基于VMware的Link11数据链半实物仿真技术
第41卷增刊2 2020年6月兵工学报
ACTA ARMAMENTARII
Vol.41Suppl.2
Jun.2020
基于VMware的Link11数据链半实物仿真技术
李慧博，吴海乔，栗苹，龚鹏
(北京理工大学机电学院，北京100081)
摘要：针对战术数据链大规模网络半实物仿真中真实电台接入带来的硬件成本过高、资源受限等问题，采用虚拟机运行数字模型接入仿真网络的方法，提出融合VMware软件与QualNet软件的半实物网络仿真测试体系架构。基于此架构设计一种面向VMware的Link11数据链动态仿真交互接口，以及Link11数字电台交互模型，实现仿真过程中虚拟机搭载的Link11数字电台交互模型与QualNet中Link11虚拟网络模型的实时数据交互，如动态工作参数获取与重配置等功能。通过引入虚拟机运行数字模型替代真实设备，在保证网络仿真精度的前提下，有效地降低仿真测试成本。测试结果证明了所提半实物仿真体系架构的可行性和高效性。
关键词：战术数据链；半实物网络仿真；虚拟机；动态交互接口；VMware软件
中图分类号：TN919.25文献标志码：A文章编号：1000-1093(2020)S2-0224-10 DOI：10.3969/j.issn.1000-1093.2020.S2.030
VMware-based Hardware-in-the-loop Simulation
Approach for Link11Data Link
LI Huibo,WU Haiqiao,LI Ping,GONG Peng
(School of Mechatronical Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing100081,China)
Abstract:The high hardware cost and limited resources may be caused by real radio access in the large-scale network hardware-in-the-loop simulation of tactical data link.For the problems above,a novel hardware-in-the-loop simulation test architecture integrating VMware with QualNet was designed. Specifically,instead of using real radios,the multiple virtual machines running digital radio model, initiated on the VMware,are integrated with the simulation network.Based on this architecture,a dynamic simulation interface for Link11data link based on VMware and a digital radio model for Link11 radio are designed to implement the real-time data interactions between the Link11digital radio model r
unning on virtual machines and the Link11virtual network model in QualNet,such as dynamic parameter acquisition,parameter reconfiguration and so on.The virtual machine running digital model, instead of real equipment,can be used to effectively reduce the required hardware cost while ensuring the accuracy of network simulation.The experimental results prove the feasibility and high efficiency of the proposed hardware-in-the-loop emulation architecture.
Keywords:tactical data link；hardware-in-the-loop network simulation；virtual machine;dynamic interaction interface;VMware
收稿日期：2020-03-17
基金项目：国家科技部重点研发计划项目(2018YFC0823000)；国家自然科学基金项目(61671062)
作者简介：李慧博(1995—)，女，博士研究生。E-mail：****************；
栗苹(1966—)，女，教授，博士生导师。E-mail:liping85@bit.edu
通信作者：龚鹏(1981—)，男，副教授，博士生导师。E-mail:****************
增刊2基于VMware的Link11数据链半实物仿真技术225
0引言
战术互联网作为现代战场通信网络，以无线通信和互联网技术为基础，已经成为现代信息化战场必然的发展趋势。数据链依托战术互联网，通过规定统一的消息格式以及通信协议，利用通信网络实时传输处理战场信息，将战场中各个作战要素系统联为一个整体，使得各作战平台通过数据链传输实现信息共享，大大缩短指挥决策时间，从而快速实施打击［1-2］，在现代信息化战场中发挥着至关重要的作用。
Link11也被称为战术数据信息链路A，是一条应用网络通信技术和标准报文格式的战术数据链，主要用于装载了战术数据系统的机载、陆基和舰艇等作战单元之间的数字情报交换。Link11以轮询［3-9］的方式通信，组网简单，适合复杂多变的军事作战环境使用。
在联合作战的体系对抗中，数据链是连接战场各个分系统的“神经网络”，基于Link11实现有效的评估和研究战术数据链的网络技术、协议、性能使得战术数据链更加完善，已成为研究的重点。在这种需求下，通过使用网络模拟仿真的方法评估取得了多项研究成果。李振等［10］采用一种基于组件的模块化网络仿真平台，搭建了Link11战术数据链的仿真模型，并通过场景和统计模块的设计，对模型进行了性能仿真实验。张帅帅等［11］通过OPNET软件对Link11数据链进行仿真研究，以及对节点模型和进程模型进行建模仿真，基本实现了Link11数据链的组网和性能要求。上述仿真都是在确定的背景条件下进行仿真，仿真场景处于一个相对封闭的非定时模拟时钟的虚拟环境，一旦确定了场景的模型，这个模型就
不可以在仿真过程中进行修改。在这种场景下，虽然能对Link11战术数据链的功能和性能进行测试，但是其在一定程度上忽略了战场的多变性，同时也忽略了实时的人为干预对模型的影响。
通过引入半实物仿真的方法，将真实设备连通至虚拟仿真场景中，使得真实设备的实际性能在网络仿真中得到体现，可以保证仿真的真实性和精确性。大型军用网络的研究工作广泛采用了网络半实物仿真技术。文献［12］讨论了半实物仿真系统的构建原则，并基于QualNet仿真软件构建了网络半实物仿真原型系统；进而采用此半实物仿真系统对OLSR路由协议进行了仿真实验，实验结果表明通过网络半实物仿真技术，可以直观地研究网络协议在战场通信环境下的工作性能。采用类似的方法，文献［13］为联合战术无线电系统构建了模块化和可评估仿真环境，为战术通信网络中文件传输、网页访问、视频监控、语音通话等应用提供了测试环境。文献［14］基于OPNET软件，采用半实物仿真技术将真实指令控制信息系统C2IS设备接入软件虚拟网络，用来实现战斗人员的训练任务。
在战术互联网实际研发过程中，对数据链电台样机通过测试后方可进行大批量的部署，半实物仿真将原理样机接入虚拟网络，实现真实节点（或网络）与虚拟网络灵活、高效的无缝连接，便可方便地测试原理样机的扩展性、互操作性以及兼容性问题。然而，实际通信设备和虚拟通信节点必须预先分配一对一映射。因此，当扩大数据链系统仿真的规模时，大量的数据链真实电台接入，对仿真系统的硬件资源成本要求过高。虚拟机由于配置灵活、代替性强等特点，成为解决大规模仿真中硬件资源限制问题的有效解决方法。如何在Link11战术数据链中将虚拟机与网络半实物仿真结合起来，研究动态对抗中大规模网
络仿真电台的应用特性及参数，成为当下的迫切需求。
本文针对战术数据链大规模网络半实物仿真的局限，提出一种融合虚拟机和QualNet的Link11数据链半实物仿真架构，设计并开发了面向VMware 的Link11数据链电台模型、Link11数据链动态仿真交互接口，定义了真实数据包与虚拟数据包的转换规则，实现了仿真过程中对多个虚拟Link11数据链节点的可视化仿真模型参数查看、行为和状态控制等功能。随着仿真网络规模的扩大，该方法可有效地降低仿真的负担与开销。同时，通过引入虚拟机运行数字模型替代真实设备，可以在保证网络仿真精度前提下有效地降低所需的硬件成本，为战术数据链大规模网络半实物仿真与测试提供技术支撑。
1基于QualNet的Link11仿真分析与设计
1.1Link11关键技术分析
Link11是一条用于交换战术数据的半双工数据链，在海陆空平台间进行信息交互，利用轮询组网、常规链路波形以及差分正交相移键控调制技术，其传输速率为2400bit/s.工作频段为2~30MHz 或225~400MHz.Link11主要用于舰船之间、舰船与飞机之间、舰队与岸上指挥之间的情报交换［15］，如图1所示。
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兵工学报第41卷
数据网络控制站
图1Link11通信示意图
Fig.1Schematic diagram of Link11communication
Link11使用战术数据信息数据链A的数据格式，主要使用高频传输，在视距范围内可使用超高频频段实现各种作战平台的联通。Link11设备只安装在能处理并显示作战态势及目标信息的平台，并利用各种现役高频（HF）、超高频（UHF）电台进行轮询协议组网，数据速率一般不高于2500bit/s】16】.
Link11通过标准信息格式在子数据系统之间进行信息交换，通过时分多路复用方式共享同一频谱，首先将传感器产生的数字信息传入存储处理器，并通过HF和UHF无线设备发送给其他用户，以此使用户可共享战术态势信息。Link11采用轮询呼叫（poll call）工作方式，该方式指定一个数据网络控制站（NCS），其他节点为从属参与单元节点（PU）.
以4节点Link11网络为例，如图2所示。Link11所有节点具有唯一地址码，用于识别网络节点。每个时间段只有一个节点可处于发送状态，不发送的节点对当前网络进行监测、接收广播信息。NCS作为中心节点负责调控节点轮询顺序，对网络传输进行管理，对所有的地址码建立寻呼序列。每个节点在序列中会
被分配一个时隙，节点时隙互不干扰。NCS节点广播发送轮询报文，呼叫当前序列节点（如PU1）进行数据传输。该轮询报文会被所有节点接收，并被上传到战术计算机，计算机对报文地址码与本地地址码进行比较,PU1发现二者一致，则将自身的状态改为发送状态。PU1若有战术数据需要传输，则该战术数据和目的地址码会被加到应答报文中，同时将应答报文在网内广播。所有其他节点（NCS、PU2、PU3）将会接收到该应答信息，并将其上传到战术计算机。如果PU1要发送的数据过大、超过了当前时隙允许，则PU1停止发送并等待下次允许PU1发送时隙到来。如果PU1没有数据发送，则发送相应应答报文。PU1应答完毕后,NCS 状态改为发送状态，并询问序列的下一个节点（如PU2）,PU2重复上述过程。所有节点都被询问一遍后,NCS对信息进行汇总并广播发送，如此便实现了网内战术信息共享。最后NCS开启新一轮询问，并重复上述过程。
图2Link11轮询网络
Fig.2Polling network of Link11
1.2QualNet中Link11MAC模型设计与实现
Link11将节点分为数据网络控制站NCS和前从属参与单元节点PU，采用时分多路复用技术来共享一个共同的频率谱，其主要工作方式为NCS通过点名轮询PU.仿真平台中Link11模型的工作流程如图3所示。
图3Link11工作流程
Fig.3Workflow of Link11
1.2.1节点初始化
Link11初始化流程如图4所示。Link11初始化完成对Link11数据结构内的各变量进行初始化并为其分配内存，读取配置参数，包括DataRate（数据速率）、RxSNRThreshold（接收信噪比阈值）、Phy-Type（物理层类型）等，为各类事件分配时隙，对各节点进行初始化等工作。节点初始化对节点变量进
增刊 2基于VMware 的Linkll 数据链半实物仿真技术
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行初始化,NCS 节点读取轮询表类型，如果轮询表类 型为“Serial ”，则按子网内节点顺序定义轮询表，如
果轮询表类型为“User  Specified 冶 ，则读取用户定义
的轮询表；然后开始PU 节点的询问。
PUs
NCS
User  Specified
Serial
按子网内节点 顺序定义轮询表
初始化各变量
读取D ataRate 读取R xSNRThreshold 读取P hyType
时隙分配
初始化Linkll
读取用户 定义轮询表
节点初始化
初始化各变量
节点初始化
开始PU  Call  Up
读取轮询表类型
初始化各变量图4 Linkll 初始化流程Fig. 4 Initialization  process  of  Linkl  1
1.2.2时隙分配
Linkll 各事件类型分配的时隙包括：
1） 为NCS 询问PU 节点（PU  Call  Up ）分配 2帧；
2） 为NCS 等待回复分配15帧；
3） 为 PU  回复（ PU  Response ） 分配 2 帧;
4） 为NCS 发送信息数据（NCS  Report ）分配2帧。
NCS
~开始PU  Call  Up ~ 并记录当前时间
时隙分配流程如图5所示
NCS  Report 分配2帧
NCS 等待回应分配15帧
PU 回复分配2帧
时隙分配
NCS 询问分配2帧
图5 Linkl  1时隙分配流程
Fig. 5 Time  slot  allocation  process  of  Link11
1. 2. 3 NCS 轮询PU 节点
Linkll  NCS 询问PU 流程如图6所示。NCS 开
始轮询工作，记录当前时间，按轮询表顺序创建Call
Up  message  （包含要发送的前哨站的地址码）并发送
给PU 节点。所有PU 节点均接受该信息，读取目的
地址并与自己的地址比较，识别了目的地址与自己 地址一致的节点转换到发送状态，回复PU  Response  message ，在回复信息中发送自己的战术数据，其他
PU 节点接收该信息并上传到APP 层，NCS 节点接
收该信息并上传到APP 层，开始下一个节点的呼叫
（若NCS 在规定时间内即15虬未收到PU 的回复
虚拟机上网信息，则重新发送一次Call  Up  message ；若在规定时
PUs
按轮询顺序创建Call  Up  message 并传送给 所有PU 节点（若在 规定时间内未收到 回复则再次发送， 若还未收到回复， 则开始下个PU  节点的询问）
传输
Call  Up  message  -------------------------1读取目的地址I
Y
断目白N  ,
麵址是否与自己白丢弃数据|
也址
接收并上传至APP  !•
传输
PU  Response  message
Y
开始PU  Response
按轮询顺序开始下一个
PU 节点的询问传输PU  Response  给其他PU 节点Y
其他PU 节点接收 并上传给APP
N
| NCS  Report  |
图6 Linkll  NCS 询问PU 流程Fig. 6 Process  of  NCS  asking  PU  in  Linkll
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兵工学报
第 41 卷
间内再次未收到回复信息，则开始按轮询顺序进行 下一个PU 节点的呼叫）；若轮询表中存在下一个节
点，则继续按上述过程进行PU  Call  Up，否则开始 NCS  Report ・
1.2.4 NCS 发送信息数据
Link11 NCS 发送信息数据流程如图7所示。 NCS 节点创建NCS  Report，并发送给所有PU 节点。
PU 节点接收NCS  Report 信息，判断该NCS 节点是否
为自己所属的NCS ，如果是则将数据上传给APP 层,
否则丢弃数据。NCS 节点记录当前时间，计算一轮轮
询所需时间，更新轮询轮数，并开始新一轮的轮询。
图7 Link11 NCS 发送信息数据流程Fig. 7 Process  of  NCS  sending  information
data  in  Link11
1. 2. 5终止化
终止化阶段负责输出统计信息，释放内存空间。
2基于VMware 的战术数据链动态仿真
2.1基于VMware 的Link11半实物仿真框架
为了实现基于虚拟机VMware 的Link11战术数
据链联合仿真，设计数据交互框架，如图8所示。利 用QualNet 生成Link11数据链的虚拟网络场景，在 虚拟机中，运行Link11数字电台交互模型，每个 数字电台交互模型分配一个节点标识，并与虚拟网 络场景中的虚拟节点形成一对一映射。 其中 , 虚拟 机中的每一台设备都要保证与运行QualNet 的仿
真服务器位于同一子网中。
QualNet 和虚拟机数字电台交互模型信息交互
的过程为：1）假设虚拟机上运行的Link11数字电台
交互模型生成报文消息并要传输至QualNet 仿真的
Link11虚拟网络中;2）数字电台交互模型会调用开
发的动态交互接口，并按照接口中定义的数据包格
式封装消息，通过虚拟网桥传输至主机网卡，并运行
真实网络有线传输;3）仿真服务器捕获在网卡上通 过它的所有数据包，调用动态交互接口，提取订阅的
数据包，并在数字电台交互模型映射的虚拟节点应
用层处将消息注入到Link11虚拟网络中，按照
Link11报文格式在虚拟网络中进行传输。
=真实包 mu 虚拟包
虚拟机
真实信息交互
图8 面向VMware 的Link11数据交互框架Fig. 8 Link11 data  interaction  framework  for  VMware
2.2动态交互接口设计
Net 之间接口拟采用RTI 公司发布的的数据分发服
Link11数字电台交互界面与网络仿真器Qual-
务中间件（RTIDDS ）进行开发,
用于实现模块之间的

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