной длины при отсутствии сообщений на передачу со стороны ООД 12.
В процессе ведения связи КАРС обеспечивает проведение адаптации по частоте, скорости и режимам кодирования.
КАРС реализует компенсацию помех на основе модемных компенсаторов помех.
Каждый канал КАРС обеспечивает работу четырех каналов ДКМ радиосвязи для взаимодействия с узлами опорной САРС, трех каналов ДКМ радиосвязи для взаимодействия с мобильными абонентскими радиотерминалами и одного вызывного канала для работы в линиях привязки глобально перемещающихся объектов.
При этом в каждом канале ДКМ радиосвязи КАРС производит управление необходимым количеством трактов передачи (возбудители, РПДУ, антенны) и трактов приема (связных РПУ и антенны) для одновременной независимой работы, в том числе при работе модемных компенсаторов помех и фазированных антенных решеток (ФАР).
В составе КАРС программно реализованы функции декаметровых модемов (пакетных и потоковых), обеспечивающих адаптивное функционирование в режимах и со скоростями передачи от 4 до 4800 бит/сек, соответствующими условиям сигнально-помеховой обстановки.
На фиг. 2 представлена структурная схема симулятора сети КАРС. Как видно из схемы основными составляющими симулятора являются: набор передающих и принимающих узлов, модуль сервера, модуль статистики, модуль диспетчера, модуль времени.
На фиг. 3 представлено отображение статистических данных о работе узла и сети. На фиг. 4 отображена структура пакета. На фиг. 5 приведена структура сообщения в протоколе.
Непосредственно модуль сервера 18 является ключевым звеном в симуляторе сети 17 КАРС и выполняет множество функций, среди которых основные это:
- синхронизация времени;
- формирование списка приемо-передающих узлов;
- трансляция (включая необходимые конвертации) переданных пакетов от узлов в модуль диспетчера;
- трансляция (включая необходимые конвертации) обработанных пакетов из модуля диспетчера на узлы передачи данных;
- ограничение передачи обработанных модулем диспетчера пакетов согласно метрики для параметра индикатора мощности принимаемого сигнала (RSSI) до непосредственной передачи пакетов на приемо-передающие узлы;
- подсчет статистики;
- синхронизация и взаимодействие с модулем графического интерфейса пользователя.
При формировании списка узлов, формируются также данные о задержке и Path loss (потерях в среде распространения сигналов) для каждого из приемо-передающих узлов, учитывая реальный рельеф местности. Также модуль сервера может учитывать другие параметры и условия канала распространения.
Синхронизуемый модулем времени синхронизации 22, модуль сервера 18 опрашивает приемо-передающие узлы сети 21. Составляет список передаваемых пакетов. Конвертирует данные пакеты во внутреннюю структуру данных CmnMsg, которая позволяет хранить содержание самого пакета как есть в теле структуры сообщение (CmnMsg), а всю необходимую для обработки информацию в заголовочной области. Заголовочная область заполняется посредством конвертера. Среди информации хранящейся в заголовке внутреннего формата представления пакетов имеется следующая:
- время начала передачи пакета; - длина пакета; - индекс узла источника пакета; - индекс узла получателя пакета; - мощность узла источника;
- массив состояний канала передачи для всех узлов.
Массив состояний канала передачи узлов содержит для каждого из узлов структуру состояния канала передачи сообщений (Msg Channel State), среди основных:
- индикация мощности принимаемого сигнала;
- отношение сигнал/шум;
- задержка сигнала от данного приемо-передающего узла;
- потери уровня сигнала в среде распространения.
Часть этих параметров формируется при создании узлов, конвертации пакетов от узлов в структуру CmnMsg конвертором сообщений, а часть из них в последствии вычисляется и заполняется модулем диспетчера.
После передачи подготовленных (конвертированных) сообщений (пакетов) на модуль диспетчера, модуль сервера опрашивает модуль диспетчера на предмет выходящих сообщений, то есть сообщений, которые, учитывая все особенности распространения и условия передачи должны в данный момент времени достичь определенных приемо-передающих узлов. Если такие сообщения на данный отсчет времени есть, то они подвергаются некоторому алгоритму отбора и проверки сообщений, после чего пройденные этот этап сообщения, опять подаются на конвертер сообщений, на этот раз из внутреннего формата CmnMsg обратно в формат сообщений узлов передачи, из которых они уже получают собственно сам пакет данных переданный сквозь среду распространения.
Так же при получении сообщений из модуля диспетчера, список таковых сообщений передается на модуль статистики, в котором собираются статистически сведения о всей симуляции и передачам пакетов.
Также модуль сервера осуществляет координацию и синхронизацию всех происходящих в сервере процессов с отображением промежуточных результатов и статистических сведений модулем графического интерфейса пользователя.
Модуль диспетчера сообщений 19. Диспетчер сообщений предназначен для обработки сообщений, которые модуль сервера конвертировал поступившие в него сообщения от приемо-передающих узлов. Входные сообщения для модуля диспетчера имеют вид структуру CmnMsg, описанной выше. Сам модуль диспетчера имеет входной и выходной буферы, хранящие непосредственно списки сообщений согласно структурам CmnMsg. В самом же диспетчере сообщения, подвергаемые обработки хранятся в некой структуре - обертке структуры CmnMsg, которая позволяет хранить метаданные, необходимые для расчетов различных параметров сообщений.
Модуль диспетчера сообщений 19 выполняет роль эмуляции распространения сигналов от одних приемо-передающих узлов к другим приемопередающим узлам, учитывая параметры канала распространения, мощности узлов испускаемых сигналы, задержки приема сигнала от различных узлов, уровень шума. Для каждого обрабатываемого сообщения модуль диспетчера сообщений анализирует вышеуказанные параметры и на основе этого определяет в какой момент времени и какому из узлов поступит сообщение, содержащее переданный сигнал от определенного приемо-передающего узла, формируя тем самым выходной буфер сообщений, отдаваемый обратно в модуль сервера. Для каждого выдаваемого на выход сообщения, модуль диспетчера рассчитывает значение SINR, учитывая время начала и длительность сигналов, находящихся в данный момент в эфире, испущенных различными приемо-передающими узлами, а также их индикацию мощности принимаемого сигнала и задержку приема от конкретного приемо-передающего узла.
Модуль статистики 20 предназначен для сбора и предоставления статистики по приемо-передающим узлам и сети в целом. Для выполнения такой задачи модулем статистики собираются данные непосредственно для каждого приемо-передающего узла отдельно, а также собирается общая статистики по работе всей сети в целом. По каждому из приемо-передающих узлов собираются и обрабатываются следующие статистические данные: текущая пропускная способность, передано сообщений, получено сообщений, всего передано данных в байтах, всего получено данных в байтах, список соседних узлов.
Среди значений, собирающихся и обрабатываемых по всей сети (совокупности всех приемо-передающих узлов) в целом, такие как:
- общая пропускная способность;
- всего передано сообщений (всеми станциями внутри сети);
- всего получено сообщений (всеми станциями внутри сети).
Также статистические данные собираются для каждого из каналов связи соединяющих узлы сети. Пример вывода статических данных представлен на фиг. 3.
Приемо-передающие узлы 21. Каждый узел сети обладает определенным набором параметров, среди которых стоит отметить: идентификатор узла, тип узла, мощность излучения узла, скорость передачи данных узлом, координаты местоположения узла.
Также каждый узел содержит информацию о более низком уровне - уровне маршрутизации сети. Именно с этого уровня узел получает исходный сигнал (пакет данных), который в последствии преобразуется в сообщение приемо-передающего узла и далее обрабатывается модулем сервера. Для получения сигналов (пакетов данных) определенных типов, используется генерация сигналов (пакетов данных).
Каждое сообщение приемо-передающего узла объединяет собой содержание пакета, соответствующего переданного пакету на уровне протокола передачи данных в сети, а также некоторую дополнительную информацию, среди которой следующие параметры: идентификатор узла источника сообщения, идентификатор узла получателя сообщения, длина сообщения, пропускная способность узла, структура данных MsgChannelState.
Данное сообщение формируется непосредственно узлом в момент передачи пакета данных данным узлом.
В симуляторе сети КАРС 17 в качестве протокола маршрутизации узлов сети используется протокол на основе протокола RA-OLSR, который является проактивным протоколом маршрутизации, предназначенным для работы в беспроводных сетях, имеющих возможность ретрансляции данных радиостанциями. Протокол RA-OLSR предполагает использование кластерной структуры сети, то есть объединение на основе некой метрики нескольких радиостанций в кластеры, при этом станции одного кластера могут передавать и принимать радиосигналы только от станций того же кластера, за исключением ретрансляционных узлов (РУ). Ретрансляционным узлом назначается одна из станций в каждом кластере. Ретрансляционные узлы служат для передачи данных между кластерами. За счет такого построения сети, количество станций, входящих в нее, может увеличиваться, оставляя постоянным количество ретрансляционных узлов, и, следовательно, нагрузку на сеть, вызванную маршрутизацией.
Ретрансляционным узлом может быть назначена любая станция кластера, при этом алгоритм этого выбора стандартом не предусмотрен. Критерием выбора является наличие у ретрансляционного узла радиосвязи с как можно большим количеством станций, того же кластера. Таким образом, в некоторых условиях, например, в больших сетях, количество ретрансляционных узлов в кластере может быть больше одного. Радиостанции с низкой излучаемой мощностью или пропускной способностью выбираются в качестве РУ в последнюю очередь.
Все радиостанции сети периодически передают радиосигнал, содержащий широковещательное сообщение "HELLO", которое не подлежит ретрансляции. На основе этого сообщения формируются кластеры и выбираются ретрансляционные узлы. Выбранные ретрансляционные узлы, помимо сообщения "HELLO" передают широковещательное сообщение ТС (Topology Control), содержащее список всех станций, ретрансляцию данных которых они могут осуществлять, или же просто список станций в своем кластере. Данное сообщение может ретранслироваться другими ретрансляционными узлами сети, для построения общей сетевой топологии.
Сообщения в протоколе передаются с помощью пакетов данных, которые формируют тело фрейма. На фиг. 4 представлена структура пакета, состоящая из:
- sender address (адрес передатчика) содержит в себе MAC адрес интерфейса, через который осуществляется передача данного пакета или его ретрансляция;
- length (длина пакета) указывается размер пакета в байтах. Если указанное значение меньше или равно размеру заголовка (packet header) пакета, то есть пакет не содержит сообщений, то пакет игнорируется (отбрасывается);
- frame sequence number (порядковый номер) инкрементируется перед каждой передачей нового фрейма. Для каждого интерфейса должен быть свой счетчик пакетов. Один пакет может содержать в себе несколько сообщений, что позволяет уменьшить количество служебной информации.
На фиг. 5 приведена общая структура сообщения в протоколе, состоящая из:
- message type (тип сообщения) определяет принадлежность сообщения к какому-либо типу;
- Vtime определяет, как долго по времени после приема сообщения информация о соединении, содержащаяся в нем, может считаться достоверной;
- originator address (адрес отправителя) содержит в себе MAC адрес узла сети, отправившего данное сообщение. В одном пакете могут находиться сообщения от разных узлов, поэтому MAC адреса, указанные в сообщениях, могут различаться;
- time to live, TTL (время жизни) указывает максимальное число ретрансляций сообщения, другими словами максимальное количество «скачков». Перед каждой ретрансляцией значение, содержащееся в этом поле, должно декрементироваться, а сообщение с нулевым значением поля время жизни (TTL=0) не может быть больше ретранслировано;
- hop count (число скачков) содержит в себе количество скачков (ретрансляций), совершенных этим сообщением. Перед каждой ретрансляцией сообщения значение этого поля инкрементируется;
- message sequence number (порядковый номер сообщения) это номер, генерируемый станцией-источником перед каждой отправкой нового сообщения, что гарантирует уникальность каждого сообщения в сети.
В протоколе используются следующие типы сообщений:
- HELLO - MPR (предпочтительный ретранслятор) и для оповещения станций в радиусе 2х скачков;
- ТС - сообщения исследования топологии (Topology Control);
- объявление множественного интерфейса (Multiple interface declaration);
- LABA - оповещение ассоциации;
- LABCA - проверочная сумма ассоциации;
- ABBR - запрос ассоциации узла;
- LINK - сообщение соединения.
Отправитель указывает свой MAC адрес в соответствующем поле сообщения и вкладывает его в пакет. Передатчик, ретранслируя пакет, указывает в заголовке пакета свой MAC адрес. Приемник, получая пакет, производит его обработку и при необходимости отправляет дальше, указав в заголовке пакета уже свой MAC адрес.
Любой узел сети, получивший некоторый пакет данных, проверяет каждое вложенное в него сообщение. Основываясь на значении поля тип сообщения (message type), узел может выбрать алгоритм дальнейшей обработки данного сообщения.
Для обеспечения гарантии, что каждое сообщение обрабатывается в узле только один раз, на каждом узле существуют так называемые "записи повторов", в которые заносится информация о недавно принятых сообщениях, для исключения возможности их повторной обработки. Структура записи повторов узла сети, состоит из:
- MAC адрес источника сообщения;
- D_seq_num - порядковый номер сообщения;
- D_retransmitted - флаг об уже совершенной ретрансляции;
- D_iface_list - список интерфейсов, через которые было принято сообщение;
- D_time - время удаления записи.
При обработке полученного пакета узел проверяет следующие условия:
1. Если пакет RA-OLSR не содержит сообщений (указанная длина пакета меньше или равна длине заголовка), то пакет отбрасывается.
2. Если значение, содержащееся в поле время жизни, равно «0», или если узел, получивший сообщение, является его же отправителем (MAC адрес узла отправления совпадает с MAC адресом принявшего узла), то сообщение отбрасывается.
3. Условия обработки:
- если в «списке повторов» данного узла существует запись, где поле D_addr совпадает с MAC адресом отправителя сообщения, a D_seq_num совпадает с порядковым номером сообщения, то данное сообщение не должно обрабатываться;
- в остальных случаях, если узел определил тип сообщения, то он должен его обработать в соответствии с его типом.
4. Условия ретрансляции: если в «списке повторов» данного узла существует запись, где поле D_addr совпадает с MAC адресом отправителя сообщения, a D_seq_num совпадает с порядковым номером сообщения, то данное сообщение не должно больше ретранслироваться.
Алгоритм обработки пакетов заключается в следующем:
1. Если MAC адрес интерфейса передатчика не является адресом интерфейса ни одного соседнего узла (в радиусе одного скачка), то алгоритм обработки останавливается, и пакет дальше не передается.
2. Если в «списке повторов» узла существует запись, в которой поле D_addr совпадает с MAC адресом отправителя сообщения, и поле D_seq_num совпадает с порядковым номером принятого сообщения, то обработка продолжается только в случае, если флаг D_retransmitted в записи повторений не установлен, и адрес интерфейса, через который было принято сообщение не содержится в поле D_iface_list.
3. В остальных случаях, если соответствующей записи в «списке повторов» нет, то сообщение может быть обработано дальше. Если же после всех вышеописанных шагов алгоритма, сообщение не может быть обработано, то алгоритм останавливается (т.е. шаги 4-8 не выполняются).
4. Если MAC адрес интерфейса передатчика является одним из адресов предпочтительных ретрансляторов (MPR) данного узла, и поле время жизни (TTL) содержит значение больше единицы, то сообщение должно передаваться в соответствии с процедурами, описанными в пунктах 6-8.
5. Если в «списке повторов» существует запись с тем же MAC адресом отправителя и с тем же порядковым номером сообщения, то данная запись обновляется следующим образом:
- в поле D_iface_list вносится MAC адрес интерфейса, через который было принято сообщение;
- в поле D_time вносится сумма значений текущего времени и некоторого заранее определенного значения;
- флаг D_retransmitted устанавливается, если сообщение было ретранслировано в соответствии с описанием в пункте 4.
В противном случае в «списке повторов» создается новая запись.
6. Значение поля время жизни декрементируется на «1».
7. Значение поля число скачков инкрементируется на «1».
8. Сообщение передается через все интерфейсы.
Для генерации пакетов данных в симуляторе используется подмодуль генератора пакетов. Генератор пакетов предназначен для генерации пакетов данных различных типов: пакет с трафиком голосового сообщения; пакет с трафиком видео сообщения; пакет с трафиком сообщения протокола HTTP; пакет с трафиком фиксированного размера.
Для каждого из представленных типов трафика существуют фиксированные значения объема итогового пакета. Содержание сгенерированного пакета данных также зависит от типа выбранного пакета данных. В случае, когда необходимо сгенерировать пакет данных произвольного фиксированного размера, для этого также есть отдельная возможность.
Модуль синхронизации времени 22 предназначен для синхронизации момента времени между различными модулями системы и обеспечения выполнения корректного хода выполнения обработки, анализа и непосредственно симулирования всего процесса работы системы в целом. Для выполнения данной задачи модуль синхронизации времени непосредственно находится под управлением модуля сервера, который в свою очередь уже информирует о наступившем моменте времени все другие модули системы симулятора. Модуль синхронизации времени имеет гибкую настройку, позволяющую, без изменений сути самого модуля, на этапе компиляции симулятора менять дискретную величину минимального изменения времени среди следующих величин: 1 наносекунда, 1 микросекунда, 1 миллисекунда, 1 секунда.
На данный момент в расчетах и работе симулятора используется модуль синхронизации времени 22, имеющий величину минимального изменения времени равную одной миллисекунде. Также в модуле синхронизации времени предусмотрено задавать шаг времени между этапами симуляции, изменяющийся естественно в величинах дискретной величины минимального изменения времени. На данный момент шаг времени между этапа симуляции уставлен равным единице, то есть, учитывая дискретную величину минимального изменения времени, ранее указанную как заданную равной одной миллисекунде, в единицах времени измерения это составляет также одну миллисекунду.
Использование заявляемого берегового узла связи позволяет расширить функциональные возможности за счет автоматизации информационного обмена в режиме пакетной передачи в интересах интегрированной транспортной сети различных пользователей в различных условиях.
Таким образом, предлагаемые схемотехнические решения позволяют сделать вывод, что береговой узел связи обеспечивает расширение функциональных возможностей, совершенствование новых режимов работы перспективных радиолиний и улучшение помехозащищенности радиосвязи.