Бортовая сеть

Воздушная сеть ( AN ) — это инфраструктура, принадлежащая ВВС США , которая предоставляет транспортные услуги связи через по крайней мере один узел, расположенный на платформе, способной летать.

Фон

Определение

Целью воздушно-десантной сети ВВС США является расширение Глобальной информационной сети (GIG) для соединения трех основных областей боевых действий: воздушной, космической и наземной. Сеть Трансформационной системы спутниковой связи в настоящее время обеспечивает связь для всех видов связи через космические средства. Транспортная система боевой информации и средства связи, развертываемые на театре военных действий, обеспечивают наземную связь для операций на театре военных действий. Воздушно-десантная сеть спроектирована так, чтобы использовать все бортовые ресурсы для соединения с космическими и наземными сетями, создавая единую коммуникационную платформу во всех областях.

Возможности

Возможности, определяемые системой этого типа, значительно превосходят возможности наших нынешних вооруженных сил. Эта система позволит ВВС создать мобильную сеть, достаточно гибкую для связи с любым воздушным, космическим или наземным объектом в этом районе. Сеть обеспечит инфраструктуру связи за пределами прямой видимости (LoS), которую можно будет собирать и перемещать в назначенное боевое пространство и из него, что позволит военным иметь надежную и безопасную сеть связи, которая распространяется по всему миру. Сеть спроектирована так, чтобы быть достаточно гибкой, чтобы предоставлять подходящие коммуникационные и сетевые пакеты для конкретного региона, миссии или технологии.

С точки зрения эксплуатации AN спроектирована так, чтобы быть самоформирующейся, самоорганизующейся и самогенерирующейся, при этом узлы присоединяются к сети и покидают ее при входе и выходе из определенного региона. Сеть состоит из выделенных тактических каналов, широкополосных каналов связи «воздух-воздух» и специальных сетей, созданных сетевыми службами Объединенной тактической радиосистемы (JTRS). JTRS — это программно-определяемая радиостанция , которая будет работать со многими существующими военными и гражданскими радиостанциями. Он включает в себя встроенное шифрование и программное обеспечение широкополосной сети для создания мобильных одноранговых сетей . Он также автоматически обеспечивает анализ производительности системы и диагностику неисправностей, снижая потребность во вмешательстве человека и обслуживании сети.

Использование по назначению

AN был задуман как краеугольный камень новой военной доктрины, известной как сетецентрическая война . Эта доктрина была разработана с целью использования информационного превосходства для снабжения бойцов более точной информацией, позволяющей командирам и стрелкам быстрее принимать более разумные решения. AN способствует сетецентрической войне, позволяя командирам предоставлять информацию в режиме реального времени бойцам в воздухе и на земле. Тогда военные смогут использовать больше информации и принимать более обоснованные решения о том, как действовать в конкретной ситуации. Как только действие будет выполнено, командиры получат немедленную информацию о результате и смогут принять решение о том, как действовать дальше. В целом AN был разработан для сокращения времени, необходимого для идентификации цели, принятия четких и обоснованных решений нажимать или не нажимать на спусковой крючок и оценки боя.

Топологии

Будут развернуты четыре основные топологии сети , которые различаются в зависимости от расположения магистральных сетей и классов подсетей.

Космос, Воздух, Земля Привязь

Установление прямого соединения с другим самолетом или наземным узлом через канал «точка-точка» для узлов в пределах LOS или через канал спутниковой связи (SATCOM) для узлов, находящихся за пределами прямой видимости, называется привязкой. Каналы SATCOM обеспечивают подключение к наземной точке входа в сеть. Ударные самолеты, которые сопровождают самолеты C2 , такие как системы АВАКС, связаны между собой посредством двухточечной связи. Наконец, самолет C2 или самолет разведки, наблюдения и рекогносцировки (ISR) может подключаться через канал LOS непосредственно к наземной точке входа в сеть. Каждая из этих привязанных альтернатив работает точно так же, как концентратор или коммутатор, который имеет точку входа в более крупную сеть и позволяет подключенным пользователям получать доступ к этой сети.

Квартира для этого

Плоская специальная топология относится к установлению непостоянных сетевых соединений по мере необходимости между узлами AN, которые присутствуют в данный момент. С помощью этой сети узлы динамически «обнаруживают» другие узлы, к которым они могут подключиться и сформировать сеть. Конкретные соединения между узлами не планируются заранее, а создаются по мере возникновения возможности. Узлы присоединяются к сети и покидают ее по своему желанию, постоянно меняя соединения с соседними узлами в зависимости от их местоположения и характеристик мобильности.

Многоуровневое специальное

Одноранговые сети могут быть плоскими в том смысле, что все узлы являются одноранговыми в одной сети, как обсуждалось выше, или они могут динамически организовываться в иерархические уровни, так что более высокие уровни используются для перемещения данных между более локализованными подсетями. Эту топологию сети можно сравнить с любой традиционной развернутой сетью, в которой для временного подключения пользователей используются маршрутизаторы, коммутаторы и концентраторы.

Постоянная магистраль

Топология сети, характеризующаяся постоянной магистральной сетью, устанавливается с использованием относительно постоянных широкополосных соединений между дорогостоящими платформами, летающими на относительно стабильных орбитах. Он обеспечивает связь между тактическими подсетями, которые считаются пограничными сетями относительно магистральной сети. Это обеспечивает точки концентрации для подключения к космической магистрали, а также к наземным сетям. Этот тип топологии сети можно сравнить с обычной постоянной сетью с установленными магистралями данных, маршрутизаторами, коммутаторами и концентраторами для подключения пользователей.

Архитектура

Управление сетью

Система управления платформой позволяет операторам управлять всеми элементами бортовой сети. Оно взаимодействует и взаимодействует с системой управления бортовой сетью, позволяя операторам управлять удаленными сетевыми элементами в бортовой сети. Система управления сетью контролирует состояние сети путем пассивного тестирования сети на наличие сбоев и задержек. Система также будет активно устранять неисправности с помощью датчиков для выявления и изоляции неисправных соединений и позволяет операторам применять параметры сети и изменения безопасности ко всем системам в зависимости от состояния сети.

Маршрутизация/коммутация

Маршрутизация и коммутация позволяют динамически передавать данные по сети на другие узлы. Протоколы маршрутизации должны иметь возможность идентифицировать узлы, передаваемые внутри их собственной платформы, и данные, подлежащие отправке на другие платформы, независимо от текущей топологии. Протокол маршрутизации также должен обеспечивать плавный роуминг, гарантируя, что ни один маршрутизированный пакет не будет потерян, когда узел меняет точку подключения к сети. Поддержание масштабируемости важно при маршрутизации, поскольку сеть постоянно меняется. Сеть должна быть способна функционировать с многочисленными уровнями платформ, различным количеством быстро развивающихся платформ и различным объемом трафика на каждую платформу. Маршрутизаторы и коммутаторы будут использовать метрики для определения наилучших путей маршрутизации данных. Протокол маршрутизации, используемый для AN, будет протоколом маршрутизации адаптивного качества обслуживания .

Шлюзы/Прокси

Шлюзы и прокси-серверы позволяют подключать различные типы технологий независимо от возраста для связи через сеть на основе IP . Шлюзы и прокси-серверы необходимы для работы этой сети, поскольку для связи в каждом домене используется множество различных технологий. Эти системы будут способствовать переходу устаревшей бортовой инфраструктуры, систем передачи, тактических систем передачи данных и пользовательских приложений к целевым бортовым сетевым системам. Следовательно, они носят временный характер до тех пор, пока все платформы не будут использовать стандартизированное IP-радио для передачи.

Прокси-серверы повышения производительности

Прокси-серверы повышения производительности улучшают производительность пользовательских приложений, работающих в воздушной сети, противодействуя нарушениям беспроводной сети, таким как ограниченная полоса пропускания, длительные задержки, высокие показатели потерь и сбои в сетевых подключениях. Прокси-системы реализуются между пользовательским приложением и сетью и могут использоваться для повышения производительности на прикладном и транспортном функциональных уровнях модели OSI. Некоторые методы, которые можно использовать, включают в себя:

• Сжатие . Сжатие данных или сжатие заголовков можно использовать для минимизации количества битов, передаваемых по сети.
• Объединение данных : меньшие пакеты данных могут быть объединены (связаны) в один большой пакет для передачи по сети.
• Кэширование . Локальный кеш можно использовать для сохранения и предоставления объектов данных, которые запрашиваются несколько раз, сокращая передачу по сети (и улучшая время ответа).
• Хранение и пересылка . Очередь сообщений может использоваться для обеспечения доставки сообщений пользователям, которые отключаются от сети или не могут подключиться к сети в течение определенного периода времени. Как только платформа подключается, сохраненные сообщения отправляются.
• Конвейерная обработка : вместо открытия нескольких отдельных сетевых подключений можно использовать конвейерную обработку для совместного использования одного сетевого подключения для нескольких передач данных.
• Оптимизация протокола: количество передач для установки и отключения соединений и подтверждения получения данных можно свести к минимуму за счет сочетания кэширования, подмены и пакетной обработки .
• Трансляция : трансляция может выполняться для замены определенных протоколов или форматов данных более эффективными версиями, разработанными для беспроводных сред.
• Встроенные подтверждения . Подтверждения могут быть встроены в заголовок более крупных пакетов, несущих информацию, чтобы уменьшить количество пакетов, проходящих через сеть.

Категории платформ

Для категоризации конкретного бортового средства или класса средств связи все самолеты делятся на три основные категории. Эти категории определяются типами задач, которые обычно выполняет самолет. Самолеты также попадают в каждую категорию в зависимости от типа оборудования, которым они могут оборудовать планер. В каждом из следующих разделов описываются эти три основные категории.

Истребительные платформы

Профиль полета платформы воздушного истребителя включает периоды стабильных схем полета и динамичных маневров на высоких скоростях. Его относительно небольшой размер ограничивает пространство, доступное для установки антенн и оборудования. Он будет использоваться в составе ударного комплекса или боевого воздушного патруля (CAP). Ударный пакет или CAP будет включать в себя вспомогательные бортовые платформы C2 и ISR, платформы-заправщики (дозаправочные платформы) и наземные платформы C2. Каждая платформа воздушного истребителя требует подключения ко всем другим ударным комплексам или CAP и вспомогательным платформам; однако большая часть информации будет обмениваться между бортовыми истребительными платформами. Во многом это обусловлено необходимостью частого информирования о ситуации и обновлений сортировки целей в высокомобильной среде. Пилотам будут предоставлены такие услуги, как передача данных в реальном времени , цифровая голосовая связь и интерактивный обмен данными.

Платформы бортовых истребителей будут участвовать как в привязанных, так и в плоских одноранговых сетевых топологиях. Привязанная топология в первую очередь будет использоваться для обратной связи и пересылки между платформой воздушного истребителя и вспомогательными элементами. Плоская специальная топология будет использоваться между платформами бортовых истребителей в ударном пакете или CAP для более частого обмена информацией. На рисунке показаны минимальные требования к оборудованию для поддержки платформы истребителя.

Платформы C4ISR

Профиль полета платформы C4ISR включает периоды полета по маршруту и ​​повторяющиеся стабильные схемы полета. Относительно большой размер обеспечивает пространство для установки антенн и установки значительного коммуникационного оборудования. несколько функций экипажа миссии. На нем разместятся до трех десятков членов экипажа миссии, включая оператора связи. Приложения и датчики платформы C4ISR будут поддерживать различные возможности и типы миссий. Продолжительность миссии для любого отдельного самолета и экипажа могла составлять до 12 часов; с дозаправкой в ​​воздухе это время может быть увеличено до 24 часов. Эти платформы часто работают за пределами прямой видимости наземной инфраструктуры и могут использоваться отдельно или как часть ударного пакета или CAP для поддержки ударного пакета. Самолетам C4ISR требуется широкий спектр возможностей подключения для однорангового соединения с другими самолетами C4ISR или в качестве узла для соединения самолетов-истребителей. Услуги, предоставляемые самолетом C4ISR, включают в себя данные в реальном времени , голос, видео, массовая передача данных и интерактивные данные.

Платформы C4ISR будут участвовать как в привязанных, так и в многоуровневых одноранговых сетевых топологиях. Привязанная топология в первую очередь будет использоваться для обратной связи и пересылки между платформой C4ISR, системой управления воздушным движением наземного театра военных действий и ударным комплексом или самолетами CAP. Между платформой C4ISR и платформами бортовых истребителей в ударном пакете или CAP будет использоваться многоуровневая специальная топология. На рисунке показаны минимальные требования к оборудованию для реализации операций платформы C4ISR.

Релейные платформы бортовой связи

Профиль полета платформы ретрансляции бортовой связи включает периоды полета по маршруту и ​​повторяющиеся стабильные схемы полета. Относительно большой размер широкофюзеляжных самолетов теоретически обеспечивает пространство для установки антенн и установки важного коммуникационного оборудования. БПЛА обладают длительным сроком службы и большой высотой, что обеспечивает обширное воздушное и наземное покрытие и хорошие оптические пути до спутников. Задача бортовой ретрансляционной платформы заключается в том, чтобы использоваться как часть и/или поддерживать группировку C4ISR и/или ударные пакеты или CAP. Платформа ретрансляции связи обеспечивает связь между элементами ударного комплекса, самолетами CAP, платформами C4ISR и платформами системы управления наземным театром военных действий, которым требуется расширение радиуса действия или межсетевое взаимодействие, а также функции шлюза между сетями для обеспечения информационной совместимости. Услуги, необходимые для платформ ретрансляции связи, включают передачу данных в реальном времени, голос, видео, массовые данные и интерактивную передачу данных.

Платформы ретрансляции бортовой связи будут участвовать как в привязанных, так и в многоуровневых одноранговых сетевых топологиях. Привязанная топология в первую очередь будет использоваться для обратной связи и пересылки между платформой C4ISR, системой управления воздушным движением наземного театра военных действий и ударным комплексом или самолетами CAP. Между платформой C4ISR и платформами бортовых истребителей в ударном пакете или CAP будет использоваться многоуровневая специальная топология. На рисунке показаны минимальные требования к оборудованию для реализации операций платформы ретрансляции связи.

Проблемы

Текущие технологические ограничения

Прежде чем AN будет существовать, как описано в этом документе, предстоит решить множество задач. Многие из проблем в настоящее время связаны с авионикой устаревшей системы, установленной на всех самолетах. Самым большим препятствием является отсутствие пропускной способности. Пока в системы самолета не будет интегрировано больше оптики, эта система будет отставать по скорости передачи данных и задержке. Одной из технологий, которая находится в стадии исследования для решения этой проблемы, является исследование ВМФ в области высокоинтегрированной фотоники для управления связью с комплектом датчиков самолета. Эта технология передает радиочастоты по оптоволоконному кабелю и в настоящее время интегрируется в реактивный самолет радиоэлектронной борьбы EA-6B Prowler .

Безопасность этой сети является еще одним огромным препятствием. Цель состоит в том, чтобы придать системе низкую вероятность глушения и перехвата. Многие идеи о том, как защитить систему, исследуются и тестируются. Используются традиционные методы аутентификации и авторизации, включая биометрию , криптографические токены и интегрированную инфраструктуру открытых ключей .

Коммерческий готовый продукт

Готовые коммерческие решения (COTS) создают чрезвычайные инженерные проблемы. Несмотря на то, что он обеспечивает гибкость в применении и экономит деньги при производстве, его невероятно сложно адаптировать к различным приложениям. Установка COTS в приложениях, для которых он не предназначен, по-прежнему остается огромной инженерной задачей, поскольку военные исследователи работают над интеграцией гражданской радиосвязи L-3 и технологии FPGA в самолеты-разведчики, разработанные в 60-х годах.

Пропускная способность

Пропускной способности для поддержки AN ВВС в настоящее время не существует. Только время покажет, когда устаревшая технология высвободит достаточную пропускную способность. Это создает проблему создания более эффективных способов сжатия данных и разработки более эффективных способов использования доступной в настоящее время полосы пропускания. Одним из временных решений, разработанных Northrop Grumman, является IP-скорость коммутируемого соединения через существующие радиомодули (DRIER). в пределах прямой видимости или за пределами прямой видимости DRIER позволяет бортовым или наземным тактическим пользователям выбирать и загружать критически важные данные непосредственно с платформы Joint STARS, используя существующие узкополосные каналы связи УВЧ . Пользователи также могут выступать в качестве ретрансляционной точки, предоставляя важную информацию о переключении между самолетами, входящими и покидающими орбиты миссии.

Ссылки

Архитектура бортовой сети HQ ESC / NII для Специальной группы по интересам бортовой сети ВВС США AN Architecture , 2004 г.

Воздушные сети Кеннета Странка Митра Корпорейшн [1] , 2004 г.

Проблемы бортовых сетей Бен Эймс, журнал военной и аэрокосмической электроники «Вызовы бортовых сетей» , 2004 г.