摘 要：戰術數據鏈在現代戰爭中的作用日益突出，尤其是美軍數據鏈系統的發展一直走在世界前列，對其進行深入研究，對于發展新型數據鏈具有十分重要的現實意義。本文通過分析美軍數據鏈的基本特點及技術標準，初步探討了建立數據鏈監視系統的必要性和可行性，并給出了相應的實現方案，包括系統原理、結構組成及功能，重點給出了基于以太網的數據鏈監視系統的軟件設計和實現方法。 關鍵字：數據鏈 以太網 監視 捕包 解碼 1 引言 　　戰術數據鏈是一種按規定的消息格式和通信協議利用各種先進的調制解調技術、糾錯編碼技術、組網通信技術和信息融合技術以面向位的方式實時傳輸格式化數字信息的數據通信系統。美軍數據鏈系統的發展一直走在世界前列，對其進行綜合研究，設計建立以太網監視系統，對于發展新型數據鏈具有十分重要的現實意義。 2 美軍戰術數據鏈 　　美軍數據鏈研究從20世紀50年代開始。半個多世紀以來，美國和西方各國已連續發展各類數據鏈幾十種，目前仍在服役的還有十余種。主要數據鏈如下表所示。 　　表1 美軍主要數據鏈 　　通過對美軍數據鏈的研究，不難發現其具有消息格式多樣、應用平臺廣泛、支持業務種類多、鏈路容量大、傳輸速率高等特點。 3 數據鏈以太網監視系統設計 　　3.1 系統功能需求 　　現代戰爭所需要的數據鏈系統，是一個能聯系分布在海陸空天電的各類平臺和傳感器、數據處理和指揮控制單元，以及各作戰部隊的數據網絡，這個網絡把各指揮系統和作戰部隊有機地組織起來，形成信息優勢和作戰優勢。從這種意義上說，建立一個通過計算機實時采集、監視、記錄、分析鏈路傳輸的數據，并以數據格式顯示，以保障數據鏈消息可靠、高效、無沖突傳輸的監視系統十分必要。 　　因而設計以太網監視系統應當具有以下功能： 　　1、數據采集：具備以太網上多路接口報文捕獲功能; 　　2、解碼、顯示：解碼并根據用戶需要采用各種圖、表顯示數據和分析結果; 　　3、數據處理：對收到的數據包，根據類型、大小、內容等屬性分類、統計、分析、存儲、回放; 　　4、數據過濾：在采集、顯示、統計時，根據需要設置一定的過濾條件。 　　3.2 系統方案設計 　　數據鏈終端設備主要由數據處理器、聯合信息分配系統終端、天線等部分組成，根據需要可配置在各軍兵種不同級別的指揮平臺上，其組成如圖1（數據鏈終端部分）所示 ： [align=center] 圖1　數據鏈終端及以太網監視系統結構框圖[/align] 　　數據處理器是數據鏈終端設備的核心,相當于一個翻譯器, 所有流經數據鏈的數據包都必經它的處理，因而將數據處理器所連接的交換機端口鏡像到網絡監視系統所連接的端口，采集所有數據處理器進出的信息，就可以達到監視數據鏈鏈路的目的。根據上述思想設計監視系統如圖1所示。 　　系統的基本工作流程描述如下: 　　（1）捕包子系統截獲鏡像端口上傳輸的數據包，存儲到數據庫中，并送解碼分析子系統處理; 　　（2）解碼分析子系統實時讀取截獲的數據包，解析數據包的源地址、目的地址、端口信息、協議信息等信息元素和數據包中攜帶的指揮信息、態勢信息等作戰元素，并根據數據包類型、大小、內容等屬性進行分類、統計、分析; 　　（3）顯示子系統實時顯示解碼分析子系統解碼得到的各類信息元素和作戰元素; 　　（4）當用戶通過顯示子系統的交互界面回放歷史數據時，顯示子系統從數據庫中取出所調數據包，送解碼分析子系統解碼后顯示。 4 數據鏈以太網監視系統實現 　　數據鏈以太網監視系統分為捕包、解碼分析、顯示三個子系統實現，本文在Windows2000平臺下基于Visual C++ 6.0設計開發。對于顯示子系統，目前實現技術已較成熟，本文將重點討論捕包和解碼分析子系統。 　　4.1 網絡捕包 　　基于NDIS的核心態包過濾技術具有較高的結構性和可擴展性，其中間層驅動程序處于Miniport驅動程序（數據鏈路層）和Protocol驅動程序（網絡層）之間，所有發送到網絡和從網絡接收的數據包都要由此通過,因此中間層驅動程序可以對所有網絡數據包進行過濾和處理 。故NDIS中間層驅動程序是實現以太網監視的理想選擇。 　　本文使用微軟的驅動程序開發包DDK進行NDIS中間層驅動程序編程。具體流程為： 　　（1）NDIS驅動程序在主入口函數DirverEntry中調 用 NdisMinitializeWrapper函數注冊輸出函數集入口，得到設備句柄; 　　（2）輸入（1）得到的句柄調用NdisIMRegisterLayeredMiniport，為NDIS中間層驅動程序注冊一套Miniport回調函數，這樣上層Protocol協議就認為中間層驅動程序是網卡，并通過NDIS庫調用這些回調函數; 　　（3）調用NdisRegisterProtocol，為NDIS中間層驅動程序注冊一套Protocol回調函數，這樣下層網卡就認為中間層驅動程序是一個協議，并通過NDIS庫調用這些函數; 　　（4）當操作系統發現NIC時，NDIS調用中間層驅動程序注冊的ProtocolAdapterBind函數，該函數內部需要調用NdisOpenAdapt打開適配器，保證了網卡和中間層的綁定關系; 　　（5）調用PtReceivePacket接收網卡收到的數據包; 　　（6）數據包與所設置過濾規則進行比較，不滿足規則時調用函數返回NDIS_STATUS_NOT_ACCEPTED，該宏在ndis.h中定義，這樣就結束了本接收函數的調用。 　　針對戰術數據鏈特殊的應用需求，保證監視系統穩定、高效運行十分重要。然而，傳統的NDIS中間層驅動捕包算法在入口點對應的函數直接對數據包進行處理，當數據量很大時，會耗盡NIC驅動程序的接收緩沖區空間，造成輸入輸出阻塞，降低下層NIC從網絡中接收數據包的能力，嚴重影響系統性能 。為了提高系統的處理效率，在對網絡適配器進行操作時，應確保系統在網絡適配器的接口系統中擁有足夠的緩沖區，中間層驅動程序不在入口點對應的函數里對數據包直接進行處理，而是調用PtReceivePacket接收后直接送入預留的內存緩沖區，等候上層程序處理，并盡快返回函數。采用這種處理方案，不僅防止了阻塞產生，同時使得數據包捕獲和上層程序處理并行工作，提高了網絡捕包的效率。 　　根據上述思想，中間層驅動程序初始化時首先建立接收數據包的內存緩沖區隊列、發送數據包的內存緩沖區隊列各一個，建立一個內核線程;當發送數據包隊列中有數據需要處理時通知內核線程，將下層輸入的數據包緩存在接收數據包的內存緩沖區;當上層程序空閑時，通知內核線程讀取內存緩沖區中的數據包，釋放被占用的接收緩沖區空間。算法描述流程如圖2： [align=center] 圖2 網絡捕包算法流程圖[/align] 　　4.2 解碼分析 　　通過網絡捕包，得到了數據鏈鏈路上所有用戶關心的數據包，面對這些數據包，必須解碼分析，才能將有用信息傳遞給用戶。然而數據鏈系統體制各異，協議格式多樣，單一解碼機制不適用，需要一個對各種協議格式通用的解碼模型。另一方面，數據鏈監視系統特殊的應用需求不僅要求解碼分析子系統將數據包的源地址、目的地址、端口信息、協議信息等信息元素解碼顯示，更主要的還要將數據包攜帶的指揮信息、態勢信息等作戰信息解碼顯示。 　　首先對所捕獲數據包的信息元素解碼。解碼分析子系統從捕包子系統讀取的數據包是以太網幀，要對其解碼分析，必須了解以太網幀的幀結構（如圖3所示）。數據在網絡上傳輸時被從應用程序傳送到一個協議棧上，當數據在棧上一層一層地向下傳送時，每一層的相應協議把上一層傳送下來的數據封裝為自己的格式，詳細請參考《TCP/IP詳解》 。數據包解碼就是通過這些格式來獲取地址信息、端口信息、包類型信息等信息元素。 [align=center] 圖3 以太網幀結構[/align] 　　通過上述解碼得到應用數據段。采用面向比特型報文是美軍戰術數據鏈報文最突出的特點之一。數據鏈以太網中應用程序（主要是各種數據鏈協議）將作戰信息和報頭封裝為應用數據。每個報文含有一條或多條消息，每條消息又含有一個或多個消息字，戰術信息按消息格式封裝在消息字中 。消息格式因采用的數據鏈不同而異。 　　本文建立基于數據鏈消息標準描述數據庫的XML數據描述文件，以函數調用接口的方式提供用戶使用。消息字中的作戰信息在邏輯意義上分為各個元素，解碼時以元素為最小解碼單元。開始解碼時，解碼模型提取消息系列標識和消息標識，即所解碼數據鏈的消息格式和當前解碼消息的標號，與XML數據描述文件中的消息數據庫相比對，進行消息解碼。采用XML文件，便于消息標準的修訂，當標準修訂后，只需修改XML文件，不需修改解碼源程序就可適應實際需求，大大簡化了系統的實現和維護。具體算法流程如圖4： [align=center] 圖4 作戰信息解碼算法流程圖[/align] 5 結論 　　本文作者創新點：通過對美軍數據鏈技術標準的分析研究，結合軍事需求，設計提出了基于以太網的數據鏈監視系統，從具體實現的角度，應用功能強大、發展前景很好的NDIS中間層驅動程序實現捕包，并在性能上做了優化;采用基于數據鏈消息標準描述數據庫的XML數據描述模型實現各種戰術消息的解碼。本文所提出系統對數據鏈的進一步開發有很好的參考價值和現實意義： 　　1、可提高數據鏈整體規劃設計的效率，為聯調中系統測試和性能測試提供可靠有力的技術支撐; 　　2、部隊實現數傳指揮后，通過監視系統的實時顯示和數據回放功能，可分析研究各作戰單元與指揮控制單元間的協同配合，有利于及時發現問題，提高日常訓練效果，保障戰時鏈路可靠; 　　3、以可視化的圖形窗口、靈活的交互界面顯示用戶關心的數據包信息及鏈路信息，便于網絡管理者、操作者的交互操作。 　　基于以太網的數據鏈監視系統開發是一項非常復雜的工作，特別還要考慮數據鏈協同互聯問題和系統可靠性問題，今后將在協同互聯和可靠性上做進一步研究。 參考文獻 　　1 黃烈炎,魏蛟龍.美軍數據鏈建設及啟示.艦船電子工程,Vol.25,No.2,2005:29-32 　　2 劉紅軍,徐永勝.美軍戰術數據鏈報文格式及其特點.中國電子科學研究院學報,Vol.1,No.3,2006:291-295 　　3 Stevens W R.TCP/IP詳解.北京:機械工業出版社,2000 　　4 Microsoft DDK For Windows 2000文檔,2000（8） 　　5 Microsoft Co.Windows 2000 驅動程序開發大全:第一卷 設計指南[M].馮博琴譯.北京:機械工業出版社,2001 　　6 侯功華,趙遠東.基于NDIS中間層的包過濾的研究與設計.微計算機信息,2006,12-3:141-143