中国指挥与控制学会会刊 
舰艇装备的快速发展对网络互联互通能力提出了越来越高的要求,以数据、视频、音频等多业务融合传输信息网络为依托的舰艇信息的获取、存储、处理、转发成为取得信息优势的重要手段。舰艇网络作为与新型显控台、公共计算服务系统并列的舰艇三大信息基础设施之一,在舰艇装备互联、互通、互操作等方面发挥着重要作用。
1 舰艇网络的概念和内涵
舰艇网络是指用于舰艇内部信息传输、处理和服务的网络基础设施,它以作战服务为核心,主要由网络交换、网络安全、运维管理等软硬件构成,覆盖舰艇各个舱室,为平台、作战、动力等各类业务提供便捷就近接入、融合共网传输、跨域安全隔离的信息交换[1]。
中大型舰艇网络一般采用两层交换架构,核心层形成核心交换设备、设备间级联链路冗余备份,接入层形成接入交换设备、设备级联链路进行冗余备份,同时核心交换设备与接入交换设备间级联链路也进行冗余备份,各类终端设备按照部署位置就近以双冗余方式接入核心交换设备或接入交换设备;中大型舰艇网络通常支持OSPF、VRRP、PIM等路由交换特性;通常提供配置管理、资源管理、状态监视等网络可管可控功能。小型舰艇网络通常根据实际需要在交换架构、功能支持、网管部署等方面进行适当裁剪。
舰艇网络承载业务按照业务类型主要分为数据、视频和语音等三类,其中数据业务对网络可靠性、实时性和安全性有较高要求,如端到端传输延迟不大于1 ms,故障切换时间不大于50 ms,不同业务之间进行隔离等;视频业务通常要求高带宽支持,如5 Mbps以上的带宽才能保证单路1080P高清压缩视频的流畅传输;语音业务对传输延迟相对敏感,单向端到端延迟小于150 ms才能确保通话质量的高品质。
2 美军舰艇网络发展与趋势分析
2.1 美军舰艇网络技术发展历程
2000年后,美军舰艇网络开始从光纤分布式数据接口FDDI走向光纤以太网,并逐步统一融合为精简的海上公共网络系统。
2.1.1 光纤分布式数据接口
美国海军为航母和两栖舰提供综合作战指挥能力的舰艇自防御系统是首个基于OACE开发的系统,该系统通过光纤分布式数据接口FDDI将舰艇上所有硬杀伤和软杀伤武器系统、传感器系统和指挥控制系统集成在一起。FDDI传输速率100Mbps,采用双环结构,包括主环和备份环,主环用于正常通信,当主环发生故障时,数据在备份环上传输,实现故障自愈。
2.1.2 光纤以太网
TSCE网络采用双层光纤以太网结构,包括3台万兆核心交换机和20多台千兆接入交换机。每台接入交换机都与三台核心交换机相连,以提供高带宽、低延迟和快速故障恢复的网络服务。此外,TSCE还进行了包括网络语音电话、视频会议以及网络安全、服务质量和网络管理等方面的充分设计。
TSCE是一个全以太网、全IP协议、基于Linux的复杂解决方案,其软件代码有700万行之多,使得其在可持续性和可支持性方面存在较大挑战[5],后续逐步过渡到统一海上网络与企业服务CANES。
2.1.3 统一海上网络
美国海军传统舰艇各种C4I和作战系统的开发、部署和支持在很大程度上相互独立,每一个特定应用都有其专属的网络,导致了ISNS、CEN-TRIXS、SUBLAN、SCI、VIXS、SVDS等大量海上烟囱网络存在[6]。
ISNSJ 综合舰载网络系统,用于实现在舰艇和海岸之间语音、视频和数据的安全交换,同时整合全球海上指挥控制系统GCCS-M和海军战术指挥支持系统NTCSS的网络能力,并与其他海军局域网集成在一起。
CEN-TRIXS是联合区域信息交换系统,用于美国海军同盟军舰艇之间的IP通信。
SUBLAN是潜艇局域网,ISNS的潜艇版本,提供与水面舰艇相似的功能服务。
SCI是特殊绝密信息网,用于收发特殊绝密信息数据。
VIXS/SVDS是视频信息交换系统/视频分发系统,用于支持视频交换、流媒体视频分发和视频会议。
2006年,美国海军提出了CANES项目,以ISNS为基础,逐步整合CEN-TRIXS、SUBLAN、SCI、VIXS、SVDS等传统网络,建立统一精简的公共网络系统,以减少网络类型并提高系统的互操作性。
CANES项目采用阶段性递增开发策略,共分为3个增量。第一个增量旨在将准实时作战支持系统(C4ISR应用)迁移到CANES平台上;第二个增量的目标是将船机电(HM&E)网络中的应用和实时作战系统应用迁移到CANES平台上;而第三个增量则致力于构建一个统一的海上网络,以整合和统一不同安全等级的网络系统。
2012年,CANES进入生产与部署阶段,开始进行单艘舰艇的安装,其间历经多次迭代升级。
2019年7月,美国海军在“斯特瑞特”号驱逐舰(DDG 104)上完成了对CANES新基线(HW 1.2/SW 3.0)的首次安装,进一步优化了舰载网络的性能,可以快速监视舰船的网络状态、健康状况和性能[7]。
2020年4月,美国海军在罗纳德·里根号航空母舰(CVN-76)上安装了CANES新基线,从而加强了网络基础设施,提高安全性[8]。
2023年1月,美国海军向BAE、Leonardo DRS等8家公司授出了一份价值41亿美元的合同,该合同是CANES项目的一部分,用于未来10年为水面舰艇和潜艇提供先进的计算和网络设备[9]。
2.1.4 各阶段网络主要特点
笔者从技术体制、网络架构、传输速率、应用范围、冗余容错等方面对各阶段网络特点进行总结,具体见表1。
表1 各阶段网络特点Tab.1 Characteristics of network in each stage |
| 发展阶段 | OACE | TSCE | CANES |
|---|---|---|---|
| 技术体制 | FDDI | 以太网 | 以太网 |
| 网络架构 | 双环结构 | 核心+接入 | 核心+接入 |
| 传输速率 | 100 Mbps | 1 G/10 Gbps | 1 G/10 Gbps+ |
| 应用范围 | 自防御系统 | 全舰计算环境 | 统一全船网络 |
| 冗余容错 | 双环冗余 | 设备/链路冗余 | 设备/链路冗余 |
2.2 发展动态与趋势分析
2.2.1 发展动态
2020年10月,美国海军启动超越工程(project overmatch),旨在利用人工智能、机器学习以及信息网络等先进技术,通过海军作战架构(NOA)将有人/无人平台、武器和传感器连接起来,打造更具杀伤力、互联能力更强的未来舰队,以此支持美全军层面的联合全域指挥控制(JADC2)构想[10]。
2022年9月,美国防务新闻网站发布消息称,美国海军2023年将在航母打击群上部署先进的网络系统,以推进联合全域指挥与控制愿景。航母先进的网络能力通过“超越工程”实现,该计划的最终目的是实现陆地、空中、海上、太空和网络空间的无缝信息共享,进而提升美军对威胁的快速响应能力[11]。
2.2.2 主要趋势
(1)架构开放、软硬分离、基线发展
CANES采用开放式体系架构,将计算、存储、网络、显控等硬件设备及其基础支撑软件集成为一套可组合的计算服务平台;通过增量开发方案,组建一个统一的海上网络,集成不同安全等级的网络系统。
(2)强调网络监视,提升可见性
CANES特别强调网络监视功能,网络管理以减少人员配置和降低维护复杂度为目标,提升海上网络可见性。CANES新基线进一步优化了舰载网络的性能,可以快速监视舰船的网络状态、健康状况和性能[7]。
(3)大力推进人工智能的应用
3 舰艇网络技术发展趋势展望
军事需求和作战样式的变革推动了舰艇装备的快速发展,舰艇装备逐渐向“精前端、强后端”方向发展。舰载公共计算环境、舰载云服务等新需求凸显。以存储设备、服务器为代表的高性能计算存储设备提出了10G接入需求,高密度10G/40G端口成为舰载公共计算环境互联主体,全艇一体化网络也从“千兆接入+万兆骨干”演变至“1G/10G混合接入+40G骨干”,自此舰艇装备网络开启了10G/40G互联阶段,并走向深度融合。
展望舰艇网络的技术发展趋势,主要体现在网络智能化、确定性保障、提升安全性三个方面。
3.1 网络智能化
随着舰艇装备的智能化发展,智能计算服务、高性能存储等新技术逐步落地应用,业务多样化对舰艇网络提出服务定制化、管理精细化等高要求。传统“以设备管理为中心”的网络管理模式通常采用人工方式贯穿“需求分析、部署实施、故障排除”全过程,不仅对人员要求高,而且故障排查效率低,严重制约了网络整体效能提升[13]。
基于意图的网络IBN等智能化网络将人工智能与网络技术进行高效融合,将面向业务的需求通过人工智能分析转译为必要的网络配置策略,实现了网络自适应于用户需求变化,提升了网络的自感知、自分析、自优化和自驱动能力[14]。面向舰艇网络场景,参考网络智能化相关行业应用成果,未来舰艇装备应构建意图驱动智能舰艇网络体系,推动舰艇网络管理模式从“以设备管理为中心”向“以业务体验为中心”转变,实现高效网络资源调配与实际业务需求的弹性匹配。
3.2 确定性保障
在数据、视频、语音等多业务融合传输过程中,传统以太网无法精确保障带宽、延迟、抖动等时间敏感参数,尤其在网络拥塞等异常情况下不能确保关键业务传输的确定性[15]。
时间敏感网络定义了一系列以太网数据传输的时间敏感机制,包括时间同步、整形调度、可靠冗余等,确保了多业务融合共网传输情况下关键业务传输的确定性,具有标准开放、延迟确定、分类保障等优势。未来舰艇网络应借鉴时间敏感网络的确定性整形调度机制,实现从粗粒度的性能隔离(平均延时)向细粒度的性能隔离(最坏延时)转变;通过并行冗余机制实现从切换丢包向无缝冗余、切换零丢包转变,消除或降低组件故障对关键流量确定性的影响,实现多业务融合传输过程中时间敏感参数精确保障。
3.3 提升安全性
当前舰艇网络基于交换设备内嵌组件(VLAN、ACL、端口绑定等)进行安全设计,网络性能有保证但安全保障能力弱;加装专用安全设备进行安全设计,安全保障能力强但网络性能损耗大,限制了网络的可扩展性和可部署性。
面向舰艇领域场景应用特点,通过研究轻量化安全机制、安全交换一体化等场景定制安全技术,实现高效业务交换与适度网络安全的统筹兼顾,系统性提升舰艇网络安全防护能力。
4 结束语
从美国海军舰艇网络的发展来看,未来舰艇网络应通过网络进一步整合提升装备的集成优化能力是大势所趋,同时军事需求和作战样式的变革对舰艇网络提出了新的发展要求,主要表现为智能化、确定性、安全性等方面。基于意图的网络、时间敏感网络、场景定制安全等技术将从不同维度为舰艇网络后续发展注入新的活力,促进舰艇网络效能的进一步优化提升。