ATN/IPS通信网络设计研究

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摘要：随着国内民航运输业以每年20%的增长速度，空中交通流量成倍的增加，现有的空管电信传输网无法满足需求。同时,由于网络技术的飞速发展，航空通信网向着更快速、更准确以及更可靠方向发展。1983年，国际民航组织成立了新航行系统委员会，其提出了一种CNS/ATM的全新概念，其重要组成部分是atn网（AeronauticalTelecommunicationNet-work），又称为新型航空电信网。作为新一代航空通信技术的全面解决方案，随着IPv6技术日益成熟，采用IP网结构的ATN通信网络是下一代民用航空通信基础网络的发展方向。文章主要根据OMNeT++平台，搭建支持NEMO协议、基于IPv6的ATN/ips仿真网络，并对ATN/IPS仿真网络中空地通信路由进行层次优化设计。

关键词：ATN/IPS；IPV6；通信网络；NEMO；仿真网络

随着现代通讯技术的快速发展，航空电信网络由基于电报交换技术的AFTN网发展到基于计算机网络通信技术的ATN网，ATN网络是以开放式系统互连为基础的数据通信网络，将地面的数据通信和地空的数据通信融合，将飞行器通过卫星、甚高频、S模式雷达间的地空数据链路与空管地面通信系统通信，实现地面间各空管和航空公司等节点之间的高速数据交换，它采用的开放式系统互联结构，实现了机载系统和地面管制系统、地面管制系统和地面管制系统无缝数据连接，是全球地空一体化的航空专用通信网络。现在计算机网络系统采用的IPv4技术，由于其初期对IP地址规划的不合理，使得网络变得非常复杂，路由表条目繁多。在发展过程中，虽然通过划分子网以及路由聚集一定程度上缓解了这个问题，但这个问题依旧存在。而在IPv6协议出现后，IP网络技术具备的安全性能和QOS安全机制可以满足航空电信网络。因此，在ATN通信网中应用成熟的IPv6技术，成为民航业界的共识。

1ATN/IPS的发展

新航空电信网是由空中交通管理系统、导航系统、通信系统、监视系统四个部分组成，因为导航系统和监控系统所产生的各类数据都需要通信系统来传输，因此通信系统是其基础，其主要涉及数据链通信、航空移动卫星业务和航空电信网（ATN）。航空电信网（ATN）是一个由通信卫星子网、无缝移动子网和地面子网等多种网络组成的全球互联的复杂网络，可以为航空公司、管制部门和旅客提供服务。ATN支持所有民用航空飞行安全保证应用系统间的通信，包括空中交通管理计算机系统与航空公司飞行运行管理计算机系统间、航空公司飞行运行管理计算机系统与飞机计算机系统间、空中交通管理计算机系统与飞机计算机系统间等各计算机系统间的通信。航空电信网网络结构体系是基于的OSI7层协议模型设计，由于实现复杂、成本较高，各个国家之间网络特性，在应对各成员国的ATN互联中，显现出不足。将ATN/OSI协议标准与IP协议体制相结合网络，可以充分利用成熟的IP技术和设备，来满足ATN通信需求，因此ATN/IPS通信网络作为下一代航空电信网是大势所趋。ATN/IPS通信网络具有成熟的IP技术和设备及网络资源，可以兼容支持目前ATN网络的各种服务，基于IP的QoS协议和安全协议能提供可靠的安全通信保障，易于组网，有利于各异构网络融合，支持采用IPv6协议的移动管理方案。

2IPv6移动管理技术

ATN/IPS采用IP技术（IPv4或者IPv6），由于飞机的全球移动性，因此需要移动IP来对飞机进行动态管理。飞行器是通信节点，当其移动时，移动位置改变会造成网络接入点改变，网络拓扑位置是动态变化的。由于各个接入点的IP地址不同，当通信节点在获得新IP地址时，它原有IP地址所建立的通信链接，会因为路由的变化而中断；同时我们要考虑在静态网络中路由协议是基于其网络前缀的，如果通信节点移动，是无法保障通信连续稳定的。随着互联网规模的急剧膨胀，IPv4技术暴露出许多严重的问题，已难以适应现代社会对网络的需求。由于IPv6具有更高效和可持续发展的网络，支持聚类原则和分层规划，提供更高的安全性和移动性，是目前全球公认的下一代互联网商业解决方案。2017年底开始，我国加速IPv6商用网络部署，从2019年10月3日的APNIC的统计数据中可看到，全球IPv6支持率已占比24.48%，而优先使用IPv6协议进行通信的比例为23.73%。截至2019年7月，全国已有12.78亿用户获得IPv6地址，其中LTE网络用户共11.29亿，固定网络用户1.49亿，相比2018年初增长超过10倍。预计2020年全球IPv6用户访问率将达到50%。目前，IPv6的产品和技术已经相当成熟，通信网络的设计将采用IPv6的基础设计。随着IPv6技术的发展，层次移动IPv6移动管理协议（HMIPv6）提出，解决了在IPv6中移动信令的频繁交互的问题，是IPv6协议的扩展和改进。对于移动通信终端来说，将通信网络划分为家乡网络和外地网络。首先我们通过家乡网络点，为所管理的移动通信终端配置唯一且固定的IP地址，称为家乡地址。它的原理是当移动通信终端在家乡网络中时，网络通信采用传统的路由机制；当移动通信终端接入外地网络时，接入路由器获得本地链路的转交地址，再通过家乡节点注册新地址，来确保通信连接的连续通畅。当飞行器进入某一地面基站范围并需要切换的时候，飞行器上的每一个通信终端设备如果都要进行移动信令交互，会造成航空无线网带宽资源浪费，进而增加移动管理的难度。因此，我们必须需要尽量减少移动信令的交互。MIPv6技术的进一步发展是NEMO技术，支持子网移动通信，适用ATN/IPS结构的网络环境。HMIPv6技术可以减少长距离传时移动信令和通信连接中断时间，将NEMO与HMIPv6技术结合可以进一步改进IPv6网络移动管理工作。

3ATN/IPS网络结构

ATN/IPS网络是基于TCP/IP协议的航空电信网，在IOS模型中，协议体系结构如图1。图1ATN/IPS通信网络协议体系结构在ATN/IPS网络中，移动网络服务商采用IPv6移动标准对移动终端管理。因此网络可以由许多互联网的管理域组成，管理域范围可以大到国家，小到地区。同时每个管理域拥有一个或者多个路由器来进行域间路由管理；也可以利用这些域间路由器对不同IP地址之间的系统交互路由信息。

4ATN/IPS服务类型

由于航空领域存在多个空地通信网络并存的情况，需要提供不同类型的信息服务。从经济成本上考虑以及无线通信频率分配上考虑，建设统一、综合性的基础通信网络是ATN/IPS航空通信网的发展趋势。根据ICAO规定，需要由支持IP协议的节点和网络组成ATN/IPS网络，专用于为空管服务提供商和航线运营商提供数据通信服务，支持空中交通服务通信和航空服务通信。在ATN/IPS中，以上的通信服务既可以由接入机载网络的移动终端来提供，也可以由机载移动子网中的本地终端来提供。

5ATN/IPS网络类型及优化

ATN/IPS网络类型可分为空-地链路和地-地链路，考虑飞行器高速移动对空-地链路带宽、时延影响较大，进而产生通信链路中信道延迟增大、拓扑结构频繁变化、高误码率等问题，所以一般我们通过分层路由的设计方案来解决：一是为了有效减少远距离通信时移动信令互相交换次数，采用HMIPv6的分层和移动管理机制；二是通过应用移动网络技术，即NEMO技术，将飞行器内部局域网整体作为一个移动子网管理，移动子网再通过移动路由器接入地面网络，提高空-地无线通信链路利用率；三是对空地通信网络的路由进一步优化，提高通信效率和质量。

6ATN/IPS移动节点接入地址配置

DHCP（动态主机配置协议）是局域网的网络协议，是服务器控制部分IP地址，通信节点登录服务器后自动分配IP地址和子网掩码。在IPv6中，我们同样是通过DHCP协议来实现地址自动配置。由于ATN/IPS通信网络全球化应用，当移动终端节点新接入网络时，采用手动为其配置网络IP地址是不可行的。因此，我们使用专用的DHCP服务器，采用IP地址自动分配方式，并由其来管理IP地址使用状态，根据设定地址的有效生存时间，及时为节点更新IP地址。但是在ATN/IPS网络结构中，由于飞机的高速飞行造成机载子网会频繁切入地面基站接入点，采用如此复杂的方式来为飞行器自动配置IP地址的话，会造成有效的通信时间减少。因此，我们对IP地址使用状态不进行管理，采用无状态自动配置机制，这种机制不需要专用服务器，终端节点自行进行地址的配置。

7ATN/IPS通信网络仿真实验与结构优化

7.1构建基础的仿真通信网络OMNeT++（ObjectiveModularNetworkTestbedinC++）是一款可扩展的、模块化的、基于c++模拟库组件的网络仿真器。可以实现无线电通信网络信道模拟、协议模拟、模拟队列网络、模拟多处理器和其他分布式硬件系统，并可以确认硬件体系结构。在OMNet++平台中，简单模块包括算法，使用OMNeT++的仿真类库，用户通过C++语言执行简单模块。NED是OMNeT++的网络描述语言，主要用来描述网络模块模型，接口，简单模块，复合模块，网络模型，信道定义，网络参数定义，网络拓扑定义等。目前开源的INET语言构建的仿真包中，有TCP/IP五层协议的基本简单模块。在这些简单模块中，基于IPv6协议的网络层模块主要有六个，即核心模块、支持移动IPv6协议模块、网络控制管理模块、错误处理模块、邻居发现模块以及隧道模块，这些模块是仿真网络的基本功能执行模块，主要负责实现各相关模块间的信息交互与处理。各模块功能如下表1，各模块之间的连接关系见图2。核心模块是网络层模块的中心调度模块，负责对网络中的数据包进行解封装处理，负责接收来自上层模块的数据，并将数据封装后发送到对应的接口模块；或者从接口模块接收IP数据包，将数据包解封装后发送到对应的上层模块。隧道模块是负责建立隧道、选择隧道和撤销隧道，对某些标识特殊类型的隧道进行处理，模块数据结构见图3：一条隧道需要包括入口地址、出口地址以及触发地址等信息因，具体数据结构见图4一个路由器节点是由接口模块、路由表模块、移动模块以及接口表模块、交互模块组成，接口模块又可以细分为无线接口、以太网接口、PPP协议接口以及扩展接口模块四种，仿真网络可以根据通信要求选择合适的接口模块来实现链路层和物理层功能。通信节点是为了实现数据的生成和应用，是在路由器节点基础上增加了应用层和传输层模块，结构关系如图6：接入节点功能是无线和有线信号的互换、无线信号的接入、保证传输数据的完成性，作为空地网络中的中继节点，结构关系如图7：集线器节点是复合模块，由集线器模块与移动模块组成。移动模块功能是实现通信节点在仿真网络中的自由移动。进行必要的配置后，可以根据仿真的需求，随意选择移动类型。网络层交互模块是展示实时事件的接口。在OMNet++中，仿真内核统一管理通告信息的，并在仿真界面中动画显示。路由表模块负责路由的建立、管理、撤销等路由信息的管理。接口表模块负责管理IP地址、MAC地址以及家乡网络地址等地址对应的各类通信接口。在上述仿真平台中，由于只能提供基本的单个节点的移动管理功能，不能支持网络移动通信。因此下面我们将设计基于NEMO基本支持协议的ATN/IPS仿真网络。这是因为机载子网中会同时包含移动通信节点和子网的本地通信节点，所以，单个固定节点和移动节点的路由优化应该同时在一个仿真环境中实现。7.2支持移动网络（NEMO）协议的网络仿真由于OMNeT++仿真平台中，只提供了支持MIPv6协议的仿真基本模块，对于支持NEMO技术仿真了网络，需要在网络层进行重新设计。首先使用图形用户界面构建出ATN/IPS结构的仿真通信网络，具体拓扑图如图8：图8支持支持移动网络（NEMO）协议的ATN/IPS仿真网络结构拓扑图如图8所示，我们构建了一个简单的机载移动网，采用ATN/IPS结构，其中地面通信网络由无线接入点、移动通信终端、移动接入路由器、本地通信终端、集线器2和其他节点组成。移动接入路由器通过无线接口接入无线接入点，再通过无线接入点来接入地面网络。上图中主干网络路由器是路由器1-3，组成的每条有线通信链路传输延迟是固定的。在无线通信链路中，地面基站切换方式为：移动终端离开前一个无线接入点的覆盖范围后，并进入下一个无线接入点覆盖范围后。图中圆形区域代表无线信号有效覆盖范围，有效通信半径为R。当信号传输开始时，IP网终端1向子网中的本地通信终端周期性的连续发送Ping数据包，而IP网终端2则向接入子网的移动通信终端周期性的连续发送Ping数据包。在本次实验中，无线通信部分均采用802.11b协议模块，无线信号频率采用2.4GHz，无线发射功率2.0mW，在网络中加入热噪声-110dBm，信噪比4DB来模拟真实的无线通信环境。为保证网络通信质量，我们将PING数据包的参数设置如下：负载数据大小1200B，发送间隔为0.2秒，最大路由跳转数32，开始时间终端1为2秒，终端2为2.1秒。当第一次发送数据包时，发送终端以及转发路由器的缓存中均没记录下一节点IP地址所对应的MAC地址，因此在数据包发送和转发前，终端以及路由器采用邻居发现协议进行地址解析，所以第一个数据包的通信时延较大；当机载子网处于家乡网络时，发送的数据包通信时延较小。机载子网在接入外地网络后，子网中各终端节点的数据包通过家乡移动路由器、普通移动路由器双向通道来转发，因而数据包的往返时延变大，而且当机载移动路由器在不同的地面接入点间切换时，原有通信链接中断，直到建立新的通信链接，此时，通信网络中出现丢包情况。7.3ATN/IPS仿真网络的层次结构优化上面仿真网络中，虽然实现了支持IPv6协议和NEMO技术的仿真通信网络，但是网络时延较大，为了减小通信时延，将ATN/IPS网络结构进行层次划分，将移动通信终端和机载通信终端统一至空中网络中，地面网络中定义它的通信对端即移动锚点MAP：在下图中将移动通信终端、机载通信终端、hub2组成局域网络，该网络作为机载移动子网。在地面网络增加了移动锚点MAP，其具有区域移动管理功能的，网络基本参数的设置同7.2，网络拓扑结构如下7.4仿真性能分析在仿真网络实现后，经测试，在7.2所建成的ATN/IPS仿真通信网络中，机载子网接入外地网络时，子网中的通信终端平均通信时延为52.32ms，移动通信终端平均通信时延为52.57ms；而ATN/IPS仿真网络进行7.3的层次网络结构优化设计后，机载子网接入外地网络时，通信终端平均通信时延为39.62ms，移动通信终端平均通信时延为39.68ms，性能提升均在20%以上。

8结语

本文以ATN/IPS通信网络中IPv6技术为基础，针对民用航空通信环境中，由于飞行器高速移动造成空地网络拓扑频繁变化，设计了ATN/IPS通信网络中空-地通信链路的路由优化方案。通过减少ATN/IPS通信网络中移动管理信令交互数量，优化空-地通信间的路由，减少IP数据包流量，来提高空-地无线链路的带宽利用率。在本文的仿真实验中，通过层化的网络结构优化，网络传输的时延性能虽有提高，但是仍不理想，下一步将考虑进一步简化路由机制，通过增加机载网络数量完善仿真实验平台，来进一步模拟出真实的空地无线通信链路环境。

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作者：李玲 单位：民航大连空管站